核糖體學(xué)習(xí)課件

核糖體學(xué)習(xí)課件第1頁(yè)/共36頁(yè)美國(guó)科學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南、托馬斯·施泰茨和以色列科學(xué)家阿達(dá)·約納特因?qū)Α昂颂求w的結(jié)構(gòu)和功能”研究的貢獻(xiàn)而獲得2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第2頁(yè)/共35頁(yè)第2頁(yè)/共36頁(yè)第一節(jié)核糖體的類型與結(jié)構(gòu)

核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精確地合成多肽鏈。核糖體的基本類型與成分

核糖體的結(jié)構(gòu)

核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析

第3頁(yè)/共35頁(yè)第3頁(yè)/共36頁(yè)一、核糖體的基本類型與成分核糖核蛋白體,簡(jiǎn)稱核糖體(ribosome) 基本類型 附著核糖體 游離核糖體 70S的核糖體 80S的核糖體第4頁(yè)/共35頁(yè)第4頁(yè)/共36頁(yè) 主要成分 r蛋白質(zhì)：30%，核糖體表面

rRNA:70%，核糖體內(nèi)部由大小兩個(gè)亞基構(gòu)成，只在以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)時(shí)才結(jié)合在一起，肽鏈合成終止后，大小亞單位又解離。第5頁(yè)/共35頁(yè)第5頁(yè)/共36頁(yè)Mg2+

濃度對(duì)大小亞基的聚合和解離的影響:◆70S核糖體在Mg2+的濃度小于1mm/L的溶液中易解離;◆當(dāng)Mg2+

濃度大于10mm/L,兩個(gè)核糖體通常形成100S的二聚體。

第6頁(yè)/共35頁(yè)第6頁(yè)/共36頁(yè)第7頁(yè)/共35頁(yè)第7頁(yè)/共36頁(yè)二、核糖體的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能的分析方法

蛋白質(zhì)合成過(guò)程中很多重要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)

第8頁(yè)/共35頁(yè)第8頁(yè)/共36頁(yè)雙向電泳技術(shù)可顯示出E.coli核糖體在裝配各階段中，與rRNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究r蛋白在結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系

電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究r蛋白在核糖體的亞單位上的定位。對(duì)rRNA，特別是對(duì)16SrRNA結(jié)構(gòu)的研究

70S核糖體的小亞單位中rRNA與全部的r蛋白關(guān)系的空間模型

1.結(jié)構(gòu)與功能的分析方法第9頁(yè)/共35頁(yè)第9頁(yè)/共36頁(yè)離子交換樹(shù)脂可分離純化各種r蛋白；純化的r蛋白與純化的rRNA進(jìn)行核糖體的重組裝，顯示核糖體中r蛋白與rRNA的結(jié)構(gòu)關(guān)系E.coli核糖體16S小亞單位中rRNA與r蛋白的相互關(guān)系示意圖線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)（粗線）與弱（細(xì)線）（引自Albertsetal，1989）第10頁(yè)/共35頁(yè)第10頁(yè)/共36頁(yè)

E.coli（a）核糖體小亞單位中的部分r蛋白與rRNA的結(jié)合位點(diǎn)）（b）及其在小亞單位上的部位

第11頁(yè)/共35頁(yè)第11頁(yè)/共36頁(yè)核糖體小亞單位rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)(a)E.coli16SrRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b)酵母菌18SrRNA，它們都具有類似的40個(gè)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(圖中1～40)，其長(zhǎng)度和位置往往非常保守；P、E分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)。第12頁(yè)/共35頁(yè)第12頁(yè)/共36頁(yè)2.核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)核糖體蛋白通常定位在核糖體表面，或填充于rRNA之間的縫隙。核糖體蛋白大多有一個(gè)球形結(jié)構(gòu)域和伸展的尾部。球形結(jié)構(gòu)域分布于表面，尾部伸展于rRNA分子中。蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后層次性。核糖體在組裝過(guò)程中,某些蛋白質(zhì)必須首先結(jié)合到rRNA上,其他蛋白才能組裝上去即表現(xiàn)出先后層次。核糖體蛋白本身不參與將遺傳信息變成蛋白質(zhì)的反應(yīng)。

第13頁(yè)/共35頁(yè)第13頁(yè)/共36頁(yè)3.核糖體rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)16SrRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的。16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性：多個(gè)莖環(huán)所組成的結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)

rRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定涉及多種作用力。第14頁(yè)/共35頁(yè)第14頁(yè)/共36頁(yè)L11-rRNA復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)第15頁(yè)/共35頁(yè)第15頁(yè)/共36頁(yè)三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析

核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)

在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究

第16頁(yè)/共35頁(yè)第16頁(yè)/共36頁(yè)

1.核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)

合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)：16SrRNA的3’端。與新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——氨?；稽c(diǎn)，又稱A位點(diǎn)與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——肽?；稽c(diǎn)，又稱P位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——E位點(diǎn)(exitsite)與肽酰tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶

(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)：最主要的活性部位。與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)第17頁(yè)/共35頁(yè)第17頁(yè)/共36頁(yè)第18頁(yè)/共35頁(yè)第18頁(yè)/共36頁(yè)對(duì)蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究核糖體蛋白

在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分r蛋白質(zhì)的主要功能

第19頁(yè)/共35頁(yè)第19頁(yè)/共36頁(yè)核糖體蛋白很難確定哪一種蛋白具有催化功能：在E.coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白質(zhì)合成并沒(méi)有表現(xiàn)出“全”或“無(wú)”的影響。多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由于r蛋白的基因突變而往往是rRNA基因突變。在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中rRNA的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。

23SrRNA具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性第20頁(yè)/共35頁(yè)第20頁(yè)/共36頁(yè)2.核糖體中rRNA的主要作用具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)(A位點(diǎn)、P位點(diǎn)和E位點(diǎn))；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同mRNA選擇性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合；核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無(wú)意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與rRNA有關(guān)。在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分第21頁(yè)/共35頁(yè)第21頁(yè)/共36頁(yè)3.r蛋白質(zhì)的主要功能對(duì)rRNA折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；在蛋白質(zhì)合成中,某些r蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象起“微調(diào)”作用；在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中,核糖體蛋白與rRNA共同行使功能。第22頁(yè)/共35頁(yè)第22頁(yè)/共36頁(yè)第二節(jié)多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體(polyribosome或polysome)

蛋白質(zhì)的合成

RNA在生命起源中的地位及其演化過(guò)程

第23頁(yè)/共35頁(yè)第23頁(yè)/共36頁(yè)一、多聚核糖體概念核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進(jìn)行肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。

第24頁(yè)/共35頁(yè)第24頁(yè)/共36頁(yè)第25頁(yè)/共35頁(yè)第25頁(yè)/共36頁(yè)多聚核糖體的生物學(xué)意義 細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小或是mRNA的長(zhǎng)短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子數(shù)目都大體相等。 以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)mRNA的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。第26頁(yè)/共35頁(yè)第26頁(yè)/共36頁(yè)二、蛋白質(zhì)的合成

第27頁(yè)/共35頁(yè)第27頁(yè)/共36頁(yè)（一）肽鏈的起始1.30S小亞基與mRNA的結(jié)合30S小亞基與mRNA的起始密碼子AUG結(jié)合。AUG上游5-10bp處有SD序列，能與16SrRNA3’端堿基序列互補(bǔ)結(jié)合。有起始因子IF的幫助。2.第一個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體甲酰甲硫氨酸的tRNA與AUG識(shí)別，進(jìn)入核糖體。3.完成起始復(fù)合物的組裝第28頁(yè)/共35頁(yè)第28頁(yè)/共36頁(yè)（二）肽鏈的延伸1.氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體A位點(diǎn)的選擇2.肽鍵的形成A位點(diǎn)氨酰-tRNA氨基酸的氨基與P位點(diǎn)tRNA的氨基酸的羧基形成肽鍵。由肽酰轉(zhuǎn)移酶催化。3.轉(zhuǎn)位4.脫氨酰-tRNA的釋放（三）肽鏈的終止A位點(diǎn)mRNA是UAA、UGA、UAG終止密碼子。新生多肽通過(guò)肽通道進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。第29頁(yè)/共35頁(yè)第29頁(yè)/共36頁(yè)1.氨酰tRNA分子結(jié)合到核糖體A位點(diǎn)；2.肽酰轉(zhuǎn)移酶催化形成新的多肽；3.核糖體小亞單位沿mRNA由5’-3’準(zhǔn)確移動(dòng)3個(gè)核苷酸的距離，E位點(diǎn)tRNA從核糖體釋放，另一氨酰tRNA分子結(jié)合到核糖體A位點(diǎn)。第30頁(yè)/共35頁(yè)第30頁(yè)/共36頁(yè)三、RNA在生命起源中的地位及其演化過(guò)程生命是自我復(fù)制的體系

DNA代替了RNA的遺傳信息功能蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能

第31頁(yè)/共35頁(yè)第31頁(yè)/共36頁(yè)生命是自我復(fù)制的體系三種生物大分子，只有RNA既具有信息載體功能又具有酶的催化功能。因此，推測(cè)RNA

可能是生命起源中最早的生物大分子。核酶(ribosome)：具有催化作用的RNA。由RNA催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)第32頁(yè)/共35頁(yè)第32頁(yè)/共36頁(yè)DNA代替了RNA的遺傳信息功能DNA雙鏈比RNA單鏈穩(wěn)定；

DNA鏈中胸腺嘧啶代替了RNA鏈中的