《細胞生物學(xué)》核糖體與核酶自習(xí)報告

核糖體與核酶引言：1.核糖體（ribosome）是細胞內(nèi)的一種核糖蛋白顆粒，其唯一的功能是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質(zhì)多肽鏈，所以核糖體是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子機器。6.1核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.核酶是具有催化活性的反義RNA6.1.1核糖體的類型和化學(xué)組成6.1.1.1核糖體的類型和大小核糖體有種類型：細胞質(zhì)核糖體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體核糖體分為：真核生物核糖體和原核生物核糖體核糖體由大小兩個不同的亞基組成，在不進行蛋白質(zhì)合成時是分開的，各自游離在細胞質(zhì)中，在進行蛋白質(zhì)合成時結(jié)合在一起在真核細胞中，核糖體在進行蛋白質(zhì)合成時：1.游離在細胞質(zhì)中稱游離核糖體2.附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的表面，稱膜旁核糖體或附著核糖體。6.1.1.2核糖體的化學(xué)組成核糖體的大小兩個亞基都是由核糖體RNA（rRNA）和核糖體蛋白質(zhì)組成。6.1.2核糖體的蛋白質(zhì)與rRNA6.1.2.1核糖體蛋白E.coli核糖體21個小亞基，為S1~S21,大亞基的核糖體蛋白命名為L1~L336.1.2.2核糖體rRNA30S核糖體亞基的形態(tài)主要是由16SrRNA決定的6.1.3細菌核糖體的結(jié)構(gòu)模型S4、S5、S8、S12等4個蛋白定位在核糖體的小亞基上，并且是背向大亞基。小亞基中確定了與信使RNA（mRNA）和轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）結(jié)合位點催化肽鍵形成的位點位于大亞基，和GTP水解的功能區(qū)6.2核糖體的生物發(fā)生在細胞內(nèi)，核糖體是自我裝配的。核糖體的生物發(fā)生包括蛋白質(zhì)和rRNA的合成、核糖體亞基的組裝等。6.2.1核糖體rRNA基因的轉(zhuǎn)錄與加工編碼核糖體的基因分為兩類：一類是編碼蛋白質(zhì)的基因，另一類是rRNA基因6.2.1.1編碼rRNA基因的過量擴增細胞為了滿足大量需求的rRNA，在進化的過程中形成了一種機制：增加編碼rRNA基因的拷貝數(shù)。增加拷貝數(shù)有兩種方法：1.在染色體上增加rRNA基因的拷貝數(shù)2.通過基因擴增6.2.1.2真核生物18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因在真核生物的染色體中，18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因是串聯(lián)在一起的，每個基因被間隔區(qū)隔開，5SrRNA基因位于不同的染色體上。在間期核中，所有這五條染色體rRNA基因區(qū)域，轉(zhuǎn)錄時聚集在一起，形成一個核仁。6.2.1.3真核生物18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因轉(zhuǎn)錄與加工真核生物參加rRNA基因轉(zhuǎn)錄的酶是RNA聚合酶I。6.2.1.4真核生物前rRNA的修飾前rRNA有兩個獨特的特點：1.含有大量的甲基化的核苷2.具有很多假鳥苷甲基化的主要部位在核糖體第二位的羥基上，甲基化可能對加工起引導(dǎo)作用前rRNA的修飾可能有利于rRNA的正確折疊一集與別的分子正確的相互作用6.2.1.55SrRNA基因的轉(zhuǎn)錄與加工5SrRNA基因是由RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的，原初轉(zhuǎn)錄的5`端與成熟的5SrRNA的5`端完全相同RNA聚合酶III通常是與位于轉(zhuǎn)錄部分內(nèi)的啟動子結(jié)合，而不是與轉(zhuǎn)錄其實位點上游的啟動子結(jié)合。6.2.1.6原核生物rRNA基因及轉(zhuǎn)錄原核生物與真核生物rRNA基因在組織結(jié)構(gòu)上的差異：在基因的重復(fù)次數(shù)上，真核生物的rRNA基因重復(fù)的次數(shù)相當高，而原核生物的rRNA基因的重復(fù)次數(shù)卻很少。在真核生物中編碼5SrRNA的基因位于不同的染色體上，而細菌的5SrRNA基因與另外兩種rRNA基因組成一個轉(zhuǎn)錄單位，它們在染色體上的排列順序是16S-23S-5S。2.通過核酸酶III（RNaseIII）突變體的研究證明原核生物的3鐘rRNA位于一個原初轉(zhuǎn)錄物中。3.在細菌中核酸酶III不是參與前rRNA加工的惟一的酶，還需要其他一些酶核酸酶參加，如果缺少其他一些酶，就不能得到正確大小的rRNA。6.2.1核糖體rRNA基因的轉(zhuǎn)錄與加工真核生物核糖體亞基的裝配地點，原核生物核糖體亞基的裝配則在細胞質(zhì)中。6.2.2.1核糖體亞基的自我裝配Nomura實驗表明：核糖體是一種自組裝的結(jié)構(gòu)，即沒有樣板貨親體結(jié)構(gòu)所組成的結(jié)構(gòu)。但是在組裝的過程中，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。即組裝有先后順序。小亞基在裝配的起始，一些蛋白能獨立地與16SrRNA結(jié)合，裝配的中間物為其他蛋白的結(jié)合提供了架構(gòu)。中間體必須經(jīng)過構(gòu)型的變化才能與其他蛋白結(jié)合。30S亞基上的蛋白分為三類：開始裝配所必需的蛋白質(zhì)，它們先和rRNA特定區(qū)段結(jié)合，形成核糖體亞基的核心。結(jié)合后可與后一批蛋白提供結(jié)合位點非30S亞基形成所必需，但卻是顯示其活性所必須的。6.2.2.2原核生物核糖體重組實驗1.核糖體重組：指將不同源的核糖體大小亞基貨不同亞基的rRNA或蛋白質(zhì)重新組合，形成雜合的核糖體后研究其功能。6.2.2.3真核生物核糖體在核仁中裝配1.組成核糖體的18S、5.8S、28SrRNA在核仁中邊轉(zhuǎn)錄邊參與核糖體亞基的裝配，5SrRNA卻是在細胞核中轉(zhuǎn)錄后送到核仁中參與核糖體亞基的裝配。6.3核糖體的功能——蛋白質(zhì)的合成1.核糖體的功能是進行蛋白質(zhì)合成，在核糖體上合成的只是蛋白質(zhì)的一集結(jié)構(gòu)。2.合成方向是5’到3’6.3.1核糖體的功能位點1.核糖體功能位點中有4種與RNA分子結(jié)合的位點，其中一個是與mRNA結(jié)合的位點，另3個是與tRNA結(jié)合的位點。2.A位點：即氨?；稽c，是與新?lián)饺氲陌滨；鵷RNA結(jié)合的位點，又叫受位。主要位于大亞基，是接受tRNA的部位。3.P位點，即肽酰tRNA位點，又叫供位，主要位于大亞基，是肽基tRNA移交肽鏈后肽酰tRNA所占據(jù)的位置，即子延伸中與tRNA結(jié)合位點4.E位點：是脫氨酰tRNA離開P位點到完全從核糖體釋放出來的一個中間停靠位點。6.3.2蛋白質(zhì)合成的基本過程在核糖體上合成多肽鏈，分為3步：鏈的起始、鏈的延伸、鏈的終止。6.3.2.1蛋白質(zhì)合成的起始蛋白質(zhì)合成起始涉及mRNA、起始tRNA和核糖體小亞基之間相互用，最后裝配成完整的核糖體。起始過程分三步：1.30S亞基與mRNA的結(jié)合：mRNA不能與完整的何燁結(jié)合，但是能夠同獨立存在的30S核糖體小亞基結(jié)合。核糖體小亞基與mRNA的結(jié)合還需要起始因子。2.第一個氨酰-tRNA進入核糖體。3.完整的起始復(fù)合物的裝配。6.3.2.2多肽鏈的延伸蛋白質(zhì)的延伸：1.氨酰tRNA進入核糖體的A位點2.肽鍵的形成3.轉(zhuǎn)位4.脫氨酰tRNA釋放在整個過程中需要GTP和延長因子的參與。氨酰tRNA進入核糖體的A位點：由起始tRNA占據(jù)P位點，核糖體開始接受第二個氨酰-tRNA進入A位點，為延伸的第一步肽鍵的形成：由A位點的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基與P位點氨酰t-RNA上氨基酸的羧基間形成肽鍵轉(zhuǎn)位脫氨酰tRNA釋放在蛋白質(zhì)合成的延伸反應(yīng)，每一次循環(huán)至少水解兩分子的GTP6.3.2.3終止蛋白質(zhì)合成的終止是指核糖體沿著mRNA移動，如果進入A位點的是終止密碼子，由于沒有與之匹配的反密碼子，而終止蛋白質(zhì)的合成。終止密碼子：UAA、UAG、UGA蛋白質(zhì)合成的終止需要釋放因子（RF）的存在。6.3.3多聚核糖體在蛋白質(zhì)合成過程中，同一條mRNA分子能夠同多個核糖體結(jié)合，同時合成若干條蛋白質(zhì)多肽鏈，結(jié)合在同一條mRNA上的核糖體就稱為多聚核糖體。多聚核糖體達達提高蛋白質(zhì)合成的速率，也減輕了細胞核進行基因轉(zhuǎn)錄和加工的壓力。6.3.4蛋白質(zhì)合成抑制劑6.3.4.1抗生素抗生素是主要的蛋白質(zhì)合成抑制劑鏈霉素主要是抑制起始tRNA和非起始tRNA與核糖體的結(jié)合，導(dǎo)致肽鏈合成的提前終止。6.3.4.2嘌呤霉素1.嘌呤霉素是一種蛋白質(zhì)合成抑制劑，它具有與tRNA分子末端類似的結(jié)構(gòu)，能夠同氨基酸結(jié)合，代替氨酰tRNA同核糖體A位點結(jié)合，6.3.5細胞中蛋白質(zhì)的壽命與講解6.3.5.1蛋白質(zhì)的壽命信號細胞內(nèi)新生的蛋白質(zhì)通常有3種特別的信號：加工信號、分選定位信號、壽命信號。每一種蛋白質(zhì)都有壽命特征，稱為半壽期。蛋白質(zhì)N端與半壽期的關(guān)系，稱為N端規(guī)則6.3.5.2蛋白酶體對蛋白質(zhì)的降解執(zhí)行降解蛋白質(zhì)的任務(wù)的是多蛋白的復(fù)合體，稱為蛋白酶體。蛋白酶體既存在于細胞核中，又存在于胞質(zhì)溶膠中。蛋白酶體主要講解兩種類型的蛋白質(zhì)：一類是錯誤折疊的蛋白質(zhì)，另一類是需要進行數(shù)量調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)。蛋白酶體對蛋白質(zhì)的降解通過遍在蛋白質(zhì)介導(dǎo)，所以又稱為遍在蛋質(zhì)降解途徑。蛋白酶體對蛋白質(zhì)的降解作用分為兩個過程：1.對被降解的蛋白質(zhì)進行標記由遍在蛋白質(zhì)完成。2.蛋白酶解作用，由蛋白酶體催化。6.4反義RNA與核酶6.4.1小分子RNA與反義RNA6.4.1.1小分子RNA的類型主要有兩種小分子RNA：1.snRNA，存在于細胞核中2.scRNA，存在于細胞質(zhì)中。由于snRNA富含尿嘧啶核苷，分類時把它分為U1、U26.4.1.2反義RNA與蛋白質(zhì)合成的抑制反義RNA是指與mRNA互補的RNA分子，也包括與其他RNA互補的RNA分子。由于核糖體不能翻譯雙鏈的RNA，所以反義RNA與mRNA互補結(jié)合即抑制了該mRNA的翻譯。細胞中反義RNA的來源有兩種途徑：1.反向轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物2.來源是不同的基因產(chǎn)物原核細胞中發(fā)現(xiàn)的反義RNA，根據(jù)作用分為3類：1.I類反義RNA：這類RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和（或）編碼區(qū)，引起翻譯的直接抑制（1A類）；或與靶mRNA結(jié)合后引起該鏈RNA分子對RNaseIII的敏感性增加，使其降解（1B類）2.II類反義RNA：與mRNA上的SD序列的上游非編碼區(qū)結(jié)合，從而抑制靶mRNA的翻譯功能3.III類反義RNA：可直接抑制靶mRNA的轉(zhuǎn)錄6.4.1.3反應(yīng)snRNA在前rRNA加工中的作用細胞核中的snNA通常與特定的蛋白質(zhì)包裹在一起形成顆粒結(jié)構(gòu)，稱小核糖核蛋白SnRNA與前rRNA通過互補形成的RNA-RNA雙鏈部分可作為前rRNA進行加工修飾的標志根據(jù)反義snRNA的功能和序列的相似性，分為：1.C/D框snRNA，這類RNA的5’有C/D框結(jié)構(gòu)，它們的功能是決定何種核苷的核糖甲基化。2.H/HAC框snRNA，這類反義snRNA的3’有HAC序列，它們的作用是決定哪些尿苷被轉(zhuǎn)變成假尿苷。6.4.2核酶核酶：化學(xué)本質(zhì)是核糖核酸，卻具有酶的催化功能6.4.2.1核酶大發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)真核生物的rRNA加工中，從前rRNA中切除的序列都是間隔區(qū)而不是內(nèi)含子，所謂間隔區(qū)就是位于編碼基因間的序列而不是位于基因內(nèi)的序列。人工制備的26S前rRNA分子在沒有任何蛋白質(zhì)催化劑存在的情況下，切除了前體分子中的內(nèi)含子。這種現(xiàn)象稱為自剪接。6.4.2.250S核糖體中的23SrRNA的核酶活性肽鍵的形成是有肽酰轉(zhuǎn)移酶催化的6.4.2.3核酶的類型根據(jù)核酶的結(jié)構(gòu)和催化反應(yīng)可分為3種類型：1.RNA和蛋白質(zhì)復(fù)合物2.小分子的RNA：各種具有催化作用的小分子RNA，能夠進行分子內(nèi)的自剪接反應(yīng)，且不需蛋白質(zhì)的參與。一部分為底物，一部分是酶3.I、II型內(nèi)含子：這兩種核酶具有將自身從mRNA中剪接出去的作用，但在體內(nèi)需要有輔助蛋白的參與。6.4.3內(nèi)含子的切除：核酶的作用機制6.4.3.1核剪接真核生物的結(jié)構(gòu)基因中一般含有內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后，從前mRNA中將內(nèi)含子切除，然后將外顯子重新連接成一個成熟的mRNA的過程成為RNA剪接。核剪接：發(fā)生在細胞核中，主要是對hnRNA中內(nèi)含子的剪接。有三個特點：1.在前mRNA中內(nèi)含子與外顯子間有特征性序列，即GU-AG規(guī)律2.剪接過程中需要snRNA參與，并形成剪接體3.要形成套索結(jié)構(gòu)GU-AG規(guī)律：前RNA中參與內(nèi)含子剪接的兩個特殊位點，即在內(nèi)含子和外顯子交界處有兩個相當短的保守序列：5’端為GU，3’端為AG。剪接體：在剪接過程中形