《细胞生物学》第六章 核糖体与核酶

这是一篇关于《细胞生物学》第六章核糖体与核酶知识点归纳的思维导图，主要的内容涉及到核糖体的形态结构、生物发生、功能等。

核糖体与核酶

• 核糖体的形态结构
  • 核糖体（细胞内蛋白质合成的分子机器）：细胞内一种核糖核蛋白颗粒，其唯一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链
  • 核酶：具有催化活性法人反义RNA
  • 核糖体的类型
    • 第一种分类
      • 细胞质核糖体
      • 线粒体核糖体
      • 叶绿体核糖体
    • 第二种分类
      • 原核生物核糖体
        • 沉降系数为70S，由50S大亚基（含33种不同的蛋白质以及23S和5SrRNA）和30S小亚基(含21种蛋白质以及16rRNA）组成
      • 真核生物核糖体
        • 沉降系数为80S，由60S大亚基（含大约49种蛋白质以及28S、5S和5.8SrRNA)和40S小亚基（含大约33种蛋白质以及18SrRNA）组成
• 核糖体的生物发生
  • 核糖体的生物发生包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装
  • 真核生物的18S、5.8S、28SrRNA基因组成一个转录单位，转录成一个45S的前体
  • 原核生物的16S、23S、5S3种rRNA基因组成一个转录单位
  • 核糖体的装配
    • 真核生物核糖体亚基的装配地点在细胞核的核仁部位
    • 原核生物核糖体亚基的装配在细胞质中
  • 原核生物核糖体重组实验
    • 核糖体重组：将不同来源的核糖体大小亚基、或不同亚基的rRNA或蛋白质重新组合，形成杂合的核糖体后研究其功能的试验方法
    • 实验结果
      • 30S亚基的蛋白质专同16SrRNA结合，50S亚基的蛋白质只同23SrRNA结合，如果把30S亚基rRNA和50S亚基的蛋白质相混合，则不能装配成有功能的亚基
      • 从不同种细菌提取30S亚基的rRNA和蛋白质，可装配成有功能的30S亚基，表明不存在种间差异
      • 原核生物核糖体与真核生物核糖体的亚基不同，由二者的rRNA和蛋白质重组后的核糖体没有功能
      • 大肠杆菌的核糖体与玉米叶绿体核糖体亚基重组后具有功能
      • 由于不同生物的线粒体核糖体大小不同，原核生物的核糖体基本稳定，所以线粒体的核糖体亚基同原核生物核糖体亚基相互重组形成的杂合核糖体没有功能
• 核糖体的功能--蛋白质的合成
  • 核糖体的功能位点
    • 一个与mRNA结合的位点，3个与tRNA结合的位点
      • A位点：氨酰基位点，与新掺入的氨酰tRNA结合的位点，又叫受位，主要位于大亚基，是接受氨酰tRNA的部位
      • P位点：肽酰tRNA位点，又叫供位（肽酰基位点），主要位于大亚基，是肽基tRNA移交肽链后肽酰tRNA所占据的位置，即与延伸中的肽酰tRNA结合位点
      • E位点：脱氨酰tRNA离开P位点到完全从核糖体释放出来的一个中间停靠点，只是作暂时的停留。当E点被占据之后，A位点同氨酰tRNA的亲和力减低，防止氨酰tRNA的结合，直到核糖体准备就绪，E位点腾空，才会接受下一个氨酰tRNA
      • 原核生物mRNA通过5’端的SD序列与核糖体16SrRNA结合，真核生物则依赖mRNA5’端甲基化帽子结构将mRNA与核糖体小亚基结合
  • 蛋白质合成的基本过程
    • 链的起始
      • 30S亚基与mRNA的结合
        • mRNA不能与完整的核糖体结合，但是能够同独立的30S核糖体小亚基结合
        • 原核生物中，30S核糖体小亚基通过16SrRNA与mRNA起始密码子AUG上游的SD序列的互补，从而与mRNA结合
        • 真核生物中，小亚基先识别mRNA5’端甲基化的帽子结构，然后沿着mRNA滑动，直到特别的识别序列，在识别序列中含有起始密码子AUG
      • 第一个氨酰-tRNA进入核糖体
        • 当mRNA与核糖体小亚基结合后，携带甲酰甲硫氨酸的tRNA通过反密码子与mRNA中AUG的识别从而进入核糖体
      • 完整起始复合物的装配
        • 起始tRNA和AUG密码子结合，核糖体大亚基就加入到复合物中形成完整的核糖体-mRNA起始复合物
    • 链的延伸
      • 氨酰-tRNA进入A位
        • 起始tRNA占据P位点，核糖体开始接受第二个氨酰-tRNA进入A位点。第二个氨酰-tRNA进入A位点之前，必须与结合有GTP的蛋白延伸因子结合
      • 肽键形成
        • 当核糖体的P位点和A位点都有tRNA占据时，进入核糖体的两个氨基酸是分开的，延伸反应的第二步反应使两个氨基酸相互作用，通过肽键的形成将两个氨基酸结合起来
      • 转位
        • 核糖体沿着mRNA从5’→3’方向移动三个核苷酸，在此过程中，A位点的tRNA-二肽移到P位点，而P位点的tRNA则进入E位点
          • 第一步：肽键的形成引起新形成的肽酰tRNA大亚基的受体末端部分从A位点向P位点偏移，而它的小亚基的反密码子部分仍然与A位点的密码子相连。新形成脱氨酰tRNA的受体末端从大亚基的P位点向E位点偏移，而它的反密码子部分仍然在小亚基的P位点，此时的状态位P/E结合状态
          • 第二步：核糖体与EF-G.GTP复合物结合，引起这些tRNA的反密码子的末端与它们结合的mRNA一起相对于小亚基移动，使得肽酰-tRNA完全占据大、小亚基的P位点，而脱氨酰tRNA完全移动到大亚基的E位点
      • 脱氨酰tRNA释放
        • 脱氨酰tRNA离开核糖体E位点
    • 链的终止
      • 核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位点的是终止密码子（UAA、UAG、UGA），由于没有与之匹配的反密码子，而终止蛋白质的合成
      • 释放因子
        • 细菌
          • RF1，识别UAA和UAG
          • RF2，识别UAA和UGA
          • RF3，并不识别特异的终止密码子，但能增加其他因子的活性
        • 真核细胞：eRF1和eRF3，共同作用识别所有的终止密码子
  • 多聚核糖体
    • 结合在同一条mRNA上的核糖体
    • 在mRNA的起始密码子部位，核糖体亚基装配完成完整的起始复合物，然后向mRNA的3’端移动，直到到达终止密码子处。当第一个核糖体离开起始密码子后，空出的起始密码子的位置足够与另一个核糖体结合时，第二个核糖体的小亚基就会结合上来，并装配成完整的起始复合物，开始蛋白质的合成
  • 蛋白质合成抑制剂
    • 抗生素
      • 链霉素主要抑制起始tRNA和非起始tRNA与核糖体的结合，导致肽链合成的提前终止，也可以引起遗传密码子的错读
      • 氯霉素抑制50S大亚基肽酰转移酶的活性
    • 嘌呤霉素
      • 具有与tRNA分子末端类似的结构，能够同氨基酸结合，代替氨酰化的tRNA同核糖体的A位点结合，并掺入到生长的肽链中
  • 蛋白质的寿命与降解
    • 蛋白质特别的信号
      • 加工信号
      • 分选定位信号
      • 寿命信号
    • 蛋白酶体
      • 一种中空的圆桶形的结构，上下是帽子结构，中间的圆桶是由蛋白酶组成的复合体，酶的催化活性部分朝向圆桶的内室，蛋白酶对蛋白质的降解是与环境隔离的
      • 降解类型
        • 错误折叠的蛋白质
        • 需要进行数量调控的蛋白质
      • 降解作用过程
        • 对被降解的蛋白质进行标记，由遍在蛋白质（主要作用是识别要被降解的蛋白质，然后将这种蛋白质送入蛋白酶体的圆桶中进行降解）完成
        • 蛋白酶解作用，由蛋白酶体催化
• 反义RNA和核酶
  • 小分子RNA
    • snRNA存在于细胞核中
    • scRNA存在于细胞质中
  • 反义RNA
    • 与mRNA互补的RNA分子，包括与其他RNA互补的RNA分子
    • 来源
      • 反向转录的产物
      • 不同基因产物
    • 原核细胞中的类型
      • Ⅰ类反义RNA
        • 直接作用于其靶mRNA的SD序列和（或）编码区，引起翻译的直接抑制；
        • 与靶mRNA结合后引起该双链RNA分子对RNaseⅢ的敏感性增加使其降解
      • Ⅱ类反义RNA
        • 与mRNA的SD序列的上游非编码区结合，从而抑制靶mRNA的翻译功能
      • Ⅲ类反义RNA
        • 可直接抑制靶mRNA的转录
    • 反义snRNA
      • H/HAC框，这类snRNA的3’端有HAC序列，它们的作用是决定哪些尿苷被转化位假尿苷
      • C/D框snRNA，这类snRNA的5’端有C/D框结构，它们的功能是决定何种核苷的核糖甲基化
  • 核酶
    • 具有催化活性的RNA,即化学本质是核糖核酸（RNA），却具有酶的催化功能
    • 类型
      • RNA和蛋白质复合物
        • 广泛存在原核生物和真核生物中，也参与核糖体RNA的加工
      • 小分子的RNA
        • 各种具有催化作用的小分子RNA，能够进行分子内自剪接反应且不需要蛋白质参与
      • Ⅰ、Ⅱ型内含子
        • 具有将自身从前mRNA中剪接出来的作用
  • 内含子的切除：核酶的作用机制
    • RNA剪接：真核生物的结构基因中一般都含有内含子，转录后，从前mRNA中将内含子切除，然后将外显子重新连接成一个成熟的mRNA的过程
    • 核剪接
      • 发生在细胞核中，主要是对hnRNA中内含子的剪接
      • 主要特点
        • GU-AG规则
          • 前RNA中参与内含子剪接的两个特殊位点，即在内含子核外显子交界处有两个相当短的保守序列：5’端为GU，3’端为AG
          • 主要适用于真核生物基因的剪接位点，说明内含子的切除有一共同的机制
          • 这种保守性不适用于线粒体、叶绿体和酵母tRNA基因转录的加工
        • 剪接过程中需要snRNA参与，形成剪接体
          • 在剪接过程中形成的简介复合物称为剪接体，主要组成是蛋白质和小分子的核RNA
        • 形成套索结构
          • 从内含子的5’端开始切割，将左边的外显子与右边的内含子-外显子分开，左边的外显子是一个线性分子，右边的内含子-外显子形成一个套索结构，在套索结构中，内含子的5’端同内含子右侧一个碱基相连形成一个环
          • 在剪接位点的3’端切割，释放套索中的内含子，同时右边的外显子与左边的外显子连接起来，切割和连接反应不是独立的而是协同进行的
    • Ⅰ组、Ⅱ组内含子的剪接
      • Ⅰ组内含子
        • 一类具有酶催化功能的内含子，转录成RNA后，可以自剪接。在剪接反应中，需要游离的鸟苷作辅助因子
        • 存在于某些生物的细胞核、线粒体和叶绿体编码rRNA、mRNA和tRNA的基因中
      • Ⅱ组内含子
        • 具有自剪接的功能，它的剪接位点类似于核编码结构基因的内含子并同样遵从GU-AG规律，不需要剪接体，但要形成一个套索的中间体
        • 存在于真菌、藻类和植物的线粒体和叶绿体的mRNA的初级转录物中
  • RNA编辑
    • 在mRNA水平上改变遗传信息的过程
    • 结果：扩大遗传信息，使生物更好地适应生存环境