第十章 核糖体

这是一篇关于第十章 核糖体的思维导图，主要内容包括 核糖体的类型与结构，多核糖体与蛋白质的合成。核糖体是一种核糖核蛋白，本质是核酶；主要成分RNA和蛋白质；是不规则颗粒状，是合成蛋白质的细胞器，依照mRNA的遗传信息，高效精确地将氨基酸合成为多肽链。

第十章 核糖体

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  • 核糖体 是一种核糖核蛋白，本质是核酶；主要成分RNA和蛋白质；是不规则颗粒状 是合成蛋白质的细胞器，依照mRNA的遗传信息，高效精确地将氨基酸合成为多肽链；
  • 几乎存在与所有细胞器，线粒体和叶绿体有专有核糖体，极个别高度分化细胞没有（如成熟红细胞）
  • 原核 直径20~25nm ，RNA/蛋白质=2：1 真核 直径25~30nm ，RNA/蛋白质=1:1
  • 核糖体类型及其功能
    • 附着核糖体:附着在内质网膜表面或原核细胞质膜内侧，参与糙面内质网上的蛋白质合成
    • 游离核糖体:不附着在膜上，分散于细胞质基质中，进行其他类型的蛋白质合成
    • 只有合成的蛋白质不同
• 核糖体的类型与结构
  • 一、基本类型与化学组成
    • 基本类型
      • 原核细胞核糖体
        • 70S，2500kDa
      • 真核细胞核糖体
        • 80S，4200kDA
    • 组成
      • 都由两个大小不同的亚基组成
      • Mg2+浓度
        • ＜1mmol/L时，70SRNA解离为
          • 50SRNA大亚基
          • 30SRNA小亚基
        • ＞10mmol/L，形成100SRNA二聚体
  • 二、结构
    • 核糖体在其他辅因子的帮助下，真核细胞2个/秒安装氨基酸与肽链，细菌20个/秒
    • X射线衍射分析，获得高质量核糖体晶体
    • rRNA折叠成高度压缩的三维结构，构成核糖体核心，决定核糖体整体形态
    • X射线衍射图谱 得到核糖体结构特点
      • 1||| 每个核糖体有4个RNA分子结合位点，这些位点横跨核糖体大小亚基结合面
        • 许多核糖体蛋白与RNA具有多个结合位点，发挥稳定rRNA三级结构的作用
        • 1个供mRNA结合
        • 3个供tRNA分子结合
          • A位点
          • P位点
          • E位点
      • 2||| 核糖体大小亚基结合面，特别是tRNA和mRNA结合处，无蛋白质分布。这也意味着核糖体起源之初可能仅由RNA组成
      • 3||| 催化肽键形成的 活性位点 由RNA组成
      • 4||| 大多核糖体蛋白有
        • 球形结构域
          • 分布于核糖体表面
        • 伸展的尾部
          • 伸入核糖体内部折叠的rRNA分子中
    • 16S rRNA
      • 一级结构 演化上相当保守某些序列完全一致； 二级结构 更加保守，都折叠成相似的二级结构——茎环（半数碱基对配对，半数未配对成环）
      • 结构域(三级结构)
        • 维持的力包括：螺旋间相互作用力、腺嘌呤插入螺旋小沟作用力
        • 1||| 中心结构域
          • 形成小亚基主体
        • 2||| 5'端结构域
          • 形成平台
        • 3||| 3'端主结构域
          • 形成头部
        • 4||| 3'端次结构域
          • 横跨界面
    • 23S rRNA
      • 结构复杂，二级结构有6个结构域I~VI，在50S大亚基中相互交织，形成"集成"结构
        • 韧性是小亚基发挥功能所必需的
  • 三、蛋白质和rRNA的功能
    • 与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点
      • ①与mRNA结合的位点
        • 原核
          • 结合位点于16S rRNA 的3'端，mRNA的SD序列序列(Shine-Dalgarno),位于起始密码子上游5~10个核苷酸处
        • 真核
          • 无SD序列， 识别依赖于能够特异识别mRNA的5'端的甲基化帽子的翻译起始因子
      • ②A位点
        • 与新进入的氨酰tRNA结合的位点——氨酰基结合位点
          • ⑤与肽酰tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶(即延伸因子EF-G)的结合位点
      • ③P位点
        • 与延伸中的肽酰tRNA结合的位点——肽酰基结合位点
          • ⑥肽酰转移酶的催化 位点
      • ④E位点
        • 与离开核糖体前的tRNA的结合位点
      • 此外
        • ⑦与蛋白质合成有关的其他起始因子的结合位点
        • ⑧与延伸因子和终止因子的结合位点
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      • 16S rRNA 与 tRNA同P位点和A位点的结合 有关， 23S rRNA 与 tRNA同P位点、A位点和E位点的结合有关。
      • 不同结合条件，核糖体构象发生改变，影像功能
      • 最重要的活性部位——肽酰转移酶的催化位点
      • RNA占比60%以上，，但是使核糖体蛋白的组织者，即形成核糖体的内部结构框架或是与蛋白质合成过程中所涉及的RNA碱基配对有关。
      • rRNA在蛋白质合成中起重要作用
      • RNA具有催化RNA拼接过程的活性、催化蛋白质合成的活性
    • rRNA是起主要作用的结构成分，其主要功能是
      • ①具有 肽酰转移酶的活性
      • ②为tRNA提供结合位点（A/P/E)
      • ③在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合
      • ④为多种蛋白质合成因子提供结合位点
      • ⑤核糖体大小亚基的结合、校正阅读(proofeading)、模板链或读码框移位的校正，以及抗生素的作用等都与rRNA有关。
    • 核糖体蛋白质在翻译中也有重要作用，其功能
      • ①对rRNA折叠成有功能的三维结构是十分重要的
      • ②在蛋白质合成中，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些核糖体蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用。
• 多核糖体与蛋白质的合成
  • 一、多核糖体
    • 是指细胞内由多个甚至几十个核糖体串联在一条 mRNA 分子上高效地进行肽链合成时所形成的核糖体与 mRNA 聚合物。多聚核糖体中核糖体的数量由 mRNA 的长度决定，多聚核糖体的形成是多个核糖体串联在一条 mRNA 分子上高效进行肽链合成的结果。
    • 优点
      • ①提升多肽合成效率:多个核糖体同时工作，使多肽合成速度大幅提升，且速度提升倍数与核糖体数量正相关。
      • ②经济有效地利用 mRNA:能充分利用 mRNA，无论其长度和合成多肽分子量如何，都能在单位时间内合成更多多肽，对 mRNA 的利用和数量调控更经济有效。
      • ③保障细胞功能:满足细胞不同生理状态下对各类蛋白质的需求，像细胞生长、分裂、分化、应激及修复时，多聚核糖体快速合成所需蛋白质，维持细胞正常生理功能。
    • 原核细胞中，mRNA合成的同时，核糖体结合到mRNA上，即DNA转录成mRNA和mRNA翻译成蛋白质这两个生命活动是同时并几乎在同一部位进行的，所分离的多核糖体常常与DNA结合在一起。 真核细胞中，多核糖体或附着在内质网上，或游离在细胞质基质中。
  • 二、蛋白质的合成
    • (一)肽链的起始
      • 1. 30S小亚基与mRNA的结合
        • mRNA的5'端AUG上游的SD序列与核糖体小亚基16S rRNA的3'端碱基序列互补结合，保证小亚基结合到mRNA上(SD:-AGGAGG-,mRNA:=-UCCUCC-)
        • IF
          • 结合还需要起始因子IF的帮助。IF帮助形成起始复合物
          • 分类
            • IF1
              • 与A位点结合，协助30S亚基与RNA的结合，并防止氨酰tRNA错误进入核糖体的A位点
                • 位点都被占据的意义：让蛋白质合成正确起始
            • IF2
              • 是一种GTP结合蛋白，协助第一个氨酰tRNA进入核糖体，起始tRNA占据P位点
            • IF3
              • 占据E位点。防止核糖体50S大亚基提前与小亚基结合，并有助于第一个氨酰tRNA进入核糖体。
              • 在调节核糖体动态平衡以及30S亚基与mRNA结合能力方面发挥了重要作用
      • 2. 第一个氨酰tRNA进入核糖体
        • 小亚基与mRNA结合后，IF2 带 第一个 起始tRNA（带有甲酰甲硫氨酸）进入核糖体P位点。起始tRNA的反密码子与mRNA的AUG特异识别结合，后释放IF3
          • 起始tRNA 携带的氨基酸只能是甲酰化甲硫氨酸，他的反密码子只识别起始密码子AUG，其他tRNA 携带别的氨基酸，反密码子识别别的密码子。
        • 原核生物 第一个氨酰tRNA——甲酰化甲硫氨酸tRNA（第一个tRNA所带的氨基酸是甲酰化甲硫氨酸） 真核生物 第一个氨酰tRNA——甲硫氨酸tRNA，不被甲酰化
      • 3. 完整起始复合物的装配
        • tRNA与AUG密码子结合，IF2结合的GTP水解，IF1、IF2、IF3释放，核糖体大亚基与起始复合物（mRNA与小亚基复合物）结合，形成完整的70S核糖体——mRNA起始复合物
    • (二)肽链的延伸
      • 1. 氨酰tRNA在核糖体A位点的入位
        • 起始tRNAMet占据P位点，第二个氨酰tRNA与有GTP的延伸因子EF-TU结合形成复合物，帮助氨酰tRNA牢牢结合在A位点，保证正确识别tRNA。
      • 2. 肽键形成
      • 3. 转位
        • 核糖体沿着mRNA分子的5'→3'方向移动3个核苷酸，携带二肽的tRNA从A位点移位到 P位点，而没有携带任何氨基酸的 tRNA从P位点移位到E位点。
        • 携带二肽的tRNA从A位点移位到P位点，而没有携带任何氨基酸的tRNA从P位点移位到E位点。
        • 原核细胞GTP结合的延伸因子EF-G能促进移位过程的发生 真核细胞中，结合GTP的延伸因子eEF2促进转位过程的发生。
      • 4. tRNA的释放
        • 脱氨酰tRNA离开核糖体E位点，新的氨酰tRNA进入A位点，开始新的肽链延伸环。
    • (三)肽链的终止
      • 终止密码子UAA、UGA、UAG
        • 没有对应的tRNA，蛋白质合成终止
        • 释放因子RF
          • RF1识别UAA/UAG
          • RF2识别UAA/UGA
          • 识别A位点终止密码子，催化水分子添加到肽酰tRNA，水代替了氨基成为活化肽酰基的受体，使肽链末端羧基游离，合成终止。蛋白进入基质，核糖体在核糖体回收因子作用下裂解。
  • 三、核糖体与RNA世界
    • 1、RNA 的催化能力
      • 核酶(Ribozyme)的发现:1981年Cech和他的同事发现了四膜虫26S前体rRNA能够自我剪接,即内含子的切除是由RNA自身催化的,而不是蛋白质。这种具有催化功能的RNA被命名为核酶。这一发现表明RNA不仅能够存储遗传信息，还能像蛋白质一样进行催化反应。
      • 肽酰转移酶活性:在核糖体中，催化肽键形成的肽酰转移酶实际上是 23S rRNA 的一部分，这进一步支持了 RNA 具有催化功能的观点。
    • 2、RNA作为遗传物质和催化剂的双重角色
      • RNA 世界假说:W.Gilbert等人在20世纪80年代提出， 在生命起源之初，最早出现的生物大分子很可能是RNA。它兼具 DNA 与蛋白质的功能，既能像 DNA 一样储存遗传信息，又能像蛋白质一样进行催化反应。因此，原始的生命形式可能依赖于 RNA 来完成这些功能。
      • 逐步演化:随着时间推移，RNA逐渐将其遗传信息储存的功能让位于性质上更加稳定的DNA，并将其催化功能让位给了催化能力更强的蛋白质。最终形成了以DNA为遗传物质、蛋白质为主要催化剂、RNA 介导遗传信息传递的现代细胞系统。
    • 3、生命起源的具体设想
      • ①早期细胞结构:生命的最早形式可能由膜包裹的一套具有自我复制能力的分子体系和简单的物质与能量供应体系组成。其遗传物质载体是RNA而非DNA。构成核酸的基本成分是核糖，而脱氧核糖是由核糖还原而成的事实也支持了这一点。
      • ②前RNA世界:在最早的细胞中可能存在一个“前 RNA 世界”，其中RNA承担着遗传、结构与催化功能。 随后，RNA分子逐渐接管了这些功能，并且通过漫长的进化过程，DNA和蛋白质分别取代了 RNA 的部分功能。
    • 4、现代细胞中的证据
      • 持续存在的RNA世界:即使在现代细胞中，许多重要的生物学过程仍然需要RNA的参与如mRNA的转录和翻译、某些反应的催化作用(例如RNA的氨酰化)、以及调控基因表达等。此外，micrORNA等还可以通过RNA干扰等方式调控mRNA的命运，甚至使整条染色体失活