第九章 核糖体 (ribosome)
?核糖体的类型与结构
?多聚核糖体与蛋白质的合成
第一节 核糖体的类型与结构
核糖体是合成蛋白质的细胞器, 其唯一的
功能是按照 mRNA的指令由氨基酸高效且精确
地合成多肽链 。
?核糖体的基本类型与成分
?核糖体的结构
?核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析
一、核糖体的基本类型与成分
?核糖核蛋白体,简称核糖体 (ribosome)
?基本 类型
?附着核糖体
?游离核糖体
?70S的 核糖体
?80S的 核糖体
?主要 成分
?r蛋白质,40%,核糖体表面
?rRNA:60%,,核糖体内部
二、核糖体的结构
?结构与功能的分析方法
?蛋白质合成过程中很多重要步骤
与 50S核糖体大亚单位相关
结构与功能的分析方法
?离子交换树脂可分离纯化各种 r蛋白；
?纯化的 r蛋白与纯化的 rRNA进行核糖体的重组装,
显示核糖体中 r蛋白与 rRNA的结构关系
?双向电泳技术可显示出 E.coli核糖体在装配各阶段中,
与 rRNA结合的蛋白质的类型
?双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究 r蛋白在
结构上的相互关系
?电镜负染色与免疫标记技术结合，研究 r蛋白在核糖
体的亚单位上的定位。
?对 rRNA，特别是对 16S rRNA结构的研究
?70S核糖体的小亚单位中 rRNA与全部的 r蛋白关系
的 空间模型
?同一生物中不同种类的 r蛋白的一级结构
均不相同, 在免疫学上几乎没有同源性 。
?不同生物同一种类 r蛋白之间具有很高
的同源性,并在进化上非常保守。
?蛋白质结合到 rRNA上具有先后 层次性 。
?核糖体的重组装是自我装配过程
?16SrRNA的一级结构是非常保守的
?16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：
臂环结构 (stem-loop structure)
?rRNA臂环结构的三级结构模型
蛋白质合成过程中很多重
要步骤与 50S核糖体大亚单位相关
?涉及的多数因子为 G蛋白 (具有 GTPase活性 ),核糖体上
与之相关位点称为 GTPase相关位点 。
?最近人们成功地制备 L11-rRNA复合物的晶体, 获得了
其空间结构高分辨率的 三维图象 。
?这一结果证实了前人用各种实验技术所获得的种种结论
?提出直观, 可靠且比人们的预料更为精巧复杂和可能的
作用机制, 从而为揭开核糖体这一具有 30多亿年历史的
古老的高度复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的
一步 。
三、核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析
?核糖体上具有一系列与蛋白质
合成有关的结合位点与催化位点
?在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
核糖体上具有一系列与蛋白质
合成有关的 结合位点与催化位点
?与 mRNA的结合位点
?与新掺入的氨酰 -tRNA的结合位点 ——氨酰基位点, 又称 A位
点
?与延伸中的肽酰 -tRNA的结合位点 ——肽酰基位点, 又称 P位点
?肽酰转移后与即将释放的 tRNA的结合位点 ——E位点 (exit site)
?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
?肽酰转移酶的催化位点
?与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和
终止因子的结合位点
在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
?核糖体蛋白
?在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分
?r蛋白质的主要功能
核糖体蛋白
?很难确定哪一种蛋白具有催化功能：
在 E.coli中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白
质合成并没有表现出, 全, 或, 无, 的影响 。
?多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株, 并非由
于 r蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变 。
?在整个进化过程中 rRNA的结构比核糖体蛋白
的结构具有更高的保守性。
在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分
?具有肽酰转移酶的活性；
?为 tRNA提供结合位点 (A位点, P位点和 E位点 )
?
?在蛋白质合成起始时参与同 mRNA选择性地结
合以及在肽链的延伸中与 mRNA结合；
?核糖体大小亚单位的结合, 校正阅读 (proofreading)、
无意义链或框架漂移的校正, 以及抗菌素的作用等
都与 rRNA有关 。
r蛋白质的主要功能
?对 rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；
?在蛋白质合成中,某些 r蛋白可能对核糖体的构象
起, 微调, 作用；
?在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中,核
糖体蛋白与 rRNA共同行使功能。
第二节 聚核糖体与蛋白质的合成
?多聚核糖体 (polyribosome或 polysome)
?蛋白质的合成
?RNA在生命起源中的 地位及其演化过程
一、多聚核糖体
(polyribosome或 polysome)
?概念
核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能, 而是由多个
甚至几十个核糖体串连在一条 mRNA分子上高效地进行肽
链的合成, 这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与
mRNA的聚合体称为 多聚核糖体 。
?多聚核糖体的生物学意义
?细胞内各种多肽的合成, 不论其分子量的大小
或是 mRNA的长短如何, 单位时间内所合成的
多肽分子数目都大体相等 。
?以多聚核糖体的形式进行多肽合成, 对 mRNA
的利用及对其浓度的调控更为经济和有效 。
三,RNA在生命起源中的 地位及其演化过程
?生命是自我复制的体系
?DNA代替了 RNA的遗传信息功能
?蛋白质取代了绝大部分 RNA酶的功能
生命是自我复制的体系
?三种生物大分子, 只有 RNA既具有信息载体
功能又具有酶的催化功能 。 因此, 推测 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催化产生了蛋白质
DNA代替了 RNA的遗传信息功能
?DNA双链比 RNA单链稳定；
?DNA链中胸腺嘧啶代替了 RNA链中的尿嘧啶，
使之易于修复。
蛋白质取代了绝大部分 RNA酶的功能
?蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；
?与 RNA相比, 蛋白质能更为有效地催化多种生化
反应, 并提供更为复杂的细胞结构成分, 逐渐演
化成今天的细胞 。
原核生物与真核生物核糖体成分的比较
E.coli核糖体小亚单位中 rRNA与 r蛋白的相互关系示意图
线条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线）
（引自 Alberts et al,1989）
E.coli （ a）核糖体小亚单位中的部分 r蛋白与 rRNA的结合位点）
（ b）及其在小亚单位上的部位
（引自 Albert et al.,1989，图 a; Lewin,1997,图 b
核糖体小亚单位 rRNA
(a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）
(b) 酵母菌 18S rRNA，它们都具有类似的 40个臂环结构 (图中 1～ 40)，
其长度和位置往往非常保守； P,E分别代表仅在原核或真核细胞中
存在的 rRNA的二级结构。 (Darnell et al.,1990)
L11-rRNA复合物的三维结构
(引自 Porse et.al.,1999)
?核糖体的类型与结构
?多聚核糖体与蛋白质的合成
第一节 核糖体的类型与结构
核糖体是合成蛋白质的细胞器, 其唯一的
功能是按照 mRNA的指令由氨基酸高效且精确
地合成多肽链 。
?核糖体的基本类型与成分
?核糖体的结构
?核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析
一、核糖体的基本类型与成分
?核糖核蛋白体,简称核糖体 (ribosome)
?基本 类型
?附着核糖体
?游离核糖体
?70S的 核糖体
?80S的 核糖体
?主要 成分
?r蛋白质,40%,核糖体表面
?rRNA:60%,,核糖体内部
二、核糖体的结构
?结构与功能的分析方法
?蛋白质合成过程中很多重要步骤
与 50S核糖体大亚单位相关
结构与功能的分析方法
?离子交换树脂可分离纯化各种 r蛋白；
?纯化的 r蛋白与纯化的 rRNA进行核糖体的重组装,
显示核糖体中 r蛋白与 rRNA的结构关系
?双向电泳技术可显示出 E.coli核糖体在装配各阶段中,
与 rRNA结合的蛋白质的类型
?双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究 r蛋白在
结构上的相互关系
?电镜负染色与免疫标记技术结合，研究 r蛋白在核糖
体的亚单位上的定位。
?对 rRNA，特别是对 16S rRNA结构的研究
?70S核糖体的小亚单位中 rRNA与全部的 r蛋白关系
的 空间模型
?同一生物中不同种类的 r蛋白的一级结构
均不相同, 在免疫学上几乎没有同源性 。
?不同生物同一种类 r蛋白之间具有很高
的同源性,并在进化上非常保守。
?蛋白质结合到 rRNA上具有先后 层次性 。
?核糖体的重组装是自我装配过程
?16SrRNA的一级结构是非常保守的
?16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：
臂环结构 (stem-loop structure)
?rRNA臂环结构的三级结构模型
蛋白质合成过程中很多重
要步骤与 50S核糖体大亚单位相关
?涉及的多数因子为 G蛋白 (具有 GTPase活性 ),核糖体上
与之相关位点称为 GTPase相关位点 。
?最近人们成功地制备 L11-rRNA复合物的晶体, 获得了
其空间结构高分辨率的 三维图象 。
?这一结果证实了前人用各种实验技术所获得的种种结论
?提出直观, 可靠且比人们的预料更为精巧复杂和可能的
作用机制, 从而为揭开核糖体这一具有 30多亿年历史的
古老的高度复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的
一步 。
三、核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析
?核糖体上具有一系列与蛋白质
合成有关的结合位点与催化位点
?在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
核糖体上具有一系列与蛋白质
合成有关的 结合位点与催化位点
?与 mRNA的结合位点
?与新掺入的氨酰 -tRNA的结合位点 ——氨酰基位点, 又称 A位
点
?与延伸中的肽酰 -tRNA的结合位点 ——肽酰基位点, 又称 P位点
?肽酰转移后与即将释放的 tRNA的结合位点 ——E位点 (exit site)
?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
?肽酰转移酶的催化位点
?与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和
终止因子的结合位点
在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
?核糖体蛋白
?在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分
?r蛋白质的主要功能
核糖体蛋白
?很难确定哪一种蛋白具有催化功能：
在 E.coli中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白
质合成并没有表现出, 全, 或, 无, 的影响 。
?多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株, 并非由
于 r蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变 。
?在整个进化过程中 rRNA的结构比核糖体蛋白
的结构具有更高的保守性。
在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分
?具有肽酰转移酶的活性；
?为 tRNA提供结合位点 (A位点, P位点和 E位点 )
?
?在蛋白质合成起始时参与同 mRNA选择性地结
合以及在肽链的延伸中与 mRNA结合；
?核糖体大小亚单位的结合, 校正阅读 (proofreading)、
无意义链或框架漂移的校正, 以及抗菌素的作用等
都与 rRNA有关 。
r蛋白质的主要功能
?对 rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；
?在蛋白质合成中,某些 r蛋白可能对核糖体的构象
起, 微调, 作用；
?在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中,核
糖体蛋白与 rRNA共同行使功能。
第二节 聚核糖体与蛋白质的合成
?多聚核糖体 (polyribosome或 polysome)
?蛋白质的合成
?RNA在生命起源中的 地位及其演化过程
一、多聚核糖体
(polyribosome或 polysome)
?概念
核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能, 而是由多个
甚至几十个核糖体串连在一条 mRNA分子上高效地进行肽
链的合成, 这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与
mRNA的聚合体称为 多聚核糖体 。
?多聚核糖体的生物学意义
?细胞内各种多肽的合成, 不论其分子量的大小
或是 mRNA的长短如何, 单位时间内所合成的
多肽分子数目都大体相等 。
?以多聚核糖体的形式进行多肽合成, 对 mRNA
的利用及对其浓度的调控更为经济和有效 。
三,RNA在生命起源中的 地位及其演化过程
?生命是自我复制的体系
?DNA代替了 RNA的遗传信息功能
?蛋白质取代了绝大部分 RNA酶的功能
生命是自我复制的体系
?三种生物大分子, 只有 RNA既具有信息载体
功能又具有酶的催化功能 。 因此, 推测 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催化产生了蛋白质
DNA代替了 RNA的遗传信息功能
?DNA双链比 RNA单链稳定；
?DNA链中胸腺嘧啶代替了 RNA链中的尿嘧啶，
使之易于修复。
蛋白质取代了绝大部分 RNA酶的功能
?蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；
?与 RNA相比, 蛋白质能更为有效地催化多种生化
反应, 并提供更为复杂的细胞结构成分, 逐渐演
化成今天的细胞 。
原核生物与真核生物核糖体成分的比较
E.coli核糖体小亚单位中 rRNA与 r蛋白的相互关系示意图
线条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线）
（引自 Alberts et al,1989）
E.coli （ a）核糖体小亚单位中的部分 r蛋白与 rRNA的结合位点）
（ b）及其在小亚单位上的部位
（引自 Albert et al.,1989，图 a; Lewin,1997,图 b
核糖体小亚单位 rRNA
(a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）
(b) 酵母菌 18S rRNA，它们都具有类似的 40个臂环结构 (图中 1～ 40)，
其长度和位置往往非常保守； P,E分别代表仅在原核或真核细胞中
存在的 rRNA的二级结构。 (Darnell et al.,1990)
L11-rRNA复合物的三维结构
(引自 Porse et.al.,1999)
