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核糖体是最小的细胞器，光镜下见不到的结构。在1953年由Ribinson和Broun用电镜观察植物细胞时发现胞质中存在一种颗粒物质。1955年Palade在动物细胞中也看到同样的颗粒,进一步研究了这些颗粒的化学成份和结构。1958年Roberts根据化学成份命名为核糖核蛋白体,简称核糖体Ribosome。又称核蛋白体。
核糖体除哺乳类成熟的红细胞外,一切活细胞(真核细胞、原核细胞)中均有,它是进行蛋白质合成的重要细胞器,在快速增殖、分泌功能旺盛的细胞中尤其多。 [编辑本段]核糖体(ribosome)定义 核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle)，主要由rRNA和蛋白质构成， 其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链,所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。 [编辑本段]核糖体蛋白 构成核糖体的蛋白质。大肠杆菌核糖体蛋白的初级结构均被确定。大肠杆菌核糖体的30S亚基含S1—S21共21种蛋白质，50S亚基含L1—L34共34种蛋白质。这些蛋白质已被全部分离纯化。分子量约1万到3万。除S6、L7、L12之外全是碱性蛋白质。这些蛋白质是免疫学上独立的蛋白质，只有L7、L12显示出相互交叉反应。已知L7与L12是同一蛋白质，L7的N末端被乙酰化。已经确定了几种蛋白的一级结构。机能已经明确的蛋白质如下述：S1：与蛋白质合成的i因子（干扰因子）和Qβ复制酶的亚基Ⅰ为同一物质，可与mRNA结合；S4：ram（核糖体的双关性ribosomal ambiguity）基因的产物；S5：SPc〔壮观霉素（Spectinomycin）抗性〕基因的产物；S12：str（链霉素抗性）基因的产物；L7、L12：有和多肽链延长因子Tu及G间的相互作用，也有和起始因子和终止因子的相互作用。L11：肽基转移酶。
[编辑本段]核糖体的形成 真核细胞的大小亚基是在核中形成的, 在核仁部位rDNA转录出45S rRNA,是rRNA的前体分子,与胞质运来的蛋白质结合,再进行加工,经酶裂解成28S,18S和5.8S的rRNA,而5S rRNA则在核仁外合成28S,5.8S及5S rRNA与蛋白质结合,形成RNP分子团。为大亚基前体,分散在核仁颗粒区,再加工成熟后,经核孔入胞质为大亚基,18S rRNA也与蛋白质结合,经核孔入胞质为小亚基。大小亚基在胞质中可解离存在,在需要时也可在>0.001M Mg 存在时,但合成完整单核糖体,才具有合成功能,当Mg4 <0.001M时则又重新解离。 [编辑本段]构成核糖体的蛋白质 与rRNA或核糖体亚基结合的蛋白质有二类。:一类与rRNA或核糖体亚基紧密连接,需高浓度盐和强解离剂(如3mol/LLiCl或4mol/L尿素)才能将其分离,这类蛋白质称为"真"核糖体蛋白质("realribosomalproteins")或简称为核糖体蛋白质。如E.coli30S亚基上的21种蛋白质及50S亚基上的34种蛋白质(共54种,因为小亚基上的S20与大亚基上的L26是相同);或者在真核细胞40S亚基上的30种蛋白质及60S亚基上的45-50种蛋白质(共约80种),即属此类。而另一类蛋白质则为与有功能的核糖体亚基疏松缔合,能被0.5mol/L单价阳离子(如K+,NH4+)从亚基上洗脱,并对核糖体循环发挥调节作用的蛋白质,如起始因子(IF或eIF)和延长因子(EF)等,称为核糖体相关蛋白质(proteins associated with ribosome;简称PAR)。PAR不是构成核糖体的固有成分。核糖体的结构
自六十年代以来,人们运用化学、物理学和免疫学方法,主要对E.coli核糖体进行了大量的研究,完成了对E.coli核糖体54种蛋白质氨基酸序列及三种rRNA一级和二级结构的测定,初步认识了核糖体颗粒的基本建造(architecture)。这些技术主要包括:
(1)电子显微镜术(EM);
(2)免疫学方法;
(3)中子衍射技术(neuton scattering);
(4)双功能试剂交联法;
(5)不同染料间单态-单态能量转移(singlet-singlet energy transfer)测定
(6)活性核糖体颗粒重建等方法。 [编辑本段]核糖体分类 按核糖体存在的部位可分为三种类型:细胞质核糖体、线粒体核糖体、叶绿体核糖体。
按存在的生物类型可分为两种类型：真核生物核糖体和原核生物核糖体。
原核细胞的核糖体较小, 沉降系数为70S，相对分子质量为2.5x103 kDa,由50S和30S两个亚基组成; 而真核细胞的核糖体体积较大, 沉降系数是80S，相对分子质量为3.9～4.5x103 kDa, 由60S和40S两个亚基组成。典型的原核生物大肠杆菌核糖体是由50S大亚基和30S小亚基组成的。在完整的核糖体中，rRNA约占2/3, 蛋白质约为1/3。50S大亚基含有34种不同的蛋白质和两种RNA分子，相对分子质量大的rRNA的沉降系数为23S，相对分子质量小的rRNA为5S。30S小亚基含有21种蛋白质和一个16S的rRNA分子。
真核细胞中, 核糖体进行蛋白质合成时，既可以游离在细胞质中, 称为游离核糖体(free ribosome)。 也可以附着在内质网的表面, 称为膜旁核糖体或附着核糖体。 参与构成RER,称为固着核糖体或膜旁核糖体,是以大亚基圆锥形部与膜接着游离核糖体(free ribosome)。 。分布在线粒体中的核糖体,比一般核糖体小,约为55S(35S和25S大、小亚基),称为胞器或线粒体核体。 凡是幼稚的、未分化的细胞、胚胎细胞、培养细胞、肿瘤细胞,它们生长迅速,在胞质中一般具有大量游离核糖体。 真核细胞含有较多的核糖体, 每个细胞平均有106 ～107 个, 而原核细胞中核糖体较少每个细胞平均只有15×102 ～18×103 个。真核细胞核糖体的沉降系数为80S，大亚基为60S，小亚基为40S。在大亚基中，有大约49种蛋白质，另外有三种rRNA∶28S rRNA、5S rRNA和5.8S rRNA。小亚基含有大约33种蛋白质，一种18S的rRNA。
无论哪种核糖体,在执行功能时,即进行蛋白质合成时,常3-5个或几十个甚至更多聚集并与mRNA结合在一起,由mRNA分子与小亚基凹沟处结合,再与大亚基结合,形成一串,称为多聚核糖体(游离多聚核糖体及固着多聚核糖体),Polyribosome或Polysome。mRNA的长短,决定多聚核糖体的多少,可排列成螺纹状,念珠状等,多聚核糖体是合成蛋白质的功能团。此时,每一核糖体上均在以mRNA的密码为模板,翻译成蛋白质的氨基酸顺序。 在活细胞中,核糖体的大小亚基,单核糖体和多聚核糖体是处于一种不断解聚与聚合的动态平衡中,随功能而变化,执行功能量为多聚核糖体、功能完成后解聚为大、小亚基。 [编辑本段]核糖体的超微结构 非膜相结构,大小15-20nm,可单个或成群分布于细胞质中,也可附着在核外膜,内质网上,或存在于线粒体,叶绿体中,用负染色高分辨电镜观察,核糖体不是圆形颗粒,而是由大、小二个亚基组成的不规则颗粒。
大亚基侧面观是低面向上的倒圆锥形,底面不是平的,边缘有三个突起,中央为一凹陷,似沙发的靠背和扶手。 小亚基是略带弧形的长条,一面稍凹陷,一面稍外突,约1/3处有一细缢痕,将其分成大小两个不等部份。 小亚基趴在大亚基上,似沙发上趴了一只小猴。大小亚基凹陷部位彼此对应相结合,就形成了一个内部空间。此部位可容纳mRNA、tRNA及进行氨基酸结合等反应。
此外,在大亚基内有一垂直的通道为中央管,所合成的多肽链由此排放,以免受蛋白酶的分解。 一般真核细胞中,106-107个/细胞,原核细胞中15-18× 103个/细胞,蛋白质合成旺盛的细胞可达1×1012个/细胞。 [编辑本段]核糖体的理化特性 核糖体的主要成份为蛋白质和rRNA,二者比例在原核细胞中为1.5:1, 在真核细胞中为1:1,每个亚基中,以一条或二条高度折叠的rRNA为骨架,将几十种蛋白质组织起来,紧密结合,使rRNA大部份围在内部,小部份露在表面。由于RNA的磷酸基带负电荷超过了蛋白质带的正电荷[/ur颂翘逑颂翘逑郧康肿url]负电性,易与阳离子和碱性染料结合。
单个核糖体上存在四个活性部位,在蛋白质合成中各有专一的识别作用。
1.A部位:氨基酸部位或受位:主要在大亚基上,是接受氨酰基-tRNA的部位。
2.P部位:肽基部位或供位:主要在小亚基上,是释放tRNA的部位。
3.肽基转移酶部位(肽合成酶),简称T因子:位于大亚基上,催化氨基酸间形成肽键,使肽链延长。
4.GTP酶部位:即转位酶,简称G因子,对GTP具有活性,催化肽键从供体部位→受体部位。
另外,核糖体上还有许多与起始因子、延长因子、释放因子以及各种酶相结合的位点。 核糖体的大小是以沉降系数S来表示,S数值越大、颗粒越大、分子量越大。 原核细胞与真核细胞核糖体的大小亚基是不同的。
50S(大亚基) 23S,5S RNAS+ 原核(70S) 34种蛋白质 55种蛋白质 30S(小亚基) 21种蛋白质+ 16S RNA
真核(80S) 60S(大亚基) 28S 5.8S 5SRNA+ 45种蛋白质 78种蛋白质 40S(小亚基) 33种蛋白质,+ 18SRNA [编辑本段]核糖体与蛋白质生物合成 抗体是由核糖体合成
(一)蛋白质合成的细胞内定位
核糖体的功能就是将mRNA上的遗传密码(核苷酸顺序)翻译成多肽链上的氨基酸顺序。因此,它是肽链的装配机,即细胞内蛋白质合成的场所,细胞合成的蛋白质可分为两类:外输性蛋白和内源性蛋白。
1.外输性蛋白:主要在固着核糖体上合成,分泌到细胞外发挥作用,如抗体蛋白、蛋白类激素、酶原、唾液等,也能合成部份自身结构蛋白,如膜嵌入蛋白、溶酶体蛋白。
2.内源性蛋白:又称结构蛋白,是指用于细胞本身或组成自身结构的蛋白质,主要是在游离核糖体上合成,如红细胞中的血红蛋白,肌细胞中的肌纤维蛋白。
(二)蛋白质生物合成的简要过程
蛋白质生物合成是一个复杂而重要的生命活动,它在细胞中有粗细的结构基础,进行得十分迅速有效,是依靠分子水平上的严密组织和准确控制进行的。
蛋白质合成不仅要有合成的场所,而且还必须有mRNA、tRNA、20种氨基酸原料和一些蛋白质因子及酶。Mg、K+离子等参与,并由ATP、GTP提供能量,合成中mRNA是编码2合成蛋白质的模板,tRNA是识别密码子,转运相应氨基酸的工具。核糖体则是蛋白质的装配机,它不仅组织了mRNA和rRNA的相互识别,将遗传密码翻译成蛋白质的氨基酸顺序,并且控制了多肽链的形成,下面看看真核细胞中蛋白质合成的主要步骤,是怎样在细胞内超微结构水平上进行的。 [编辑本段]蛋白质生物合成过程可分成三个阶段 1.氨基酸的激素和转运
阶段在胞质中进行,氨基酸本身不认识密码,自己也不会到Ribosome上,须靠tRNA。
氨基酸＋tRNA →→氨基酰tRNA复合物
每一种氨基酸均有专一的氨基酰-tRNA合成酶催化,此酶首先激活氨基酸的羟基,使它与特定的tRNA结合,形成氨基酰tRNA复合物。所以,此酶是高度专一的,能识别并反应对应的氨基酸与其tRNA,而tRNA能以反密码子识别密码子,将相应的氨基酸转运到核糖体上合成肽链。
2.在多聚核糖体上的mRNA分子上形成多肽链
氨基酸在核糖体上的聚合作用,是合成的主要内容,可分为三个步骤:
(1)多肽链的起始:mRNA从核到胞质,在起始因子和Mg 的作用下,小亚基与mRNA的起始部位结合,甲硫氨酰(蛋氨酸)—tRNA的反密码子,识别mRNA上的起始密码AuG(mRNA)互补结合,接着大亚基也结合上去,核糖体上一次可容纳二个密码子。
(2)多肽链的延长:第二个密码对应的氨酰基—tRNA进入核糖体的A位,也称受位,密码与反密码的氢键,互补结合。在大亚基上的多肽链转移酶(转肽酶)作用下,供位(P位)的tRNA携带的氨基酸转移到A位的氨基酸后并与之形成肽键(—CO-NH—),tRNA脱离P位并离开P位,重新进入胞质,同时,核糖体沿mRNA往前移动,新的密码又处于核糖体的A位,与之对应的新氨基酰-tRNA又入A位,转肽键把二肽挂于此氨基酸后形成三肽,ribosome又往前移动,由此渐进渐进,如此反复循环,就使mRNA上的核苷酸顺序转变为氨基酸的排列顺序。
注意: P位(供位):供tRNA;供肽链
A位(受位):受氨基酸-tRNA;受肽链核苷酸与氨基酸相连系的桥梁是tRNA。
(3)多肽链的终止与释放:肽链的延长不是无限止的,当mRNA上出现终止密码时(UGA,U氨基酸和UGA),就无对应的氨基酸运入核糖体,肽链的合成停止,而被终止因子识别,进入A位,抑制转肽酶作用,使多肽链与tRNA之间水解脱下,顺着大亚基中央管全部释放出,离开核糖体,同时大小亚基与mRNA分离,可再与mRNA起始密码处结合,也可游离于胞质中或被降解,mRNA也可被降解。
这是在一个核糖体上氨基酸聚合成肽链,每一个核糖体一秒钟可翻译40个密码子形成40个氨基酸肽键,其合成肽链效率极高。可见,核糖体是肽链的装配机。
合成的若是结构蛋白,则这些多肽便经过某些修饰、剪接后形成四级结构,投入使用,若是输出蛋白呢？
我们知道分泌蛋白质是先存在于内质网腔中,后经高尔基体排出,胞吐外排,那么,合成的输出蛋白是怎样进入内质网腔的呢?
3.信号学说:Signal hypothesis
与膜结合的核糖体和游离核糖体在性质上是一样的,那这种核糖体为什么会结合到粗面内质网膜上呢?新肽链又是怎样进入RER囊腔的呢?信号学说阐明了固着核糖体上合成蛋白质的特殊性,该学说的基本要点。
(1)分泌蛋白质多肽的合成一开始也在游离多聚核糖体上,但其mRNA在AUG之后有一段45-90bp的信号顺序(密码),由此能翻译出15-30个氨基酸的多肽(信号肽)Signal Peptide。这种能合成信号肽的核糖体将成为附着核糖体与内质网结合,不能合成信号肽的为游离核糖体,仍散布于胞质中。
(2)近几年的研究发现,胞质中存在着信号识别颗粒(Signal RecoynitionParticle,SRP),它既能识别露出核糖体之外的信号肽,又能识别RER膜上的SRP受体,只有当核糖体出现信号肽时,SRP才与核糖体的亲和力增高。
(3)SRP与核糖体一结合,便以tRNA的构型占据了核糖体的“A”位,使核糖体的蛋白质合成暂时停止。
(4)SRP-核糖体复合体与RER上的SRP受体结合核糖体则以大亚基结合于RER上的嵌入蛋白(核糖体结合蛋白Ⅰ和Ⅱ),所以SRP受体又称停泊蛋白(docking 蛋白质),SRP与SRP受体结合是暂时的,当核糖体附着于内质网膜后,SRP便离去,核糖体结合蛋白只存在于RER上。
(5)信号肽由疏水性氨基酸构成,当能合成信号肽的核糖体与内质网膜结合后,信号肽便经由内质网膜插入膜腔内,(内质网膜中2-多个识别信号肽的受体蛋白侧向移动,集中在一起形成临时性管道与中央管相连接),而先前处于暂停白质合蛋白质合成活动又重新开始。进入内质网腔的信号肽将与之相连的新生肽链引入内质网腔。信号肽便被位于内质网内表面的信号肽酶切掉,核糖体继续合成肽链,肽链不断延长,并在内质网腔中保护不被破坏并在网腔中形成具有一定空间构型的蛋白质,当合成终止,受体蛋白重新分散,肽链从核糖体脱下,核糖体大小亚基离开,所以,固着核糖体与RER的结合不是结构性的,而是特异性、暂时性、功能性的。
所以,如信号顺序发生改变,所合成的信号肽不能被受体识别,核糖体就结合不到膜上。 [编辑本段]核糖体的异常改变和功能抑制 电镜下,多聚核糖体的解聚和粗面内质网的脱粒都可看作是蛋白质合成降低或停止的一个形态指标。
多聚核糖体的解聚:是指多聚核糖体分散为单体,失去正常有规律排列,孤立地分散在胞质中或附在粗面内质网膜上。一般认为,游离多聚核糖体的解聚将伴随着内源性蛋白质生成的减少。脱粒是指粗面内质网上的核糖体脱落下来,分布稀疏,散在胞质中,RER上解聚和脱离将伴随外输入蛋白合成 。
正常情况下,蛋白质合成旺盛时,细胞质中充满多聚核糖体,RER上附有许多念珠线状和螺旋状的多原核糖体,当细胞处于有丝分裂阶段时,蛋白质合成明显下降,多聚核糖体也出现解聚原C,逐渐为分散孤立的单体所代替。
在急性药物中毒性(四氯化碳)肝炎和病毒性肝炎后,以及肝硬化病人的肝细胞中,经常可见到大量多聚核糖体解聚呈离散单体状,固着多聚核糖体脱落,分布稀疏,导致分泌蛋白合成↓,所以,病人血浆白蛋白含量↓。
另外,一些药物,致癌物可直接抑制蛋白质合成的不同阶段,有些抗苔素,如链霉素、氯霉素、红霉素等对原核与真核生物的敏感性不同,能直接抑制细菌核糖体上蛋白质的合成作用。有的抑制在起始阶段,有的抑制肽链延长和终止阶段,有的阻止小亚基与mRNA的起始结合,四环素抑制氨基酰-tRNA的结合和终止因子 ,氯霉素抑制转肽酶,阻止肽链形成,红霉素抑制转位酶,不能相应移位进入新密码。所以,抗苔素的抗苔作用就是干扰了细苔蛋白合成而抑制细苔生长来起作用的。
1、核糖体的结构特点——暂时的、功能的动态结构。
2、核糖体种类与合成蛋白质种类的关系。
3、留下思考题：核糖体合成的蛋白质之去向（与内膜系统联系）。
核糖体不是由生物膜构成的，它是由蛋白质和RNA构成的复合体。由大小两个亚基组成。核糖体是蛋白质合成的场所。附着在内质网上的核糖体合成的蛋白质主要有两类：一类是分泌蛋白，通过内质网运输到高尔基体，经加工包装后被分泌到细胞外；另一类是排列到质膜内的蛋白质。游离的核糖体合成的蛋白质一般是分布到细胞质基质中的蛋白质，如分布于细胞质基质中的酶等。