细胞学第7讲核糖体和核酶,1,Chapter 7 Ribosome（核糖体） and Ribozyme（核酶）,7.1 Ribosome Structure(核糖体的结构) 7.2 Ribosome Biogenesis (核糖体的生物发生) 7.3 Ribosome Function(核糖体的功能) 7.4 Ribozyme and Antisense RNA(核酶与反义RNA),细胞学第7讲核糖体和核酶,2,核糖体的形态结构,细胞学第7讲核糖体和核酶,3,核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein(RNP) particle)，是细胞内合成蛋白质的细胞器。,7.1 Ribosome structure,核糖体的主要成分是核糖体RNA(rRNA)， 占60%，核糖体蛋白质(r蛋白质)，占40%。,1,细胞学第7讲核糖体和核酶,4,7.1.1 核糖体的类型,细胞有两种主要类型的核糖体:,原核细胞的核糖体:,沉降系数为70S，分子量为2.5106，由50S和30S两个亚基组成。,真核细胞(细胞质)的核糖体,沉降系数是80S，分子量为4.8106，由60S和40S两个亚基组成。,2,细胞学第7讲核糖体和核酶,5,各种来源的核糖体亚基组成,来源 完整核糖体 核糖体亚基 核糖体RNA 细胞质 80S 60S(大亚基) 28S,5.8S,5S (真核生物) 40S(小亚基) 18S 细胞质 70S 50S(大亚基) 23S,5S (原核生物) 30S(小亚基) 16S 线粒体 55-60S 45S(大亚基) 16S (哺乳动物) 35S(小亚基) 12S 线粒体 75S 53S(大亚基) 21S (酵母) 35S(小亚基) 14S 线粒体 78S 60S(大亚基) 26S,5S (高等植物) 45S(小亚基) 18S 叶绿体 70S 50S(大亚基) 23S,5S 30S(小亚基) 16S,细胞学第7讲核糖体和核酶,6,核糖体的化学组成,细胞学第7讲核糖体和核酶,7,7.2 Ribosome Biogenesis(核糖体的生物发生 ),在细胞内,核糖体是自我装配的。 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。,细胞学第7讲核糖体和核酶,8,7.2.1 核糖体rRNA基因的转录与加工,7.2.1.1 真核生物核糖体rRNA基因的转录与加工 7.2.1.2 原核生物核糖体rRNA基因的转录与加工,细胞学第7讲核糖体和核酶,9,7.2.1.1 真核生物18S、5.8S和28S rRNA基因的转录和加工,组织: 18S、5.8S和28S rRNA基因为一组串联在 一起。对人来说，分布在13，14，15，21 和22号染色体上； 5S的rRNA基因则位于另一条染色体上。,3,细胞学第7讲核糖体和核酶,10,转录 45S前RNA转录体； 不同种的生物，pre-rRNA的长度范围在34S45S之间； 在转录单位中除了三个rRNA基因外，还包括一些间隔区。,细胞学第7讲核糖体和核酶,11,rRNA的前体转录物,细胞学第7讲核糖体和核酶,12,前体rRNA的修饰与加工：,甲基化修饰：甲基化的主要部位在核糖 2碳的 羟基上。,45S的前体rRNA在核酶的作用下，加工出成熟 的18S、5.8S和28S rRNA；,细胞学第7讲核糖体和核酶,13,45SrRNA前体的加工,snoRNAs(核酶),细胞学第7讲核糖体和核酶,14,真核生物中， 18S、5.8S和28S rRNA的基因在 核仁内串连在一起转录，而5S rRNA 的基因在 核仁外转录。 某些生物3 端通常有多余的核苷酸，在加工时 被切除。, 5S rRNA基因的转录与加工,细胞学第7讲核糖体和核酶,15,原核生物rRNA基因转录 细菌的16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA基因组成一个转录单位，在染色体上的排列顺序是16S-23S-5S。,7.2.1.2 原核生物核糖体rRNA基因的转录与加工,细胞学第7讲核糖体和核酶,16,原核生物rRNA前体的加工,细胞学第7讲核糖体和核酶,17,原核生物rRNA前体的加工,细胞学第7讲核糖体和核酶,18,7.2.2 核糖体的装配,原核生物核糖体的装配 小亚基的rRNA和蛋白质的装配关系: r蛋白质和rRNA在大小亚基中均有一定的空间排布。,细胞学第7讲核糖体和核酶,19,核糖体在组装过程中，某些蛋白质必须首先 结合到rRNA上，其他蛋白才能组装上去即表现 出先后层次。根据同rRNA结合的顺序，将核糖体 蛋白分为两种: 初级结合蛋白(primary binding protein) 这些蛋白质直接同rRNA结合， 次级结合蛋白(secondary binding protein) 这些蛋白质不直接同rRNA结合, 而是同初级 结合蛋白结合。,细胞学第7讲核糖体和核酶,20,原核细胞核糖体结合蛋白,细胞学第7讲核糖体和核酶,21,真核生物核糖体装配模型,80S前体颗粒形成,45S rRNA+5S rRNA+蛋白质 45S rRNA 41S rRNA,大小亚基前体形成:,大:32S rRNA和5S rRNA 小:20S的前体rRNA；,小亚基成熟与运送:, 20S rRNA18S rRNA,大亚基成熟与运送, 32S rRNA28S rRNA+5.8S rRNA,细胞学第7讲核糖体和核酶,22,人细胞核糖体的合成与装配,细胞学第7讲核糖体和核酶,23,7.3 核糖体的功能,核糖体的功能位点 蛋白质合成的基本过程,细胞学第7讲核糖体和核酶,24,核糖体的功能位点,细胞学第7讲核糖体和核酶,25,核糖体的功能位点,A位点：氨酰tRNA 位点（Aminoacyl-tRNA site）,P位点：肽酰tRNA 位点（Peptidyl-tRNA site）,E位点（Exit site）：脱氨酰tRNA离开核糖体时的临时停留点,大亚基：,小亚基： 与mRNA结合位点,细胞学第7讲核糖体和核酶,26,真核生物mRNA的5 端有帽子结构，核糖体小亚基通过识别帽子结构和mRNA结合。,原核生物mRNA起始密码子AUG的上游5-10个碱基处有一段富含嘌呤的序列，称为SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。小亚基通过识别SD序列而与mRNA结合。,小亚基与mRNA的结合,细胞学第7讲核糖体和核酶,27,Shine-Dalgarno sequence,细胞学第7讲核糖体和核酶,28,蛋白质合成的基本过程,蛋白质合成起始 多肽链的延伸 蛋白质合成终止,细胞学第7讲核糖体和核酶,29,蛋白质合成起始,细胞学第7讲核糖体和核酶,30,真核细胞：小亚基通过识别5端甲基化帽子结构与mRNA结合，并且滑动到含有AUG的典型识别序列5-CCACCAUGC-3, 此过程有10个起始因子eIF参与，其中eIF4同mRNA 5帽子结合。,小亚基与mRNA的结合,原核细胞：小亚基通过识别SD序列与mRNA结合，此过程有起始因子IF1、IF3帮助识别。,细胞学第7讲核糖体和核酶,31,第一个氨酰tRNA进入核糖体的P位点,原核生物： 携带甲酰甲硫氨酸的tRNA通过反密码子与mRNA中的AUG的识别进入核糖体。起始tRNA与GTP、IF2结合形成GTP-IF2-tRNAfmet复合物，复合物与mRNA的AUG结合后，结合小亚基的IF3释放。,细胞学第7讲核糖体和核酶,32,完整复合物的装配,起始tRNA与AUG结合后，大亚基与GTP-IF2-tRNAfmet复合物结合，形成核糖体-mRNA起始复合物。 此过程伴随GTP水解、IF1和IF2的释放。,细胞学第7讲核糖体和核酶,33,多肽链的延伸和终止,3,细胞学第7讲核糖体和核酶,34,多肽链的延伸,氨酰tRNA进入A位 肽键形成肽酰转移酶 转位核糖体沿着mRNA 5 3方向 移动三个核苷酸 脱氨酰tRNA的释放,3,细胞学第7讲核糖体和核酶,35,蛋白质合成终止,终止密码子：UAA、UAG、UGA 任何一个终止密码子进入A位点都会终止 蛋白质的合成。,细胞学第7讲核糖体和核酶,36,多聚核糖体,细胞学第7讲核糖体和核酶,37,7.4 Ribozyme and Antisense RNA,核酶（ribozyme） 反义RNA（Antisense RNA）,细胞学第7讲核糖体和核酶,38,大小:100300 bases 由RNA聚合酶或RNA聚合酶所合成 某些像mRNA一样可被加帽 类别:scRNA snRNA,7.4.1 真核细胞中的小分子RNA( small RNA),细胞学第7讲核糖体和核酶,39,scRNA(small cytoplasmic RNA): snRNA(small nuclear RNA)：,snRNPs(small nuclear ribonucleoproteins)颗粒； snRNPs分类: 由于snRNA富含尿嘧啶核苷，分类时把它分为 U1、U2、等。,细胞学第7讲核糖体和核酶,40,7.4.2 Antisense RNA,反义RNA：指与mRNA互补结合，抑制该mRNA翻译的RNA分子，也包括与其他RNA互补的RNA分子。 反义RNA分类 I类 直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或编码区; 类: 与mRNA的SD序列的上游非编码区结合,从而抑制靶mRNA的翻译； III类: 可直接抑制mRNA的转录,细胞学第7讲核糖体和核酶,41,7.4.3 核酶(ribozyme),具有催化活性的RNA，其化学本质是核糖核酸（RNA）。其功能很多，有的能切割RNA，有的能切割DNA，有些具有RNA连接酶、磷酸酶等活性； 与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，是一种较为原始的催化酶。,细胞学第7讲核糖体和核酶,42,核酶的作用,细胞学第7讲核糖体和核酶,43,核酶的发现 1980s Thomas Cech等 研究四膜虫的26S rRNA前体加工 发现:26S rRNA前体可进行自剪接 (self- splicing) 几个基本概念 间隔区(spacer)：基因间的序列 内含子(intron):基因内的序列 外显子(exon)：最后出现在成熟RNA中的序列,细胞学第7讲核糖体和核酶,44,rRNA前体的自剪接,细胞学第7讲核糖体和核酶,45,50S核糖体中23S rRNA核酶活性,肽酰转移酶(peptidyl transferase)的化学本质 是一种RNA 发现者: Harry Noller等，1992年 实验过程: 用蛋白酶K、SDS、苯酚等破坏50S亚基核糖 体蛋白质:仍然有肽键生成 破坏rRNA 核酸酶处理50S亚基核糖体:无肽键生成 结论: 具有肽酰转移酶的活性分子是23S rRNA。,细胞学第7讲核糖体和核酶,46,核酶的类型 RNA和蛋白质复合物（RNP颗粒） 核糖核酸酶P(ribonuclease P)，是一种核糖核蛋白, 含有一个tRNA分子(长为375个核苷)和一个分子量为20kDa的多肽。 具有催化活性的小分子RNA 、型内含子,细胞学第7讲核糖体和核酶,47,核剪接,剪接体,套索,剪接体,细胞学第7讲核糖体和核酶,48,Group I intron splicing,细胞学第7讲核糖体和核酶,49,II组内含子的剪接,