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06核糖体与核酶


第 六 章 .核 糖 体 与 核 酶 核 糖 体 ( r ib os o m e) , 是 细 胞 内 一 种 核 糖 核 蛋 白 颗 粒 (r i b on u c l eop r ot e in p art i c l e) , 其 惟 一 功 能 是 按 照 m RN A 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。 核 糖 体 最 早 是 A l b ert Cl a u de 于 20 世 纪 3 0 年 代 后 期 发 现 的 , 其 后 又 证 明 了 其 蛋白 质合成功能 。 随着 分子生物学 的发展, 核糖体概 念的涵意有 了进一步的 发展。细胞 内除了

从事 蛋白质合成 的核糖体外 , 还有许 多其它功能 的核糖核 蛋白体颗粒 , 通常是 一 些 小 分 子 的 RN A 同 蛋 白 质 组 成 的 颗 粒 , 它 们 参 与 RN A 的 加 工 、 RN A 的 编 辑 、 基因 表达的调控 等。 发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是什么 ?( 发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是 什么?(答案) 答 : 核 糖 体 最 早 是 A lb e rt C l au d e 于 1 9 30s 后 期 用 暗 视 野 显 微 镜 观 察 细 胞 的 匀 浆 物 时 发 现 的 , 当 时 称 为 微 体 (M ic r os om e s ) , 直 到 1 95 0s 中 期 , G e or ge P al a d e 在 电 子 显 微 镜 下 观 察 到 这 种 颗 粒 的 存 在 。当 时 G e o r ge P a l a de 和 他 的 同 事 研 究 了 多 种 生物 的细胞,发 现细胞质中 有类似的 颗粒存在, 尤其在进行 蛋白质合成 的细胞中 特 别 多 。 后 来 P h i l ip S i e k ev it z 用 亚 细 胞 组 份 分 离 技 术 分 离 了 这 种 颗 粒 , 并 发 现 这 些颗 粒总是伴随 内质网微粒 体一起沉 积。化学分 析揭示,这 种微粒富含 核苷酸, 随 之 命 名 为 r i b os o m e , 主 要 成 分 是 核 糖 体 RN A (r RN A ) , 白 质 ) 约 占 40 % 。 核 糖 体 的 蛋 白 质 合 成 功 能 是 通 过 放 射 性 标 记 实 验 发 现 的 。将 细 胞 与 放 射 性 标 记 的氨 基酸短暂接 触后进行匀 浆,然后 分级分离, 发现在微粒 体部分有大 量新合成 的放 射性标记的 蛋白质。后 将微粒体 部分进一步 分离,得到 核糖体和膜 微粒,这 一实 验结果表明 核糖体与蛋 白质合成 有关。 两个 关键技术是 亚细胞组份 分离技术 和放射性标 记技术。 ) 约 占 6 0 % 、 蛋 白 质 (r 蛋

6.1 核 糖 体 的 形 态 结 构

核 糖 体 是 细 胞 内 数 量 最 多 的 细 胞 器 ,原 核 细 胞 和 真 核 细 胞 都 有 核 糖 体 ,功 能 也 相同 ,但是结构 组成却有很 大差别。 6 . 1. 1 核 糖 体 的 类 型 和 化 学 组 成 ■ ● 核糖体的 类型 按 存 在 的 部 位 : 有 三 种 类 型 核 糖 体 ,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 : 分 为 两 种 类 型 ,即 真 核 生 物 核 糖 体 和 原 核 生 物 核 糖 体 。 沉 降 系 数 为 70 S , 相 对 分 子 质 量 为 2. 5 x1 0 3 kD a , 由 5 0 S

原核 细胞的核糖 体较小,

和 30 S 两 个 亚 基 组 成 ( 图 6- 1 ) ; 而 真 核 细 胞 的 核 糖 体 体 积 较 大 , 沉 降 系 数 是 80 S , 相 对 分 子 质 量 为 3. 9 ~ 4. 5 x1 0 3 kD a , 由 60S 和 40S 两 个 亚 基 组 成 。

图 6- 1 从 两 个 不 同 角 度 观 察 的 E. c o l i 核 糖 体 的 三 维 结 构 ● M g2 + 的 浓 度 对 于 大 小 亚 基 的 聚 合 和 解 离 有 很 大 的 影 响 , 体 外 实 验 表

明 : 70 S 核 糖 体 在 M g 2 + 的 浓 度 小 于 1 m mo l / L 的 溶 液 中 易 解 离 ; 当 M g2 + 浓 度 大 于 1 0 m m o l /L , 两 个 核 糖 体 通 常 形 成 1 00 S 的 二 聚 体 ( 图 6- 2) 。

图 6- 2 通 过 区 带 离 心 鉴 定 核 糖 体 的 亚 基 在 低 浓 度 的 M g2 + 时 , 完 整 的 核 糖 体 将 分 成 大 小 两 个 亚 基 。 ● 在组成上, 叶绿体中的 核糖体与 原核生物核 糖体相同, 但线粒体中 核糖体

的 大 小 变 化 较 大 ( 表 6- 1) 。 表 6- 1 不 同 类 型 核 糖 体 的 大 小 比 较 来源 细胞质 (真核生物) 细胞质 (原核生物) 线粒体 (哺乳动物) 线粒体 (酵母) 线粒体 (高等植物) 叶绿体 70S 78S 75S 55-60S 70S 完整核糖体 80S 核糖体亚基 60S(大亚基) 40S(小亚基) 50S(大亚基) 30S(小亚基) 45S(大亚基) 35S(小亚基) 53S(大亚基) 35S(小亚基) 60S(大亚基) 45S(小亚基) 50S(大亚基) 核糖体 RNAs 28S,5.8S,5S 18S, 23S,5S 16S 16S 12S 21S 14S 26S,5S 18S 23S,5S

30S(小亚基)

16S



核糖体的 化学组 成

核 糖 体 的 大 小 两 个 亚 基 都 是 由 核 糖 体 RN A s ( rR N A s ) 和 核 糖 体 蛋 白 (r i bo s o m a l p r ot e ins ) 组 成 的 , 原 核 生 物 和 真 核 生 物 细 胞 质 核 糖 体 的 大 小 亚 基 在 蛋 白 质 和 RN A 的 组 成 上 都 有 较 大 的 差 别 ( 图 6 - 3)

图 6- 3 典 型 的 原 核 细 胞 和 真 核 细 胞 质 核 糖 体 的 化 学 组 成 6 . 1. 2 核 糖 体 蛋 白 质 与 r RN A 由于 核糖体有着 十分重要的 生物学功 能,所以有 关其结构和 各种结构域 的功 能, 一直是研究 的重点。为 了建立一 个完整的核 糖体分子结 构模型,必 须了解构 成 核 糖 体 的 每 一 个 蛋 白 质 和 rR N A 分 子 在 核 糖 体 中 的 位 置 。



核糖体蛋 白

通 过 电 泳 和 层 析 等 技 术 , 已 经 鉴 定 了 E . co l i 核 糖 体 小 亚 基 的 21 种 蛋 白 质 和 大 亚 基 的 34 种 蛋 白 质 。 小 亚 基 的 蛋 白 分 别 命 名 为 S1 ~ S2 1 , 大 亚 基 的 核 糖 体 蛋 白 命 名 为 L 1 ~ L3 3 。核 糖 体 中 的 蛋 白 质 除 了 一 种 具 有 四 个 拷 贝 外 ,其 余 都 是 一 个 拷 贝 。 图 6- 4 是 E. c o li 小 亚 基 2 1 种 蛋 白 质 的 排 列 。

图 6- 4 E . co l i 小 亚 基 2 1 种 蛋 白 质 的 排 列



核 糖 体 rRN A

H a rry H o l l e r 测 定 了 E . co l i 1 6 S r RN A 序 列 , 一 共 有 1 54 2 个 核 苷 酸 。 通 过 计 算 机 分 析 , 发 现 不 同 生 物 来 源 的 1 6 S r RN A 的 序 列 组 成 具 有 进 化 上 的 保 守 性 。 推 测 1 6 S rR N A 结 构 有 四 个 结 构 域 , 每 个 结 构 域 都 有 46 % 的 碱 基 配 对 , 形 成 螺 旋 的 柄

状 结 构 ( 图 6- 5 ) 。每 一 个 柄 状 结 构 都 很 短 ,不 到 8 bp ,且 并 不 都 是 完 全 配 对 的 。1 6 S r RN A 的 电 子 显 微 照 片 的 形 态 与 3 0 S 核 糖 体 亚 基 相 似 , 因 此 认 为 30S 核 糖 体 亚 基 的 形 态 主 要 是 由 16 S rR N A 决 定 的 。

图 6- 5 E . co l i 中 16 S rR N A 分 子 折 叠 的 二 级 结 构 折叠 主要是由序 列中互补碱 基配对引 起的。 6 . 1. 3 细 菌 核 糖 体 的 结 构 模 型 为 了 揭 示 核 糖 体 的 空 间 结 构 以 及 核 糖 体 蛋 白 质 和 rR N A 相 互 间 的 关 系 ,分 别 用 物理 、化学以及 显微技术进 行了大量 的研究工作 ,在这些研 究工作的基 础上提出 了 细 菌 核 糖 体 的 结 构 模 型 ( 图 6 - 6) 。模 型 中 蛋 白 质 的 定 位 是 根 据 不 同 来 源 的 资 料 分 析 综 合 后 确 定 的 ,如 S 4 、 S 5 、 S 8 和 S 12 等 四 个 蛋 白 定 位 在 核 糖 体 的 小 亚 基 上 ,并 且是 背向大亚基 ,就是根据 四种不同 方法获得的 资料,比较 分析后确定 的。

图 6- 6 E . co l i 核 糖 体 结 构 模 型 图 中 分 别 显 示 了 小 亚 基 、大 亚 基 中 一 些 核 糖 体 蛋 白 质 的 位 置 ,以 及 蛋 白 质 合 成 过 程 中 m RN A 在 核 糖 体 中 的 位 置 。 的 结 合 位 点 ( 图 6 -7 ) 。 在 该 模 型 中 确 定 了 一 些 重 要 的 功 能 区 和 R NA

图 6- 7 核 糖 体 结 构 及 功 能 位 点 6 . 2 核 糖 体 的 生 物 发 生 ( bi o ge n e s i s ) 核糖 体的合成和 装配过程相 当复杂 。 真核细胞 和原核细胞 的核糖体合 成和装配 过 程 各 不 相 同 。 核 糖 体 的 生 物 发 生 包 括 蛋 白 质 和 rR N A 的 合 成 、 核 糖 体 亚 基 的 组 装等 。

6 . 2. 1 核 糖 体 r RN A 基 因 的 转 录 与 加 工 核 糖 体 的 组 成 成 分 是 蛋 白 质 和 r RN A , 所 以 编 码 核 糖 体 的 基 因 分 为 两 类 , 一 类 是 蛋 白 质 基 因 , 另 一 类 是 rR N A 基 因 。 在 生 活 细 胞 中 , 特 别 是 在 活 跃 进 行 蛋 白 质 合 成 的 细 胞 中 , 需 要 大 量 的 核 糖 体 , 这 就 意 味 着 需 要 合 成 大 量 的 r RN A 和 核 糖 体 蛋白 质。



编 码 r RN A 基 因 的 过 量 扩 增

细 胞 为 了 满 足 大 量 需 求 的 rR N A , 通 过 两 种 方 式 扩 大 r RN A 基 因 的 拷 贝 数 :



在 染 色 体 上 增 加 r RN A 基 因 的 拷 贝 数 , 如 在 细 菌 E . co l i 的 基 因 组 中 有 七 套

r RN A 基 因 , 而 典 型 的 真 核 生 物 细 胞 含 有 几 百 到 几 千 个 2 8 S、 1 8 S 和 5 . 8 S r RN A 基 因 的 拷 贝 , 5 S r RN A 基 因 的 拷 贝 数 多 达 5 00 00 个 。 ● 通 过 基 因 扩 增 ( ge n e a mp l i f i c at io n) ( 细 胞 内 选 择 性 复 制 D N A , 产 生 大 量 的

拷 贝 。 如 两 栖 类 卵 母 细 胞 在 发 育 的 早 期 , r RN A 基 因 的 数 量 扩 增 到 1 0 00 多 倍 。 基 因 扩 增 是 通 过 形 成 几 千 个 核 进 行 的 , 每 个 核 里 含 有 几 百 拷 贝 的 编 码 2 8 S、 1 8 S 和 5 . 8 S 的 r RN A 基 因 , 最 后 卵 母 细 胞 中 的 这 些 r RN A 基 因 的 拷 贝 数 几 乎 达 到 50 万 个 , 而 在 相 同 生 物 的 其 它 类 型 细 胞 中 , 这 些 r RN A 基 因 的 拷 贝 数 只 有 几 百 个 。 卵 母 细 胞 中 有 如 此 众 多 的 r RN A 基 因 拷 贝 , 为 卵 细 胞 在 受 精 后 的 发 育 过 程 中 合 成 大 量 核 糖体 创造了条件 。 至 于 卵 母 细 胞 中 rR N A 基 因 扩 增 的 机 制 ,有 人 认 为 可 能 是 通 过 从 染 色 体 上 分 离 出 来 的 环 状 D N A 分 子 ,这 种 环 状 D N A 中 含 有 r RN A 基 因 , 但 是 第 一 个 含 有 r RN A 基 因 的 环 状 DNA 是 如 何 形 成 的 尚 不 清 楚 。 由 于 环 状 DNA 能 够 通 过 滚 环 复 制 ( r o l l in g c i r c l e r ep l i c at i on ) 的 方 式 进 行 复 制 , 因 而 能 够 产 生 大 量 的 rR N A 基 因 ) 。 科 学 家 用 两 栖 类 的 卵 细 胞 ( 卵 母 细 胞 ) 研 究 在 发 育 过 程 中 r RN A 基 因 的 扩 增 。 发 现 两 栖 类 卵 母 细 胞 在 发 育 的 早 期 , r RN A 基 因 的 数 量 扩 增 到 1 00 0 多 倍 ( 图 6 -8 ) 。

图 6- 8 非 洲 爪 蟾 卵 母 细 胞 中 r RN A 的 合 成

卵 母 细 胞 中 含 有 几 百 个 核 仁 , , 每 个 核 仁 都 含 有 扩 增 的 r RN A 基 因 。



真 核 生 物 1 8S 、 5. 8S 、 2 8S r R N A 和 5S r RN A 基 因

编 码 rR N A 基 因 的 D N A 称 为 rD N A 。 真 核 生 物 有 四 种 rR N A 基 因 , 其 中 18 S 、 5. 8 S 和 2 8 S rRN A 基 因 是 串 联 在 一 起 的 , 每 个 基 因 被 间 隔 区 隔 开 , 5 S r RN A 基 因 则 位 于 不 同 染 色 体 上 。 说明人体单倍体染色体组中四种 rRNA 基因的组成、排列方式和拷贝数。(说明人体单倍体染色体组中四种 rRNA 基因的组成、排列方式和拷贝数。 (答案) 答 : 在 人 基 因 组 的 四 种 r RN A 基 因 中 , 18 S 、 5 .8 S 和 28 S r RN A 基 因 是 串 联 在

一 起 的 , 每 个 基 因 被 间 隔 区 隔 开 , 5 S 的 rR N A 基 因 则 是 编 码 在 另 一 条 染 色 体 上 。 前 3 个 基 因 组 成 一 组 , 分 布 在 人 的 13 、 1 4 、 15 、 2 1 、 2 2 等 5 条 染 色 体 上 。 在 间 期 核 中 , 所 有 这 5 条 染 色 体 r RN A 基 因 区 域 , 转 录 时 聚 集 在 一 起 , 形 成 一 个核 仁。 在人 体单倍体染 色体组中, 每 组 rRN A 基 因 有 2 00 个 拷 贝 。 每 一 拷 贝 为 一 个

r DNA 转 录 单 位 。 这 3 个 基 因 是 纵 向 串 联 排 列 在 核 仁 组 织 者 的 D NA 上 。 真 核 细 胞 核 糖 体 的 5 S rR N A 基 因 则 是 独 立 存 在 于 一 个 或 几 个 染 色 体 上 , 拷 贝 数 达 几 千 个 。 在 人 的 细 胞 中 , 该 基 因 的 拷 贝 有 24 00 0 个 之 多 , 1 号染色体接 近末端处。 ) 它们串 联排列在

■ ●

1 8S 、 5. 8S 、 28S r RN A 基 因 转 录 与 加 工 转 录 蛋 白 与 45 S 的 前 体

1 8 S rR N A 、 5. 8 S r RN A 和 2 8 S r RN A 基 因 首 先 转 录 成 一 个 4 5 S 的 前 体 r RN A (p re - rR N A ) , 大 约 是 这 3 个 rR N A 总 长 的 2 倍 。 能 够 转 录 这 3 个 rR N A 前 体 的 D N A 区 域 称 为 一 个 转 录 单 位 (t r an s cr ip t io n u n it ) ,意 指 它 们 有 一 个 共 同 的 转 录 起 点 和 转 录 终 点 。 在 转 录 单 位 中 除 了 这 三 个 r RN A 基 因 外 , 还 包 括 一 些 间 隔 区 。 ● 转录酶 :

真 核 生 物 中 参 与 rR N A 基 因 转 录 的 酶 是 RN A 聚 合 酶 Ⅰ 。 ● 前体加工 转 录间隔区则 被降解掉 。

前 体 rR N A 在 核 仁 中 被 酶 剪 切 成 3 个 r RN A 产 物 ,

根 据 3H 标 记 的 尿 嘧 啶 和 放 线 菌 素 D 研 究 人 的 培 养 细 胞 前 体 rRN A 的 合 成 的 结 果 推 测 了 前 体 rR N A 的 加 工 过 程 ( 图 6- 9 ) 。

图 6- 9 4 5 S rRN A 的 加 工 过 程 在 rRN A 聚 合 酶 Ⅰ 的 作 用 下 , 将 1 8 S rRN A 、5. 8 S rRN A 和 2 8 S r RN A 转 录 成 4 5 S 的 前 体 , 然 后 通 过 一 系 列 的 切 割 加 工 形 成 成 熟 的 18 S rR N A 、 5. 8 S r RN A 和 2 8 S r RN A 。 其 中 5. 8 S 的 rR N A 通 过 互 补 碱 基 的 氢 键 与 2 8 S r RN A 结 合 在 一 起 。



虽 然 所 有 真 核 生 物 的 18 S 、 5 . 8 S 和 2 8 S rRN A 基 因 是 相 同 的 , 并 且 在 染 色 但 是 不 同 生 物 中 的 18 S 、 5 . 8 S 和 2 8 S r RN A 基 因 的 转

体上 组成同一个 转录单位,

录 起 点 和 间 隔 区 的 长 短 并 不 完 全 相 同 ( 图 6- 10 ) 。

图 6- 10 rRN A 转 录 单 位 图 的 上 半 部 是 正 在 转 录 的 rD N A 形 成 的 刷 状 rR N A ; 下 半 部 是 一 个 转 录 单 位 的 转 录 物 , 并 将 蛙 的 r RN A 转 录 单 位 与 小 鼠 的 转 录 单 位 进 行 比 较 。从 图 中 可 见 : ① 基 因 间 被 可 转 录 的 间 隔 物 隔 开 ; ② 转 录 单 位 之 间 有 非 转 录 区 ; ③ 不 同 生 物 的 rD N A 的 转 录 起 点 可 能 不 同 ; ④ 不 同 生 物 的 rD N A 各 基 因 间 的 间 隔 序 列 长 短 不 同 。 ● 由 于 不 同 生 物 的 r D N A 转 录 起 点 不 同 、 间 隔 区 长 短 不 同 , 所 以 p r e -r RN A

的 长 度 不 都 是 45 S , 范 围 在 34 S ~ 4 5 S 之 间 ( 表 6- 2 ) 。 表 6- 2 不 同 种 生 物 的 前 体 r RN A 生物 果蝇 裂殖酵母 烟草 蛙 鸡 小鼠 人 pre-rRNA 的沉降系数 34S 37S 38S 40S 45S 45S 45S



真 核 生 物 前 体 r RN A 的 修 饰



前 体 r RN A 有 两 个 独 特 的 特 点 : 一 是 含 有 大 量 的 甲 基 化 的 核 苷 , 另 一 个 就 是

具 有 很 多 假 尿 苷 (p s eu d ou r id i n e) 。在 人 的 前 体 RN A 加 工 过 程 中 , 有 1 00 多 个 甲 基 添 加 到 前 体 分 子 的 核 糖 上 , 并 且 有 95 % 的 尿 嘧 啶 被 转 变 成 假 尿 苷 。 ● 前 体 r RN A 的 甲 基 化 及 其 意 义 : 前 体 r RN A 分 子 中 的 某 些 碱 基 进 行 甲 基 化 修

饰 , 甲 基 化 的 主 要 部 位 在 核 糖 第 二 位 的 羟 基 上 , 在 甲 基 化 的 过 程 中 需 要 s n RN A 的 参 与 。 甲 基 化 可 能 对 加 工 起 引 导 作 用 。 实 验 证 明 前 体 r RN A 中 被 甲 基 化 的 部 位 在 加 工 过 程 中 并 未 被 切 除 , 而 是 一 直 保 持 到 成 熟 的 rR N A 中 。 另 外 还 发 现 , 如 果 人 为 地 阻 断 前 体 rR N A 的 甲 基 化 ,前 体 r RN A 的 成 熟 加 工 也 被 阻 断 ,因 此 ,推 测 前 体 r RN A 的 甲 基 化 对 r RN A 的 加 工 具 有 指 导 作 用 。 另 外 , 前 体 rR N A 的 修 饰 可 能 有 利 于 rR N A 的 正 确 折 叠 , 以 及 与 别 的 分 子 正 确 的相 互作用。



5S r RN A 基 因 的 转 录 与 加 工

5 S r RN A 是 核 糖 体 大 亚 基 的 一 个 组 份 , 原 核 生 物 和 真 核 生 物 都 有 5 S r RN A , 而 且结 构相似。 ● 5 S r RN A 基 因 : 真 核 生 物 的 5 S r RN A 基 因 与 其 他 三 种 rR N A 基 因 不 在 同 一

条染 色体上,它 是由核仁以 外的染色 体基因转录 的,然后运 输到核仁内 参与核糖 体 的 装 配 。 非 洲 爪 蟾 的 5 S r RN A 基 因 的 一 个 重 复 单 位 含 有 一 个 5 S rR N A 基 因 、 一 个 不 转 录 的 假 基 因 ( 10 1 bp 的 5 S r RN A 基 因 的 片 段 ) , 每个重复 单位间被不 转录的间 隔 序 列 隔 开 , 间 隔 序 列 的 长 度 变 化 不 定 , 最 长 达 40 0 bp ( 图 6 - 11 ) 。

图 6- 11 非 洲 爪 蟾 的 5 S r RN A 基 因 的 组 织 结 构 ● 5 S r RN A 基 因 转 录 酶 : 5 S r RN A 基 因 是 由 R N A 聚 合 酶 Ⅲ 转 录 的 , 原 初 转 录

物 的 5 ' 端 与 成 熟 的 5 S r RN A 的 5 ' 端 完 全 相 同 。 在 某 些 生 物 中 , 3 ' 端 通 常 含 有 多 余 的 核 苷 酸 , 在 加 工 时 要 被 切 除 。 所 以 , 5 S r RN A 只 需 要 进 行 简 单 的 加 工 , 或 者根 本不需要进 行加工。



内部启动子

R N A 聚 合 酶 Ⅲ 转 录 5 S r RN A 基 因 时 使 用 的 是 内 部 启 动 子 , 其 他 的 两 种 酶 使 用 的是 上游启动子 ,实验也证 明这种内 部启动子的 存在。 如何证明 RNA 聚合酶Ⅲ进行 5SrRNA 基因转录时使用的是内部启动子?( 如何证明 RNA 聚合酶Ⅲ进行 5S rRNA 基因转录时, 使用的是内部启动子?(答案)

[ 播放动 画 ] 答 : 可 通 过 基 因 操 作 。 如 将 5 S r RN A 基 因 的 5 ' 侧 的 上 游 序 列 完 全 除 去 , 检 测 转 录 情 况 , 然 后 再 切 去 5 S rR N A 基 因 的 部 分 内 部 序 列 , 再 检 测 转 录 情 况 。实 验 结 果 表 明 : 将 5 S rR N A 基 因 的 5 ' 侧 的 上 游 序 列 完 全 除 去 并 不 影 响 5 S rRN A 基 因 的 转 录 。但 是 ,如 果 将 5 S r RN A 基 因 内 部 缺 失 一 部 分 序 列 ( 从 5 0 位 到 80 位 缺 失 ) , RN A 聚 合 酶 Ⅲ 不 仅 不 能 转 录 这 段 D N A , 甚 至 不 能 结 合 上 去 ( 图 6 E -1 ) 。 如 果 将 5 S rR N A 基因 的内部启动 子序列插入 到基因组 的其它部位 ,会使插入 的部位形成 一个新的 转录 起点。

图 6 E- 1 RN A 聚 合 酶 Ⅲ 转 录 5 S r RN A 基 因 启 动 子 的 鉴 定 将 图 中 5 S rRN A 基 因 的 A 片 段 或 D 片 段 缺 失 都 不 影 响 RN A 聚 合 酶 Ⅲ 的 转 录 , 但 是 将 B 片 段 或 C 片 段 缺 失 , 都 会 影 响 R N A 聚 合 酶 Ⅲ 的 转 录 。 表 明 5 S r RN A 基 因 的 启 动 子 位 于 5S 基 因 内 部 的 控 制 区 。 )



原 核 生 物 rRN A 基 因 及 转 录

原 核 生 物 r RN A 基 因 也 是 多 拷 贝 的 , 并 且 也 要 被 转 录 成 一 个 前 体 ,然 后 再 经 加 工 成 成 熟 的 r RN A 。 ● ① 原 核 生 物 和 真 核 生 物 的 rR N A 基 因 在 组 织 结 构 的 差 异 基 因 的 重 复 次 数 : 真 核 生 物 的 r RN A 基 因 重 复 的 次 数 相 当 高 , 而 原 核 生 物

的 rRN A 基 因 的 重 复 次 数 却 很 少 , 例 如 E . co l i , 只 重 复 了 7 次 。 ② 真 核 生 物 编 码 5 S rR N A 的 基 因 位 于 不 同 的 染 色 体 上 ,而 细 菌 的 5 S r RN A 基

因 与 另 外 两 种 rR N A 基 因 组 成 一 个 转 录 单 位 , 它 们 在 染 色 体 上 的 排 列 顺 序 是 ∶ 1 6 S - 23 S - 5 S。 ● 转 录 : 实 验 证 明 原 核 生 物 的 1 6 S -2 3 S -5 S 三 种 r RN A 位 于 同 一 条 转 录 的

r RN A 分 子 中 , 转 录 后 由 核 酸 酶 Ⅲ ( RN as e Ⅲ ) 切 成 三 个 分 子 。 如何证明原核生物的 16S-23S-5S 三种 rRNA 位于同一条转录的 rRNA 分子中?( 如何证明原核生物的 16S-23S-5S 三种 rRNA 位于同一条转录的 rRNA 分子中.(答案) 答 : 通 过 核 酸 酶 Ⅲ ( RN as e Ⅲ ) 突 变 体 的 研 究 证 明 原 核 生 物 的 三 种 r RN A 位 于 同 一 个 原 初 转 录 物 中 。在 这 种 突 变 体 中 ,三 种 r RN A 位 于 同 一 条 r RN A 分 子 中 ,但 是 在 正 常 的 细 胞 中 这 三 种 r RN A 是 以 三 种 独 立 的 小 分 子 存 在 , 这 一 研 究 结 果 也 说 明 R N as e Ⅲ 是 将 1 6 S -2 3 S -5 S rR N A 前 体 切 割 成 单 体 的 主 要 核 酸 酶 。 在 细 菌 中 R N a s e Ⅲ 不 是 参 与 r RN A 前 体 加 工 的 惟 一 的 一 种 酶 ,还 需 要 其 它 一 些 核 酸 酶 参 与 , 实 验 证 明 ∶ 如 果 缺 少 其 它 一 些 酶 , 得 不 到 正 确 大 小 的 r RN A 。 ) 细 菌 中 的 r RN A 转 录 单 位 除 了 转 录 三 种 rR N A 外 , 同 时 也 会 产 生 几 种 t RN A 分 子 。在 16 S 和 2 3 S r RN A 间 可 产 生 1 ~ 2 个 t RN A , 在 5 S rRN A 基 因 的 下 游 也 会 产 生 1 ~ 2 个 t RN A 。 同 真 核 生 物 一 样 , 细 菌 的 r RN A 也 有 甲 基 化 , 但 比 真 核 生 物 r RN A 甲 基 化 程 度 低 。 细 菌 的 r RN A 加 工 过 程 示 于 图 6 -1 2 。

图 6- 12 E .c o l i 前 体 rRN A 的 转 录 与 加 工 6 . 2. 2 核 糖 体 的 装 配 核 糖 体 是 自 我 装 配 的 细 胞 器 ,当 蛋 白 质 和 rR N A 合 成 加 工 成 熟 之 后 就 要 开 始 装 配 核 糖 体 的 大 小 两 个 亚 基 ,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 则在细胞 质中。

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核糖体亚 基的自 我装配 自 组 装 (s e lf - as s e m b ly ) : 1 96 8 年 , M as ay a s u N o mu r a 把 拆 开 的 大 肠 杆 菌 核

糖 体 的 3 0 S 小 亚 基 的 21 种 蛋 白 质 与 1 6 S rR N A 在 体 外 混 合 后 重 新 装 配 成 3 0 S 小 亚 基, 然 后 把 重 建 的 小 亚 基 同 50 S 大 亚 基 以 及 其 他 辅 助 因 子 混 合 后 , 进 行 蛋 白 质

合成 实验,发现 重建的核糖 体具有生 物活性,能 催化氨基酸 掺入到蛋白 质多肽链 中 。 这 一 实 验 表 明 , 核 糖 体 是 一 种 自 组 装 (s e l f- as s e mb ly ) 的 结 构 , 即 没 有 样 板 或 亲 体 结 构 所 组 成 的 结 构 。 但 是 在 组 装 过 程 中 , 某 些 蛋 白 质 必 须 首 先 结 合 到 rRN A 上 , 其 他 蛋 白 才 能 组 装 上 去 , 即 组 装 过 程 有 先 后 层 次 ( 图 6- 13 ) 。

图 6- 13 E .c o l i 小 亚 基 的 装 配 图 粗 箭 头 表 示 结 合 力 强 , 细 箭 头 表 示 力 弱 。 如 S4 与 1 6 S r RN A 之 间 是 粗 箭 头 , 表 示 S 4 可 直 接 与 1 6 S r RN A 结 合 而 不 需 要 其 他 蛋 白 的 存 在 。而 S7 与 16 S r RN A 的 结 合 力 很 弱 , 并 且 需 要 S 4 、 S 8 、 S 9 、 S 1 9 、 S 20 蛋 白 的 存 在 。 ● 30S 亚 基 蛋 白 质 分 类 : 在 核 糖 体 重 装 配 过 程 中 , 可 以 通 过 减 去 某 一 种 蛋 白

质 来 验 证 该 蛋 白 质 在 亚 基 装 配 及 亚 基 中 的 作 用 。 据 此 , 可 将 30 S 亚 基 上 的 蛋 白 质 分 为 三 类 : ① 开 始 装 配 所 必 需 的 蛋 白 质 , 它 们 先 和 rR N A 特 定 区 段 结 合 , 形 成 核 糖 体 亚 基 的 核 心 ;② 结 合 后 可 为 后 一 批 蛋 白 提 供 结 合 位 点 ; ③ 非 30 S 亚 基 形 成 所 必 需 , 但却 是显示其活 性所必需的 。



原 核 生 物 核 糖 体 重 组 (ri b os o me re c om bi n a ti o n ) 实 验

所 谓 核 糖 体 重 组 是 指 将 不 同 来 源 的 核 糖 体 大 小 亚 基 、或 不 同 亚 基 的 r RN A 或 蛋 白质 重新组合, 形成杂合 的核糖体 后研究其功 能的实验方 法。

有人用核糖体重组实验得到一些重要的结论, 请说明主要内容(有人用核糖体重组实验得到一些重要的结 论, 你能说出一、二吗?(答案)

答 : 这些结果包 括以下几个 方面 : ① 30 S 亚 基 的 蛋 白 质 专 同 1 6 S rR N A 结 合 ; 50 S 亚 基 的 蛋 白 质 只 同 2 3 S rR N A 结 合 , 如 果 把 30 S 亚 基 r RN A 和 50 S 亚 基 的 蛋 白 质 相 混 合 , 则 不 能 装 配 成 有 功 能 的 亚基 。 ② 从 不 同 种 细 菌 提 取 30 S 亚 基 的 r RN A 和 蛋 白 质 , 可 装 配 成 有 功 能 的 3 0 S 亚 基, 这表明不 存在种间差 异。

③ 原 核 生 物 核 糖 体 与 真 核 生 物 核 糖 体 的 亚 基 彼 此 不 同 , 由 二 者 的 r RN A 和 蛋 白质 重组后的核 糖体没有功 能。 ④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。 ⑤ 由 于 不 同 生 物 的 线 粒 体 核 糖 体 大 小 不 同 , 由 55 S 到 8 0 S 不 等 , 而原核生

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 相互交换 形成 的杂合核糖 体没有功能 。 )

■ ●

真核生物 核糖体 在核仁中 装配 主 要 过 程 : 图 6- 1 4 是 关 于 人 细 胞 中 核 糖 体 装 配 过 程

图 6- 14 人 细 胞 中 核 糖 体 装 配 的 主 要 过 程 20 世纪 60 年代初期 Robert Perry 发现核糖体的合成是在核仁中进行的, 请问是如何发现的?( 二十世纪六十 年代初期 Robert Perry 发现核糖体的合成是在核仁中进行的, 请问他是如何发现的? (答案) 答 : 二 十 世 纪 六 十 年 代 初 期 Ro b e rt P er ry 用 紫 外 微 光 束 破 坏 活 细 胞 的 核 仁 , 发 现 破 坏 了 核 仁 的 细 胞 丧 失 合 成 r RN A 的 能 力 , 这 一 发 现 提 示 核 仁 与 核 糖 体 的 形 成

有 关 。 后 来 P e rry 又 发 现 低 浓 度 的 放 线 菌 素 D 能 够 抑 制

3

H - 尿 嘧 啶 掺 入 r RN A 中 ,

而 不 影 响 其 他 种 类 的 R NA 合 成 。 显微放射自 显影也显示 放线菌素 D 能够 选择性阻 止 核 仁 RN A 的 合 成 , 表 明 核 仁 与 rR N A 的 合 成 有 关 。 ) 6 . 3 核 糖 体 的 功 能 -蛋 白 质 的 合 成 核糖 体的功能是 进行蛋白质 的合成。 在核糖体上 合成的是蛋 白质的一级 结构, 即 多 肽 链 。 合 成 是 从 多 肽 链 的 N 端 开 始 , 到 C 末 端 结 束 。 对 于 mRN A 来 说 , 合 成 的 方 向 则 是 5 ' → 3 ' 。 蛋 白 质 的 合 成 涉 及 核 糖 体 的 一 些 功 能 位 点 和 RN A 的 作 用 。

6 . 3. 1 核 糖 体 的 功 能 位 点 原 核 生 物 核 糖 体 中 有 四 种 与 RN A 分 子 结 合 的 位 点 , 其 中 一 个 是 与 m RN A 结 合 的 位 点 , 另 三 个 是 与 t RN A 结 合 的 位 点 ( 图 6- 1 5) 。

图 6- 15 原 核 生 物 核 糖 体 中 与 RN A 结 合 的 位 点 ● A 位 点 ( A s it e) ( 即 氨 酰 基 位 点 ,是 与 新 掺 入 的 氨 酰 t RN A ( a m in o a cy l -t R N A )

结 合 的 位 点 , 又 叫 受 位 ( e nt ry s it e) , 主 要 位 于 大 亚 基 , 是 接 受 氨 酰 t R N A 的 部 位 )



P 位 点 (P s it e ) ( 即 肽 酰 t RN A 位 点 (p ep t i dy l -t R N A s it e) , 又 叫 供 位 (d on o r

s it e ), 或 肽 酰 基 位 点 , 主 要 位 于 大 亚 基 , 是 肽 基 t RN A 移 交 肽 链 后 肽 酰 t RN A 所 占 据 的 位 置 , 即 与 延 伸 中 的 肽 酰 t RN A 结 合 位 点 ) ● E 位 点 (e xi t s it e , E s it e ) ( E 位 点 是 脱 氨 酰 t RN A (d e a m i no a cy l-t RN A ) 离 开

A 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 位 点 被 占 据 之 后 ,A 位 点 同 氨 酰 t RN A 的 亲 和 力 降 低 , 防 止 了 氨 酰 t RN A 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 t RN A ) ● m RN A 结 合 位 点

真 核 生 物 的 mRN A 同 核 糖 体 的 结 合 主 要 靠 5 ' 端 的 帽 子 结 构 , 有 时 也 通 过 IRES 同 核 糖 体 结 合 ( 图 6 - 16 ) ;

图 6- 16 真 核 生 物 蛋 白 质 合 成 的 起 始 ,

I R E S 是 内 部 核 糖 体 进 入 位 点 ( i nt er n a l

r i b os o me e nt ry s it e ) 。 原 核 生 物 mRN A 中 与 核 糖 体 1 6 S r RN A 结 合 的 序 列 称 为 S D 序 列 ( SD s e qu e n c e) ( 图 6 -1 7 ) 。

图 6- 17 典 型 的 细 菌 核 糖 体 与 m RN A 的 结 合 位 点

m R N A 中 的 SD 序 列 与 核 糖 体 1 6 S r RN A 3 ' 端 互 补 。 在 SD 序 列 的 下 游 5 ~ 1 0 个 碱 基 处 是 起 始 密 码 AUG 或 G UG。 6 . 3. 2 蛋 白 质 合 成 的 基 本 过 程 蛋 白 质 合 成 , 或 称 m RN A 翻 译 是 细 胞 中 最 复 杂 的 合 成 活 动 。 蛋 白 质 的 合 成 需 要 携 带 氨 基 酸 的 各 种 t RN A 、 核 糖 体 、 mR N A 、 不 同 功 能 的 蛋 白 质 、 阳 离 子 、 G T P 等的 参与。 蛋 白 质 合 成 过 程 之 所 以 复 杂 , 是 因 为 构 成 蛋 白 质 的 20 种 氨 基 酸 要 按 照 密 码 精 确地 掺入到多肽 中,不能有 丝毫的差 错。 蛋 白 质 的 合 成 , 是 三 种 不 同 类 型 的 RN A 通 力 合 作 的 结 果 ( 图 6- 18 ) 。

图 6- 18 RN A 在 蛋 白 质 合 成 中 的 三 种 作 用 在 核 糖 体 上 合 成 多 肽 链 ,分 为 三 个 完 全 不 同 的 过 程 : 链 的 起 始 、链 的 延 伸 、链 的 终 止 ( 图 6- 1 9) 。

图 6- 19 蛋 白 质 合 成 的 三 个 主 要 过 程



蛋 白 质 合 成 的 起 始 (i n i ti a ti on )

蛋 白 质 合 成 的 起 始 涉 及 到 m RN A 、 起 始 t RN A 和 核 糖 体 小 亚 基 之 间 的 相 互 作 用 , 最 后 装 配 成 完 整 的 核 糖 体 , 起 始 过 程 分 三 步 完 成 ( 图 6- 20 ) 。

图 6- 20 原 核 生 物 蛋 白 质 合 成 的 起 始 起 始 过 程 涉 及 多 步 反 应 ,在 原 核 生 物 中 需 要 三 个 起 始 因 子 ,在 真 核 生 物 中 涉 及 多个 起始因子。 原核生物蛋白质合成起始复合物形成包括哪些过程 ?需要哪些因子参与?( 原核生物蛋白质合成起始复合物 形成包括哪些过程?需要哪些因子参与?(答案) 答 : 主 要 分 为 三 步 , 参 与 的 因 子 包 括 起 始 因 子 1 -3 ,以 及 mR N A 、转 运 t RN A 、 GTP 等 。 ① 30 S 亚 基 与 mR N A 的 结 合 mRN A 不 能 与 完 整 的 核 糖 体 结 合 , 但 是 能 够 同 独

立 存 在 的 30S 核 糖 体 小 亚 基 结 合 。 在原 核生物中 , 3 0 S 核 糖 体 小 亚 基 通 过 16 S r RN A 与 m RN A 起 始 密 码 子 A U G 上 游 的 SD 序 列 的 互 补 , 从 而 与 mR N A 结 合 。

核 糖 体 小 亚 基 与 m RN A 的 结 合 还 需 要 起 始 因 子 ( in it i at i on f a ct or . IF ) 的 帮 助 , 原 核 生 物 的 起 始 因 子 命 名 为 IF s ,真 核 生 物 的 起 始 因 子 命 名 为 eI F s 。原 核 生 物 有 三 种 起 始 因 子 ,其 中 有 两 种 ( IF 1 、I F 3 ) 通 过 与 30 S 核 糖 体 亚 基 的 结 合 帮 助 3 0 S 亚 基 与 mR NA 的 识 别 与 结 合 。 ② 第 一 个 a a-t RN A 进 入 核 糖 体 当 m RN A 与 核 糖 体 小 亚 基 结 合 后 , 携 带 甲 酰

甲 硫 氨 酸 的 t R N A 通 过 反 密 码 子 与 m RN A 中 A U G 的 识 别 从 而 进 入 核 糖 体 。 起 始 t RN A 在 与 m RN A 形 成 m RN A - 30 S 亚 基 复 合 物 之 前 , 必 须 同 G T P 、 起 始 因 子 IF 2 结 合 ,形 成 G T P - IF 2-t RN A f M e t 复 合 物 。起 始 t RN A 复 合 物 与 m RN A 的 A U G 密 码 子 结 合 后 , 释 放 IF 3 。 ③ 完整起始复 合物的装配 一 旦 起 始 t RN A 与 A U G 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 - m RN A 起 始 复 合 物 。 该 过 程 伴 随 GTP 的 水 解 、 IF 1 和 I F 2 的 释 放 。 其 中 G T P 的 水 解 可 能 引 起 核 糖 体 构 型 的 变 化 , 而 改 变 了 的构 型正是蛋白 质合成所必 需的。 )



多 肽 链 的 延 伸 (e l on g ati on )

一旦 起始复合物 形成, 蛋白质的合 成随即开始 , 此过 程称为蛋白 质合成的 延伸。 延 伸 涉 及 四 个 重 复 的 步 骤 ∶ ① 氨 酰 tR NA 进 入 核 糖 体 的 A 位 点 ; ② 肽 键 形 成 ; ③ 转 位 ; ④ 脱 氨 酰 t RN A 释 放 。 上 述 四 步 的 循 环 , 使 肽 链 不 断 延 长 。 在 整 个 过 程 中 , 需 要 G T P 和 一 些 延 长 因 子 的 参 与 ( 图 6- 2 1) 。

图 6- 21 蛋 白 质 合 成 的 延 伸 请详细说明多肽链延伸的过程(请详细说明多肽链延伸的过程。 (答案) 答 : 蛋 白 质 合 成 的 肽 链 延 伸 涉 及 四 个 重 复 的 步 骤 ∶ ① 氨 酰 t RN A 进 入 核 糖 体 的 A 位 点 ; ② 肽 键 形 成 ; ③ 转 位 ; ④ 脱 氨 酰 t RN A 释 放 。 上 述 四 步 的 循 环 , 使 肽 链 不 断 延 长 。 在 整 个 过 程 中 , 需 要 GTP 和 一 些 延 长 因 子 的 参 与 。 ① 氨 酰 -t RN A 进 入 A 位 由 于 起 始 t RN A 占 据 P 位 点 , 核 糖 体 开 始 接 受 第 二 个

氨 酰 -t RN A 进 入 A 位 点 , 此 即 为 延 伸 的 第 一 步 。 第 二 个 氨 酰 -t RN A 在 进 入 A 位 点 之 前 , 必 须 与 结 合 有 G T P 的 蛋 白 延 伸 因 子 结 合 ( 原 核 细 胞 中 延 伸 因 子 是 T u, 真 核 生 物 则 是 eE F 1 ) 。 T u 起 传 递 作 用 , 即 将 氨 酰 -t RN A 传 递 给 核 糖 体 。 虽 然 任 何 氨 酰 - t RN A -T u- G T P 都 有 可 能 进 入 A 位 , 但 只 有 反 密 码 子 与 A 位 点 密 码 子 相 匹 配 的 t RN A 才 允 许 进 入 A 位 。 一 旦 合 适 的 氨 酰 -t RN A -T u -G T P 同 A 位 点 的 密 码 子 结 合 , G T P 水 解 , T u -G D P 被 释 放 。 ②肽 键形成 当 核 糖 体 的 P 位 和 A 位 都 有 tR NA 占 据 时 , 进 入 核 糖 体 的 两 个 氨

基酸 是分开的, 所以延伸反 应的第二 步是两个氨 基酸相互作 用,通过肽 键的形成

将两 个氨基酸结 合起来 。 即 由 A 位 的 a a -t RN A 上 氨 基 酸 的 氨 基 与 P 位 a a -t R N A 上 氨 基 酸 的 羧 基 间 形 成 肽 键 , 使 P 位 的 t RN A 卸 去 氨 基 酸 ,而 A 位 上 的 t RN A 形 成 了二 肽。肽键的 形成是自动 发生的, 不需要额外 的能量。这 一反应是由 肽酰转移 酶 (p ep t idy l t r a ns fe r as e ) 催 化 的 , 该 酶 是 核 糖 体 大 亚 基 的 组 成 成 份 。 多 年 来 一 直 认 为 肽 酰 转 移 酶 是 组 成 50S 亚 基 的 一 种 蛋 白 , 现 在 已 经 清 楚 , 它 是 构 成 核 糖 体 的 R NA, 是 核 酶 。 ③ 转 位 (t r an s l o c at io n ) 当 形 成 了 第 一 个 肽 键 时 , A 位 点 上 的 t R N A 分 子 的 一 端 仍 然 与 m RN A 的 密 码 子 结 合 ,而 另 一 端 与 肽 结 合 . 此 时 P 位 点 上 的 t RN A 没 有 氨 基 酸 的 结 合 。 接 下 来 进 入 延 伸 反 应 的 第 三 步 : 转 位 , 即 核 糖 体 沿 着 mRN A 从 5 ' → 3 ' 方 向 移 动 三 个 核 苷 酸 ( 一 个 密 码 子 ) ,在 此 过 程 中 , A 位 的 t RN A - 二 肽 移 到 P 位 ,而 P 位 的 t RN A 则 进 入 E 位 点 。转 位 需 要 另 一 个 G T P 结 合 的 延 伸 因 子 的 参 与 ( 原 核 生 物 是 延 伸 因 子 G, 真 核 生 物 是 延 伸 因 子 e EF 2 ) 。 GTP 水 解 释 放 的 能 量 转 变 成 机 械 能 , 将 核 糖 体 沿 着 m RN A 移 动 大 约 1 n m 。 ④ 脱 氨 酰 t RN A 的 释 放 延 伸 反 应 的 最 后 一 步 是 脱 氨 酰 tR NA 离 开 核 糖 体 的 E

位 点 。一 旦 肽 酰 t R N A 转 位 到 P 位 , A 位 点 再 次 开 放 ,接 受 下 一 个 a a-t RN A 。在 这 种 情 况 下 ,进 入 的 氨 酰 -t RN A 的 反 密 码 子 必 须 与 第 三 个 密 码 子 互 补 , 开 始 下 一 个 循环 。 在 蛋 白 质 合 成 的 延 伸 反 应 中 , 每 一 次 循 环 至 少 水 解 两 分 子 的 GTP, 分之 一秒,速度 之快是惊人 的。 ) 在肽链延伸过程中 tRNA 的转位是如何进行的?( 在肽链延伸过程中 tRNA 的转位是是如何进行的?(答案) 答 : 通 过 足 迹 法 ( fo ot p r int i n g) 分 析 , 揭 示 在 蛋 白 质 合 成 的 延 伸 循 环 中 , t R N A 的 转 位 是 分 两 步 进 行 的 , 并 且 相 互 独 立 ( 图 Q 6 -1 ) 。 ① 肽 键 的 形 成 引 起 新 形 成 的 肽 酰 tR NA 大 亚 基 的 受 体 部 分 从 A 位 向 P 位 偏 移 , 而 它 的 小 亚 基 的 反 密 码 子 部 分 仍 然 与 A 位 的 密 码 子 相 连 (此 时 的 状 态 称 为 A /P 结 合 状 态 ) 。 新 形 成 脱 氨 酰 t RN A 的 受 体 从 大 亚 基 的 P 位 向 E 位 偏 移 , 而 它 的 反 密 码 子 部 分 仍 然 在 小 亚 基 的 P 位 , 此 时 的 状 态 称 为 P /E 结 合 状 态 。 耗时二十

② 核 糖 体 与 EF -G -t RN A 复 合 物 结 合 , 引 起 这 些 t RN A 的 反 密 码 子 的 末 端 与 它 们 结 合 的 mRN A 一 起 相 对 于 小 亚 基 移 动 , 使 得 肽 酰 -t RN A 完 全 占 据 大 、 小 亚 基 的 P 位 点 (P /P 结 合 状 态 ) , 而 脱 氨 酰 t RN A 则 完 全 移 到 大 亚 基 的 E 位 点 。 )



终 止 (te r mi n a ti on )

蛋 白 质 合 成 的 终 止 是 指 核 糖 体 沿 着 mR N A 移 动 , 如 果 进 入 A 位 的 是 终 止 密 码 子, 由于没有与 之匹配的反 密码子, 而终止蛋白 质的合成。 一共有三种 终止密码 子 :U A A 、 U A G 、 U G A , 其 中 任 何 一 种 进 入 A 位 都 会 终 止 蛋 白 质 的 合 成 , 并 导 致 多 肽 链 从 核 糖 体 释 放 出 来 ( 图 6 -2 2 ) 。

图 6- 22 蛋 白 质 合 成 的 终 止

原核 细胞使用几 种不同的释 放因子与 终止密码子 作用, 而 真核细胞中 所有的终 止密 码子都是与 相同的释放 因子作用 。 6 . 3. 3 多 聚 核 糖 体 (p o ly r i bo s o m es ) 在 蛋 白 质 合 成 过 程 中 , 同 一 条 m RN A 分 子 能 够 同 多 个 核 糖 体 结 合 , 同 时 合 成 若 干 条 蛋 白 质 多 肽 链 , 结 合 在 同 一 条 m RN A 上 的 核 糖 体 就 称 为 多 聚 核 糖 体 (p o ly s o m e 或 p oly r ib os o m es , 图 6- 23 ) 。

图 6- 23 电 子 显 微 镜 观 察 的 多 聚 核 糖 体 图 中 所 示 是 蚕 的 丝 心 蛋 白 m RN A 3 '端 多 聚 核 糖 体 ,箭 头 所 示 是 丝 心 蛋 白 多 肽 。 ● 多聚核糖体 的发现

2 0 世 纪 60 年 代 , 有 几 个 实 验 室 先 后 发 现 了 多 聚 核 糖 体 。如 R i ch 's 实 验 室 是 用 未成 熟的红细胞 研究蛋白质 合成时发 现了多聚核 糖体。他们 将未成熟的 红细胞与 放射 性物质进行 短暂培养, 以标记新 合成的蛋白 质。然后温 和地破碎细 胞,离心 除去 细胞核和线 粒体,收集 上清液, 在上清液中 含有核糖体 。然后通过 移动区带 离 心 ,发 现 除 了 8 0 S 的 核 糖 体 之 外 ,还 有 17 0 S 的 核 糖 体 ,而 放 射 性 的 标 记 物 主 要 存 在 于 1 70 S 的 核 糖 体 上 , 因 此 推 断 在 蛋 白 质 合 成 时 , 核 糖 体 可 能 是 成 串 存 在 的 。 电 子 显 微 镜 观 察 证 实 : 80 S 的 核 糖 体 是 单 个 存 在 的 , 而 1 70 S 的 核 糖 体 是 由 4 ~ 6 个核 糖体组成的 多聚核糖体 。 ● 多聚核糖体 的形成

在 m RN A 的 起 始 密 码 子 部 位 , 核 糖 体 亚 基 装 配 成 完 整 的 起 始 复 合 物 , 然 后 向 m R N A 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。同样, 第三个核 糖 体 、 第 四 个 核 糖 体 、 … … 依 次 结 合 到 m RN A 上 ( 图 6- 24 ) 。 根 据 电 子 显 微 照 片 推 算 , 多 聚 核 糖 体 中 , 每 个 核 糖 体 间 相 隔 约 80 个 核 苷 酸 。

图 6- 24 多 聚 核 糖 体 的 形 成 与 蛋 白 质 合 成 多聚核糖体形成的意义何在?( 多聚核糖体形成的意义何在?(答案) 答 : 同 一 条 mR N A 被 多 个 核 糖 体 同 时 翻 译 成 蛋 白 质 , 大 大 提 高 了 蛋 白 质 合 成 的速 率, 更重 要的是减轻 了细胞核 的负荷, 减少了基因 的拷贝数, 也也减轻

了细 胞核进行基 因转录和加 工的压力 。 ) 6 . 3. 4 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 不同 的蛋白质合 成抑制剂具 有不同的 作用方式 , 是研究蛋 白质合成机 制的有用 工具 。



抗生素

抗 生 素 ( a nt ib i ot i cs ) 是 主 要 的 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 , 如 氯 霉 素 、 链 霉 素 等 。 不 同 抗 生 素 的 作 用 机 制 不 同 。 如 链 霉 素 主 要 是 抑 制 起 始 t R N A 和 非 起 始 t RN A 与 核 糖 体 的 结 合 ,导 致 肽 链 合 成 的 提 前 终 止 。 有 些 抗 生 素 抑 制 5 0 S 大 亚 基 肽 酰 转 移 酶 的 活 性 , 如 氯 霉 素 。 表 6 -3 是 某 些 常 用 抗 生 素 的 作 用 。 表 6- 3 某 些 常 用 的 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 作 用 的细 胞 类 型 原核生物

名称 氯霉素

作用对象 50S

阻断过程 延伸 起始、延伸

影响效果 肽键形成

大肠杆菌素 E3 30S

与 mRNA 结合 原核生物 与 氨 酰 tRNA 结合

放线菌酮

60S

起始,延伸

结 合 起 始 tRNA 转 位

真核生物

(tRNA 从 P 位 释放) 白喉毒素 红霉素 梭链孢酸 春日霉素 eEF-2 50S EF-G/ eFE-2 30S 延伸 起始 延伸 起始 转位 起始复合物形 成 转位 起始 tRNA 的 结合 肽键形成 ( 触 发链释放) 转位 起始 tRNA 结 链霉素 30S 起始,延伸 合 氨 酰 tRNA 结合 ( 诱 发错 读) 氨酰 tRNA 的 四环素 30S 延伸,终止 结合 RF-1 和 原核生物 RF-2 的结合 紫霉素 50S/30S 阻断 P 位点 转位 原核生物 原核生物 真核生物 原核生物 原核/真核生物 原核生物

嘌呤霉素 壮观霉素

50S/60S 30S

延伸 延伸

原核/真核生物 原核生物

图 6- 25 是 一 些 几 种 抑 制 蛋 白 质 合 成 的 抗 生 素 的 结 构 。

图 6- 25 几 种 常 见 的 抑 制 蛋 白 质 合 成 的 抗 生 素

■ ●

嘌呤霉素 结构 嘌 呤 霉 素 (p ur o my c i n) 是 一 种 蛋 白 质 合 成 抑 制 剂 , 它 具 有 与 t RN A 分 子

末 端 类 似 的 结 构 ( 图 6- 26 ) , 能 够 同 氨 基 酸 结 合 ,代 替 氨 酰 化 的 t RN A 同 核 糖 体 的 A 位点 结合,并掺 入到生长的 肽链中。

图 6- 26 嘌 呤 霉 素 与 苯 丙 氨 酰 t RN A 3 ' 末 端 结 构 的 比 较



对核糖体功 能位点的研 究

通过 嘌呤霉素对 蛋白质合成 的抑制实 验发现核糖 体的 A 位点和 P 位 点是两个 独 立 的 位 点 。 实 验 分 两 组 进 行 , 在 第 一 组 实 验 中 , 将 P 位 点 结 合 有 起 始 tR NA 的 核 糖 体 与 嘌 呤 霉 素 一 起 温 育 ,发 现 嘌 呤 霉 素 与 核 糖 体 结 合 ,并 且 能 够 同 起 始 t RN A 相 互 作 用 。在 第 二 组 实 验 中 ,将 P 位 点 结 合 有 起 始 t RN A 的 核 糖 体 先 与 氨 酰 -t RN A 一起 温育,使之 形成肽键后 再加入嘌 呤霉素,此 时加入的嘌 呤霉素既不 能同核糖 体 结 合 也 不 能 与 二 肽 酰 tR NA 相 互 作 用 。 但 是 在 反 应 体 系 中 加 入 GTP 和 延 长 因 子 E F -G 后 , 嘌 呤 霉 素 则 又 能 与 核 糖 体 结 合 ( 图 6 -2 7 ) 。

图 6- 27 用 嘌 呤 霉 素 证 明 核 糖 体 的 A 、 P 是 两 个 独 立 存 在 的 位 点 根据这两组实验结果如何判断核糖体中的 A、P 是两个分开的独立位点?( 如何根据嘌呤霉素实验的结果判 断核糖体中的 A 、P 是两个分开的独立位点?(答案) 答 : 可 以 这 样 分 析 :在 第 一 组 实 验 中 , 只 有 起 始 t R N A 占 据 P 位 , 如 果 A 位 点 是一 个独立位点 的话,此时的 A 位点就是 空闲的,嘌 呤霉素当然 能够结合 上去, 如果 A 位 点与 P 位点是 同一位点, 那么嘌呤霉 素就不能与 核糖体结合, 实验结果 是 嘌 呤 霉 素 能 够 结 合 。 在 第 二 组 实 验 中 , 由 于 A 位 点 已 经 被 二 肽 酰 t RN A 占 据 , 所 以 嘌 呤 霉 素 无 法 与 A 位 点 结 合 , 只 有 加 入 延 伸 因 子 和 GTP 后 , 使 A 位 点 腾 空 ,

嘌 呤 霉 素 才 能 结 合 到 核 糖 体 上 。 因 此 两 根 据 这 两 组 实 验 结 果 可 以 断 定 A、 P 是 两 个独 立的功能位 点。 ) 6 . 3. 5 蛋 白 质 的 寿 命 与 降 解 蛋 白 质 合 成 是 细 胞 中 最 重 要 的 合 成 事 件 。但 是 ,细 胞 内 蛋 白 质 的 种 类 和 数 量 的 控制 不仅和蛋白 质合成的速 度有关, 而且与蛋白 质的寿命相 关。



蛋白质的 寿命信 号 称 为 半 衰 期 ( h a lf - l if e ) 。

N - 端 规 则 (N - en d r u l e) : 每 一 种 蛋 白 质 都 有 寿 命 特 征 ,

研 究 发 现 多 肽 链 N - 端 特 异 的 氨 基 酸 与 半 衰 期 相 关 ,称 为 N - 端 规 则 。表 6- 4 总 结 了 酵 母 中 的 N -端 规 则 。 表 6- 4 裂 殖 酵 母 中 N - 端 氨 基 酸 对 蛋 白 质 半 衰 期 的 影 响 末端氨基酸残基 Arg Lys Phe Leu Trp His Asp Asn Tyr Gln 半衰期 2 min 3 min 3 min 3 min 3 min 3 min 3 min 3 min 10 min 10 min 末端氨基端残基 Ile Glu Pro Cys Ala Ser Thr Gly Val M et 半衰期 30 min 30 min >5 hr >30 hr >30 hr >30 hr >30 hr >30 hr >30 hr >30 hr

■ ●

蛋白酶体 对蛋白 质的降解 蛋 白 酶 体 (p r ot ea s o m es ) ( 蛋 白 酶 体 既 存 在 于 细 胞 核 中 , 又 存 在 于 胞 质 溶 胶

中 , 是 溶 酶 体 外 的 蛋 白 水 解 体 系 , 由 1 0~ 2 0 个 不 同 的 亚 基 组 成 中 空 的 圆 桶 形 的 结 构 ,显 示 多 种 肽 酶 的 活 性 , 能 够 从 碱 性 、 酸 性 和 中 性 氨 基 酸 的 羧 基 侧 水 解 多 种 与 遍 在蛋 白连接的蛋 白质底物。 蛋白酶体 对蛋白质的 降解是与环 境隔离的。 主要降解

两 种 类 型 的 蛋 白 质 :一 类 是 错 误 折 叠 的 蛋 白 质 , 另 一 类 就 是 需 要 进 行 数 量 调 控 的 蛋 白质 。 蛋 白 酶 体 对 蛋 白 质 的 降 解 通 过 泛 素 (u b iq u it in ) 介 导 , 所 以 又 称 为 泛 素 降 解 途 径 。 泛 素 是 由 7 6 个 氨 基 酸 残 基 组 成 的 小 肽 ,它 的 作 用 主 要 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 。蛋白酶体 对蛋白质的 降解作用 分 为 两 个 过 程 :一 是 对 被 降 解 的 蛋 白 质 进 行 标 记 , 由 泛 素 完 成 ;二 是 蛋 白 酶 解 作 用 , 由蛋 白酶体催化 。 蛋白 酶体存在于 所有真核细 胞中,其 活性受γ 干 扰素的调节 ) 蛋 白 酶 体 既 存 在 于 细 胞 核 中 ,又 存 在 于 胞 质 溶 胶 中 , 是 溶 酶 体 外 的 蛋 白 水 解 体 系 。 蛋 白 酶 体 对 蛋 白 质 的 降 解 通 过 泛 素 ( ub i qu it i n) 介 导 , 故 称 为 泛 素 降 解 途 径 。 蛋 白 酶 体 对 蛋 白 质 的 降 解 作 用 分 为 两 个 过 程 :一 是 对 被 降 解 的 蛋 白 质 进 行 标 记 , 由 泛 素 完 成 ;二 是 蛋 白 酶 解 作 用 , 由 蛋 白 酶 体 催 化 ( 图 6- 2 8) 。

图 6- 28 蛋 白 酶 体 对 蛋 白 质 的 降 解 作 用 ① 被 降 解 的 蛋 白 质 与 多 个 泛 素 分 子 共 价 结 合 , 从 而 被 标 记 ;② 蛋 白 质 - 泛 素 共 价 结 合 的 复 合 物 与 蛋 白 酶 体 顶 部 的 帽 子 结 合 ;③ 泛素 被切除, 未折叠的蛋 白质被送

入 蛋 白 酶 体 的 腔 ; ④ -⑤ : 蛋 白 质 在 蛋 白 酶 体 中 被 降 解 。 6 . 4 反 义 RN A 与 核 酶 (ri b oz yme )

在 研 究 真 核 生 物 核 糖 体 r RN A 加 工 时 发 现 了 某 些 r RN A 具 有 酶 的 功 能 , 能 够 自 我 剪 接 , 同 时 还 发 现 一 些 小 分 子 的 反 义 RN A 参 与 核 糖 体 RN A 的 修 饰 。 另 外 还 发 现 50 S 核 糖 体 中 的 23 S r RN A 具 有 肽 酰 转 移 酶 的 功 能 。 将 具 有 酶 功 能 的 RN A 称 为 核酶 。

6 . 4. 1 小 分 子 RN A 与 反 义 R N A 真核 生物中, 除 了 mRN A , rRN A 和 t RN A 外 , 细胞 核和细胞质 中含有许 多

其 它 类 型 的 小 分 子 RN A (s m a l l RN A ) , 虽 然 它 们 的 相 对 分 子 质 量 很 小 , 但 却 有 非 常重 要的作用。



小 分 子 RN A 的 类 型

主 要 有 两 种 类 型 的 小 分 子 RN A : 一 类 是 s n RN A (s m a l l n u c l e ar RN A ), 存 在 于 细 胞 核 中 ; 另 一 类 是 s c RN A (s m a l l cy t op l a s m ic RN A ) , 存 在 于 细 胞 质 中 。 由 于 s n RN A 富 含 尿 嘧 啶 核 苷 , 分 类 时 把 它 分 为 U 1 、U 2 、 ……等 , 常 见 的 s n RN A 的 类 型 和 功 能 列 于 表 6 -5 。 表 6- 5 某 些 s n RN A 的 特 性 RNA 存在于核质中 U1 U2 U4 U5 U6 U7 U11 U12 7SK 8-2 前体 mRNA 的剪接 1×106 同上 同上 同上 同上 组蛋白前体 mRNA 剪接 功能未知 功能未知 功能未知 前体 tRNA 的加工 (RNase) 5×105 2×105 2×105 4×105 5×103 1×104 5×103 2×105 1×105 Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ 功能 丰度(拷贝数/细胞) RNA 聚合酶

存在于核仁 U3 U8 U13 7-2 前体 rRNA 的加工 2×105 功能未知 功能未知 功能未知 4×104 1×104 1×105 Ⅱ(植物中则为Ⅲ) Ⅱ Ⅱ Ⅲ

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反 义 RN A 与 蛋 白 质 合 成 的 抑 制 概 念 : 反 义 RN A ( ant i s ens e RN A ) 是 指 与 m RN A 互 补 的 RN A 分 子 , 也 包 括

与 其 它 RN A 互 补 的 R N A 分 子 。 最 早 是 在 E. c o l i 的 产 肠 杆 菌 素 的 Co l E1 质 粒 中 发 现 反 义 RN A , 许 多 实 验 证 明 在 真 核 生 物 中 也 存 在 反 义 RN A 。 近 几 年 来 通 过 人 工 合 成 反 义 R N A 的 基 因 , 并 将 其 导 入 细 胞 内 转 录 成 反 义 RN A , 即 能 抑 制 某 特 定 基 因 的 表 达 ,阻 断 该 基 因 的 功 能 , 有 助 于 了 解 该 基 因 对 细 胞 生 长 和 分 化 的 作 用 。 ● 类型 根据其作用 方式分为 三类 : I 类、Ⅱ类 、Ⅲ类。

原 核 细 胞 中 发 现 的 反 义 R NA,

根据原核细胞中反义 RNA 作用方式的不同分为三类, 请推测它们的作用方式有什么不同?( 根据原核细胞 中反义 RNA 作用方式的不同分为三类, 请推测它们的作用方式有什么不同?(答案) 答 : 这 三 类 反 义 RN A 的 作 用 特 点 分 别 是 : I 类 反 义 R N A 直 接 作 用 于 其 靶 m RN A 的 SD 序 列 和 / 或 编 码 区 , 引 起 翻 译 的 直 接 抑 制 ( 1A 类 ) ; 或 与 靶 m RN A 结 合 后 引 起 该 双 链 RN A 分 子 对 RN A 酶 Ⅲ 的 敏 感 性 增加 , 使 其 降 解 ( 1B 类 ) 。

Ⅱ 类 反 义 RN A 与 m RN A 的 S D 序 列 的 上 游 非 编 码 区 结 合 , 从 而 抑 制 靶 m RN A 的翻 译功能, 其作用 机理尚不清 楚, 可 能 是 反 义 RN A 与 靶 m RN A 上 游 序 列 结 合 后 , 会引 起核糖体结 合位点区域 的二级结 构发生改变 , 从而抑 制了与核糖 体的结合。 Ⅲ 类 反 义 RN A 可 直 接 抑 制 靶 m RN A 的 转 录 。 如 t i c R N A (t r a ns cr ip t io n in h i b it ory c o mp l e m ent a ry RN A ) 是 大 肠 杆 菌 中 C A P 蛋 白 ( cA M P 结 合 蛋 白 ) 的 mR N A 的 反 义 R N A 。 t i c RN A 基 因 的 启 动 子 可 被 cA M P - CA P 复 合 物 所 激 活 , 从 CA P m RN A 的 转 录 起 始 位 点 上 游 3 个 核 苷 酸 处 开 始 , 以 CA P mR N A 的 模 板 D N A 链 的 互 补 链 为 模 板 , 合 成 t i cRN A 。 t i cR N A 的 具 体 长 度 不 清 楚 , 但 是 它 的 5 '端 一 段 正 好 和 CA P m R N A 的 5 ' 端 有 不 完 全 互 补 , 可 以 形 成 RN A 双 链 杂 合 体 。 而 在 CA P m RN A 上 紧

随 杂 交 区 之 后 的 是 一 段 约 长 11 bp 的 A · U 丰 富 区 。 这 样 的 结 构 与 ρ 因 子 不 依 赖 性 的 转 录 终 止 子 的 结 构 十 分 相 似 , 可 以 使 CA P m RN A 的 转 录 刚 刚 开 始 不 久 即 迅 速 终 止 。 这 一 例 子 是 CA P 蛋 白 合 成 的 自 我 调 节 的 最 好 说 明 。 当 CA P 合 成 达 到 一 定 量之 后, 即 与 cA M P 结 合 形 成 c A M P -C A P 复 合 物 , 再 激 活 t i c RN A 的 启 动 子 转 反 过 来 抑 制 CA P - m RN A 的 合 成 。

录 出 t i c RN A , )

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s n RN A 在 p re - r R N A 加 工 中 的 作 用 s n R N P s (s m a l l n u c l eo l a r r ib o nu c l e op rot e i ns )

细 胞 核 中 的 s nR N A 通 常 与 特 定 的 蛋 白 质 包 裹 在 一 起 形 成 颗 粒 结 构 , 称 为 s nR N P s 。 电 子 显 微 镜 观 察 发 现 : 在 r RN A 没 有 完 全 转 录 时 , s n RN A 就 与 r RN A 前 体 结 合 在 一 起 了 。最 早 与 p r e - RN A 结 合 的 是 含 有 U 3 的 R N P 颗 粒 , 这 种 颗 粒 主 要 是 结 合 在 前 体 r RN A 的 5 ' 端 , 在 转 录 后 的 加 工 中 , 由 这 种 RN P 将 5 ' 端 的 转 录 物 切 除 。



反 义 s n RN A

一 些 低 拷 贝 的 s n RN A (1 04 拷 贝 / 每 细 胞 ) , 它 们 的 长 度 为 10 ~ 2 1 个 核 苷 酸 , 并 且 能 够 与 r RN A 转 录 物 的 特 定 序 列 互 补 , 所 以 属 于 反 义 s n RN A 。 这 些 s nR N A 与 r RN A 前 体 通 过 互 补 形 成 的 RN A - RN A 双 链 部 分 可 作 为 p r e - rRN A 进 行 加 工 修 饰 的 标 志 ( 图 6- 29 ) 。

图 6- 29 p r e -r RN A 的 修 饰 ( a ) 在 p r e -r RN A 分 子 中 最 常 见 的 修 饰 是 将 尿 苷 转 变 成 假 尿 苷 和 在 核 糖 的 2 ' 位 进 行 甲 基 化 。 为 了 将 尿 苷 转 变 成 假 尿 苷 , 必 须 切 开 N 1 -C 1 ' 键 , 并 将 尿 嘧 啶 环 旋 转 1 8 00 , 使 C 5 与 核 糖 的 C 1 '共 价 连 接 ; ( b) U 2 0 s nR N A 与 部 分 p r e -r RN A 形 成 部 分 双 链 , 导 致 2 ' 核 糖 甲 基 化 。 在 任 何 情 况 下 , 甲 基 化 的 部 位 都 是 与 s no RN A 氢 键 连 接 的 p r e -r RN A 第 五 位 的 尿 嘧 啶 ( 从 s n oR N A D 盒 开 始 ) ,D 盒 是 s n RN A 中 含 有 固 定 的 C U G A 的 序 列 部 分 , 它 的 作 用 是 指 导 p r e- rR N A 的 甲 基 化 ; ( c) U 8 0 s nRN A 与 p r e -r RN A 形 成 部 分 双 链 , 指 导 将 尿 苷 转 变 成 假 尿 苷 ( ψ ) 。假 尿 苷 的 形 成 也 是 在 固 定 的 位 置 , 同 s no RN A 的 发 夹 结 构 有 关 。 指 导 假 尿 苷 形 成 的 s n o RN A 都 有 相 同 的 3 ' 末 端 :A CA 。 ● 反 义 s n RN A s 的 分 类

根 据 反 义 s n RN A 的 功 能 和 序 列 的 相 似 性 将 它 们 分 成 两 类 : ① C /D 盒 s n R N A (b o x C / D s n RN A ) , 这 类 s n RN A 的 5 ' 端 有 C /D 盒 结 构 , 它 们 的 功 能 是 决 定 何 种 核 苷 的 核 糖 甲 基 化 ; ② H /H A C 盒 s n RN A , 这 类 反 义 s n RN A 的 3 ' 端 有 H A C 序 列 , 它 们的 作用是决定 哪些尿苷被 转变成假 尿苷。 据 估 计 , 细 胞 核 中 有 2 00 多 种 不 同 的 反 义 s n RN A , 它 们 分 别 引 导 p r e- RN A 中 不同 位点的甲基 化或假尿苷 化。

6 . 4. 2 核 酶 (ri b oz yme ) 核 酶 一 词 用 于 描 述 具 有 催 化 活 性 的 RN A , 即 化 学 本 质 是 核 糖 核 酸 ( RN A ) , 却 具有 酶的催化功 能。

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核酶的发 现 内 含 子 ( int ro n ) 内 含 子 是 基 因 内 的 间 隔 序 列 ,它 不 出 现 在 成 熟 的 RN A 分 子

中, 也就是说在 转录后要通 过加工被 切除。 ● ● 外 显 子 ( e xon ) 最 后 出 现 在 成 熟 RN A 中 的 基 因 序 列 。 核 酶 的 发 现 : 1 98 1 年 , T ho m a s C e c h 和 他 的 同 事 在 研 究 四 膜 虫 的 2 6 S r RN A

前体 加工去除基 因内含子时 获得一个 惊奇的发现 ∶内含子的 切除反应发 生在仅含 有 核 苷 酸 和 纯 化 的 2 6 S r RN A 前 体 而 不 含 有 任 何 蛋 白 质 催 化 剂 的 溶 液 中 , 可能的解 释 只 能 是 : 内 含 子 切 除 是 由 26 S rR N A 前 体 自 身 催 化 的 , 而 不 是 蛋 白 质 。 ● 核 酶 的 证 实 : 为 了 证 明 这 一 发 现 , 他 们 将 编 码 26 S r RN A 前 体 D N A 克 隆 到

细 菌 中 并 在 无 细 胞 系 统 中 转 录 成 2 6 S r RN A 前 体 分 子 。 结 果 发 现 这 种 人 工 制 备 的 2 6 S rR N A 前 体 分 子 在 没 有 任 何 蛋 白 质 催 化 剂 存 在 的 情 况 下 ,切 除 了 前 体 分 子 中 的 内 含 子 。这 种 现 象 称 为 自 我 剪 接 ( s el f -s p l i c i n g) ,这 是 人 类 第 一 次 发 现 R N A 具 有 催 化 化 学 反 应 的 活 性 ,具 有 这 种 催 化 活 性 的 R N A 称 为 核 酶 。T ho m as C e ch 因 发 现 了 核 酶 而 获 得 1 9 89 年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 图 6- 30 所 示 是 四 膜 虫 2 6 S r RN A 前 体 的 内 含 子 的 二 级 结 构 , 以 及 内 含 子 与 外 显子 的剪接点。

图 6- 30 四 膜 虫 26 S rR N A 前 体 内 含 子 的 二 级 结 构 以 及 内 含 子 、 外 显 子 的 剪 接 点( 如箭头所指 )。 核酶是如何被发现及证实的? 这一发现有什么意义?( 核酶是如何被发现及证实的? 这一发现有什么意义? (答案) 答 : 1 9 81 年 , T h om a s C e ch 和 他 的 同 事 在 研 究 四 膜 虫 的 2 6 S r RN A 前 体 加 工 去 除基 因内含子时 获得一个惊 奇的发现 ∶内含子的 切除反应发 生在仅含有 核苷酸和 纯 化 的 2 6 S r RN A 前 体 而 不 含 有 任 何 蛋 白 质 催 化 剂 的 溶 液 中 , 可 能 的 解 释 只 能 是 : 内 含 子 切 除 是 由 26 S r RN A 前 体 自 身 催 化 的 , 而 不 是 蛋 白 质 。 为 了 证 明 这 一 发 现 , 他 们 将 编 码 2 6 S r RN A 前 体 D N A 克 隆 到 细 菌 中 并 且 在 无 细 胞 系 统 中 转 录 成 2 6 S r RN A 前 体 分 子 。 结 果 发 现 这 种 人 工 制 备 的 26 S r RN A 前 体 分子 在没有任何 蛋白质催化 剂存在的 情况下,切 除了前体分 子中的内含 子。这种 现 象 称 为 自 我 剪 接 ( s e l f -s p l i c i n g) ,这 是 人 类 第 一 次 发 现 RN A 具 有 催 化 化 学 反 应 的 活 性 , 具 有 这 种 催 化 活 性 的 RN A 称 为 核 酶 。 这 一 发 现 之 后 不 久 ,在 酵 母 和 真 菌 的 线 粒 体 mR N A 和 t R N A 前 体 加 工 、叶 绿 体 的 t RN A 和 r RN A 前 体 加 工 、 某 些 细 菌 病 毒 的 mR N A 前 体 加 工 中 都 发 现 了 自 我 剪 接 现 象 。 T h o m as C e c h 因 发 现 了 核 酶 而 获 得 1 98 9 年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 核酶 的发现在生 命科学中具 有重要意 义, 在进 化上使我们 有理由推测 早期遗传 信息 和遗传信息 功能体现者 是一体的 ,只是在进 化的某一进 程中蛋白质 和核酸分 别执 行不同的功 能。核酶的 发现为临 床的基因治 疗提供了一 种手段,具 有重要的 应用 前景。 )

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5 0S 核 糖 体 中 23S r RN A 的 核 酶 活 性 肽 酰 转 移 酶 (p ep t i dy l t r a ns f er as e ) 蛋 白 质 的 合 成 过 程 中 , 肽 酰 转 移 酶 催 化

核 糖 体 A 位 t RN A 上 末 端 氨 基 酸 的 氨 基 与 P 位 肽 酰 -t RN A 上 氨 基 酸 的 羧 基 间 形 成 肽 键 ( 图 6- 31 ) 。

图 6- 31 核 糖 体 A 位 和 P 位 氨 基 酸 间 肽 键 的 形 成 R 1 和 R2 分 别 表 示 氨 基 酸 上 不 同 的 侧 链 。 ● 2 3 S r RN A 分 子 的 肽 酰 转 移 酶 活 性 证 实

1 9 92 年 , H ar ry N o l l er 和 他 的 同 事 用 蛋 白 酶 K 、 SD S 以 及 苯 酚 等 去 垢 剂 处 理 大 肠 杆 菌 核 糖 体 50 S 的 亚 基 , 将 所 有 的 蛋 白 质 都 破 坏 后 , 仍 然 具 有 肽 酰 转 移 酶 的 活 性 。 与 此 不 同 的 是 ,用 核 酸 酶 处 理 核 糖 体 , 将 rR N A 降 解 后 , 肽 酰 转 移 酶 的 活 性 也 随 之 丧 失 。这 些 结 果 提 示 是 RN A 而 不 是 蛋 白 质 具 有 催 化 肽 键 形 成 的 作 用 。在 细 菌 核 糖 体 中 , 已 确 定 2 3 S r RN A 分 子 中 具 有 肽 酰 转 移 酶 活 性 的 区 域 。



核酶的组 成分类

核 酶 的 种 类 很 多 ,现 在 有 许 多 工 程 核 酶 。根 据 核 酶 的 结 构 和 催 化 反 应 可 分 为 三 种类 型 : ● ● RN A 和 蛋 白 质 复 合 物 如 核 糖 核 酸 酶 P ( ri b on u c l e as e P ) 。 小 分 子 的 RN A 各 种 具 有 催 化 作 用 的 小 分 子 R N A , 能 够 进 行 分 子 内 自 我 切

割 反 应 , 且 不 需 蛋 白 质 参 与 。 这 些 RN A 分 子 可 以 分 为 两 个 部 分 , 一 部 分 是 底 物 , 另 一 部 分 是 酶 。将 具 有 酶 活 性 的 序 列 克 隆 后 可 制 成 人 工 核 酶 去 作 用 于 独 立 的 底 物 。 ● Ⅰ 、Ⅱ 型 内 含 子 这 两 种 核 酶 具 有 将 自 身 从 前 体 m RN A 中 剪 接 出 去 的 作 用 。

体 外 实 验 证 明 这 种 剪 接 反 应 仅 仅 是 RN A 本 身 就 可 以 了 ,但 是 在 体 内 ,需 要 有 辅 助 蛋白 的参与。

上述 三种类型的 核酶都有一 个共同的 特点,即都 涉及磷酸二 酯键的切割 或连 接 。 它 们 作 用 的 底 物 是 R NA, 可 以 是 R NA 分 子 本 身 , 也 可 以 是 别 的 R NA 分 子 。 6 . 4. 3 内 含 子 的 切 除 : 核 酶 的 作 用 机 理 除 了 rR N A 前 体 中 有 内 含 子 ,t R N A 和 mR N A 前 体 中 都 有 内 含 子 的 存 在 , 这 些 内 含 子 都 要 通 过 加 工 被 切 除 , 才 能 得 到 成 熟 的 rR N A 、t R N A 或 mRN A 。虽 然 这 些 RN A 中 内 含 子 切 除 的 机 理 各 不 相 同 ,但 都 涉 及 到 核 酶 的 作 用 。



核 剪 接 (n u cl e a r s pl i ci n g)

真 核 生 物 的 结 构 基 因 中 一 般 都 含 有 内 含 子 , 转 录 后 , 从 p r e - mR N A 中 将 内 含 子 切 除 , 然 后 将 外 显 子 重 新 连 接 成 一 个 成 熟 的 mR N A 的 过 程 称 为 R N A 剪 接 (R N A s p l i c in g) ( 图 6- 32 ) 。

图 6- 32 鸡 的 卵 清 蛋 白 基 因 初 始 RN A 转 录 物 的 剪 接 鸡的 卵清蛋白基 因中有 7 个 内含子,转录后需要 被切除,8 个外显子 连接起来 形 成 有 功 能 的 m RN A 。 核 剪 接 是 指 发 生 在 细 胞 核 中 , 主 要 是 对 h nRN A 中 内 含 子 的 剪 接 。 有 三 个 主 要 特 点 ∶ 一 是 在 p r e - mR N A 中 内 含 子 与 外 显 子 间 有 特 征 性 序 列 , 即 G T - A G 规 则 ; 第 二 是 剪 接 过 程 中 需 要 s nRN A 参 与 , 并 要 形 成 剪 接 体 ; 第 三 要 形 成 套 索 结 构 。



G T -A G 规 则 (G T -A G ru l e ) 前 体 RN A 中 参 与 内 含 子 剪 接 的 两 个 特 殊 位 点 , A G,

即 在 内 含 子 和 外 显 子 交 界 处 有 两 个 相 当 短 的 保 守 序 列 : 5 '端 为 G T , 3 '端 为 称 为 G T -A G 规 律 。 ●

剪 接 体 (s p l i c e os o m e) 在 剪 接 过 程 中 形 成 的 剪 接 复 合 物 称 为 剪 接 体 , 剪接体

的 主 要 组 成 是 蛋 白 质 和 小 分 子 的 核 RN A (s nRN A ) 。 ● 套 索 ( l a r i at ) 的 形 成 和 释 放

内 含 子 的 剪 接 分 为 两 个 主 要 的 阶 段 。 第 一 阶 段 是 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 。 第 二 个 阶 段 是 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 ( 图 6- 3 3) 。

图 6- 33 p r e - mR N A 剪 接 的 套 索 模 型 说明核剪接的套索模型的机理。(说明核剪接的套索模型的机理(答案) 答 : 内 含 子 的 剪 接 分 为 两 个 主 要 的 阶 段 。 第 一 阶 段 是 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 。 第 二 个 阶 段 是 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。 在 这 一 过 程 中 要 由 U 1 、 U 2 、 U 4 / U 6 、 U 5 s nR N P 装 配 成 剪 接 体 。 首 先 是 由 U 1 和 U 2 s nRN P s 结 合 到 内 含 子 的 两 侧 , 然 后 U 4 /U 6 复 合 物 和 U 5 结 合 上 来 形 成 无 活 性 的 剪 接 体 , 无 活 性 剪 接 体 经 过 重 排 , 将 U 1 和 U 4 排 除 出 去 ,形 成 活 性 剪 接 体 , 然后 将内含子切 除。 )



I 型 内 含 子 ( gr o up I i nt r on ) ( 一 类 具 有 酶 催 化 功 能 的 内 含 子 , 转 录 成 R N A 后 ,

可 以 自 我 剪 接 。此 类 内 含 子 转 录 后 可 以 形 成 9 个 由 碱 基 配 对 形 成 的 特 定 二 级 结 构 , 分 别 命 名 为 P 1 至 P 9 ,P 1 和 P 7 是 保 守 的 。 I 型 内 含 子 具 有 自 我 剪 接 的 功 能 , 在 剪 接 反 应 中 ,要 有 一 种 鸟 嘌 呤 核 苷 (含 有 游 离 的 3 ' - OH) G- OH。 G 首 先 结 合 到 内 含 子 的 5' 端 , 当 线 性 的 内 含 子 成 为 环 状 时 , 其 3 ' 端 可 以 距 离 5 ' 端 15 个 核 苷 酸 以 外 , 从 而 将 原 来 的 5 ' 端 和 15 个 碱 基 ( 或 以 上 ) 的 节 段 ( 包 括 G ) 切 除 出 去 。 这 种 自 我 剪 接 , 是 由 R NA 的 特 定 序 列 的 核 酸 内 切 酶 的 活 性 所 催 化 。 Ⅰ 型 内 含 子 比 Ⅱ 型 内 含 子 更 普 遍 ,这 两 类 内 含 子 之 间 没 有 什 么 关 系 ,它 们 有 一 个 共 同 的 特 性 ,就 是 在 体 外 能 够 自 我 剪 接 ,而 不 需 要 任 何 蛋 白 质 酶 的 催 化 。 但 是在体内 它们 却都需要蛋 白质帮助折 叠成二级 结构 ) 和 I I 型 内 含 子 (g r ou p I I i n t ro n s )( 主 要 存 在 于 线 粒 体 中 的 一 类 内 含 子 , 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 G T- - A G 规 律 。剪 接 机 理 同 核 内 含 子 的 剪 接 相 似 , 也 要 形 成 一 个 套 索 的 中 间 体 , 通 过 形 成 5 ' -2 ' 磷 酸 二 酯 键 将 要 剪 接 的 位 点 靠 近 到 一 起 。但 是 , I I 型 内 含 子 的 剪 接 又 不 完 全 与 核 内 含 子 的 剪 接 相 同 , 它 具 有 自 我 剪 接 的 功 能 , 不 需 要 剪 接 体 和 s n R N A 的 参 与 ,也 不 需 要 A T P 供 能 。 从 结 构 上 看 , II 型 内 含 子 的 6 个 结 构 域 可 形 成 发 夹 环 , 结 构 域 5 与 6 之 间 只 间 隔 3 个 碱 基 ,结 构 域 6 参 与 转 酯 作 用 )的 剪 接 这 两 种 类 型 的 内 含 子 的 二 级 结 构 比 较 特 别 ,有 很 多 柄 环 结 构 ( 图 6- 3 4) ,反 映 在 它们 的序列中存 在反向重复 序列。

图 6- 34 Ⅰ 型 和 Ⅱ 型 内 含 子 的 二 级 结 构 I 型内含子的 剪接与Ⅱ型 内含子的 剪接机制完 全不同, I 型需要游 离的鸟苷或 其磷 酸化的衍生 物的参与, 剪接过程 中,内含子 先以线性形 式被释放, 然后再转 变 成 一 个 片 段 和 一 个 环 状 分 子 ( 图 6 -3 5) 。 而 Ⅱ 型 内 含 子 的 切 除 要 形 成 套 索 结 构 , 以 套 索 的 形 式 释 放 内 含 子 ( 图 6 - 36 ) 。

图 6- 35 I 型 内 含 子 剪 接 ,

图 中 的 p G 可 以 是 GTP、 GDP 或 是 GM P。

图 6- 36 Ⅱ 型 内 含 子 剪 接 6 . 4. 4 RN A 编 辑 ( RN A e di ti n g ) R N A 编 辑 是 指 在 mR N A 水 平 上 改 变 遗 传 信 息 的 过 程 。 最 典 型 的 例 子 是 锥 虫 ( t ry p a no s o m e ) 动 质 体 ( k in et op l as t i d) 的 线 粒 体 基 因 m RN A 的 编 辑 ,涉 及 上 百 个 U 的 缺失 和添加。



RN A 编 辑 的 意 义

由 于 RN A 编 辑 是 基 因 转 录 后 在 mR N A 中 插 入 、 缺 失 或 核 苷 酸 的 替 换 而 改 变 D N A 模 板 来 源 的 遗 传 信 息 , 翻 译 出 多 种 氨 基 酸 序 列 不 同 的 蛋 白 质 , RN A 编 辑 的 结 果不 仅扩大了遗 传信息,而 且使生物 更好地适应 生存环境。 有些基因的 主要转录 产 物 必 须 经 过 编 辑 才 能 有 效 地 起 始 翻 译 , 或 产 生 正 确 的 可 读 框 (O RF ) 。



向 导 RN A ( gu i de RN A ,

g RN A s ) 在 编 辑 中 的 作 用



向 导 R NA

指 导 RN A 编 辑 的 分 子 RN A , 长 度 大 约 是 60 ~ 8 0 个 核 苷 酸 , 是 由 单 独 的 基 因 转 录 的 , 具 有 3 '寡 聚 U 的 尾 巴 , 中 间 有 一 段 与 被 编 辑 m RN A 精 确 互 补 的 序 列 , 5 '端 是 一 个 锚 定 序 列 , 它 同 非 编 辑 的 m RN A 序 列 互 补 。 在 编 辑 时 , 形 成 一 个 编 辑 体 ( e dit os o m e) , 以 gRN A s 内 部 的 序 列 作 为 模 板 进 行 转 录 物 的 校 正 , 同 时 产 生 编 辑 的 m RN A ( 图 6 - 37 ) 。

图 6 -3 7 gRN A 指 导 P ry t a no s o m a b r u ce i 线 粒 体 细 胞 色 素 氧 化 酶 亚 基 Ⅱ 基 因 转 录 物 的 编 辑 , ( a) 四 个 U 的 插 入 ; ( b) 在 编 辑 过 程 中 , gR N A 的 模 板 作 用 用 ● 载 脂 蛋 白 ( ap o l ip op r ot e in B ) 的 编 辑

人 的 载 脂 蛋 白 有 两 种 表 达 形 式 : ap o B -4 8 和 ap oB - 10 0 。 该 基 因 的 序 列 在 肝 、 肠 组 织 细 胞 中 是 相 同 的 , 但 产 物 不 同 。 在 肝 细 胞 中 , 产 物 为 4 5 63 个 氨 基 酸 残 基 的 肽 : a p o B- 1 00 ; 但 在 肠 细 胞 中 , 产 物 为 只 含 21 52 个 氨 基 酸 残 基 的 ap oB -4 8 , 缺 失 了 a p o B- 1 00 的 N 端 同 LD L 受 体 结 合 的 结 构 域 。原 因 是 在 m RN A 水 平 上 将 2 1 53 位 的 谷 氨 酰 胺 的 密 码 子 CA A 中 的 C 编 辑 成 为 U , 形 成 一 个 终 止 密 码 子 -U A A , 结 果 使 蛋 白 质 的 合 成 提 前 终 止 , 合 成 一 个 新 的 相 对 分 子 质 量 约 为 25 0k D a 的 蛋 白 质 ( 图 6 - 38 ) 。

图 6- 38 载 脂 蛋 白 基 因 转 录 物 的 编 辑 7. 线 粒 体 与 过 氧 化 物 酶 体 细 胞 的 生 存 需 要 两 个 基 本 的 要 素 ∶ 构 成 细 胞 结 构 的 化 学 元 件 和 能 量 。生 物 从 食 物中 获取能量, 根据对氧的 需要情况 分为两种类 型∶厌氧的 ,即不需要 氧;好氧

的, 即需要氧的 参与。在真 核生物中 ,需氧的能 量转化过程 与线粒体有 关,并且 伴随 着一系列的 化学反应; 而在原核 生物中,能 量转化与细 胞质膜相关 。 线 粒 体 ( m it o ch on d r io n) 是 1 85 0 年 发 现 的 一 种 细 胞 器 , 1 89 8 年 命 名 。 是 细 胞 内 氧 化 磷 酸 化 和 形 成 A T P 的 主 要 场 所 ( 图 7 -1 ) 。 过氧 化物酶体是 细胞内另一 个需要氧 的细胞器 , 不过过氧 化物酶体需 要氧不是 用 于 AT P 的 合 成 而 是 用 于 有 毒 物 质 的 氧 化 , 对 线 粒 体 具 有 氧 调 节 作 用 。

图 7- 1 线 粒 体 结 构 及 功 能 示 意 图

7.1 线 粒 体 的 形 态 结 构 线 粒 体 是 能 够 在 光 学 显 微 镜 进 行 观 察 的 显 微 结 构 ,它 具 有 渗 透 性 ,在 低 渗 溶 液 中会 膨胀,而在 高渗溶液中 能够收缩 。

7 . 1. 1 线 粒 体 的 发 现 与 功 能 研 究 人们 对线粒体的 研究有一个 多世纪的 历史。 ● 1 85 0 年 , 德 国 生 物 学 家 Ru d olp h K ?l l i ke r 第 一 个 发 现 线 粒 体 , 并推 测∶

这种 颗粒是由半 透性的膜包 被的。 ● 1 89 8 年 对 线 粒 体 进 行 命 名 。



1 90 0 年 , L eo n or M i c h a e li s 用 染 料 J a nu s gr e e n 对 肝 细 胞 进 行 染 色 , 发 现 细

胞消 耗氧之后, 线粒体的颜 色逐渐消 失了,从而 提示线粒体 具有氧化还 原反应的 作用 。 后 又 经 过 几 十 年 的 研 究 , 逐 步 证 明 了 线 粒 体 具 有 K r ebs 循 环 、 电 子 传 递 、 氧 化 磷 酸 化 的 作 用 ,从 而 证 明 了 线 粒 体 是 真 核 生 物 进 行 能 量 转 换 的 主 要 部 位 。 从线 粒体的发现 和功能鉴定 的简史, 你有何体会 ?


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