核糖體:生物學術語-中文百科頻道

定義

核糖體是細胞内一種核糖核蛋白顆粒（ribonucleoprotein particle），主要由RNA（rRNA）和蛋白質構成，其功能是按照mRNA的指令将遺傳密碼轉換成氨基酸序列并從氨基酸單體構建蛋白質聚合物。核糖體又被稱為細胞内蛋白質合成的分子機器。

組成

核糖體是一種高度複雜的細胞機器。它主要由核糖體RNA（rRNA）及數十種不同的核糖體蛋白質（r-protein）組成（物種之間的确切數量略有不同）。核糖體蛋白和rRNA被排列成兩個不同大小的核糖體亞基，通常稱為核糖體的大小亞基。核糖體的大小亞基相互配合共同在蛋白質合成過程中将mRNA轉化為多肽鍊。

原核生物的核糖體的直徑約為20nm，由65%rRNA和35%核糖體蛋白組成。真核生物核糖體的直徑在25到30 nm之間，rRNA與蛋白質的比率接近1。細菌和真核生物的核糖體亞基非常相似。

用于描述核糖體亞基和rRNA片段的測量單位是Svedberg單位，代表的是離心時亞基的沉降速率而不是它的大小。例如，細菌70S核糖體由50S和30S亞基組成。

功能

mRNA的翻譯

核糖體的主要功能是将遺傳密碼轉換成氨基酸序列并從氨基酸單體構建蛋白質聚合物。mRNA包含一系列密碼子，被核糖體解碼以産生蛋白質。核糖體以mRNA作為模闆，核糖體通過移動穿過mRNA的每個密碼子（3個核苷酸），将其與氨酰基-tRNA提供的适當氨基酸配對。氨基酰基-tRNA的一端含有與密碼子互補的反密碼子，另一端攜有适當的氨基酸。核糖體利用大的構象變化快速準确地識别合适的tRNA。通常與含有第一個氨基酸甲硫氨酸的氨酰基-tRNA結合的核糖體小亞基與AUG密碼子結合，并招募核糖體大亞基。核糖體含有三個RNA結合位點：即A、P和E位點。A位點結合氨酰基-tRNA或終止釋放因子 [9] ；P-位點結合肽基-tRNA（與tRNA結合的tRNA）多肽鍊；E位點（出口）結合遊離tRNA。蛋白質合成始于mRNA5'末端附近的起始密碼子AUG。mRNA首先與核糖體的P位點結合。核糖體通過使用原核生物中的mRNA的Shine-Dalgarno序列和真核生物中的Kozak盒來識别起始密碼子。

翻譯共折疊

核糖體積極參與蛋白質折疊。在某些情況下，核糖體對于獲得功能性蛋白質至關重要。例如，深度打結蛋白質的折疊依賴于核糖體将鍊條推過附着的環。

添加不依賴翻譯的氨基酸

核糖體質量控制蛋白Rqc2的存在與mRNA非依賴性的蛋白質多肽鍊的延伸相關。這種延伸是核糖體通過Rqc2帶來的tRNA添加CAT尾部的結果。

肽基轉移和肽基水解

核糖體在肽基轉移和肽基水解這兩個極其重要的生物過程中起催化作用。

分類

細菌核糖體

細菌的核糖體70S核糖體由30S的小亞基和50S的大亞基組成。30S小亞基含有16S RNA（1540個核苷酸）和21種核糖體蛋白質；大亞基由5S RNA（120個核苷酸）、23S RNA（2900個核苷酸）及31個核糖體蛋白組成。

真核生物核糖體

真核生物的核糖體80S核糖體定位于其胞質。每個核糖體由40S小亞基和60S大亞基組成。40S亞基具有18S RNA（1900個核苷酸）和33個蛋白質。60S大亞基由5S RNA（120個核苷酸）、28S RNA（4700個核苷酸）、5.8S RNA（160個核苷酸）和46個核糖體蛋白組成。

線粒體核糖體和質體核糖體

真核生物中，定位于線粒體中的核糖體稱為線粒體核糖體（mitoribosomes），定位于質體的核糖體稱為質體核糖體（plastoribosomes），如定位于葉綠體中的葉綠體核糖體（chloroplastic ribosomes）。它們也是由大小亞基與蛋白質結合的一個70S核糖體，與細菌類似。二者中，葉綠體核糖體比線粒體核糖體更接近細菌。線粒體中的許多核糖體RNA被縮短，而其5S rRNA被動物和真菌中的其它結構所取代。

藥物化學家利用細菌和真核核糖體的差異來制造抗生素如氨基糖苷類抗生素、四環素類抗生素等蛋白質合成抑制劑類抗生素，特異性地破壞細菌感染。由于它們的結構不同，細菌70S核糖體易受這些抗生素的影響，而真核80S核糖體則不然。盡管線粒體具有與細菌相似的核糖體，但線粒體也不受這些抗生素的影響，因為它們被雙膜包圍，不容易将這些抗生素帶入細胞器。葉綠體也是如此。

遊離核糖體

遊離核糖體可在細胞質中的任何位置移動，但被排除在細胞核和其它細胞器之外。由遊離核糖體生成的蛋白質被釋放到細胞質中并在細胞内使用。由于細胞質含有高濃度的谷胱甘肽，它是一種還原性的環境，因此，細胞質中的遊離核糖體不能産生由氧化的半胱氨酸殘基形成的含有二硫鍵的蛋白質。

膜結合核糖體

當核糖體開始合成某些細胞器所需的蛋白質時，核糖體可以與膜結合。在真核細胞中這種結合發生在粗糙内質網（ER）上。核糖體将新産生的多肽鍊直接插入ER中，這些多肽鍊然後通過分泌途徑被轉運至其目的地。膜結合核糖體産生的蛋白質通常在質膜内使用，或通過胞吐作用從細胞中排出。

結構

各種核糖體盡管大小差異很大，但它們的核心結構非常相似。大部分rRNA高度組織成各種三級結構基序。較大核糖體中額外的RNA都是以幾個長的連續插入形式出現，使得它們在核心結構中形成環而不被破壞或改變。核糖體的所有催化活性均由RNA進行，其表面的蛋白質可以穩定rRNA結構。

超微結構

20世紀70年代早期核糖體的一般分子結構得到解析。21世紀初期，核糖體結構已經實現了高分辨率解析，達到大約幾個nm的精度。

2000年，古生物Haloarcula marismortui和細菌Deinococcus radiodurans 50S亞基及Thermus thermophilus 30S亞基的原子分辨率核糖體結構幾乎同時得到解析，這些研究于2009年獲得諾貝爾化學獎。

2005年大腸杆菌70S核糖體基于X射線晶體分辨率為3.5Å的空核糖體結構、基于冷凍電子顯微鏡分辨率為11-15Å将新合成的蛋白質鍊進入蛋白質傳導通道時的核糖體結構得到解析。

2006年，分辨率為2.8Å和3.7Å的tRNA和mRNA分子複合時的核糖體原子結構通過X射線晶體得到解析。這些結構使人們可以看到Thermus thermophilus核糖體與mRNA和經典核糖體位點結合的tRNA相互作用的細節。随後，核糖體與含有Shine-Dalgarno序列的長mRNA的相互作用的分辨率為4.5-5.5Å的結構也得到解析。

2011年，來自釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的真核80S核糖體的第一個完整的原子結構也通過晶體學獲得。該模型揭示了真核生物特異性元件的結構及其與普遍保守核心的相互作用。同年，嗜熱四膜蟲（Tetrahymena thermophila）真核40S和60S核糖體結構的完整模型得到解析。40S亞基結構描述了40S亞基的結構以及40S亞基在翻譯起始過程中與eIF1的相互作用。