揭秘細胞內“蛋白質合成工廠”

摘要 從核糖體的發現、組成、類別、結構、功能諸方面進行概述。介紹核糖體的研究與新型抗生素生產的關系及2009年諾貝爾化學獎的研究成果。

關鍵詞 核糖體 大小亞基 諾貝爾獎 新型抗生素

中圖分類號Q-49

文獻標識碼 E

隨著2009年諾貝爾化學獎的揭曉，人們的目光聚焦于一座無比復雜而又極其精密的“蛋白質合成工廠”——核糖體，它幾乎遍布生物體的每一個細胞，承擔著上萬種蛋白質合成的重任，在化學水平上制造生命并控制著它的走向。

1 核糖體的發現

1953年，瑞賓遜和布恩用電鏡觀察植物細胞時發現胞質中存在一種顆粒物質；1955年帕拉蒂在動物細胞中也看到同樣的顆粒，并進一步研究了這些顆粒的化學成份和結構；1958年羅伯茨根據化學成份將其命名為核糖核蛋白體，簡稱核糖體。對核糖體的研究歷經數載，至20世紀90年代進入新的發展時期，2009年諾貝爾化學獎就是很好的佐證。

2 核糖體的組成與結構

核糖體為不規則顆粒，無膜，包括大、小兩個亞基，由蛋白質和rRNA組成，相對分子質量約為2.5—3兆道爾頓，直徑為25—30 nm，光鏡下不可見，是生命體中最小的細胞器，10萬轉／min的高速離心條件下可從細胞中分離出來。核糖體的大小以沉降系數s表示，s值越大，顆粒越大、相對分子質量越大。

糖體蛋白和rRNA的比例在原核細胞中為1.5:1，在真核細胞中為1:1。真核細胞核糖體為80S，大亞基60S，有大約49種蛋白質和三種rRNA(28s、5s和5.8S)；小亞基為40S，有大約33種蛋白質和一種rRNA(18S)。原核細胞核糖體為70S，大亞基50S，有大約34種蛋白質和2種rRNA(23S、5S)；小亞基為30S，有大約21種蛋白質和1種rRNA(16S)。每個亞基中，以一條或二條高度折疊的rRNA為骨架，將幾十種蛋白質組織起來，二者靠非共價鍵緊密結合，蛋白質主要分布在核糖體的表面，rRNA大部分圍在內部，小部分露在表面。

在活細胞中，核糖體的大小亞基、單核糖體和多聚核糖體處于一種不斷解聚與聚合的動態平衡中，隨功能而變化，執行功能時為多聚核糖體，功能完成后解聚為大、小亞基。大亞基側面觀是倒圓錐形，底面不平，邊緣有3個突起，中央為一凹陷，似沙發的靠背和扶手。小亞基是略帶弧形的長條，一面稍凹陷，一面稍外突，趴在大亞基上，似沙發上趴了一只小猴。大小亞基凹陷部位對應結合，形成了一個內部空間，可容納mRNA、tRNA及進行氨基酸縮合等反應。此外，在大亞基內有可排放多肽鏈的中央管。

單個核糖體上具有一系列與蛋白質合成有關的結合位點與催化位點：與mRNA的結合位點，位于小-亞基上；接受氨酰基tRNA的部位，又稱A部位，主要在大亞基上；釋放tRNA的部位，又稱P部位，主要在小亞基上；肽酰轉移酶部位，簡稱T因子，位于大亞基上，催化氨基酸間形成肽鍵，使肽鏈延長；GTP酶部位，即轉位酶，簡稱G因子，對GTP具有活性，催化肽鏈從P部位—A部位；另外，核糖體上還有許多與起始因子、延長因子、釋放因子以及各種酶相結合的位點。

從分子角度看，核糖體是生物體中最復雜的分子機器。

3 核糖體的分類

除哺乳類成熟的紅細胞外，一切活細胞中均有核糖體，真核細胞比原核細胞多，幼稚細胞、未分化細胞、胚胎細胞、培養細胞、腫瘤細胞等尤其多。按存在部位分為細胞質核糖體、線粒體核糖體和葉綠體核糖體；按存在的生物類型分為真核生物核糖體和原核生物核糖體；按沉降系數分為70S核糖體(存在于線粒體、葉綠體以及原核細胞)和80S核糖體(存在于真核細胞的細胞質中)。真核細胞中，游離在細胞質中的核糖體稱為游離核糖體；附著在內質網表面的核糖體稱為附著核糖體，這兩類核糖體所合成的蛋白質種類不同。

無論哪種核糖體，其結構與化學組成完全相同；在進行蛋白質合成時，常3～5個或幾十個甚至更多聚集并與mRNA結合在一起，由mRNA分子與小亞基凹溝處結合，再與大亞基結合，形成一串，可排列成螺紋狀，念珠狀等，稱為多聚核糖體(游離多聚核糖體及固著多聚核糖體)，是合成蛋白質的功能團。mRNA的長短，決定多聚核糖體的多少。

4 核糖體的功能

核糖體是生物體內的“蛋白質合成工廠”，它將遺傳信息翻譯成肽鏈，進而生產出生物所需的全部蛋白質。蛋白質合成過程需要核糖體，而且還必須有mRNA、tRNA、20種氨基酸和一些蛋白質因子及酶、Mg²⁺、K⁺等參與，并由ATP、GTP提供能量。mRNA是合成模板，tRNA是識別密碼子、轉運相應氨基酸的工具；核糖體則是蛋白質的裝配機，它不僅組織了mRNA和rRNA的相互識別，將遺傳密碼翻譯成蛋白質的氨基酸順序，并且控制多肽鏈的形成。它能沿著mRNA模板一邊移動，一邊精確地“翻譯”著mRNA上的遺傳密碼。

結構蛋白在游離的核糖體上合成，分泌蛋白質多肽的合成一開始也在游離多聚核糖體上，但其mRNA在AUG之后有一段45—90bp的信號順序(密碼)，由此能翻譯出15-30個氨基酸的多肽(信號肽)。這種能合成信號肽的核糖體將成為附著核糖體與內質網結合，不能合成信號肽的為游離核糖體，仍散布于胞質中。從細菌到人類，各種生命體中核糖體的工作方式都驚人地相似。

真核細胞與原核細胞中蛋白質的合成雖有差異，但基本步驟相同，主要包括以下過程：

氨基酸與tRNA結合形成氨酰基-tRNA復合物后被轉運到核糖體上，多肽鏈合成開始；

在起始因子和Mg²⁺的作用下，小亞基與mRNA結合，甲硫氨酰tRNA識別并與mRNA上的AUG結合，接著大亞基也結合上去；

第二個密碼對應的氨酰基tRNA進入核糖體的A位，在轉位酶的作用下，P部位的氨酰基tRNA轉移到A位并與形成肽鍵，tRNA脫離P位并離開P位，進入胞質，核糖體沿mRNA往前移動，新的密碼又處于核糖體的A位，新氨酰基tRNA又入A位，形成三肽，核糖體又向前移動，如此反復，多肽鏈不斷延伸。

當mRNA上出現終止密碼時(uGA、UAA、UAG)，就無對應的氨基酸運人核糖體，肽鏈的合成停止，多肽鏈順著大亞基中央管全部釋放離開核糖體。同時大小亞基與mRNA分離，可再與mRNA起始密碼處結合，也可游離于胞質中或被降解，mRNA也可被降解。

5 核糖體的生物發生

核糖體的有趣之處不僅在于其功能，而且還在于它與蛋白質裝配的發生過程。真核細胞中，核糖體的生物發生與核仁有關，生物發生過程包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。核仁組成成分包括rRNA、rDNA和核糖核蛋白，是rRNA基因存儲、rRNA合成加工以及核糖體亞單位的裝配場所。

在普通的細胞中，存在著超過100個rDNA重復序列，位于染色體的核仁組織區，rDNA轉錄產生rRNA。和mRNA不同，rRNA是基因的最終產物。rDNA在RNA聚合酶I催化下產生初始轉錄產物——rRNA前體，不同生物的rRNA前體大小不同，哺乳動物為45S；真核細胞rRNA加工過程比較緩慢，其中間產物可從各種細胞中分離出來，加工過程比較清楚。45S rRNA前體很快與來自胞質的蛋白質結合，經加工剪切形成28S、18S和5.8S的rRNA，5s rRNA在核仁外合成。28S、5.8S及5S rRNA與蛋白質結合形成大亞基前體，成熟后經核孔入胞質為大亞基；18SrRNA與蛋白質結合，成熟后經核孔進入胞質為小亞基。大小亞基在胞質中可解離存在，但只有組成完整核糖體時才具有合成功能。

原核細胞核糖體的生物發生類似于真核細胞，也是先合成大的rRNA再切出小的rRNA。

6 核糖體研究與新型抗生素生產

在常規的抗生素中，有50％都是核糖體的抑制劑，主要作用是與核糖體結合，干擾或抑制菌體蛋白質的合成，細菌與哺乳動物的核糖體大小亞基的化學組成及功能特性有明顯差異，所以抗生素對人或動物沒有明顯影響。不過，這些抗生素大都是隨機發現的，而非從核糖體的結構出發有意研發。而約納特與施泰茨等人則期望從核糖體三維結構模型出發，研發出新型抗生素，他們已構筑了核糖體的三維模型，展示了不同的抗生素如何綁定到核糖體以抑制核糖體功能。更好地了解核糖體可以有助于利用計算機模擬研制出療效更好的抗生素，從而解決病原微生物對抗生素的“抗性”，有效地消滅“抗性”病原菌。

7 核糖體與2009年諾貝爾化學獎

英國科學家拉馬克里希南、美國科學家施泰茨和以色列科學家約納特因“對核糖體結構和功能研究”的突破性貢獻而獲2009年諾貝爾獎。他們標出了構成核糖體的無數個原子的所在位置，“還原”了核糖體復雜的大分子結構，解析出核糖體的精細結構；不僅讓人們知曉了核糖體的“外貌”，而且在原子層面上揭示了核糖體功能的機理；通過晶體學結構信息設計新型抗生素藥物，構建出高分辨率的核糖體三維模型。顯示不同的抗生素是如何抑制核糖體功能，對人類的醫藥和健康事業做出了貢獻。