核糖体

20世纪50年代中期，细胞生物学家George Emil Palade利用电子显微镜首先观察到了核糖体。

20世纪50年代末期，Richard B. Roberts创造了"核糖体"(ribosome)一词，取自"核糖核酸"("ribo")和希腊语词根"soma"(意为"体")。

 1974年，Albert Claude, Christian de Duve和George Emil Palade 由于发现核糖体而被授予诺贝尔生理医学奖。^[1]

2009年， Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz和Ada E. Yonath 由于解析了核糖体的结构和作用机制而获得诺贝尔化学奖。^[1]

核糖体是一个高度复杂的细胞机器，它主要由特化的RNA和几十个蛋白组成。这些蛋白和RNA组装成两个不同大小的核糖体亚基即大亚基和小亚基。核糖体的大小亚基有机组合在一起将mRNA的信息翻译到多肽链上。

2.1 细菌核糖体

原核核糖体直径大概20 nm。RNA和蛋白各占65%和35%；真核核糖体的直径在25-30 nm，RNA和蛋白各占一半。^[2]结构表明在多肽合成反应发生的区域没有发现核蛋白的存在。这说明核糖体的蛋白组分没有直接参与肽键形成的催化反应，而是作为支架可能提升了rRNA合成蛋白的能力。

描述核糖体亚基和rRNA的单位通常是S（Svedberg，一种测量物质离心时的沉降系数）。细菌拥有70S核糖体，由大亚基（50S）和小亚基（30S）组成。小亚基包括16S rRNA（约1500 nt）和约21个蛋白，大亚基包括5S rRNA（约120 nt），23S rRNA（约2900 nt）和约33个蛋白。

2.2 真核核糖体

真核生物在细胞质中含有80S核糖体，由大亚基（60S）和小亚基（40S）组成。小亚基包括18S rRNA（约1900 nt）和约33个蛋白；大亚基包括5S rRNA（约120 nt），5.8S（约160 nt）23S rRNA（约2900 nt）和约46个蛋白。

2.3 质体和线粒体核糖体

在真核生物中，线粒体和质体如叶绿体中都存在核糖体。这些核糖体和细菌的比较像，应该是起源于共生的细菌。叶绿体的核糖体比线粒体核糖体更像细菌的。在线粒体中，很多rRNA被削短甚至消失，如5S 。^[3]现在已知最简rRNA发现于Leishmania tarentolae的线粒体中，每个亚基只有一个rRNA，即9S（约610 nt） 和12S（约1173 nt）。^[4]

2.4 高分辨率结构

20世纪70年代早期，科学家们已经知道了核糖体的整体轮廓，但是一直到21世纪初，原子

2000年，一系列的文章开始揭示核糖体的高分辨率结构，其中包括Haloarcula marismortui 50S 大亚基（2.4 Å），Thermus thermophiles 30S 小亚基（两个结构，分别为3.3 Å和3 Å）。

2001年，整个的T. thermophilus 70S被解析出来，分辨率稍微差一些，5.5 Å。

2005年，Escherichia coli 70S核糖体的分辨率被推进到3.5 Å。

2011年，真核80S 核糖体（Saccharomyces cerevisiae）被解析出来达到原子级别，3 Å。

核糖体主要工作就是将遗传信息转入氨基酸序列和利用氨基酸合成蛋白多聚体。核糖体作为核酶在肽基转移酶中心（PTC）催化肽基的转移和水解，以在氨基酸之间形成肽键。^[6]

3.1 翻译

以mRNA为模板，核糖体以三个碱基为单位来进行解码，利用氨酰tRNA将合适的氨基酸带到催化中心，tRNA上有一个互补的反密码子可以和和mRNA进行结合。小亚基一般会先结合一个甲硫氨酸的氨酰tRNA，结合到mRNA的起始密码子（AUG）上，然后再招募大亚基。 核糖体通常包括三个tRNA结合位点，A、P、E。A位点主要结合氨酰tRNA，P位点主要结合肽基tRNA，而E位点这结合一个不带氨基酸的tRNA。 蛋白合成一般从起始密码子开始。核糖体识别起始密码子在原核中通过SD（Shine-Dalgarno）序列，真核中这是Kozak序列。

3.2 翻译蛋白的折叠

核糖体在蛋白折叠过程中起到非常积极的作用。^[7]核糖体参与的折叠得到的蛋白三维结构一般和利用化学方法复性得到的是一致的，但是经过的路径可能不一样。在一些情况下，核糖体对于取得有功能的蛋白结构是非常关键的，例如，一些深度纠缠的蛋白折叠就依赖于核糖体将多肽链推过相关的茎环。

核糖体主要有两种定位一种是自由地漂在细胞质中，另外一种就是结合在膜上的。

二者区别仅仅在于空间分布，结构上是完全一样的。核糖体在细胞中的位置，主要取决于其翻译的蛋白是否带有ER信号序列。所以一个核糖体可能在合成一个蛋白的时候在膜上，而合成另外一个蛋白的时候就在细胞质中。

自由核糖体可以在细胞质中任意移动，但是无法进入细胞核和其他的细胞器。在自由核糖体上生成的蛋白被释放到细胞质中，只在细胞内发挥功能。由于细胞质内含有高浓度的谷胱甘肽，因此是一个还原的环境，那些含有二硫键的蛋白由于需要氧化的半胱氨酸所以不能在细胞质中生成。

当一个核糖体开始合成一些细胞器中所需要的蛋白的时候，核糖体就需要结合到相关的膜上。在真核细胞中，糙面内质网正是此类核糖体聚集的地方。新合成的多肽直接被插入到ER中，然后同分泌途径转运到它们的目的地。这些核糖体生产的蛋白一般在细胞膜或者胞外发挥功能。

在原核细胞中，核糖体在细胞质中通过核糖体基因的转录和翻译来生成。在真核细胞中，这个过程发生在细胞质和核仁中。组装的过程涉及到了超过200个蛋白，包括rRNA的合成与加工，以及rRNA和核糖体蛋白的组装。

核糖体可能首先起源于RNA世界，开始作为自我复制的复合体，后来在氨基酸出现以后，才进化出可以合成蛋白质的能力。^[8]研究表明古老的核糖体在可能在只有rRNA的情况下就可以拥有催化肽键的能力。^[9]此外，相关证据强力地指向古核糖体可以作为自我复制的复合体，rRNA有信息、结构和催化的功能因为rRNA 可以编码核糖体自我复制所需要的tRNA和蛋白。^[10]

 因为氨基酸在生命起源之前是逐渐出现的^[11]，所以它们和核酶的相互作用将在范围和效率上全面提升核酶的功能。因此驱驶核糖体从一个自我复制的古老机器进化为现代的翻译机器的动力来自于和蛋白合作提升自我复制能力的选择压力。

许多教科书说自然界只有两种核糖体即原核和真核核糖体。然而，核糖体在不同物种中是非常混杂的，具有多种组分。相比于经典的核糖体，杂合核糖体拥有不同的结构和活性。

 核糖体的杂合性被认为设计到蛋白的翻译控制。Vincent Mauro和Gerald Edelman提出核糖体过滤假说（ribosome filter hypothesis），来解释核糖体的调控功能。越来越多新的证据表明这些在不同的细胞群体中出现的特化的核糖体可以影响基因的翻译。一些核糖体蛋白在不同的核糖体之间可以直接交换这也暗示体内的核糖体可以被修饰，而不用合成一个全新的核糖体。^[12]

7.1 核糖体蛋白

一组高度酸性的核糖体蛋白，也就是P蛋白，主要存在于60S的颈部区域，介导选择性翻译^[13]。这些P蛋白在酵母和哺乳细胞中都有发现。缺失了P蛋白的酵母会产生一个冷敏感的表型。人类细胞如果缺失P蛋白，会引起细胞自噬。

 一些核糖体蛋白是非常关键的。例如，细菌中的33个核糖体蛋白，只要敲除一个，细菌就没法存活。在果蝇中，Rpl28和Rpl5缺失虽然能够存活但是会出现不正常的大翅膀。在小鼠中，Rpl38对于Hox基因的翻译是必需的，缺失该基因会引起短尾。

 核心核糖体蛋白的修饰会引起杂合核糖体的形成。例如，在酵母中Rpl28的泛素化水平在细胞周期中会有很大变化。带有多泛素化Rpl28的核糖体在体外比带有单泛素化Rpl28的核糖体翻译速度更快。^[14]

7.2 核糖体相关因子

杂合核糖体也可以由于其他因子结合到核糖体表面。例如RACK1（ribosome-associated factor）和核糖体结合的如此紧密，以至于在体外利用高盐都没办法将其洗掉。RACK1对于一些拥有短的读码框的mRNA的有效翻译是必须的。^[15]

7.3 rRNA 修饰

rRNA修饰的异质性在核糖体结构的维持和功能上都扮演着非常重要的角色。有些修饰位点的突变甚至会影响翻译的效率和细胞的存活。最常见的rRNA修饰是假尿嘧啶（pseudouridylation）修饰和甲基化修饰。

细菌和人类核糖体结构的差异使得药学家们可以筛选抗生素，在不伤害病人细胞的情况，杀死入侵的细菌。由于结构的不同，相比于真核的80S核糖体，细菌的70S核糖体对于一些抗生素更没有抵抗力。虽然线粒体核糖体跟细菌的比较像，线粒体却不受影响，因为它的双膜可以将抗生素阻挡在外面。对于叶绿体核糖体而言和细菌比较相似，因为叶绿体核糖体蛋白可以作为一个筛选标记在植物遗传工程中使用。^[16]