核糖体与蛋白质合成

核糖体是由RNA和蛋白质组成的细胞器，是细胞内合成蛋白质的场所。核糖体普遍分布在细菌、动植物细胞的细胞质内，以游离或贴膜的形式存在。线粒体和叶绿体中也有核糖体。不同来源的核糖体的大小不同，真核细胞核糖体的沉降系数为80S，细菌的为70S，动物细胞线粒体的为50—60S，叶绿体的为70S。
早在40年代，已有人提出细胞质内可能存在同蛋白质合成有关的核糖核蛋白颗粒，当时称为微粒体(micro-some)。
Palade在1955—1956年用电子显微镜观察到细胞质内确实有20 nm大小的核糖核蛋白颗粒，贴在内质网的膜上或游离存在。这种核糖核蛋白颗粒，被定名为核糖核蛋白体。后来，又证明它们是标记氨基酸最先参入新合成的蛋白质的地方，而所谓的“微粒体”其实是细胞破碎时产生的内质网碎片和核糖体的混合物。
核糖体的结构 真核细胞和原核细胞核糖体具有相同的功能，基本结构也是相似的，均由大小不等的两个亚基构成。真核细胞细胞质核糖体的大小约为80S(分子量为4-5×10⁶)，由两个亚基(60S大亚基和40S小亚基)组成。原核细胞的核糖体较小，沉降系数为70S(分子量2.7×10⁶)，由50S和30S两个亚基组成。镁离子对维持核糖体的结构起重要作用。当去除镁离子时，两个亚基就解离。原核细胞和真核细胞核糖体都是由蛋白质和核酸组成，蛋白质约占其总量的30%—45%，其余是核酸。但是，原核和真核核糖体核酸在和蛋白质的组成上却存在明显的差异。
目前对原核生物，主要是大肠杆菌的核糖体的分子构造研究得最清楚，可作为代表。原核核糖体的小亚基含有一个rRNA分子，即16SRNA(分子量0.6×10⁶)，而大亚基则含有两个rRNA分子，即23SRNA (分子量1.1×10⁶)和5SRNA(分子量3.2×10⁴)。所有这三种rRNA都是紧密连锁的基因的产物，它们按10S→23S→5S的次序依次转录，因而保证了每一种rRNA在量的比例上相等。原核生物和真核生物的基因组内rRNA基因有许多复本。大肠杆菌的rRNA基因复本数目估计为5-10个，约占细胞DNA总量的0.4%。
原核rRNA的一级结构已有广泛研究。从1967年以来，完成一级结构测定的5SRNA已经超过50余种。从比较研究发现原核5SRNA在第四十几位上一般存在—GAAC—共同顺序，它是核糖体和tRNA的结合位点。在这个位置上，tRNA的—GTψC—和5SRNA的—GAAC—形成四个碱基对。此外，原核5SRNA在第七十几位上，一般还存在—GAUGGUAGUG—顺序，可能是同23RNA结合的位点。1978年有两个实验室报告了大肠杆菌16SRNA的全部一级结构(1541或1542核苷酸)，其3′端存在的一个七核苷酸顺序—ACCUCCU—是与mRNA翻译起始区互补的位点。与5SRNA不同，16SRNA存在五种稀有碱基(m⁶A、m²G,m⁵C,m⁴C,Gm)。23SRNA的顺序测定尚未完成，功能还不清楚。
原核核糖体的小亚基含有21个蛋白质(S₁,S₂,S₃,S₃，……S₂₁)，大亚基有34个蛋白质 (L₁,L₂,L₃，…L₃₄)。小亚基蛋白质的分子量介于 10 900(S17)到65000(S₁)之间；大亚基介于9600(L₃₄)到31500 (L₂)之间。大多数核糖体蛋白质都是碱性蛋白质，pH在10附近或更高。这55个蛋白质中已有33个完成了全部顺序的测定。因此，原核核糖体很可能是最先弄清楚全部分子结构的细胞器。
核糖体与蛋白质合成 蛋白质生物合成中，多肽链合成的起始、延伸和终止都是在核糖体上进行的。因此，阐明核糖体的各组分(RNA和蛋白质) 之间的空间关系和相互作用，对于了解蛋白质合成机制是很重要的。由于原核核糖体所有的rRNA和蛋白质成分都已分离提纯，有可能通过重组实验来研究核糖体装配过程中各成分间的相互作用。当核糖体的所有rRNA和蛋白质成分都齐备时，它们在离体条件下就可以通过氢键和疏水性相互作用自动装配成两个亚基，并进一步形成有功能的核糖体。这种装配过程是有次序地进行的。全部蛋白质成分中有28个成分能专一地直接同rRNA结合，其中14个蛋白质(S1,S3,S4,S5,S7,S8,S9,S11,S12,S13,S15, S17, S18, S20)和1SRNA结合， 3个蛋白质(L5,L18,L25)和5SRNA结合，11个蛋白质(L1,L2,L3,L4,L6,L13,L16,L17,L20,L23,L24) 和23SRNA结合。这些直接和rRNA结合的蛋白质，称为初级结合蛋白。其余的不和rRNA直接结合的蛋白质，可能与初级结合蛋白相互作用，称为次级结合蛋白。另一方面，可以用化学交联、亲合标记、荧光标记、免疫电镜术和中子散射等方法来研究核糖体各成分之空间关系和相互作用。目前对30S亚基了解较多。50S亚基在这方面了解较少，不过同样发现某些蛋白质能专一地结合到23SRNA和5SRNA的特定区域。
根据电子显微镜、小角度X射线散射和生化分析等研究结果，可建立原核生物核糖体的模型(图1)。30S亚基的形状呈扁椭圆球形，大小为6nm×20nm×22nm沿长轴1/3处有一道横沟。50S亚基略呈球形，顶面下陷成缺口。两个亚基聚合时，横沟和缺口之间形成一个孔道，适合于mRNA链和氨基酰—tRNA通过。一大亚基和小亚基之间的交界面是蛋白质合成有关的最重要的功能区域，S9,S11,S12,S15,S20,L26和L27蛋白质成分正位于这区域。从多方面实验结果推测的核糖体各种蛋白质的功能列表如下：
真核与原核核糖体 真核细胞细胞质核糖体的大小和化学构造都和原核细胞不同，其单体的沉降系数为80S，并由40S和60S两亚基构成。真核核糖体和原核核糖体的模型形态上相似，大小却不同，前者较大，达到11.5nm×14nm×22nm。此外，真核核糖体在细胞质内以两种形式存在，贴在内质网膜上的核糖体主要参与分泌到细胞外面的蛋白质或溶酶体内蛋白质的合成，而游离的核糖体则合成细胞内蛋白质。

图1 原核生物核糖体的模型

核糖体蛋白质在蛋白质合成中假定的功能

功 能	有关蛋白质
结合mRNA 起始	S1, S4, S18, S21 S1, S6, S9, S11, S12, S13, S14, S18, S19
结合fmet-tRNA	S1, S2, S3, S5, S6, S10, S12, S13, S14, S19, S20, S21
密码子识别 A和P位点	S3, S4, S5, S11, S12 S1, S2, S3, S10, S14, S19, S20, S21, L1, L11, L13,L14, L15, L16, L27, L32, L1
结合氨酰—tRNA	S3, S6, S9; S11, S14, S18, S19, S21,L16, L16
GTP酶中心	S2, S5, S9, S11 L7, L11, L12
终止	L11, L16

真核和原核核糖体rRNA有明显不同。真核核糖体的小亚基只含有一种18SRNA(分子量0.7×10)而大亚基含有三种rRNA，包括28SRNA(分子量1.7×10⁶)、5SRNA (分子量32×10⁴)和5.8SRNA(分子量5×10⁴)。最主要的区别是比原核核糖体多一种5.8 SRNA。根据核苷酸顺序的比较研究，发现5.8 SRNA在45位附近一般有—GAAC—顺序，可能是真核tRNA的—GTψC—与核糖体结合的部位，而真核5SRNA则没有此顺序。其次，5.8SRNA的中间一段顺序与原核5SRNA的同源性也要比与真核5SRNA的同源性大。因此，5.8SRNA可能是和原核5SRNA有相同功能的分子。真核18S、5.8S和28SrRNA是位于染色体的核仁组织者(NOR)区域紧密连锁的基因的转录产物，而5SRNA基因不存在于NOR区域，而是分布在染色体其他位置。因此，这也支持上述看法，原核和真核的5S RNA不是同功分子，而真核的5.8S RNA才是原核5SRNA的同功分子。
真核细胞核糖体的蛋白质数目较多，平均分子量也较大。小亚基有30个蛋白质(S1,S2,S3……S30)，大亚基有40个蛋白质 (L1,L2,L3，…，L40)。不过它们的化学性质和原核的相似，其大多数都是碱性蛋白质。真核细胞的线粒体和叶绿体都含有DNA和自己特有的蛋白质合成装置。叶绿体的核糖体的大小为70S，由50S亚基和33S亚基构成。大亚基含16 SRNA。这些方面都和原核细胞的核糖体相似，而不同于真核细胞核糖体。线粒体核糖体的大小则随不同种类的生物而不同。在动物细胞，其大小通常介于50—60 S之间；真菌、原核生物和植物细胞则介于70—80S之间。它们分布在线粒体嵴的膜上或游离存在。线粒体和叶绿体DNA含量很少，只够编码这些细胞器的几百种蛋白质的10%—15%。虽然这些细胞器的大部分蛋白质是细胞核—细胞质的蛋白质合成系统的产物，也有一部分蛋白质或某些多亚基的酶的部分亚基是由它们自身的遗传物质编码并在自身的核糖体上翻译的。
多聚核糖体 一个mRNA分子上能同时随着许多个核糖体(其数目依mRNA长度而定)，其中每一个核糖体能独自合成一条多肽链，这种构造称为多聚核糖体。由于同一个mRNA分子上可能有许多条处于不同的合成阶段的多肽链在同时进行合成，这样就提高了mRNA利用率和蛋白质合成的速度。电子显微镜确实发现有成串的核糖体被一条RNA细丝连起来，证实了多聚核糖体的存在(图2)。

图2 网织红细胞合成血球蛋白的多聚核糖体的电子显微镜照片，标本经醋酸铀染色，以显示核糖体之间的mRNA链

mRNA的长度是由所编码的多肽链的长度决定的。血球蛋白的链长约为150氨基酸残基；它的mRNA的链长应为450核苷酸，由此计算出长度约为150nm。已知核糖体的直径为22nm。因此可预计珠蛋白mRNA链最多可容纳6个核糖体。从网织红细胞分离的多聚核糖体，电子显微镜观察发现每一个mRNA上最多可以有6个核糖体，彼此的间距约为5—10nm，分子大得多的肌球蛋白重链的mRNA上可以有100个核糖体。
蛋白质合成时，核糖体处于不断地解离和聚合的循环中。在蛋白质合成开始时，核糖体的小亚基(30S或40S)先和mRNA结合，随后又与大亚基(50S或60S)结合，成为一个有功能的核糖体。随着蛋白质合成的进行，核糖体沿着mRNA移动足够长的一段距离，空出的位置又被一个核糖体附着上去。如此反覆进行。一条mRNA链上可以附着许多个核糖体，形成多聚核糖体。每当一个核糖体移动到mRNA链的终止点处，随着多肽链合成的终结，核糖体就脱离mRNA，又重新解离。细胞内蛋白质合成旺盛时，解离的亚基又可以同mRNA结合，重新循环使用(图3)。当细胞内蛋白质合成低时，解离的亚基则可能自行聚合成70S或80S核糖体，在细胞质内游离存在，称为单核糖体。

图3 多聚核糖体循环