核糖体

核糖体（Ribosome），旧称“核糖核蛋白体”或“核蛋白体”，普遍被认为是细胞中的一种细胞器，除哺乳动物成熟的红细胞，植物筛管细胞外，细胞中都有核糖体存在。一般而言，原核细胞只有一种核糖体，而真核细胞具有两种核糖体（其中线粒体中的核糖体与细胞质核糖体不相同）。

核糖体

• 核糖体的基本功能
  • 参与蛋白质生物合成的物质和核糖体的功能位点
    • 参与蛋白质生物合成的物质
      • mRNA，指导蛋白质合成的模板 tRNA，转运工具
      • 氨酰-tRNA合成酶，氨基酸在合成多肽之前必须活化，并与其特异的tRNA结合 ，此过程需要该酶催化，所以也被称为氨基酸活化酶
      • 肽基转移酶，又称为转肽酶，能催化tRNA运来的氨基酸与正在合成的肽链氨基酸残基之间形成肽键
      • 蛋白因子，起始因子、延长因子和释放因子等在肽链合成起始、延长和终止过程中起到重要作用
      • 高能化合物，ATP、GTP等，在肽链合成过程中供给能量
    • 核糖体的功能位点
      • mRNA结合位点，位于小亚基上16SrRNA的3’端，此处有一富含嘧啶序列，能与mRNA上S-D序列互补识别。蛋白质的合成起始首先需要mRNA与小亚基结合，所以S-D序列又称为mRNA上的核糖体结合位点
      • P位，又称供位或肽酰-tRNA位，大部分位于大亚基上，小部分位于小亚基上，是起始氨酰-tRNA结合的位置
      • A位，又称受位或氨酰-tRNA位，大部分位于大亚基上，小部分位于小亚基上，是接受一个新进入的氨酰-tRNA的部位
      • E位，位于大亚基上，是tRNA脱离核糖体的部位
      • T因子位，即肽基转移酶位，位于大亚基上P位和A位的连接处，其作用是催化肽键的形成
      • G因子位，是GTP 酶位，位于大亚基上，分解GTP分子并将肽酰-tRNA由A位移到P位
      • 还有与蛋白质合成有关的起始因子、延伸因子和释放因子的结合位点
  • 蛋白质的生物合成
    • 氨基酸的活化（即氨酰-tRNA的合成）
      • 是蛋白质生物合成的预备阶段，这是保证遗传信息能准确翻译的关键步骤之一
      • 氨基酸合成肽链之前需要获得能量活化，在氨酰-tRNA合成酶作用下，氨基酸羧基与tRNA3’端的CCA-OH缩合形成氨酰-tRNA，然后氨酰-tRNA运输到核糖体，通过tRNA反密码子环上的反密码子与mRNA上的相应密码子配对
      • 总反应式：氨基酸+tRNA+ATP→氨酰-tRNA+AMP+PPi
    • 肽链合成的起始
      • 肽链合成的起始是指大亚基、小亚基、mRNA以及具有启动作用的氨酰-tRNA聚合为起始复合物的过程 原核为甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-RNAfMet），真核为甲硫氨酰-tRNA（Met-RNAMet）
      • 翻译起始复合物的形成过程大致如下：核糖体30S小亚基在起始因子3（IF3）的帮助下识别并结合到mRNA的S-D序列上形成IF3-30S小亚基-mRNA三元复合物。在IF2的作用下，起始甲酰甲硫氨酰-tRNA通过反密码子与mRNA中的起始密码子AUG配对，同时IF3脱落，形成30S起始复合物，即IF2-30S小亚基-mRNA-fMet-tRNAfMet复合物，此过程需要GTP和Mg²”参与。接下来50S大亚基与上述30S起始复合物结合，同时IF2解离，形成70S起始复合物，即30S小亚基-mRNA-50S大亚基-fMet-tRNAfMet复合物。此时，甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNA）占据50S大亚基P位，而A位则处于空置状态，等待第二个密码相对应的氨酰-tRNA进入，合成进入延长阶段
      • 1.核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位 2.30S前起始复合物的形成 3.70S起始复合物的形成
    • 肽链的延伸
      • 起始复合物形成之后，按照mRNA密码子指令，各种氨酰-tRNA运输到核糖体并与之结合使肽链逐渐延长。肽链的延长在核糖体循环进行，此过程又称之为核糖体循环，每经过一个循环肽链就增加一个氨基酸。每增加一个氨基酸或一个核糖体循环包括进位、成肽、移位3个步骤
      • 氨酰-tRNA进入A位，起始复合物中的甲酰甲硫氨酰-tRNA占据P 位、根据mRNA上密码子的排列顺序，第二个氨酰-tRNA进入A位，此时，P 位和A位均被相应的氨酰-tRNA所占据。此步骤需要GTP、Mg²和延长因子EF-Tu和EF-Ts协助 EF-Tu与GTP、氨酰-tRNA反应生成三元复合物氨酰-tRNA-EF-Tu-GTP。该复合物 tRNA上的反密码子识别mRNA上的密码子并与之结合，GTP分解释放Pi，EF-Tu-GDP脱离并与EF-Ts 反应生成GDP和EF-Tu-EF-Ts，EF-Tu-EF-Ts再与GTP反应，释放EF-Ts 生成EF-Tu-GTP并进入下一个氨基酸的延长反应
      • 肽键形成，P位的甲酰甲硫氨酰-tRNA上的酰基与A位的氨酰-tRNA的氨基缩合形成肽键。此过程需要核糖体50S大亚基上的肽基转移酶的催化，还需要Mg²⁺、K⁺的存在（肽基转移酶才能保持活性）。此时，P位上的tRNA与肽链的共价键断裂，成为游离tRNA 进入E位
      • • 转位，P位上游离 tRNA进入E位后，P位空置。由延长因子G（EF-G）作用和GTP 分解供能，核糖体在mRNA上沿5'→3'方向移动一个密码子的距离，肽酰-tRNA由A位移入P 位，A位空置等待接受下一个氨酰-tRNA进入
      • • 脱氨酰-tRNA的释放 延长反应的最后一步是脱氨酰-tRNA（有利的tRNA）离开核糖体E位
      • • 上述4个步骤不断循环，肽链得以不断延长
    • 肽链的终止与释放
      • • 随着核糖体沿mRNA上5′→3′移动，肽链逐渐延长。当mRNA 上终止密码UAA、UAG、UGA中的任意一个进入A位点时，无tRNA与之识别，只有释放因子（RF）识别终止密码并与之结合。释放因子（RF）分为3种：RF1，识别UAA、UAG；RF2、识别UAA、UGA；RE3结合GTP并促进RF1、RF2与核糖体结合。当A位点出现终止密码子，RF1或RF2识别并与之结合，占据A位点。RF的结合使核糖体上肽基转移酶构象改变，从而具有水解酶活性，使P位点上肽链与tRNA之间酯键被水解，肽链脱落，tRNA、mRNA、RF也从核糖体上离开。随即核糖体大、小亚基解离，多肽链的合成终止
    • 蛋白质合成后的加工修饰
  • 多聚核糖体的形成
    • 核糖体是进行蛋白质合成的细胞器，但在细胞内核糖体并非单个独立执行此功能，而是由多个甚至几十个核糖体串联在一条mRNA分子上高效地进行肽链合成。这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体
  • 蛋白质的加工修饰
    • 肽链氨基端修饰 共价修饰 多肽链的水解修饰 辅助因子的链接和亚基聚合
• 核糖体与疾病
  • • 核糖体蛋白是一种广泛存在的RNA结合蛋白，既往认为它的功能仅仅是与核糖体RNA（rRNA）共同参与蛋白质的合成 对于核糖体外功能的界定，相关学者提出3条基本标准：①RP可以与细胞内的其他非核糖体组分相互作用。②这种相互作用会对细胞产生某些生理效应。③该生理效应的产生与核糖体本身的功能无直接关系。 对于核糖体外功能的界定，相关学者提出3条基本标准：①RP可以与细胞内的其他非核糖体组分相互作用。②这种相互作用会对细胞产生某些生理效应。③该生理效应的产生与核糖体本身的功能无直接关系。
  • 核糖体蛋白基因与人类遗传病
    • Turner综合征
    • Diamond-Blackan(DBA)贫血
    • Noonan综合征、色素性视网膜炎、先天性上睑下垂、营养不良性肌强直病等
  • 核糖体蛋白基因与人类肿瘤
    • 近年来的研究表明在许多肿瘤中都存在核糖体蛋白基因异常（包括突变和表达异常）
  • 核糖体蛋白基因与耐药性
• 核糖体的一般性状
  • • 形态结构与存在形式
      • 1.核糖体直径15-25nm不规则的致密颗粒状结构，非膜性细胞器2.特定的三维结构，由大小亚基构成 3.分布于蛋白质合成旺盛的细胞，或分布于细胞内蛋白质合成旺盛的部位，数量与蛋白质合成活跃程度有关
        • 大亚基体积是小亚基2 倍，略呈圆锥形
        • 小亚基呈弯曲的葫芦形
        • 中央部位有一条通道，是新和成的多肽链释放的通道
      • 当它不进行蛋白质合成时，是以大、小亚基的形式分别存在于细胞质中——非功能态 蛋白质合成启动时，大、小亚基可以聚合在一起，形成核糖体小体。在蛋白质的合成过程中，多个核糖体单体被mRNA串联在一起，形成多聚核糖体——功能态 核糖体的功能态和非功能态处于动态平衡中
  • 基本类型和化学组成
    • 两种基本类型的核糖体
      • 70S，存在于原核细胞 80S，存在于真核细胞 真核细胞线粒体内的核糖体近于70S
    • 真核细胞和原核细胞的核糖体是由rRNA和核糖体蛋白组成，但是各自rRNA大小、蛋白质数量以及构成的大小亚基并不相同
      • 其中rRNA约占2/3，核糖体蛋白约占1/3，蛋白质主要分布在核糖体表面，而rRNA主要位于内部，二者通过非共价键结合
        • 真核细胞80S核糖体，大亚基为60S，由28S、5.8S和5SrRNA分子与49种核糖体蛋白组成，小亚基为40S，由18SrRNA与33种核糖体蛋白组成
        • 原核细胞70S核糖体，大亚基为50S，由23S、5SrRNA分子与34种核糖体蛋白组成，小亚基为30S，由16S的rRNA与21种核糖体蛋白组成
    • rRNA主要构成核糖体的骨架，将蛋白质串联起来，并决定核糖体蛋白的定位
    • rRNA在核糖体的结构与功能方面都有重要作用。rRNA中有很多双螺旋区，这些区域在构成核糖体的特定形态和形成核糖体的功能等方面，都发挥了重要作用
  • 生物发生
    • 可分为蛋白质和rRNA的合成及大、小亚基的组装等过程
      • 核糖体是一种自组装的细胞器
        • 1968年 Nomura
        • 这表明，即使没有参照物或亲体结构作模型，核糖体小亚基也能进行自行组装，组装过程中，结合到rRNA上的蛋白质有着严格的先后顺序
      • 核糖体的组装过程较为复杂，原核细胞与真核细胞核糖体的合成与组装过程不相同，当蛋白质和rRNA合成加工成熟后，即开始核糖体的大、小亚基的组装
        • 真核细胞的核糖体蛋白质基因转录后再细胞核中加工成熟，通过核孔将mRNA运至细胞质合成蛋白质，再将合成的蛋白质经核孔运回核仁参与亚基组装，18S、5.8S和28SrRNA则是边转录边参与组装，5SrRNA则是在细胞核转录后运至核仁参与组装
        • 组装完毕后，大、小亚基分别被转运至细胞质，待合成肽链时聚合
        • 而原核细胞则是在细胞质中进行蛋白质基因的转录、翻译和各种rRNA转录加工，然后在细胞质分别进行大、小亚基的组装