核糖體

核糖體是細胞內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的指令將遺傳密碼轉換成氨基酸序列並從氨基酸單體構建蛋白質聚合物。核糖體又被稱為細胞內蛋白質合成的分子機器。

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（物種之間的確切數量略有不同）。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將mRNA轉化為多肽鏈。

原核生物的核糖體的直徑約為20 nm，由65%rRNA和35%核糖體蛋白組成 ^[4]  。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 ^[5]  。細菌和真核生物的核糖體亞基非常相似 ^[6]  。

用於描述核糖體亞基和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。

核糖體的主要功能是將遺傳密碼轉換成氨基酸序列並從氨基酸單體構建蛋白質聚合物。mRNA包含一系列密碼子，被核糖體解碼以產生蛋白質。核糖體以mRNA作為模板，核糖體通過移動穿過mRNA的每個密碼子（3個核苷酸），將其與氨酰基-tRNA提供的適當氨基酸配對。氨基酰基-tRNA的一端含有與密碼子互補的反密碼子，另一端攜有適當的氨基酸。核糖體利用大的構象變化快速準確地識別合適的tRNA ^[8]  。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，並招募核糖體大亞基。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）多肽鏈；E位點（出口）結合遊離tRNA。蛋白質合成始於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盒來識別起始密碼子。

核糖體積極參與蛋白質摺疊 ^[10]  。在某些情況下，核糖體對於獲得功能性蛋白質至關重要。例如，深度打結蛋白質的摺疊依賴於核糖體將鏈條推過附着的環 ^[11]  。

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鏈的延伸相關 ^[12]  。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 ^[13]  。

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 ^[6]  。

真核生物的核糖體80S 核糖體定位於其胞質。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 ^{[14]  [15]}  。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 ^{[6]  [14]  [15]}  。

真核生物中，定位於線粒體中的核糖體稱為線粒體核糖體（mitoribosomes），定位於質體的核糖體稱為質體核糖體（plastoribosomes），如定位於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 ^[6]  。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 ^[16]  。

藥物化學家利用細菌和真核核糖體的差異來製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。由於它們的結構不同，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 ^[17]  。儘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，不容易將這些抗生素帶入細胞器 ^[18]  。葉綠體也是如此 ^[19]  。

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並在細胞內使用。由於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產生由氧化的半胱氨酸殘基形成的含有二硫鍵的蛋白質。

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內質網（ER）上。核糖體將新產生的多肽鏈直接插入ER中，這些多肽鏈然後通過分泌途徑被轉運至其目的地。膜結合核糖體產生的蛋白質通常在質膜內使用，或通過胞吐作用從細胞中排出 ^[20]  。

各種核糖體儘管大小差異很大，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 ^[6]  。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 ^[6]  。

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 ^[21]  和細菌Deinococcus radiodurans ^[22]  50S亞基及Thermus thermophilus ^[23]  30S亞基的原子分辨率核糖體結構幾乎同時得到解析，這些研究於2009年獲得諾貝爾化學獎。

2005年大腸桿菌70S核糖體基於X射線晶體分辨率為3.5Å的空核糖體結構 ^[24]  、基於冷凍電子顯微鏡分辨率為11-15Å將新合成的蛋白質鏈進入蛋白質傳導通道時的核糖體結構得到解析 ^[25]  。

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。隨後，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 ^[26]  。

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 ^[27]  。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 ^[15]  和60S ^[28]  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 ^[15]  。

細菌細胞通過多個核糖體基因操縱子的轉錄在細胞質中合成核糖體。在真核生物中，該合成過程發生在細胞質和核仁中，組裝過程涉及四種rRNA合成、加工和組裝中協調作用的超過200種的蛋白質。

核糖體可能最初起源於RNA，看起來像一個自我複製的複合體，只是有在氨基酸出現後才進化具有合成蛋白質的能力。將核糖體從古老的自我複製機器演變為其當前形式的翻譯機器的驅動力可能是將蛋白質結合到核糖體的自我複製機制中的選擇壓力，這種轉變增加了其自我複製的能力 ^[29]  。

通常認為核糖體只有原核和真核核糖體兩種。但是，核糖體異質性令人驚訝，核糖體在不同物種中具有不同的組成。與主要模式生物中的典型核糖體相比，異質核糖體具有不同的結構，並因此具有不同的活性。

核糖體組成的異質性參與蛋白質合成的翻譯控制 ^[30]  。不同細胞羣特異的核糖體可以影響基因的翻譯方式 ^[31]  。一些核糖體蛋白從組裝的複合物中與細胞質複製物可實行交換 ^[32]  ，表明體內核糖體的結構可以在不合成全新核糖體的情況下得到修飾。

一組高度酸性的核糖體蛋白（RP），也稱為P蛋白，在核糖體莖中以多拷貝存在於60S亞基上，P蛋白介導選擇性翻譯 ^[33]  。這些P蛋白可以在酵母和哺乳動物細胞中找到。如果酵母中沒有P蛋白，酵母對冷敏感。如果人體細胞缺失P蛋白，誘導細胞自噬 ^[34]  。

某些核糖體蛋白是絕對關鍵的，而其它核蛋白則不是。例如，在小鼠中，Rpl38是Hox mRNA亞組翻譯所必需的，而Rpl38的突變導致短尾的同源異型轉化 ^[35]  。

對核心核糖體蛋白（RP）的修飾也可以引起異質核糖體的形成。