揭秘細(xì)胞內(nèi)“蛋白質(zhì)合成工廠”

摘要 從核糖體的發(fā)現(xiàn)、組成、類別、結(jié)構(gòu)、功能諸方面進(jìn)行概述。介紹核糖體的研究與新型抗生素生產(chǎn)的關(guān)系及2009年諾貝爾化學(xué)獎的研究成果。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼 E

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

1 核糖體的發(fā)現(xiàn)

1953年，瑞賓遜和布恩用電鏡觀察植物細(xì)胞時發(fā)現(xiàn)胞質(zhì)中存在一種顆粒物質(zhì)；1955年帕拉蒂在動物細(xì)胞中也看到同樣的顆粒，并進(jìn)一步研究了這些顆粒的化學(xué)成份和結(jié)構(gòu)；1958年羅伯茨根據(jù)化學(xué)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(jīng)數(shù)載，至20世紀(jì)90年代進(jìn)入新的發(fā)展時期，2009年諾貝爾化學(xué)獎就是很好的佐證。

2 核糖體的組成與結(jié)構(gòu)

核糖體為不規(guī)則顆粒，無膜，包括大、小兩個亞基，由蛋白質(zhì)和rRNA組成，相對分子質(zhì)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(xì)胞器，10萬轉(zhuǎn)／min的高速離心條件下可從細(xì)胞中分離出來。核糖體的大小以沉降系數(shù)s表示，s值越大，顆粒越大、相對分子質(zhì)量越大。

糖體蛋白和rRNA的比例在原核細(xì)胞中為1.5:1，在真核細(xì)胞中為1:1。真核細(xì)胞核糖體為80S，大亞基60S，有大約49種蛋白質(zhì)和三種rRNA(28s、5s和5.8S)；小亞基為40S，有大約33種蛋白質(zhì)和一種rRNA(18S)。原核細(xì)胞核糖體為70S，大亞基50S，有大約34種蛋白質(zhì)和2種rRNA(23S、5S)；小亞基為30S，有大約21種蛋白質(zhì)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(zhì)組織起來，二者靠非共價鍵緊密結(jié)合，蛋白質(zhì)主要分布在核糖體的表面，rRNA大部分圍在內(nèi)部，小部分露在表面。

在活細(xì)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(tài)平衡中，隨功能而變化，執(zhí)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(cè)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(fā)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(fā)上趴了一只小猴。大小亞基凹陷部位對應(yīng)結(jié)合，形成了一個內(nèi)部空間，可容納mRNA、tRNA及進(jìn)行氨基酸縮合等反應(yīng)。此外，在大亞基內(nèi)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(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點與催化位點：與mRNA的結(jié)合位點，位于小-亞基上；接受氨?；鵷RNA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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)合的位點。

從分子角度看，核糖體是生物體中最復(fù)雜的分子機器。

3 核糖體的分類

除哺乳類成熟的紅細(xì)胞外，一切活細(xì)胞中均有核糖體，真核細(xì)胞比原核細(xì)胞多，幼稚細(xì)胞、未分化細(xì)胞、胚胎細(xì)胞、培養(yǎng)細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等尤其多。按存在部位分為細(xì)胞質(zhì)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(shù)分為70S核糖體(存在于線粒體、葉綠體以及原核細(xì)胞)和80S核糖體(存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中)。真核細(xì)胞中，游離在細(xì)胞質(zhì)中的核糖體稱為游離核糖體；附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)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(zhì)種類不同。

無論哪種核糖體，其結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成完全相同；在進(jìn)行蛋白質(zhì)合成時，常3～5個或幾十個甚至更多聚集并與mRNA結(jié)合在一起，由mRNA分子與小亞基凹溝處結(jié)合，再與大亞基結(jié)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(zhì)的功能團(tuán)。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(nèi)的“蛋白質(zhì)合成工廠”，它將遺傳信息翻譯成肽鏈，進(jìn)而生產(chǎn)出生物所需的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)運相應(yīng)氨基酸的工具；核糖體則是蛋白質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)蛋白在游離的核糖體上合成，分泌蛋白質(zhì)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，不能合成信號肽的為游離核糖體，仍散布于胞質(zhì)中。從細(xì)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(xì)胞與原核細(xì)胞中蛋白質(zhì)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(jié)合形成氨?；?tRNA復(fù)合物后被轉(zhuǎn)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(jié)合，甲硫氨酰tRNA識別并與mRNA上的AUG結(jié)合，接著大亞基也結(jié)合上去；

第二個密碼對應(yīng)的氨?；鵷RNA進(jìn)入核糖體的A位，在轉(zhuǎn)位酶的作用下，P部位的氨?；鵷RNA轉(zhuǎn)移到A位并與形成肽鍵，tRNA脫離P位并離開P位，進(jìn)入胞質(zhì)，核糖體沿mRNA往前移動，新的密碼又處于核糖體的A位，新氨?；鵷RNA又入A位，形成三肽，核糖體又向前移動，如此反復(fù)，多肽鏈不斷延伸。

當(dāng)mRNA上出現(xiàn)終止密碼時(uGA、UAA、UAG)，就無對應(yīng)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(jié)合，也可游離于胞質(zhì)中或被降解，mRNA也可被降解。

5 核糖體的生物發(fā)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(zhì)裝配的發(fā)生過程。真核細(xì)胞中，核糖體的生物發(fā)生與核仁有關(guān)，生物發(fā)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(xì)胞中，存在著超過100個rDNA重復(fù)序列，位于染色體的核仁組織區(qū)，rDNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生rRNA。和mRNA不同，rRNA是基因的最終產(chǎn)物。rDNA在RNA聚合酶I催化下產(chǎn)生初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)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(xì)胞rRNA加工過程比較緩慢，其中間產(chǎn)物可從各種細(xì)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(zhì)的蛋白質(zhì)結(jié)合，經(jīng)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(zhì)結(jié)合形成大亞基前體，成熟后經(jīng)核孔入胞質(zhì)為大亞基；18SrRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，成熟后經(jīng)核孔進(jìn)入胞質(zhì)為小亞基。大小亞基在胞質(zhì)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(xì)胞核糖體的生物發(fā)生類似于真核細(xì)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(chǎn)

在常規(guī)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(jié)合，干擾或抑制菌體蛋白質(zhì)的合成，細(xì)菌與哺乳動物的核糖體大小亞基的化學(xué)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(fā)現(xiàn)的，而非從核糖體的結(jié)構(gòu)出發(fā)有意研發(fā)。而約納特與施泰茨等人則期望從核糖體三維結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，研發(fā)出新型抗生素，他們已構(gòu)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(xué)獎

英國科學(xué)家拉馬克里希南、美國科學(xué)家施泰茨和以色列科學(xué)家約納特因“對核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究”的突破性貢獻(xiàn)而獲2009年諾貝爾獎。他們標(biāo)出了構(gòu)成核糖體的無數(shù)個原子的所在位置，“還原”了核糖體復(fù)雜的大分子結(jié)構(gòu)，解析出核糖體的精細(xì)結(jié)構(gòu)；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(xué)結(jié)構(gòu)信息設(shè)計新型抗生素藥物，構(gòu)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(yī)藥和健康事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。