揭秘細(xì)胞內(nèi)“蛋白質(zhì)合成工廠”

魯恒星 華朝陽(yáng)

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(jiǎng)的研究成果。

關(guān)鍵詞核糖體大小亞基諾貝爾獎(jiǎng)新型抗生素

中圖分類號(hào)Q-49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼E

隨著2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的揭曉，人們的目光聚焦于一座無(wú)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(gè)細(xì)胞，承擔(dān)著上萬(wàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)胞質(zhì)中存在一種顆粒物質(zhì)；1955年帕拉蒂在動(dòng)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(jiǎn)稱核糖體。對(duì)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(shí)期，2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(wú)膜，包括大、小兩個(gè)亞基，由蛋白質(zhì)和rRNA組成，相對(duì)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(jiàn)，是生命體中最小的細(xì)胞器，10萬(wàn)轉(zhuǎn)／min的高速離心條件下可從細(xì)胞中分離出來(lái)。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(duì)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(gè)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(lái)，二者靠非共價(jià)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(dòng)態(tài)平衡中，隨功能而變化，執(zhí)行功能時(shí)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(gè)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)結(jié)合，形成了一個(gè)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(gè)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(diǎn)與催化位點(diǎn)：與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)，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(jiǎn)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(zhǎng)；GTP酶部位，即轉(zhuǎn)位酶，簡(jiǎn)稱G因子，對(duì)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(zhǎng)因子、釋放因子以及各種酶相結(jié)合的位點(diǎn)。

從分子角度看，核糖體是生物體中最復(fù)雜的分子機(jī)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(wú)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(shí)，常3～5個(gè)或幾十個(gè)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(zhǎng)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(guò)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(shí)別密碼子、轉(zhuǎn)運(yùn)相應(yīng)氨基酸的工具；核糖體則是蛋白質(zhì)的裝配機(jī)，它不僅組織了mRNA和rRNA的相互識(shí)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(dòng)，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(kāi)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(hào)順序(密碼)，由此能翻譯出15-30個(gè)氨基酸的多肽(信號(hào)肽)。這種能合成信號(hào)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(hào)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(guò)程：

氨基酸與tRNA結(jié)合形成氨?；?tRNA復(fù)合物后被轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體上，多肽鏈合成開(kāi)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(shí)別并與mRNA上的AUG結(jié)合，接著大亞基也結(jié)合上去；

第二個(gè)密碼對(duì)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(kāi)P位，進(jìn)入胞質(zhì)，核糖體沿mRNA往前移動(dòng)，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(dòng)，如此反復(fù)，多肽鏈不斷延伸。

當(dāng)mRNA上出現(xiàn)終止密碼時(shí)(uGA、UAA、UAG)，就無(wú)對(duì)應(yīng)的氨基酸運(yùn)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(kāi)核糖體。同時(shí)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(guò)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(guò)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(chǔ)、rRNA

合成加工以及核糖體亞單位的裝配場(chǎng)所。

在普通的細(xì)胞中，存在著超過(guò)100個(gè)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(dòng)物為45S；真核細(xì)胞rRNA加工過(guò)程比較緩慢，其中間產(chǎn)物可從各種細(xì)胞中分離出來(lái)，加工過(guò)程比較清楚。45S rRNA前體很快與來(lái)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(shí)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(dòng)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(duì)人或動(dòng)物沒(méi)有明顯影響。不過(guò)，這些抗生素大都是隨機(jī)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(jì)算機(jī)模擬研制出療效更好的抗生素，從而解決病原微生物對(duì)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(jiǎng)

英國(guó)科學(xué)家拉馬克里希南、美國(guó)科學(xué)家施泰茨和以色列科學(xué)家約納特因“對(duì)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(jiǎng)。他們標(biāo)出了構(gòu)成核糖體的無(wú)數(shù)個(gè)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(jī)理；通過(guò)晶體學(xué)結(jié)構(gòu)信息設(shè)計(jì)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(duì)人類的醫(yī)藥和健康事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。