核糖体：生命活动的“蛋白合成机器”

核糖体

核糖体作为细胞内至关重要的 “分子机器”，广泛存在于所有活细胞中，承担着蛋白质生物合成（翻译）的关键使命。其重要性不言而喻，自被发现以来，科学家们对其展开了深入且系统的研究，下面将从核糖体的发现历程、组成结构、功能机制、细胞内定位、生物合成与组装以及起源等方面进行详细介绍。

一、核糖体的发现历程

20 世纪 50 年代中期，细胞生物学家 George Emil Palade 借助电子显微镜首次观察到了核糖体，为后续研究奠定了基础。到了 20 世纪 50 年代末期，Richard B. Roberts 创造了 “核糖体”（ribosome）一词，该词源于 “核糖核酸”（ribo）与希腊语词根 “soma”（意为 “体”）的组合。1974 年，Albert Claude、Christian de Duve 和 George Emil Palade 因发现核糖体这一重大贡献被授予诺贝尔生理医学奖。2009 年，Venkatraman Ramakrishnan、Thomas A. Steitz 和 Ada E. Yonath 凭借解析核糖体的结构和作用机制的卓越成就荣获诺贝尔化学奖，核糖体的研究不断取得新突破。

二、核糖体的组成与结构

核糖体是一个高度复杂的细胞机器，主要由特殊的 RNA 和几十种蛋白质组成。这些蛋白质和 RNA 组装成大小两个不同的核糖体亚基，即大亚基和小亚基。当大小亚基有机组合在一起时，便能将 mRNA 的遗传信息翻译成多肽链。

（一）细菌核糖体

原核生物的核糖体直径大约为 20 nm，其中 RNA 和蛋白质分别占比 65% 和 35%。相比之下，真核生物的核糖体直径在 25 - 30 nm 左右，RNA 和蛋白质各占一半。研究表明，在多肽合成反应发生的区域并未发现核糖体蛋白的存在，这表明核糖体的蛋白组分并未直接参与肽键形成的催化反应，而是充当支架的角色，可能增强了 rRNA 合成蛋白质的能力。在描述核糖体亚基和 rRNA 的单位时，通常采用 S（Svedberg，一种测量物质离心时的沉降系数）。细菌拥有 70S 核糖体，由大亚基（50S）和小亚基（30S）组成。其中，小亚基包括 16S rRNA（约 1500 nt）和约 21 个蛋白；大亚基则包含 5S rRNA（约 120 nt）、23S rRNA（约 2900 nt）和约 33 个蛋白

（二）真核核糖体

真核生物细胞质中的核糖体为 80S 核糖体，由大亚基（60S）和小亚基（40S）构成。小亚基由 18S rRNA（约 1900 nt）和约 33 个蛋白组成；大亚基则包含 5S rRNA（约 120 nt）、5.8S（约 160 nt）、23S rRNA（约 2900 nt）以及约 46 个蛋白。

（三）质体和线粒体核糖体

在真核生物中，线粒体和质体（如叶绿体）也存在核糖体。这些核糖体与细菌的核糖体较为相似，推测其起源于共生的细菌。其中，叶绿体的核糖体比线粒体核糖体更像细菌的。在线粒体中，许多 rRNA 被缩短甚至消失，例如 5S rRNA。目前发现的最简 rRNA 存在于 Leishmania tarentolae 的线粒体中，每个亚基只有一个 rRNA，即 9S（约 610 nt）和 12S（约 1173 nt）。

三、核糖体的功能

核糖体的主要任务是将遗传信息转化为氨基酸序列，并利用氨基酸合成蛋白质多聚体。作为核酶，核糖体在肽基转移酶中心（PTC）催化肽基的转移和水解，从而在氨基酸之间形成肽键。

（一）翻译过程

以 mRNA 为模板，核糖体以三个碱基为一个单位进行解码，借助氨酰 tRNA 将相应的氨基酸转运至催化中心。tRNA 上的反密码子能够与 mRNA 上的密码子互补结合。通常，小亚基会先结合一个携带甲硫氨酸的氨酰 tRNA，并附着到 mRNA 的起始密码子（AUG）上，随后招募大亚基。核糖体一般包含三个 tRNA 结合位点，分别是 A 位点（主要结合氨酰 tRNA）、P 位点（主要结合肽基 tRNA）和 E 位点（结合不带氨基酸的 tRNA）。蛋白质合成一般从起始密码子开始。在原核生物中，核糖体通过 SD（Shine-Dalgarno）序列识别起始密码子；而在真核生物中，则是通过 Kozak 序列来识别。

（二）翻译蛋白质的折叠

核糖体在蛋白质折叠过程中发挥着极为积极的作用。经核糖体参与折叠所得的蛋白质三维结构通常与利用化学方法复性得到的一致，但所经历的路径可能存在差异。在某些情况下，核糖体对于获得具有功能的蛋白质结构至关重要，例如一些深度纠缠的蛋白质折叠就依赖于核糖体将多肽链推过相关的茎环结构。

四、核糖体的定位

核糖体主要有两种定位方式：一种是自由地漂浮在细胞质中；另一种则是结合在膜上。当核糖体开始合成某些细胞器所需的蛋白质时，它就需要结合到相应的膜上。在真核细胞中，糙面内质网正是这类核糖体聚集的场所。新合成的多肽直接被插入到内质网中，然后通过分泌途径转运至其目的地。这些由核糖体生产的蛋白质通常在细胞膜或细胞外发挥作用。

五、核糖体的生物合成与组装

在原核细胞中，核糖体在细胞质中通过核糖体基因的转录和翻译过程生成。而在真核细胞中，这一过程则发生在细胞质和核仁中。核糖体的组装过程涉及到超过 200 种蛋白质，包括 rRNA 的合成与加工，以及 rRNA 和核糖体蛋白的组装等多个复杂环节。

六、核糖体的起源

核糖体可能最早起源于 RNA 世界，最初作为自我复制的复合体存在。随着氨基酸的出现，核糖体逐渐进化出合成蛋白质的能力。研究表明，古老的核糖体或许在仅有 rRNA 的情况下就已具备催化肽键的能力。此外，有证据强烈表明，古核糖体可能作为一种自我复制的复合体，rRNA 具备信息存储、结构维持和催化反应等多种功能，因为 rRNA 可以编码核糖体自我复制所需的 tRNA 和蛋白质。在生命起源之前，氨基酸种类是逐渐增多的，它们与核酶的相互作用也在范围和效率上逐步提升了核酶的功能。可以说，核糖体从远古无生命时代一步步演化而来，不断增强自身能力，最终成为了一种永生的酶。

综上所述，核糖体作为一种高度复杂的分子机器，在生命活动中扮演着至关重要的角色。从其发现到结构解析，再到功能研究与起源探索，科学家们不断取得新成果，为生命科学的发展做出了巨大贡献。