核糖體（Ribosome），舊稱“核糖核蛋白體”或“核蛋白體”，是一種不透電子的堿性大分子顆粒，是所有生物用來合成蛋白質(zhì)的分子機器，是生命的基本元件。由核酸和蛋白質(zhì)所構(gòu)成。美國學(xué)者喬治·帕拉德是第一位識別并描述核糖體的人。1958年，被命名為“核糖體”。
核糖體是細胞中最基礎(chǔ)的細胞器，即使是最原始的細菌也存在核糖體。在細胞中，核糖體是蛋白質(zhì)的加工機器，負責(zé)將信使RNA（mRNA）編碼的密碼子信息解碼為相應(yīng)的蛋白質(zhì)的氨基酸序列。在電子顯微鏡下，核糖體是一種電子密度較高的圓形或橢圓形致密小顆粒，直徑為25~30nm。一個核糖體有兩個分開的RNA-蛋白質(zhì)基體，被稱作大亞基和小亞基。 大亞基在小亞基上，中間夾著一個核糖核酸模版。
定義
核糖體是細胞內(nèi)一種核糖核蛋白顆粒（ribonucleoproteinparticle），主要由RNA（rRNA）和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其功能是按照mRNA的指令將遺傳密碼轉(zhuǎn)換成氨基酸序列并從氨基酸單體構(gòu)建蛋白質(zhì)聚合物。核糖體又被稱為細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子機器。
組成
核糖體是一種高度復(fù)雜的細胞機器。它主要由核糖體RNA（rRNA）及數(shù)十種不同的核糖體蛋白質(zhì)（r-protein）組成（物種之間的確切數(shù)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(zhì)合成過程中將mRNA轉(zhuǎn)化為多肽鏈。
原核生物的核糖體的直徑約為20nm，由65%rRNA和35%核糖體蛋白組成。真核生物核糖體的直徑在25到30nm之間，rRNA與蛋白質(zhì)的比率接近1。細菌和真核生物的核糖體亞基非常相似。
用于描述核糖體亞基和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。
功能
核糖體的主要功能是將遺傳密碼轉(zhuǎn)換成氨基酸序列并從氨基酸單體構(gòu)建蛋白質(zhì)聚合物。mRNA包含一系列密碼子，被核糖體解碼以產(chǎn)生蛋白質(zhì)。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），將其與氨基-轉(zhuǎn)運RNA提供的適當(dāng)氨基酸聯(lián)會。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(dāng)?shù)陌被?。核糖體利用大的構(gòu)象變化快速準確地識別合適的tRNA。通常與含有第一個氨基酸甲硫氨酸的氨?；?tRNA結(jié)合的核糖體小亞基與AUG密碼子結(jié)合，并招募核糖體大亞基。核糖體含有三個RNA結(jié)合位點：即A、P和E位點。A位點結(jié)合氨?；?tRNA或終止釋放因子；P-位點結(jié)合肽基tRNA（與tRNA結(jié)合的tRNA）多肽鏈；E位點（出口）結(jié)合游離轉(zhuǎn)運RNA。蛋白質(zhì)合成始于mRNA5'末端附近的起始密碼子AUG。mRNA首先與核糖體的P位點結(jié)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(zhì)折疊。在某些情況下，核糖體對于獲得功能性蛋白質(zhì)至關(guān)重要。例如，深度打結(jié)蛋白質(zhì)的折疊依賴于核糖體將鏈條推過附著的環(huán)。
添加不依賴翻譯的氨基酸
核糖體質(zhì)量控制蛋白Rqc2的存在與mRNA非依賴性的蛋白質(zhì)多肽鏈的延伸相關(guān)。這種延伸是核糖體通過Rqc2帶來的轉(zhuǎn)運RNA添加cat尾部的結(jié)果。
核糖體在肽基轉(zhuǎn)移和肽基水解這兩個極其重要的生物過程中起催化作用。
分類
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16SRNA（1540個核酸）和21種核糖體蛋白質(zhì)；大亞基由5SRNA（120個核苷酸）、23SRNA（2900個核苷酸）及31個核糖體蛋白組成。
真核生物的核糖體80S核糖體定位于其胞質(zhì)。每個核糖體由40S小亞基和60S大亞基組成。40S亞基具有18SRNA（1900個核苷酸）和33個蛋白質(zhì)。60S大亞基由5SRNA（120個核苷酸）、28SRNA（4700個核苷酸）、5.8SRNA（160個核苷酸）和46個核糖體蛋白組成。
真核生物中，定位于線粒體中的核糖體稱為線粒體核糖體（mitoribosomes），定位于質(zhì)體的核糖體稱為質(zhì)體核糖體（plastoribosomes），如定位于葉綠體中的葉綠體核糖體（chloroplasticribosomes）。它們也是由大小亞基與蛋白質(zhì)結(jié)合的一個70S核糖體，與細菌類似。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核糖核酸被縮短，而其5SrRNA被動物和真菌中的其它結(jié)構(gòu)所取代。
藥物化學(xué)家利用細菌和真核生物核糖體的差異來制造抗生素如氨基糖苷類抗生素、四環(huán)素類抗生素等蛋白質(zhì)合成抑制劑類抗生素，特異性地破壞細菌感染。由于它們的結(jié)構(gòu)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。盡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。葉綠體也是如此。
游離核糖體可在細胞質(zhì)中的任何位置移動，但被排除在細胞核和其它細胞器之外。由游離核糖體生成的蛋白質(zhì)被釋放到細胞質(zhì)中并在細胞內(nèi)使用。由于細胞質(zhì)含有高濃度的谷胱甘肽，它是一種還原性的環(huán)境，因此，細胞質(zhì)中的游離核糖體不能產(chǎn)生由氧化的半胱氨酸殘基形成的含有二硫鍵的蛋白質(zhì)。
當(dāng)核糖體開始合成某些細胞器所需的蛋白質(zhì)時，核糖體可以與膜結(jié)合。在真核生物中，這種結(jié)合發(fā)生在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）上。核糖體將新產(chǎn)生的多肽鏈直接插入ER中，這些多肽鏈然后通過分泌途徑被轉(zhuǎn)運至其目的地。膜結(jié)合核糖體產(chǎn)生的蛋白質(zhì)通常在質(zhì)膜內(nèi)使用，或通過胞吐作用從細胞中排出。
結(jié)構(gòu)
各種核糖體盡管大小差異很大，但它們的核心結(jié)構(gòu)非常相似。大部分rRNA高度組織成各種三級結(jié)構(gòu)基序。較大核糖體中額外的核糖核酸都是以幾個長的連續(xù)插入形式出現(xiàn)，使得它們在核心結(jié)構(gòu)中形成環(huán)而不被破壞或改變。核糖體的所有催化活性均由RNA進行，其表面的蛋白質(zhì)可以穩(wěn)定rRNA結(jié)構(gòu)。
超微結(jié)構(gòu)
20世紀70年代早期核糖體的一般分子結(jié)構(gòu)得到解析。21世紀初期，核糖體結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了高分辨率解析，達到大約幾個nm的精度。
2000年，古生物Haloarculamarismortui和細菌抗輻射奇異球菌50S亞基及Thermusthermophilus30S亞基的原子分辨率核糖體結(jié)構(gòu)幾乎同時得到解析，這些研究于2009年獲得諾貝爾化學(xué)獎。
2005年大腸桿菌70S核糖體基于X射線晶體分辨率為3.5?的空核糖體結(jié)構(gòu)、基于冷凍電子顯微鏡分辨率為11-15?將新合成的蛋白質(zhì)鏈進入蛋白質(zhì)傳導(dǎo)通道時的核糖體結(jié)構(gòu)得到解析。
2006年，分辨率為2.8?和3.7?的轉(zhuǎn)運RNA和mRNA分子復(fù)合時的核糖體原子結(jié)構(gòu)通過X射線晶體得到解析。這些結(jié)構(gòu)使人們可以看到Thermusthermophilus核糖體與mRNA和經(jīng)典核糖體位點結(jié)合的tRNA相互作用的細節(jié)。隨后，核糖體與含有Shine-Dalgarno序列的長mRNA的相互作用的分辨率為4.5-5.5?的結(jié)構(gòu)也得到解析。
2011年，來自釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）的真核生物80S核糖體的第一個完整的原子結(jié)構(gòu)也通過晶體學(xué)獲得。該模型揭示了真核生物特異性元件的結(jié)構(gòu)及其與普遍保守核心的相互作用。同年，嗜熱四膜蟲（Tetrahymenathermophila）真核40S和60S核糖體結(jié)構(gòu)的完整模型得到解析。40S亞基結(jié)構(gòu)描述了40S亞基的結(jié)構(gòu)以及40S亞基在翻譯起始過程中與eIF1的相互作用。
生物合成
細菌細胞通過多個核糖體基因操縱子的轉(zhuǎn)錄在細胞質(zhì)中合成核糖體。在真核生物中，該合成過程發(fā)生在細胞質(zhì)和核仁中，組裝過程涉及四種rRNA合成、加工和組裝中協(xié)調(diào)作用的超過200種的蛋白質(zhì)。
核糖體的起源
核糖體可能最初起源于核糖核酸，看起來像一個自我復(fù)制的復(fù)合體，只是有在氨基酸出現(xiàn)后才進化具有合成蛋白質(zhì)的能力。將核糖體從古老的自我復(fù)制機器演變?yōu)槠洚?dāng)前形式的翻譯機器的驅(qū)動力可能是將蛋白質(zhì)結(jié)合到核糖體的自我復(fù)制機制中的選擇壓力，這種轉(zhuǎn)變增加了其自我復(fù)制的能力。
分化的核糖體
通常認為核糖體只有原核生物和真核生物核糖體兩種。但是，核糖體異質(zhì)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(zhì)核糖體具有不同的結(jié)構(gòu)，并因此具有不同的活性。
核糖體組成的異質(zhì)性參與蛋白質(zhì)合成的翻譯控制。不同細胞群特異的核糖體可以影響基因的翻譯方式。一些核糖體蛋白從組裝的配位化合物中與細胞質(zhì)復(fù)制物可實行交換，表明體內(nèi)核糖體的結(jié)構(gòu)可以在不合成全新核糖體的情況下得到修飾。
核糖體蛋白
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于60S亞基上，P蛋白介導(dǎo)選擇性翻譯。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(dǎo)細胞自噬。
某些核糖體蛋白是絕對關(guān)鍵的，而其它核蛋白則不是。例如，在小鼠中，Rpl38是HoxmRNA亞組翻譯所必需的，而Rpl38的突變導(dǎo)致短尾的同源異型轉(zhuǎn)化。
對核心核糖體蛋白（RP）的修飾也可以引起異質(zhì)核糖體的形成。
參考資料 >
核糖體的超微結(jié)構(gòu).中國知網(wǎng).2023-12-26
科研人員解析核糖體組裝的動態(tài)過程.今日頭條.2023-12-27
闡明人類mRNA解碼機制，為癌癥、感染新藥研發(fā)打開新大門.澎湃新聞.2023-12-26
tRNA和核糖體. Khan Academy.2023-12-26