核糖体

核糖体是由罗马尼亚籍细胞生物学家乔治·埃米尔·帕拉德用电子显微镜于1955年在哺乳类与禽类动物细胞中首次发现直径20nm，富含RNA，能够制造酶，他将这种新细胞器描述为密集的微粒或颗粒[18]。一年之后，A. J. Hodge等人在多种植物的体细胞中也发现了核糖体，可是当时人们仍无法将微粒体中的核糖体完全区分开来[19]。后来，乔治·帕拉德以及阿尔伯特·克劳德和克里斯汀·德·迪夫因发现核糖体于1974年被授于诺贝尔生理学或医学奖。

虽然核糖体作为一种细胞器在20世纪50年代初期已被发现，但对这种细胞器仍没有统一的命名。直到1958年，科学家理查德··罗伯茨（）才推荐人们使用“核糖体”一词：

从此，人们对几种细胞结构碎片概念上的理解逐渐清晰，核糖体这一细胞器本身也有了更明确的定义。这次统一命名为核糖体及相关方面的研究的发展奠定了良好的基础。

在进入20世纪60年代后，随着人们对核糖体的探索的不断深入，许多学术成果也不断涌现。苏联生物化学家亚历山大·谢尔盖维奇·斯皮林经过长期研究，发现核糖体各组分实际上不需其他物质辅助即可发生自我组装[21]。Warner JR等人在1963年发现众多核糖体共同翻译同一条mRNA的现象，并将他们发现的结构名命为“多核糖体”（polyribosome）[22]。而B. J. McCarthy和J. J. Holland则1965年发现被干扰的核糖体在无细胞系统中可直接利用DNA作为模板合成蛋白质，而新霉素等抗生素可增强这种特殊的翻译[23]。在对不同类型的核糖体的研究方面，汤姆·奥布赖恩等人作出了较大贡献：1967年，奥布赖恩等人在大鼠肝脏细胞的线粒体中发现核糖体[24]。1971年，奥布赖恩等证实之前在线粒体中发现的沉降系数约为55S的核糖体是与70S核糖体或80S核糖体都不相同的另一类核糖体[25]。同年，奥布赖恩等人又在牛胚胎的肝脏细胞线粒体内发现原本以为只存在于细胞质基质中的80S核糖体，并证实这些80S核糖体仍具有合成蛋白质的活性[26]。

20世纪末各种显微技术的发展使人们对微观事物的研究上了一个台阶。2000年，Poul Nissen等人测得核糖体大中正在形成的肽键周围1.8nm范围内除了23S rRNA结构域Ⅴ的部分原子外，不存在任何核糖体蛋白质侧链原子，从而证明了核糖体是一种核酶[27]。

核糖体及翻译系统中的相关分子（例如一种被称为翻译装置（translational apparatus）的分子）的结构及功能是20世纪中期研究的热点。直到今天，该领域的研究仍十分活跃。

死海盐盒菌（Haloarcula marismortui）的50S的三维分子结构图。分子中的淡蓝色部分为蛋白质，淡橙色及黄色部分为RNA单链[28]。分子核心的亮绿色部分为的活性中心。

早在20世纪70年代初期，人们已开始着手了解核糖体整体的分子结构。

21世纪初，在人们有能力对亚显微结构进行高解析度的研究后，描述核糖体结构的精确度达到十分之一纳米。

2000年，最初几份关于核糖体原子级结构的论文连续发表：最先公布的是属于古菌中的死海盐盒菌（Haloarcula marismortui）核糖体50S的结构图[28]和属于细菌中的抗輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans）[29]。不久之后，属于嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）核糖体30S的结构图也被公布[30]。紧接着，又有一份更精细的结构图被公布[31]。九年后，文卡特拉曼·拉马克里希南、托马斯·施泰茨和阿达·约纳特因为确定这些核糖体的详细结构和机制而被授予2009年诺贝尔化学奖[32]。2001年5月，上述几份结构坐标被用于重现精确到5.5Å的嗜热栖热菌完整的70S核糖体分子结构[33]。

嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）的30S的三维分子结构图。分子中的淡蓝色部分为蛋白质，淡橙色部分为RNA单链[29]。

两份关于大肠杆菌（Escherichia coli）的70S核糖体结构的论文则于2005年被发表。论文中描述了使用X射线晶体学方面的技术获得分辨率高达3.5Å的中空核糖体（未结合mRNA或tRNA的核糖体）的结构[34]。在该篇论文发表两周后，一份基于冷电子显微镜技术的结构图被公布[35]，该图以11-15Å的分辨率描绘了核糖体中一条刚合成的肽链被输入蛋白质输出通道（protein-conducting channel）的画面。一年之后，结合了mRNA和tRNA的核糖体的原子级结构图由两个研究小组分别以2.8Å的分辨率[36]及3.7Å的分辨率[37]独立绘出。这些结构图使人们最终看到嗜热栖热菌核糖体与在该核糖体经典区域中结合的mRNA、tRNA一起反应的细节。过了不久，核糖体与一些含有夏因-达尔加诺序列的长链mRNA的反应也被在4.5-5.5Å的分辨率下可视化[38]。

在2011年，第一个从酵母中的酿酒酵母菌（）的真核生物80S核糖体的完整的原子结构由晶体衍射获得。[39]该模型揭示了真核生物特有要素的结构以及它们与普遍保存内核的相互作用。

在细菌细胞中，核糖体是通过对多个rDNA的操纵组的转录在细胞质中合成的[40]。 在真核细胞中，核糖体的合成主要发生在细胞核的核仁（细胞核中的一个区域）里。在该区域中，rDNA转录产生的45S rRNA前体（rRNA的前体分子）与从细胞质中运来的蛋白质结合形成80S rRNP前体，80S rRNP前体再经过加工（其中的45S rRNA前体被RNA酶裂解成5.8S rRNA、18S rRNA及28Sr RNA的较小的rRNA片段），在5-10min内剪切成32S rRNP和20S rRNP。20S rRNP在5min内再经加工形成12S rRNP，率先装配成40S核糖体。32S rRNP在经加工剪切为28S rRNP及5.8S rRNP后，需耗费约30min才能与在核仁外合成的5S rRNA（5S rDNA不定位在核仁组织区）共同装配成60S核糖体。[41]大小经核孔排入细胞质后，装配成核糖体。

核糖体一般的合成过程需要超过200种蛋白质的协同配合来完成聚合、加工核糖体内的4个rRNA，以及将rRNA和多种核糖体蛋白捆绑、组装在一起。

大小在细胞质中可分离存在，但两者嵌合成完整核糖体后才具备翻译能力[42]。

当Mg²⁺的浓度为10mmol/L时，大小聚合；Mg²⁺的浓度降至0.1mmol/L时，大小则会发生解聚[43]。

约70%的细胞质核糖体处于离状态[44]，这些悬浮在细胞质基质中的核糖体称为“离核糖体”。离核糖体几乎可以在细胞质基质中沿细胞骨架任意移动。在离核糖体上合成的蛋白质会直接释放到细胞质基质中，这些蛋白质只能用于构成该细胞自身结构（称为内源性蛋白，如肌红蛋白或肌纤维蛋白等）。

由于细胞质在整体上处于还原氛中且常含有高浓度的谷胱甘肽，所以具有二硫键的蛋白质（二硫键由半胱氨酸残基形成）不能在离核糖体中合成。

一个核糖体是处于离态还是膜结合态仅仅取决于它们正在翻译的mRNA单链首端第一个三联体密码子（AUG）之后是否有一段“内质网靶向信号序列”（ER-targeting signal sequence，长度约为45-90nt），该序列经核糖体翻译，能得到长度约为16-26个氨基酸的多肽片段（称为“信号肽”，signal peptide），这种合成了信号肽的核糖体在肽链延伸约80个氨基酸残基后将进入膜结合态[注 7]，附着在内质网上[45]。

核糖体翻译出的信号肽暴露在细胞质基质中，会被信号识别颗粒（Signal Recognition Particle，简称SRP）识别结合，SRP能以其类似tRNA分子的构型占据核糖体的A位点，使核糖体翻译暂时停止。SPR可识别糙面内质网膜上相应的SRP受体（又称停泊蛋白，docking proteins），而SRP受体又能使核糖体通过它与内质网上的易位子（translocon）相连[注 8]。当核糖体停止浮动后，SRP便与其受体分离，但核糖体将仍粘附在内置网膜上开始继续翻译，延伸的肽链则穿过易位子中的通道进入糙面内质网腔[46]。

另一些粘附在内质网的膜上[注 9]或核膜上的核糖体称为“膜结合核糖体”。当一个核糖体开始形成一些其他细胞器中需要利用到的蛋白质时，这类核糖体可以与相应细胞器的细胞器膜相结合，成为膜结合核糖体。在真核细胞中，这一过程发生在一类称为糙面内质网的内质网上。正在延伸中的肽链会不断地被膜结合核糖体透过内质网膜注入内质网腔中，再以囊泡的形式通过分泌途径（Secretory pathway）输送到的其他部位。膜结合核糖体既可以合成在细胞内被利用的蛋白质，也可以合成需要通过胞吐排出细胞的分泌蛋白（又称为“外输性蛋白质”，如抗体、蛋白质类激素等）。

常见多个核糖体排列成螺纹状或念珠状，一起沿着一条mRNA单链进行翻译。这种由一个mRNA串起来的多个核糖体的结构被称为“聚核糖体”或“多聚核糖体”，它可以提高mRNA的翻译效率[47]。

解离从细胞内分离得到的核糖体除了能得到其本身包含的多种较难脱离的、属于核糖体蛋白质的分子（称为“真核糖体蛋白质”，real ribosomal proteins）外，还可以得到附着在核糖体上的其他蛋白质（称为“核糖体相关蛋白质”，proteins associated with ribosome，简称“PAR”）。这些不是核糖体实际组分的分子主要为参与翻译过程但并非核糖体组成部分的翻译因子，容易被洗脱。

核糖体大次單元外侧边缘有三个较明显的凸起，凸起之间有两处凹陷。大内部有一条起源于肽酰转移酶中心附近，横贯大的、为合成中的肽链提供的狭长通道（称为“肽链输出通道”），这条通道长约35aa[57]（约8.5nm）。各种原核生物50S大肽链输出通道的孔径大小并不完全相同（孔径最大约2nm，最小约1nm），主要由23S rRNA构成，同时需要一些RP（如L4、L22、L39等）辅助成形[56]。有研究认为该通道具有动态的结构，不仅能与新生肽链中的效应模体相互作用调节翻译效率，而且能够调节通过通道的多肽链的共翻译折叠及翻译后修饰[58]。

核糖体小次單元大致呈扁弧形，一面也有凹陷。在小一端约三分之一处有一条为mRNA穿过提供的凹槽（也称为小的“颈部”），该凹槽处的空间局限使得mRNA的解码区呈现U形转角构象[56]。

在进行轉译前，两个离的结合在一起，协同翻译夹在两者之间的mRNA链。

• 核糖体A位点（amino acyl-tRNA site，简称“A位”），也称“受位”，是核糖体内接受新氨酰-tRNA的位点，主要部分位于大中。在A位处5S rRNA有一段序列能与氨酰-tRNA的T29C环的保守序列互补，便于新氨酰-tRNA移入A位。起始用的tRNA没有该段序列，故它只能直接进入核糖体P位。[57]

• 核糖体P位点（peptidyl-tRNA site，简称“P位”），也称“供位”，是核糖体内前一个tRNA将其肽基或甲酰甲硫氨酰基转移至后一个tRNA上的位点。该位点在大中的区域含有肽酰转移酶。在对核糖体结晶学的研究中人们发现，核糖体该位点内的肽酰转移酶附近1.8nm的范围内并没有核糖体蛋白质[59]（一般认为细胞中的主要催化剂的化学本质是蛋白质）。该发现表明，核糖体中的蛋白质组份本身可能并不直接作为催化剂，而是充当rRNA依附的架构，并起到增强rRNA催化能力的作用（参见：核酶）。

• 核糖体E位点（exit site，简称“E位”），是空载tRNA离开的核糖体的位点。

原核翻译与翻译中的起始过程基本相同：都先由fmet-tRNA、待翻译mRNA和核糖体组成翻译起始复合物（translation initiation complex）[64]。翻译的起始过程需要起始因子参与，已发现的原核起始因子有3种，古菌起始因子有4种，真核起始因子有12种。

• 在原核翻译中，待翻译mRNA5'端上游的夏因-达尔加诺序列（S-D序列）可通与核糖体小16S rRNA3'端的反夏因-达尔加诺序列的互补而结合[65]。紧接S-D序列的短核苷酸序列可被小核糖体蛋白识别结合，mRNA在这两方面作用下小上定位。在mRNA与小结合后，fMet-tRNA_f^Met结合于mRNA-小复合体的起始密码子上，形成30S翻译起始复合物，大再与该复合体结合，形成70S翻译起始复合物[66]。左图是原核翻译起始过程的图解。

• 在真核翻译中，已发现的起始方式有4种：帽依赖性起始（cap-dependent initiation）、重新起始（reinitiation）、核糖体支路（ribosome shunting）及内部起始（interal initiation）[67]，其中，帽依赖性起始为主要的起始方式。在帽依赖性起始中，mRNA5'端帽上结合的帽结合蛋白（cap-binding protein，CBP）异源二聚体能促进mRNA分子在核糖体上的定位[68]，在这个过程中，如果检测到mRNA上提前出现无义终止密码子，无义介导的mRNA降解机制（nonsense-mediated mRNA decay，NMD）便会将错误的mRNA降解[69]。在真核翻译起始过程中，mRNA依靠科扎克共有序列与核糖体小识别结合[70][71]。

翻译起始后，核糖体沿mRNA链由5'端朝3'端移动。从起始密码子处开始，核糖体利用具有与当前正在翻译的密码子相对应的反密码子的氨酰-tRNA携带的氨基酸合成肽链。核糖体每翻译一个三联体密码子就为延伸中的肽链的C端添加一分子氨基酸，其自身也同时顺着mRNA单股移动一段距离。

肽链延伸阶段是一个不断循环进行的过程（直至核糖体到达终止密码子处）。该阶段可再细分为进位、成肽和移位三个步骤。真核及原核翻译延伸阶段的不同主要在于各自延伸因子体系的不同：已发现的原核延伸因子有3种，古菌延伸因子有2种，真核延伸因子有2种[72]。

此圖展示的是原核翻譯中的延伸過程中的進位步驟（結構2wrn與2wro）。圖中左側紫色部分為攜帶了氨基醯-tRNA的EF-Tu，它通過EF-Ts水解GTP產生能量推動處於核糖體A位的tRNA進入P位。

根据核糖体A位内mRNA部分密码子的引导，具有对应反密码子的氨基酰-tRNA进入A位的步骤，称为“进位”。

• 原核翻译中，结合了GTP的延伸因子EF-Tu（EF-Tu·GTP）与氨基酰-tRNA形成氨基酰-tRNA·EF-Tu·GTP三元复合物并进入核糖体A位。EF-Ts催化水解复合物携带的GTP产生能量完成进位。之后，EF-Tu·GDP脱离核糖体，EF-Tu则释放出GDP并与EF-Ts重新复合形成EF-T，以待再次被利用。

• 真核翻译中，氨基酰-tRNA由eEF-1以复合成氨基酰-tRNA·eEF-1·GTP三元复合物的形式带入核糖体的A位[73]。GTP水解后，eEF-1·GDP离开核糖体。在真菌细胞中，延伸步骤还需要第三种真核延伸因子（eEF-3）参加，其作用是维持翻译的准确性[72]。

此圖展示的是原核翻譯的延伸過程中的轉肽步驟（結構2wdk與2wdl），圖中標出了核糖體內A、P、E三個位點。在該步中，肽醯轉移酶催化核糖體P位的tRNA運載的基團轉移到A位內tRNA轉運的氨基酸上，E位內的是卸載後準備排出核糖體的tRNA。亮綠色部分為tRNA上運載的肽鏈或氨基酸。

核糖体的肽酰转移酶催化位于核糖体P位的tRNA上运载的甲酰甲硫氨酰基或肽酰基转移到A位内刚进入核糖体的新氨基酰-tRNA转运的氨基酸上，使前者的羧基与后者的氨基之间脱水缩合形成肽键。此步骤称为“转肽”（transpeptidation）。

转肽步骤完全由核糖体大内的核酶催化完成[74]。在转肽这一步骤中生成的肽酰-tRNA将占据核糖体A位，而P位中刚卸载甲酰甲硫氨酰基或肽酰基的空载tRNA则将进入核糖体的E位。

此圖展示的是原核翻譯的移位過程中的移位步驟（結構2wri與2wrj）。左側紫色部分為原核延伸因子中的EF-G，能促使核糖體內的tRNA發生位點間的移動。

EF-G将位于核糖体A位的tRNA推入P位的步骤称为“移位”。

EF-G具有转位酶活性，能催化GTP水解提供能量，推动处于核糖体A位的肽酰-tRNA[75]，使之进入P位（同时使P位中的tRNA进入E位、并使E位的tRNA排出核糖体），核糖体也沿mRNA移动一个密码子。核糖体移位后，其A位将再次空出，为新氨基酰-tRNA进位提供空间。

在肽链延伸的过程中，上述三个步骤是重复循环的。循环每完成一次，肽链的C端便加入一个氨基酸分子，直至翻译进入终止阶段。

此圖展示的是原核翻譯中的終止過程（結構2b64與2b66）。左側紫色部分是原核釋放因子RF-1，它能識別某些終止密碼子使翻譯停止。由於圖中mRNA末端和終止因數的解析度較低，所以只能看到大致的樣子，而不能觀察到它們的精細結構。

在核糖体读取至终止密码子[注 10]时，翻译进入终止阶段。翻译的终止需要释放因子的参与[76]。已发现的原核释放因子有3种，而真核释放因子有2种[77][注 11]。

• 原核翻译中，终止密码子由Ⅰ类释放因子能识别[78]。其中，RF-1能识别终止密码子UAA、UAG；而RF-2能识别UAA、UGA[79]。RF-1或RF-2进入核糖体A位与终止密码子互补配对后使翻译停止。RF-3可使核糖体内部的肽酰转移酶改变构象，从而发挥酯酶活性水解多肽与tRNA之间的化学键。在RR作用下，空载tRNA、mRNA和RF都与核糖体分离，核糖体的大、小也发生解聚。

• 在真核翻译中，三种终止密码子都由eRF-1识别[80]。真核翻译的终止过程与原核翻译的也大体相同[81]。

翻译终止失败可能导致核糖体越过终止密码子，朝mRNA的3'端继续翻译，这种现象称为“联读翻译”（read-through translation）。已发现多种mRNA联读翻译的产物达到可检测的水平。许多具有重要生理意义的蛋白质就是通过这种方式合成的。[82]

核糖体再循环是核糖体参与的翻译中的最后一个过程。在该过程中，核糖体复合物发生解体，以便投入下一次使用。该过程是在核糖体再循环因子（RRF）和参与蛋白质合成过程中转位的延伸因子（EF-G）的协同作用下完成的。核糖体在其再循环过程中由RRF的结构域Ⅰ识别结合核糖体的功能。RRF的结构域Ⅱ则具有将核糖体解离为大、小次單元的能力。[83]