细胞生物学综述——核糖体

核糖体功能结构探究及展望 核糖体功能结构探究及展望 摘要： 核糖体是一个核酶， 用体外筛选技术发现的核酶像核糖体一样也能催化肽键形成。RNA在生 命起源中也有着不可替代的作用。 随着RNA多功能的发现，RNA被更多的人认为是生命体的 生物大分子，在科学研究如新药研发中也受到了更多的关注与应用。 关键字： RNA 核酶 蛋白质合成是细胞代谢最复杂也是最核心的过程, 其中涉及到200多种生物大分子参与作用。蛋白质加工厂---核糖体(Ribosome)是一个由核糖体RNA(rRNA)和核糖体蛋白组成的复合体. 蛋白质含量约占三分之一, 而rRNA的含量占三分之二。在蛋白质生物合中,rRNA与蛋白质两者究竟谁起主导作用, 一直是人们感兴趣的问题, 并提出不少假说。关于rRNA功能的假说主要有三种: 1.rRNA主要作为核糖体蛋白质装配的结构骨架, 在蛋白质合成中, 核糖体蛋白质起催化作用;2. rRNA是一种决定蛋白质序列的物质;3.rRNA具有催化活性, 它直接催化蛋白质的合成. 1982年Cech通过研究原生动物四膜虫RNA 具有催化功能, 并称之为核酶( ribozyme)。自此以后, 自然界中的RNA 催化功能不断被发现, T. Cech和S. A ltman也因为核酶的发现而荣获1989年诺贝尔化学奖。核酶的发现具有重要的意义, 它使人们认识到, RNA的生物功能远非/传递遗传信息0那么简单, 人们开始重新审视RNA的生物学功能。直到最近, 通过X射线衍射分析核糖体大、小亚基的结晶, 才证实了肽键的形成是由r RNA催化, 核糖体就是一种核酶, 已经可以得出结论, 在核糖体内蛋白质主要起维持rRNA 的构象, 起辅助作用; 在蛋白质合成过程中rRNA起到非常重要的作用。 肽酰转移酶中心 核糖体大亚基的精细结构表明, 核糖体大亚基空腔的底部, 是P位点上肽酰tRNA 与A位点上氨酰tRNA 相互作用形成肽键的部位, 称为肽酰转移酶中心。在肽键形成处2nm的范围中,完全没有蛋白质的电子云存在,肽酰转移酶中心完全由23SrRNA的结构域组成，而蛋白质主要起维持rRNA的构象,起辅助作用。如图： 核糖体肽基转移反应中心晶体结构图 （A）rRNA肽基转移反应中心:紫色表示肽基转移反应中心,红色金属线表示RNA, 其他颜色条带表示蛋白质; (B) 离肽基转移反应中心最近的蛋白质: 紫色线表示多肽(polypeptide),紫色小点表示肽基转移反应中心 核糖体肽基转移酶的反应机理 虽然已证实肽基转移反应中心部分的rRNA核苷起着重要的催化作用, 但是其作用机制还不是很清楚. 有关核糖体催化反应机制目前有几种假设,有熵驱使反应、质子穿梭机理、通过稳定氧阴离子过渡态等。而生物化学的研究数据表明，肽键的合成是一个熵驱动反应，不是焓驱动反应．基于此。有研究者推测肽键生成反应中反应物和周围的水分子相互作用形成一个氢键网，氢键网的存在大大降低了核糖体催化肽键合成反应的活化自由能。 虽然核糖体催化反应机理至今还不是很清楚, 但是P位点tRNA的A76中2′-OH起着重要作用已经明确。通过A和P位点底物的CCA序列和亲核α-氨基基团与位于活性中心的23SrRNA碱基的相互作用,该A和P位点底物正好排列在活性中心.认为最有利的催化途径是经P位点tRNA的A76的2′-OH发生质子穿梭,形成6员环过渡态, 反应不涉及核糖体RNA基团的化学催化. 核糖体不仅在生物功能上显示重要作用,也是极具吸引力的抗生素药物靶标。因为原核的70S核糖体与真核的80S核糖体之间存在显著的不同,许多抗生素都是以直接抑制细菌细胞内蛋白质合成而对人体副作用最小为目的而设计的。近年来，由于广谱抗生素的大量使用，由致病菌的抗药性导致降低抗生素药物有效性的大大降低已经成为一个严峻的问题。以病菌的核糖体为靶向的抗生素药物占抗生素的大部分。利用核糖体的高分辨率结构针对性地设计新的高效核糖体靶向抗生素来对付抗生素的抗药性充满了无限可能。而且抗生素抗药性主要来源于rRNA的突变。 对rRNA的肽基转移反应机制的深入研究, 将帮助设计新的更有效的抗生素药物。 随着RNA干扰(RNAi)、microRNA和piRNA的发现,越来越多的实验证据表明：RNA具有显著的结构和功能多样性。 所有生命大分子中, 只有RNA既可以起基因信息的作用, 也可以起酶的催化作用。生命是自我复制体系，推测最早出现生命体的有机大分子应该既具有遗传信息载体功能又具有酶催化功能。所以RNA在生命进化过程中可能是第一个有生命的分子, 其在生命演化中起着关键作用。科学家提出了“RNA世界(RNA World)”的假设——即在生命进化某一阶段有机体的遗传信息都贮存在RNA中, 所有的生化反应全由RNA催化。一个崭新的现代“RNA世界”已经来临。我们有理由相信越来越丰富的RNA功能的展示，将给我们的生活和对生命的探索带来更大的意义。 参考文献： 1. 唐雅婷 刘克文 核糖体的结构和功能研究--2009年诺贝尔化学奖解读.2010，08:132～133； 2．张必良 王玮.RNA在核糖体催化蛋白质合成中的作用 2009,39(1):69～77； 3. Matthew等著范宗理译 核糖体的调控.2003,3:17～18； 4. 杨帆.刘卫平 核糖体蛋白基因及其与人类疾病的研究进展2005,5(20)354～356； 5.翟中和，王忠喜，丁明孝 细胞生物学（第三版）