今日化学
崔晓杰
中央民族大学 生命与环境科学学院
第三章 核糖体化学
Ribosome
Overview
• Ribosomes (/ˈraɪbəˌsoʊm, -boʊ-/)核糖体是活细胞内的一种复杂大分子机
器，它是蛋白质的合成场所。
• Ribosome在messenger RNA (mRNA)的指导下进行将氨基酸按特定顺序连接
成蛋白质。
• Ribosome主要由两部分组成：小亚基(small subunit)用来读取mRNA，大亚
基(big subunit)用来将氨基酸连接形成蛋白质。
• 每一个亚基都包含一条或多条ribosome RNA (rRNA)和一系列的ribosome
protein (rProtein)。
• Ribosome和相关的其他分子也被称为翻译机器。
Overview
动物细胞结构示意图
1.Nucleolus
2.Nucleus
3.Ribosome (little dots)
4.Vesicle
5.Rough endoplasmic reticulum
6.Golgi apparatus (or "Golgi body")
7.Cytoskeleton
8.Smooth endoplasmic reticulum
9.Mitochondrion
10.Vacuole
11.Cytosol (fluid that contains organelles,
comprising the cytoplasm)
12.Lysosome
13.Centrosome
14.Cell membrane
Overview
中心法则
Overview
核糖体合成蛋白质示意图
Overview
密码子表
Discovery of Ribosome
• 1950s中期，Romanian-American细胞生物学家George Emil Palade提出采用电镜方法，观察
到了一种密集的颗粒体。
• 1950s末期，Richard B. Roberts提出了Ribosome这种称呼。
• During the course of the symposium a semantic difficulty became apparent. To some of the
participants, "microsomes" mean the ribonucleoprotein particles of the microsome fraction
contaminated by other protein and lipid material; to others, the microsomes consist of protein and
lipid contaminated by particles. The phrase "microsomal particles" does not seem adequate, and
"ribonucleoprotein particles of the microsome fraction" is much too awkward. During the meeting, the
word "ribosome" was suggested, which has a very satisfactory name and a pleasant sound. The present
confusion would be eliminated if "ribosome" were adopted to designate ribonucleoprotein particles in
sizes ranging from 35 to 100S.
— Albert, Microsomal Particles and Protein Synthesis
Discovery of Ribosome
1974 Nobel Price in Physiology and Medicine
Albert Claude
Christian de Duve
George Emil Palade
Discovery of Ribosome
2009 Nobel Price in Chemistry
3名获奖者通过独立的研究工作，分别采用X射线蛋白质晶体学方法绘制出3D模型
来体现合成核糖体的成千上万个原子的位置，他们绘制的模型已被广泛应用于新抗
生素的研制，以减少患者的病痛和拯救生命。
Sir Venkatraman Ramakrishnan
Thomas A. Steitz
Ada E. Yonath
1. Structure
➢ 由大亚基和小亚基构成，大小亚基又分别包含若干条rRNA和数目不等的rProtein。不同物种的大小亚基组成
略有差异，但不论哪种物种，大小亚基都相互结合，共同作用，将mRNA分子翻译成多肽链。由于大小亚基
尺寸不同，通常ribosome在纵轴上比横轴上尺寸略大。
大（红色）、小（蓝色）亚基互相结合构成核糖体
1. Structure-Bacterial Ribosomes
➢ 原核生物的ribosome直径大约为20nm，含有65%的rRNA和35%的rProtein。
➢ 在多肽合成过程中，rRNA起催化作用，而rProtein并不与tRNA直接接触，起支撑作用来促进rRNA的催化作用。
➢ rRNA的大小以Svedberg沉降系数来表示，其单位是S。
➢ 细菌的ribosome为70S，期中包括50S的大亚基和30S的小亚基。
Ribosome of E. coli (a bacterium)
ribosome
70S
subunit
50S
30S
rRNAs
23S (2904 nt)
5S (120 nt)
16S (1542 nt)
r-proteins
31
21
1. Structure-Bacterial Ribosomes
Thermus thermophilus的30S小亚基原子结构图。
21种蛋白质以蓝色显示，一条rRNA链以棕色表示。
Haloarcula marismortui的50S大亚基原子结构图。
蛋白质以蓝色显示，两条rRNA链分别以棕色和黄色
表示。 中心绿点表示活性位点。
1. Structure-Eukaryotic Ribosomes
➢ 真核生物的ribosome直径大约为25-30nm，rRNA和rProtein的比例大约为1:1。
➢ 真核生物的核糖体大小亚基与细菌的核糖体大小亚基非常相似。
➢ 真核生物的ribosome为80S，期中包括60S的大亚基和40S的小亚基。
➢ 有一些蛋白，如L32/33, L36, L21, L23, L28/29 和L13在多肽链转移中心附近，可能起一定的催化作用。
eukaryotic cytosolic ribosomes (R. norvegicus)
ribosome
subunit
rRNAs
r-proteins
28S (4718 nt)
80S
60S
5.8S (160 nt)
49
5S (120 nt)
40S
18S (1874 nt)
33
1. Structure-Plastoribosomes and mitoribosomes
➢ 细胞器如叶绿体和线粒体中也含有ribosome，分别叫做Plastoribosome和mitoribosome。
➢ 细胞器中的ribosome大小为70S，与细菌ribosome相似，所以这些细胞器被认为是起源于真核细胞内的共生细
菌。
➢ 叶绿体ribosome比线粒体ribosome与细菌ribosome更为接近，在很多真核细胞中，线粒体ribosome的5S亚基
都被大大缩减。
1. Structure-Making Use of the Differences
➢ 利用细菌和真核生物ribosome的结构差异，可以合成针对细菌感染的抗生素。
➢ 大环内酯类抗生素如红霉素、吉他霉素等可以与细菌ribosome 50S大亚基可逆性结合，阻断转肽过程和mRNA
位移，从而抑制细菌蛋白质的合成。虽然线粒体ribosome结构与细菌相近，但由于其双层器膜结构，抗生素
难以进入线粒体内部而发生作用。
erythromycin
kitasamycin
1. Structure-Common Properties
➢ 虽然不同ribosome的尺寸不同，但它们的核心结构都极其相似，即大部分的RNA都高度折叠形成三级结构，
例如存在共轴堆叠的假节结构。其余RNA形成其他结构，例如颈环结构分布在核心结构周围。Ribosome的催
化活性完全来源于rRNA，蛋白起到支撑作用维持核心结构的稳定性。
1. Structure-high resolution structure
11.5Å
3.0Å
核糖体大亚基在不同分辨率下的结构图
2.4Å
2. Function
➢ Ribosome是细胞内的蛋白合成器，而蛋白在细胞内多种多样的生理过程中发挥作用，例如损伤修复、诱导下
游化学反应等。
➢ ribosome可以游离在细胞质中，也可以结合在内质网上，其功能都是将基因密码子翻译成氨基酸序列并合成
相应蛋白。
➢ Ribosome在肽基转移和肽基缩合过程中起催化作用。
➢ Ribosome的小亚基结合mRNA分子，大亚基结合tRNA及其转运的氨基酸分子。
2. Function-translation
➢ Ribosome进行蛋白质合成的三个位点：
➢ A-site：aminoacyl site
➢ P-site: peptidyl site
➢ E-site: exit site
2. Function-translation
核糖体上进行多肽合成过程示意图
3. Location
➢ Ribosome可以游离在细胞质内，也可以结合到细胞内的膜结构上。
➢ 游离和膜结合ribosome只是在细胞内的分布位置不同，在结构上完全相同。是否进行膜结合取决与所翻译
的蛋白质是否具有ER-targeting signal sequence。所以在蛋白质合成过程中，游离的ribosome有可能结合到
ER上。
➢ Ribosome通常被称为细胞器（organelle），但细胞器在严格定义上是指具有磷脂膜的亚细胞结构，而
ribosome并无此结构，所以有时ribosome也被称为无膜细胞器。
3. Location
核糖体上进行分泌到内质网中的蛋白合成过程示意图
4. Biogenesis
➢ 原核生物的ribosome由细胞质内的多种核糖体基因操纵子转录而成；
➢ 真核生物的ribosome由细胞核内的核糖体DNA转录出四种rRNA，并在细胞质内与超过200多种蛋白质组
装而成。