細(xì)胞生物學(xué)綜述-核糖體

西北農(nóng)林科技大學(xué)2011-1-10核糖體功能結(jié)構(gòu)探究及展望摘要：核糖體是一個(gè)核酶，用體外篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)的核酶像核糖體一樣也能催化肽鍵形成。RNA在生命起源中也有著不可替代的作用。隨著RNA多功能的發(fā)現(xiàn)，RNA被更多的人認(rèn)為是生命體的生物大分子，在科學(xué)研究如新藥研發(fā)中也受到了更多的關(guān)注與應(yīng)用。關(guān)鍵字：RNA核酶蛋白質(zhì)合成是細(xì)胞代謝最復(fù)雜也是最核心的過程,其中涉及到200多種生物大分子參與作用。蛋白質(zhì)加工廠---核糖體(Ribosome)是一個(gè)由核糖體RNA(rRNA)和核糖體蛋白組成的復(fù)合體.蛋白質(zhì)含量約占三分之一,而rRNA的含量占三分之二。在蛋白質(zhì)生物合中,rRNA與蛋白質(zhì)兩者究竟誰起主導(dǎo)作用,一直是人們感興趣的問題,并提出不少假說。關(guān)于rRNA功能的假說主要有三種:1.rRNA主要作為核糖體蛋白質(zhì)裝配的結(jié)構(gòu)骨架,在蛋白質(zhì)合成中,核糖體蛋白質(zhì)起催化作用;2.rRNA是一種決定蛋白質(zhì)序列的物質(zhì);3.rRNA具有催化活性,它直接催化蛋白質(zhì)的合成.1982年Cech通過研究原生動(dòng)物四膜蟲證明RNA具有催化功能,并稱之為核酶(ribozyme)。自此以后,自然界中的RNA催化功能不斷被發(fā)現(xiàn),T.Cech和S.Altman也因?yàn)楹嗣傅陌l(fā)現(xiàn)而榮獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。核酶的發(fā)現(xiàn)具有重要的意義,它使人們認(rèn)識(shí)到,RNA的生物功能遠(yuǎn)非/傳遞遺傳信息0那么簡(jiǎn)單,人們開始重新審視RNA的生物學(xué)功能。直到最近,通過X射線衍射分析核糖體大、小亞基的結(jié)晶,才證實(shí)了肽鍵的形成是由rRNA催化,核糖體就是一種核酶,已經(jīng)可以得出結(jié)論,在核糖體內(nèi)蛋白質(zhì)主要起維持rRNA的構(gòu)象,起輔助作用;在蛋白質(zhì)合成過程中rRNA起到非常重要的作用。肽酰轉(zhuǎn)移酶中心核糖體大亞基的精細(xì)結(jié)構(gòu)表明,核糖體大亞基空腔的底部,是P位點(diǎn)上肽酰tRNA與A位點(diǎn)上氨酰tRNA相互作用形成肽鍵的部位,稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶中心。在肽鍵形成處2nm的范圍中,完全沒有蛋白質(zhì)的電子云存在,肽酰轉(zhuǎn)移酶中心完全由23SrRNA的結(jié)構(gòu)域組成，而蛋白質(zhì)主要起維持rRNA的構(gòu)象,起輔助作用。如圖：核糖體肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心晶體結(jié)構(gòu)圖（A）rRNA肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心:紫色表示肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心,紅色金屬線表示RNA,其他顏色條帶表示蛋白質(zhì);(B)離肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心最近的蛋白質(zhì):紫色線表示多肽(polypeptide),紫色小點(diǎn)表示肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心核糖體肽基轉(zhuǎn)移酶的反應(yīng)機(jī)理雖然已證實(shí)肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中心部分的rRNA核苷起著重要的催化作用,但是其作用機(jī)制還不是很清楚.有關(guān)核糖體催化反應(yīng)機(jī)制目前有幾種假設(shè),有熵驅(qū)使反應(yīng)、質(zhì)子穿梭機(jī)理、通過穩(wěn)定氧陰離子過渡態(tài)等。而生物化學(xué)的研究數(shù)據(jù)表明，肽鍵的合成是一個(gè)熵驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，不是焓驅(qū)動(dòng)反應(yīng)．基于此。有研究者推測(cè)肽鍵生成反應(yīng)中反應(yīng)物和周圍的水分子相互作用形成一個(gè)氫鍵網(wǎng)，氫鍵網(wǎng)的存在大大降低了核糖體催化肽鍵合成反應(yīng)的活化自由能。雖然核糖體催化反應(yīng)機(jī)理至今還不是很清楚,但是P位點(diǎn)tRNA的A76中2′-OH起著重要作用已經(jīng)明確。通過A和P位點(diǎn)底物的CCA序列和親核α-氨基基團(tuán)與位于活性中心的23SrRNA堿基的相互作用,該A和P位點(diǎn)底物正好排列在活性中心.認(rèn)為最有利的催化途徑是經(jīng)P位點(diǎn)tRNA的A76的2′-OH發(fā)生質(zhì)子穿梭,形成6員環(huán)過渡態(tài),反應(yīng)不涉及核糖體RNA基團(tuán)的化學(xué)催化.核糖體不僅在生物功能上顯示重要作用,也是極具吸引力的抗生素藥物靶標(biāo)。因?yàn)樵说?0S核糖體與真核的80S核糖體之間存在顯著的不同,許多抗生素都是以直接抑制細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成而對(duì)人體副作用最小為目的而設(shè)計(jì)的。近年來，由于廣譜抗生素的大量使用，由致病菌的抗藥性導(dǎo)致降低抗生素藥物有效性的大大降低已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。以病菌的核糖體為靶向的抗生素藥物占抗生素的大部分。利用核糖體的高分辨率結(jié)構(gòu)針對(duì)性地設(shè)計(jì)新的高效核糖體靶向抗生素來對(duì)付抗生素的抗藥性充滿了無限可能。而且抗生素抗藥性主要來源于rRNA的突變。對(duì)rRNA的肽基轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制的深入研究,將幫助設(shè)計(jì)新的更有效的抗生素藥物。隨著RNA干擾(RNAi)、microRNA和piRNA的發(fā)現(xiàn),越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明：RNA具有顯著的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。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。生命是自我復(fù)制體系，推測(cè)最早出現(xiàn)生命體的有機(jī)大分子應(yīng)該既具有遺傳信息載體功能又具有酶催化功能。所以RNA在生命進(jìn)化過程中可能是第一個(gè)有生命的分子,其在生命演化中起著關(guān)鍵作用。科學(xué)家提出了“RNA世界(RNAWorld)”的假設(shè)——即在生命進(jìn)化某一階段有機(jī)體的遺傳信息都貯存在RNA中,所有的生化反應(yīng)全由RNA催化。一個(gè)嶄新的現(xiàn)代“RNA世界”已經(jīng)來臨。我們有理由相信越來越豐富的RNA功能的展示，將給我們的生活和對(duì)生命的探索帶來更大的意義。參考文獻(xiàn)：1.唐雅婷劉克文核糖體的結(jié)構(gòu)和功能研究--2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)解讀.2010，08:132～133；2．張必良王瑋.RNA在核糖體催化蛋白質(zhì)合成中的作用2009,39(1