全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第6期
2009年12月
Vol. 21, No. 6
Dec., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)06-0771-10
细菌核糖体的结构和功能
刘望夷
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学和细胞生物学研究所，上海 200031)
摘　要：二十多年来，国际上几家实验室独立地竞争性地应用高分辨率X- 射线衍射技术在原子水平上绘
制出了细菌完整核糖体及其亚基精细的三维结构图，为其生物功能的研究提供了清晰的结构基础。由于这
项伟大的科学成果，美国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)、托马斯 · 施泰茨
(Thomas A. Steitz)和以色列女科学家阿达 ·约纳特(Ada E. Yonath)三人荣获2009年度诺贝尔化学奖。细菌核
糖体是细胞中合成蛋白质的一种细胞器，包括大小不同的两个亚基，由 3 种 RNA 和 50 多种不同的蛋白
质组成。
关键词：核糖体；诺贝尔化学奖；X 射线衍射晶体学
中图分类号：Q244; O72; N19　　文献标识码：A
Structure and function of the bacterial ribosome
LIU Wang-yi
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031,China)
Abstract: The Nobel Prize in Chemistry in 2009 is awarded to two American scientists Venkatraman Ramakrishnan,
Thomas A. Steitz and an Israel female scientist Ada E. Yonath for their excellent study of the structure and function
of the bacterial ribosome. During the past two decades more, they concentrated on the X-ray crystallographical
analysis of the crystals of bacterial ribosome and its subunits, and finally reached the high resolution(2.4-3.0 Å)
that allowed the construction of a detailed atomic model of ribosome. The bacterial ribosome (70S) consists of
a small (30S) and a large (50S) subunit. The 30S subunit is composed of about 20 distinct proteins and a molecule
of 16S rRNA. The 50S subunit is composed of about 34 different proteins, a molecule of 23S rRNA and a
molecule of 5S rRNA.
Key words: ribosome; the Nobel Prize in Chemistry; X-ray crystallography
　
生物遗传信息流向在一般情况下可以概括为遗
传物质(D N A )转录为信使 R N A ( m R N A )；存在于
mRNA 核苷酸序列的遗传信息经核糖体精确翻译为
蛋白质的氨基酸序列。这种遗传信息流向即中心法
则[1]，可以概括为以下公式(图1)：
在特殊情况下，这种单向的遗传信息流向可以
逆转，如在一些 RNA 病毒中，其遗传物质 RNA 在
反转录酶催化下可以逆向反转录为 DNA。
在上述遗传信息流向中，mRNA 的翻译是非常
保守的，也是细胞代谢过程中消耗能量最多的过
程。在迅速生长的细胞中，80% 的能量消耗在蛋白
质合成过程中。约有100 多种蛋白质和RNA 参与蛋
白质合成。mR N A 的翻译远比 DN A 的转录复杂得
图1 中心法则示意图
收稿日期：2009-11-15
通讯作者：wyliu@sibs.ac.cn
772 生命科学 第21卷
多。转录仅涉及 DNA 与 mRNA 之间的互补碱基对；
而翻译中氨基酸不能直接与 mRNA 的核苷酸亲和配
对。1955 年，Crick 提出“连接体(adaptor)”假
说来解释RNA 序列翻译成氨基酸序列的问题。这种
“连接体”是一种小分子 RN A，它通过 wat s o n -
crick 碱基对，阅读mRNA 中储存的遗传信息，翻
译成蛋白质的氨基酸序列。此后不久，Hoagland等[2]
发现了这种“连接体”R N A ，即转移核糖核酸
(tRNA)。这种 tRNA 约占细胞 RNA 总量的 15%。
细胞中所有蛋白质的合成都必须在核糖体上进
行，或者说核糖体是细胞内蛋白质合成的惟一场
所。生长旺盛的大肠杆菌(原核生物)约含1.5万－
2.0万个核糖体，约占细胞总重量的1/4。真核生物
细胞中的核糖体数量较多，其体积更大。
1　核糖体研究发展概况
20世纪50年代初期就发现了核糖体，到90年
代后期基本上弄清了它的立体结构和主要的生物功
能。这是几代科学家经过近50年的辛勤工作而取得
的重大成就。回顾一下核糖体的研究历史，人们可
以从中得到许多启示。
发现核糖体不久，人们就认识到由于制备条件
的不同，主要是镁离子浓度的大小，得到的产物不
同。在超离心分析中，镁离子浓度较高时，可以
得到细菌完整的核糖体(70 S ) ；镁离子浓度降低
时，可以得到核糖体两个大小不同的亚基(30S 和
50S)。人们认识到核糖体由两个亚基组成，是有深
远意义的。由于核糖体与细胞蛋白质合成有密切关
系，因此，对核糖体研究的历史实际上也就是对蛋
白质合成研究的历史。早期，核糖体亦称核糖核蛋
白体颗粒(ribonucleoprotein particle)。20世纪50年
代中期，Zamencnik 实验室发现，放射性标记的氨
基酸首先出现在这种核糖核蛋白体的蛋白质中，然
后逐渐转移至细胞浆的蛋白质中去。1958 年，科
学家普遍接受将这种核糖核蛋白体命名为核糖体
(ribosome)。
1959 年，通过噬菌体感染实验，人们已初步
认识到DNA 中储存的遗传信息通过合成的mRNA 在
高浓度镁离子存在下与核糖体结合，翻译成蛋白
质。直至1961 年，这类新合成的RNA 才正式命名
为 m R N A 。
核糖体——这部精巧的蛋白质合成机器远比细
胞内合成 DNA 或 RNA 的机器要复杂得多。细菌核
糖体两个亚基(30S 和 50S)包含3 种不同的RNA(5S
RNA、16S RNA 和 23 SRNA)和 50 多种不同的蛋白
质(表1)。大亚基内的肽基转移酶，主要由RNA 组
成，用以合成肽键；小亚基包含解码中心。在这
里，携带氨基酸的 tRNA 解读 mRN A 上的密码子。
表1　核糖体的组成
原核生物1 　 真核生物2
成份 相对分子 成份 相对分子
质量(k) 质量(k)
30S小亚基 850 40S小亚基 1 440
16S RNA 500 18S RNA 700
蛋白质(21种) 350 蛋白质(约33种) 740
50S大亚基 1 450 60S大亚基 2 800
23S RNA 950 28S RNA 1 700
5S RNA 40 5.8S RNA 51
5S RNA 39
蛋白质(约35种) 460 蛋白质(约46种) 1 010
完整的(70S)核糖体 2 300 完整的(80S)核糖体 4 240
1:数据来自Wittmann HG. Ann Rev Biochem,1982,51:155-83
2:数据来自Freifelder D.Molecular Biology,2nd,Jones and Bartlett,
boston, Massachusettes(p419) 和William JR.J Mol Biol,1999,
292:345-9
在知道细菌核糖体的全部化学组分以后，科学
家开始尝试用16S RNA 和小亚基的所有蛋白质重组
成有活性的核糖体30S亚基。这类实验是在Fraenkel-
Conrat等1955年重组烟草花叶病毒(TMV)获得成功
的影响下开展起来的。但是核糖体比 TMV 更加复
杂，重组困难很多，不容易成功。到 2 0 世纪 6 0
年代末，经日本科学家多年的不懈努力，最终成功
地完成重组有活性的核糖体30S亚基[3]。这项成就
是核糖体结构与功能研究方面一项重大的进展，说
明细胞中一种细胞器(核糖体)的生物功能仅仅决定于
它的化学组成和相互间的立体结构，而不需要借助
其他生命力。
1967年，Sanger 实验室首次测出大肠杆菌5S
rRNA 的核苷酸序列[4]。这是继1965年 Holley 测出
第一个tRNA序列后测定出的第二个核酸分子的一级
结构，也是Sanger实验室用放射性32P内标记(生物
标记)法首次成功地应用于RNA 一级结构的测定工
作。以后，在 20 世纪 70 － 80 年代，这种32P 内
标法在全世界的生化实验室得到广泛应用。大批核
糖体 RN A、m RN A、t RN A，甚至更大分子的噬菌
体RNA 的一级结构被测定出来。Sanger 等首创的
773第6期 刘望夷：细菌核糖体的结构和功能
32P 内标记RNA 测序法对人们探索 RNA 结构做出了
卓越的贡献。大肠杆菌核糖体16S和 23S RNA 的一
级结构则是用DNA 测序法测定出来的[5,6]。1980 年
以前，德国科学家Wittmanns[7]完成了大肠杆菌核糖
体53 种蛋白质一级结构的全部测序工作。
至此，在各种细胞器(细胞核、叶绿体和线粒
体)中，一种最简单的仅由蛋白质和RNA 组成的细
胞器 —— 核糖体的全部化学结构被测定出来了。
20 世纪70 年代发现核糖体 RNA 具有酶活性，
即核酶(ribozyme)以后，在生物学领域里又掀起了
“核糖体热”(ribosomes return)。
核糖体的主要功能是进行蛋白质合成。人们早
期认为，核糖体中各种蛋白质在蛋白质合成中发挥
着酶的催化作用。发现核糖体RNA具有酶催化活性
后，人们的观念发生了根本的改变。以后的很多实
验材料强有力地说明，在蛋白质合成中核糖体RNA
表现出重要的催化活性，而核糖体蛋白质仅起着维
持 RN A 构型的骨架作用。
蛋白质是由 20 种不同的氨基酸组成的。蛋白
质合成就是一种氨基酸的羧基与另一种氨基酸的氨
基连接成肽键，各种氨基酸通过这种肽键形成大分
子的多肽链。
细胞内蛋白质合成基本上有4个步骤：氨基酸
的活化和运转，肽链合成的起始、延伸和终止。其
中后3 步都是在核糖体上进行的，下面简要介绍一
下蛋白质合成的各个步骤，从中可以看出核糖体在
蛋白质合成中的重要作用。
1.1　氨基酸的活化和运转　氨基酸本身不能掺入到
蛋白质中去，因为从生物能量观点看，氨基酸的羧
基不能自动与另一种氨基酸的氨基发生反应。只有
将氨基酸的羧基活化才能进行这种化学反应。通过
专一性酶的催化，氨基酸的羧基与腺苷三磷酸
(ATP)反应生成的高能量氨酰 -AMP 是一种混合酸
酐，由此氨基酸的羧基得到活化。活化的氨基酸接
着连接在一种小分子RNA——tRNA 的 3 端，形成
氨酰 -tRNA。
氨酰-tRNA在一种蛋白质因子(延伸因子，EF)
的帮助下，将它携带的特异的氨基酸携带到核糖体
的 A 位，等待第二个携带氨基酸的 tRN A 到来。
1.2　肽链合成的起始　细菌肽链合成的起始需要一
种特殊的tRNA，即起始tRNA，也就是甲酰甲硫氨
酰-tRNA(在真核细胞中是甲硫氨酰-tRNA)。这种
特殊的tRNA 在核糖体30S 亚基的P 位与任何一种
mRNA 的 5 端区域中一个起始密码子(AUG)结合在
一起形成一种甲酰甲硫氨酰 -tRNA ·mRNA · 核糖体
30S 亚基的复合物，也称蛋白质合成起始复合物。
1.3　肽链合成的延伸　上述形成的蛋白质合成起始
复合物与核糖体50S亚基结合形成完整的70S核糖体
复合物。携带任何一种氨基酸的氨酰-tRNA 在延伸
因子的协助下根据mRNA 上一个密码子的指令进入
70S 核糖体的A 位。已经结合在P 位的甲酰甲硫氨
酰-tRNA 将它的氨基酰转移到A 位上第一个氨酰-
tRNA 的氨基上，形成第一个肽键。肽基-tRNA 位
移至P 位。空载的 tRNA 转移到核糖体的 E 位。以
后进入核糖体 A 位的氨酰 -tRNA 依次发生上述反
应，肽链即逐渐延伸形成多肽链。这里应当注意，
肽键的生成不是自动的，必须由寓于核糖体50S亚
基内的肽基转移酶催化才能形成肽键。这种酶是由
核糖体50S亚基的23S RNA 中几种核苷酸共同组成
的一种特异的空间结构组成的(图2)。当然，与它
们形成复合物的少数蛋白质也发挥一定的作用，但
起决定作用的是 RNA 中的几个碱基，所以，人们
认为肽基转移酶也是一种核酶，是有一定道理的。
图2 肽基转移酶活性中心(由23S RNA中几个碱基组成)[8]
1.4　肽链合成的终止　mRNA上的密码子从5端区
域起始密码子(AUG)依次向3端逐个被氨酰-tRNA阅
读，肽链不断延伸，形成长的多肽链。在这个迅
速进行的过程中，mRNA 上的密码子一个一个翻译
成特定氨基酸。当终止密码子出现在核糖体 A 位
时，一般情况下细胞内没有能阅读这种密码子的氨
酰-tRNA，而只有终止因子(蛋白质)能阅读终止密
码子。因此，蛋白质合成就停止下来。形成的新
生蛋白质(多肽链)在释放因子协助下从核糖体上释放
774 生命科学 第21卷
出来，在细胞浆或进入其他细胞器以后进行加工、
修饰、剪接等形成有特异构型的成熟蛋白质。它们
在细胞内或分泌到细胞外显示各自的特定功能。
从上述核糖体在蛋白质合成中的功能可以看出
核糖体催化两个共价键的化学反应：肽链延伸阶段
的肽键的形成和终止阶段的酯键的水解，但化学反
应机理尚不十分清楚。在肽链延伸中，氨酰-tRNA
如何正确地识别其携带的氨基酸的密码子，同时避
免其他氨酰-tRNA 或释放因子识别这个密码子而产
生错酰化或产生未成熟的多肽链。这类问题许多科
学家经过数十年的广泛研究积累了一些生化实验数
据，但其确切的化学机理还很模糊。另外，已知
大多数的抗生素都是作用于核糖体上，抑制蛋白质
合成，其作用机理有待进一步研究。
要弄清上述问题，必须使用高分辨率的X射线
衍射法对结晶核糖体和它的亚基以及其重要功能的
核糖体复合物进行细致的研究。
2　核糖体立体结构的探索
用 X 射线衍射法对核糖体立体结构进行分析，
首先要得到适于X 射线分析的核糖体晶体。制备核
糖体晶体是一项难度很大的工作，因为到目前制备
一种结构复杂的蛋白质晶体(例如一种膜蛋白的晶体)
已经是很艰难了；何况核糖体是远比任何一种蛋白
质都大得多的包括几十种蛋白质和几种RNA高度复
杂的复合物。
一些植物病毒(如TMV)和细菌病毒(噬菌体)也
是由蛋白质和核酸组成的复合物。它们比较容易得
到晶体，因为这些病毒都是核酸为内核，蛋白为外
壳，均一的，形状非常对称的复合物。这种复合物
的晶体也容易进行X 射线衍射分析。
与病毒不同，核糖体是由蛋白质和 RN A 缠绕
在一起的一种高度不对称的复合物，因此，要得到
晶体就非常困难。20 世纪80 年代以前，全世界有
多家实验室尝试细菌核糖体的结晶。当时科学家并
不知道，这样复杂的核糖体最终能否结晶出来，并
能进行3 Å 以下高分辨率X 射线衍射分析。
1980年，以色列女科学家约纳特及同事首次报
告一种嗜热杆菌(Bacillus stearothermophilus)核糖体
50S 亚基晶体的X 射线衍射分析结果，可视为核糖
体晶体X 射线分析的一项重大突破[9]。至此，核糖
体晶体学有了重大意义的进展。但是，直到 20 世
纪80 年代末这10 年间，几家实验室对几种完整核
糖体和亚基晶体的X射线分析，其分辨率都在10 Å
左右。遗憾的是，在这个水平上还不能构建核糖体
的原子模型。后来，约纳特对细心制备出的质量好
的细菌核糖体50S亚基晶体进行X射线分析达到3 Å
的高分辨率。20 世纪80 年代，约纳特实验室对细
菌核糖体的两个亚基的高分辨率的X射线分析达到
了这个领域的领先水平。由于当时几项X 射线衍射
技术问题得不到解决，最终完善地解析精细的核糖
体三维结构又花了近10 年时间。
1991年，约纳特等对一种古细菌(H.marismorcui)
的核糖体50S 亚基晶体进行X 射线衍射分析超过了
3 Å 分辨率。施泰茨及同事首先解决了对这种细菌
50S 亚基晶体X 射线分析中一个重要的“相位”问
题(phase problem)。这是当时核糖体X射线分析工
作中的一项重大难题。为此，他们使用了冰冻电子
显微镜等技术。这些技术应用于X 射线对核糖体晶
体结构的分析，标志着已接近最终解析核糖体亚基
及完整核糖体的晶体结构。
2000年，施泰茨及同事在2.4 Å水平上分析了
这种细菌核糖体50S亚基的结构，拉马克里希南在
3.0 Å水平上报告了嗜热细菌(T. thermophilus)30S亚
基的结构图。同年，约纳特报告了对这个小亚基
(30S)进行3.3 Å的分析结果。两家实验室的分析结
果表明，这个30S亚基总的结构非常相似，仅在原
子水平上有细微差异。2001 年，约纳特实验室在
3.3 Å水平上的实验结果解决了这方面的差别。
在这以后的几年，其他实验室(如加州大学Noller
实验室)也先后报告在相当高的分辨率(3.5－5.5 Å)
水平上分析细菌完整核糖体(70S)三维结构的实验结
果。
1990—2000年，美国耶鲁大学的施泰茨和在英
国剑桥工作的美籍印度科学家拉马克里希南对用X
射线解析细菌核糖体三维结构的技术问题都做出了
重要的贡献。他们和以色列科学家约纳特最终绘制
出一种细菌完整核糖体及亚基三维结构图(图 3)。
最终，他们三人分享了 2009 年度诺贝尔化学奖。
3　肽键的形成和肽基转移酶
蛋白质合成中重要的化学反应就是肽键的形
成。两种tRNA (氨酰-tRNA 和肽酰-tRNA)的 3端
在核糖体的A 位和P 位处于非常接近的地位，在肽
基转移酶的催化下形成肽键。在这个过程中不需要
同时水解核苷三磷酸供给能量，因为肽酰-tRNA 的
酯键中已经包含了由ATP水解而来的高能量。许多
生化实验积累的资料说明核糖体RNA 在肽键形成中
775第6期 刘望夷：细菌核糖体的结构和功能
发挥重要作用。X 射线分析核糖体三维结构的结果
证明，核糖体 RNA 不仅是核糖体骨架结构，而且
是功能的关键组分。最明显的例子是，肽基转移酶
几乎完全由核糖体50S 亚基的RNA 组成(图 2)。在
小亚基(30S )中 RNA 也发挥着重要的作用。说明
RNA 具有重要活性的另一个事实是多数蛋白质都位
于核糖体的边缘，而 RN A 却位于其内部。一部分
蛋白质也参入核糖体内部起着支持 RN A 的骨架作
用。由此看来，现代的核糖体可能起源于原始的蛋
白质合成机器(RNA)，以后逐渐添加蛋白质以提高
核糖体的蛋白质合成效率。已有实验证明，除去
80% 左右蛋白质的核糖体仍保持肽键形成的活性。
而在重要位置上，核糖体 RNA 中丢失一个腺嘌呤，
或者切断一个磷酸二酯键，核糖体就完全丧失活性。
X 射线分析结果表明，在肽基转移酶活性中心
附近约18 Å 距离内没有氨基酸。对含有 mRNA 和
氨酰-tRNA 的核糖体复合物进行分析的结果表明，
核糖体蛋白质 L26 的氨基端接近肽基转移酶中心，
也参与催化作用。除去L26蛋白氨基端9个氨基酸，
则核糖体的肽基转移酶活性大大降低，但仍有30%－
50% 的活性。实验证明，这个蛋白质虽然参与蛋白
质合成，但并不是肽基转移酶的重要组分。这个蛋
白质是惟一的一个接近酶活性中心的蛋白质，可见
核糖体 RNA 是催化肽键形成的基本物质。
细菌核糖体大亚基23S RNA 如何催化肽键形
成？尽管核糖体精细的三维结构已经绘制出来，对
这样一个动态的化学反应过程的了解，目前还不是
非常清楚。但是，一些蛛丝马迹亦开始显露出来。
有可能的是，处在核糖体 A 位和 P 位上两个 tRNA
的 3-CCA 和 23S RNA 中的碱基形成互补碱基对来
协调氨酰-tRNA的α-氨基攻击肽基-tRNA C端氨基
酸的羰基。这样看来，两个底物安置的非常接近，
有利于发生高效率的化学反应。
到2000年，细菌核糖体50S亚基高分辨率(~2.5 Å)
精细的原子图像阐明之后，为最终解决肽键形成奠
定了坚实的三维结构基础。但是肽键形成过程中发
生的化学反应还要应用物理化学和计算化学的原理
进行探讨。目前，似有实验结果证明，P 位上结
图3 细菌核糖体及亚基三维结构图[10]
776 生命科学 第21卷
合的肽基-tRNA 上3端腺苷的2OH质子的穿梭过程
发生在肽键的形成中(图4)。
图4 肽基转移酶催化的化学反应过程[11]
用作药物；有的仅抑制细菌生长对人体无害，可以
作为药物。抗生素杀死细菌的机理有许多不同的类
型。其中约有半数抗生素作用于细菌的翻译机器—
—核糖体。一般来说，这些抗生素分别在蛋白合成
的不同阶段与核糖体的不同组分相结合，其结果是
抑制这个组分的功能。因此，抗生素在研究蛋白质
合成机理中是一种很有用的工具。
例如，嘌呤霉素是一种广泛用于研究蛋白质合
成机理的抗生素。它与原核或真核细胞核糖体A位
结合。因为其化学结构与氨酰-tRNA 的3端非常相
似，它就结合在A 位取代氨酰-tRNA 接受P 位上肽
基-tRNA 的肽基，使蛋白质合成不能继续延伸下去
而终止。肽链就脱离A 位离开核糖体。这样合成的
短肽，其 C 端为嘌呤霉素。
其他抗生素则分别作用于核糖体的其他部位，
如多肽链的出口通道、肽基转移酶中心等。
关于核糖体研究比较详细的介绍，请参阅文献
[10,12]。
5　一类作用于核糖体的酶活性蛋白质——核糖体失
活蛋白
植物根、茎、叶和果实以及少数藻类、真
菌和细菌中广泛存在的一类蛋白质也作用于核糖体
使其失活，这类蛋白质称为核糖体失活蛋白
(ribosome-inactivating protein,RIP)。根据它们的化学
结构和基因结构，这类蛋白质可以分为三个类型：
类型I，一般具有RNA N- 糖苷酶或RNase 活性的
单链蛋白质称单链RIP。类型II，由两条不相同的
蛋白质链(A，B 链)通过一个二硫键组成双链RIP。
其A 链具有RNA N- 糖苷酶活性，而B 链则是一个
含多糖的凝聚素。B 链可以识别动物细胞膜上的受
体多糖链，并在细胞膜上穿孔，将 A 链导入细胞。
这种活性依赖于 B 链的特定氨基酸序列，也就是
说，B 链的这种特殊氨基酸序列的有无和变化决定
了II 型 RIP 的毒性大小，有的毒性很大，有的则
毒性很小甚至没有毒性。A 链进入细胞后作用对象
就是核糖体，使其丧失合成蛋白质的活性。类型
III，包括N端的RNA N- 糖苷酶结构域和C端一段
未知功能的多肽链。这类蛋白质目前知道的较少(图
5)[13]。在这三个类型的RIP 中，研究得最早最多的
是单链RIP——α-sarcin和天花粉蛋白(trichosanthin)，
以及双链 RIP 蓖麻毒蛋白(ricin)和辛纳毒蛋白
(cinnamomin)。
RIP失活核糖体的化学机理，研究得最早的是
4　核糖体与抗生素
第一个抗生素(青霉素)是20世纪中叶发现的，
它强烈抑制结核菌等细菌的生长，是治疗人肺结核
病和其他细菌感染的疾病的有效药物。青霉素的发
现和应用，拯救了千万人的生命。此后，人们陆
续发现了数百种抗生素，但并非所有的抗生素都能
用于治疗人的疾病。原因是有的对人体有害，不能
777第6期 刘望夷：细菌核糖体的结构和功能
图5 三种类型的RIP的结构[13]
α-sarcin。这个毒蛋白专一水解核糖体大亚基RNA
(23S或28S)结构域VI中一个小的S/R茎环区中一个
磷酸二酯键(大鼠28S RNA中为G4325-A4326)(图6A,
B)，就可以使核糖体的活性完全丧失。这个RIP是
一种水解活性非常专一的RNase 型的RNA 水解酶。
rRNA 中一个磷酸二酯键的断裂，核糖体就完全失
活，可见，核糖体 RNA 在蛋白质合成中的重要性。
天花粉蛋白可以引起中期妊娠流产，是我国科
学家从中国传统引产药物栝楼(Trichosanthes kirilowii)
的块根提取制备的天花粉制剂中分离出来的一个有
效成分。这种蛋白质单独也可以引起中期妊娠流产[14]。
它也是一种单链RIP，可以失活核糖体。它失活核
糖体的化学机理与II型RIP的A链相同，即具有RNA
N-糖苷酶活性[15]，但这种酶活性与其中期妊娠流产
活性之间的关系，目前尚不清楚。
在II型核糖体失活蛋白中研究得最早最多的是
蓖麻毒蛋白。它是从蓖麻(Ricinus communis L.)种
子中分离出的一种双链 RIP，含有 A、B 两条多肽
链，由一个二硫键连接在一起。它的A 链表现RNA
N-糖苷酶活性，专一水解核糖体大亚基28S RNA靠
近3端的S/R环中一个保守腺苷酸的N-C糖苷键(在
大鼠28S RNA 中为A4324)，除去一个腺嘌呤碱基，
使核糖体完全丧失活性(图6A,B)。蓖麻毒蛋白毒性
很强。
辛纳毒蛋白是研究得较多的第2 个II 型 RIP。
它是作者研究组从樟树(C.camphora)成熟种子中分离
出的一种新的II型 RIP(图7)。它有A、B两条多肽
链。A 链具有 RNA N- 糖苷酶的活性，其作用机
理与蓖麻毒蛋白 A 链相同[13]，辛纳毒蛋白毒性很
图6 S/R结构域
A：大鼠S/R茎环区[16] ；B：α-sarcin 和 RNA N- 糖苷酶作
用位点[13] ；C：大鼠和大肠杆菌S/R结构域三维结构图[17](绿
色链为大鼠S/R 结构域；红色链为大肠杆菌S/R 结构域)
778 生命科学 第21卷
小，可以认为是一种无毒 R I P。所以，樟树成熟
种子可被鸟类等动物食用。对II型RIP的深入研究
发现，这类蛋白质的毒性决定于它们B 链中的两段
氨基酸序列。根据这些序列的有无和变化，它们对
细胞的毒性也表现很大差异。II型 RIP可以是毒蛋
白，也可以是无毒蛋白。II型 RIP的 A链在无细胞
制剂中的RNA N- 糖苷酶活性基本上相同[18]。
到目前为止，分离出的RIP绝大多数来源于高
等植物的根茎叶组织。作者实验室第一次从海藻类
植物——海带(Lamjnaria japonica)中分离出一种单
链RIP(lamjapin)，其作用位点除水解大鼠28S RNA
的 S/R结构域中的4324位腺苷酸的N-C糖苷键，释
放一个腺嘌呤碱基以外，在28S RNA 上还有其他多
个位点。其生物学意义尚不清楚[19]。
另外，作者研究组从侧柏树(Biota orientalis)成
熟种子中还分离出另一种与α-sarcin作用机理相似
的RNase型的RIP(Biota orientalis RNase)[20]，其作
用位点不在S/R结构域，而水解28S RNA 更接近其
图7 辛纳毒蛋白的基因和化学结构图[13]
O: 甘露糖; ◇: GlcNAC; △: 木酮糖; : Tyr75和Tyr115; ●: Glu167; ▲: Arg170; ◆: Trp201
3端的C4453-A4454间的一个磷酸二酯键，得到一
段比 R 片段更小的 S 片段(图 8)，使核糖体失活。
关于RNA N- 糖苷酶除去28S RNA 的 S/R 结构
域中一个腺嘌呤就能使核糖体完全失活的分子机
理，作者实验室也进行了深入的研究。大鼠核糖体
28S RNA 的 A4324 位除去一个腺嘌呤碱基后，其相
应核糖的 C1 位出现一个活泼醛基。我们用硼氢化
钠还原这个活泼醛基为羟基后，核糖体合成蛋白质
的活性可以恢复到60%，说明这个活泼醛基是使核
糖体失活的重要原因[21]。
RIP(RNA N- 糖苷酶)不仅能在28S rRNA 脱去
一个腺嘌呤使核糖体失活，而且能在DNA分子上除
去腺嘌呤[22,23]，使超螺旋DNA解旋(图 9)。RNA N-
糖苷酶还可以杀死肿瘤细胞[24]，可望用于治疗肿瘤
疾病。
6　展望
科学家应用高分辨率X-射线衍射技术在原子水
平上绘制出了核糖体精细的三维结构。这项重大成
图8 Biota orientalis RNase 在大鼠28S rRNA上的作用位点[20]
779第6期 刘望夷：细菌核糖体的结构和功能
果进一步为研究蛋白质合成的分子机理提供了坚实
的结构基础；但是，蛋白质合成中肽键的形成和酯
键的水解都是动态的化学反应，只有核糖体清晰的
结构面貌还不能完全解决问题。要从根本上阐明这
两个化学反应的机理，还必须结合物理化学和计算
化学原理进行研究。
抗生素用于治疗细菌感染的疾病已经有几十年
的历史了，到今天细菌的抗药性已显得非常突出。
大多数抗生素作用于细菌核糖体，阐明了核糖体的
立体结构，为筛选新的抗生素，改造已有的抗生
素，甚至人工合成自然界不存在的抗生素提供了可
靠的结构基础，并为解决细菌抗药性开辟了广阔的
前景。
目前已知的核糖体失活蛋白(RIP)专一水解核糖
体大亚基最大的RNA 中 S/R 结构域中一个保守的腺
苷酸的N-C糖苷键或一个特定的磷酸二酯键，使核
图9 RNA N-糖苷酶解旋超螺旋DNA的分子机理图[23]
糖体完全丧失合成蛋白的活性。根据RIP的这种酶
的专一性，可以将它们固相化在某种肿瘤细胞特有
的细胞膜蛋白受体的抗体上，作为“生物导弹”定
向地瞄准并进入靶细胞——肿瘤细胞，使其核糖体
丧失活性，杀死肿瘤细胞，缓解患者的病痛甚至治
愈疾病。
[参　考　文　献]
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