Molecular Cell Biology · 24

原核・真核リボソームの構造；リボソームサイクル；tRNAのリボソームへの結合

The structure of prokaryotic and eukaryotic ribosomes; the ribosome cycle; binding of tRNA to ribosomes

🧠 リボソームは「小サブユニット＝コドン読み取り装置、大サブユニット＝ペプチド結合触媒装置」という機能分業を持ち、翻訳していない時は解離し翻訳中のみ会合する「使い捨てではない一時的複合体」である。 A・P・E3部位（アミノアシルaminoacylアミノアシル（aminoacyl）aminoacyl（アミノアシル）→ペプチジル→出口）というtRNA結合部位のリレー、そして複数のリボソームが1本のmRNAを同時翻訳するポリソームpolysome/polyribosomeポリソーム（polysome/polyribosome）polysome/polyribosome（ポリソーム）構造とmRNAの環状化（PABP-eIF4連結）が、翻訳効率を最大化する2つの工夫として働く。

リボソームとは

リボソームはタンパク質合成を行う——生物学的タンパク質合成の場として機能する複雑な触媒機械である。リボソームRNA（rRNA）と50種以上の異なるタンパク質（リボソームタンパク質）から構成される。リボソームタンパク質＋rRNAは、大きさの異なる2つのリボソーム部品——大サブユニット＋小サブユニットに組織化されている。リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は核小体で構築される。

S（スヴェドベリ単位Svedberg unitスヴェドベリ単位（Svedberg unit）Svedberg unit（スヴェドベリ単位）、svedberg unit）：分子サイズmolecule size分子サイズ（molecule size）molecule size（分子サイズ）と形状に敏感なパラメータParameterパラメータ（Parameter）Parameter（パラメータ）
小サブユニットはtRNAがmRNAの正しいコドンに一致するための骨格を提供する
大サブユニットはアミノ酸同士を連結するペプチド結合の形成を触媒する
積極的にタンパク質合成をしていない時、2つのサブユニットは分離している——翻訳中にのみ複合体を形成する

原核生物リボソーム

RNAは細菌リボソームbacterial ribosomes細菌リボソーム（bacterial ribosomes）bacterial ribosomes（細菌リボソーム）の質量の約60%を占める
原核生物リボソームProkaryotic ribosome原核生物リボソーム（Prokaryotic ribosome）Prokaryotic ribosome（原核生物リボソーム）は3種の異なるrRNA分子と54個のリボソームタンパク質からなり、大・小サブユニットに組織化される
小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は16S rRNA分子からなる
大リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は23S＋5S rRNA分子からなる
組み立てられたリボソームは細菌で70S

構成要素	サイズ
原核生物リボソームProkaryotic ribosome原核生物リボソーム（Prokaryotic ribosome）Prokaryotic ribosome（原核生物リボソーム）全体	70S
大サブユニット（23S、5S rRNA）	50S
小サブユニット（16S rRNA）	30S
タンパク質総数（リボソーム全体）	54

真核生物リボソーム

RNAはヒトリボソームの質量の約50%を占める
真核生物リボソームEukaryotic ribosome真核生物リボソーム（Eukaryotic ribosome）Eukaryotic ribosome（真核生物リボソーム）は4種の異なるrRNA分子と約80個のリボソームタンパク質からなり、大・小サブユニットに組織化される
小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は18S rRNA分子からなる
大リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は28S、5.8S、5S rRNA分子からなる
組み立てられたリボソームは80S

構成要素	サイズ
真核生物リボソームEukaryotic ribosome真核生物リボソーム（Eukaryotic ribosome）Eukaryotic ribosome（真核生物リボソーム）全体	80S
大サブユニット（28S、5.8S、5S rRNA）	60S
小サブユニット（18S rRNA）	40S
タンパク質総数（リボソーム全体）	80〜82

tRNAのリボソームへの結合

リボソームは大・小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）間の空間にまたがる3つのtRNA結合部位を持つ。tRNAがリボソームに結合される部位：

部位	機能
A部位（アミノアシルtRNAaminoacyl-tRNAアミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA）aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA））	ペプチド結合形成中のタンパク質伸長のためのアクセプターacceptorアクセプター（acceptor）acceptor（アクセプター）
P部位P siteP部位（P site）P site（P部位）（ペプチジルtRNA）	成長中のポリペプチド鎖を担うtRNAの結合部位
E部位（出口、exit）	リボソームから退出する途上のtRNAが占める部位

→ 加えて、主に小サブユニット上にmRNA結合部位がある。mRNAコドン＋tRNAアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）はリボソーム内で塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）する。

ポリソーム

mRNA分子が、新生（発生し始めた/発達中の）成長中ポリペプチド鎖を担う複数のリボソームに結合している状態。典型的サイズのタンパク質を産生する単一の真核生物mRNA分子の翻訳には1〜2分かかる。細胞がタンパク質を合成できる全体の速度を増加させる2つの現象：

単一のmRNA分子を複数のリボソームが同時に翻訳する
終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）から解離した後のリボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）の迅速なリサイクル

複数コピーのPABP（ポリA結合タンパク質、poly-A-binding protein）がmRNAのポリA尾部とeIF4のGサブユニット（eIF4：真核生物開始因子4、eukaryotic initiation factor 4）の両方と相互作用する
eIF4のEサブユニットはmRNAの5′端のキャップ構造5' cap structureキャップ構造（5' cap structure）5' cap structure（キャップ構造）に結合するため、mRNA分子の両端が橋渡しされ「環状mRNA」が形成される

ポリソームpolysome/polyribosomeポリソーム（polysome/polyribosome）polysome/polyribosome（ポリソーム）の両端が比較的近接しているため：

終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）から解離したリボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）は5′端付近に位置づけられ、40Sサブユニットとその関連開始因子が5′キャップに結合したeIF4と相互作用することで再開始が容易になる
この環状経路はリボソームリサイクルとタンパク質合成の効率を高めると考えられている

flowchart TD
  A["PABPがmRNAのポリA尾部とeIF4のGサブユニットに結合"] --> B["eIF4のEサブユニットが5'キャップに結合"]
  B --> C["mRNAの両端が橋渡しされ環状mRNAが形成"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stop codon'>終止コドン</span>で解離した<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribosomal subunit'>リボソームサブユニット</span>が5'端付近に位置"]
  D --> E["40Sサブユニットが5'キャップのeIF4と相互作用し再開始"]
  E --> F["リボソームリサイクル効率↑、翻訳効率↑"]

リボソームサイクル

複数のリボソームがmRNA分子に沿って移動しながらタンパク質合成に関与し、ポリソームpolysome/polyribosomeポリソーム（polysome/polyribosome）polysome/polyribosome（ポリソーム）を形成する。

終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）において、完成したポリペプチド鎖が放出され、リボソームはmRNAを離れて終結リボソームtermination ribosome終結リボソーム（termination ribosome）termination ribosome（終結リボソーム）となる。リボソームサイクルribosome cycleリボソームサイクル（ribosome cycle）ribosome cycle（リボソームサイクル）のこの中間体は不安定で容易に解離し、一対の遊離リボソームfree ribosomes遊離リボソーム（free ribosomes）free ribosomes（遊離リボソーム）サブユニットを生じる。

これらの遊離リボソームfree ribosomes遊離リボソーム（free ribosomes）free ribosomes（遊離リボソーム）サブユニットは短命な中間体であり、2つの異なる経路を辿りうる（IF＝開始因子、initiation factor）：

経路	内容
IF-3が十分な場合	小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）がIF3に結合し、一対の安定なネイティブリボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）が生じる
IF-3が不十分な場合	遊離リボソームfree ribosomes遊離リボソーム（free ribosomes）free ribosomes（遊離リボソーム）サブユニットが高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）で会合し、比較的安定な単一のリボソームを形成する——これはリボソームサイクルribosome cycleリボソームサイクル（ribosome cycle）ribosome cycle（リボソームサイクル）の中間体としては機能しないが、遊離サブユニットへ解離すれば経路に戻ることができる

経路

内容

IF-3が十分な場合

小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）がIF3に結合し、一対の安定なネイティブリボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）が生じる

IF-3が不十分な場合

遊離リボソームfree ribosomes遊離リボソーム（free ribosomes）free ribosomes（遊離リボソーム）サブユニットが高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）で会合し、比較的安定な単一のリボソームを形成する——これはリボソームサイクルribosome cycleリボソームサイクル（ribosome cycle）ribosome cycle（リボソームサイクル）の中間体としては機能しないが、遊離サブユニットへ解離すれば経路に戻ることができる

→ mRNA上に新しい開始複合体initiation complex開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体）を形成する段階の1つで、開始因子IF-3が放出されリサイクルされる。

まとめ

原核生物リボソームProkaryotic ribosome原核生物リボソーム（Prokaryotic ribosome）Prokaryotic ribosome（原核生物リボソーム）（70S＝50S＋30S、rRNA3種＋タンパク質54個）と真核生物リボソームEukaryotic ribosome真核生物リボソーム（Eukaryotic ribosome）Eukaryotic ribosome（真核生物リボソーム）（80S＝60S＋40S、rRNA4種＋タンパク質80〜82個）は、小サブユニット（コドン読み取り）と大サブユニット（ペプチド結合触媒）という共通の機能分業を持つ。
tRNAはA部位（新規アミノアシルtRNAaminoacyl-tRNAアミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA）aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA）受け入れ）→P部位P siteP部位（P site）P site（P部位）（ペプチジルtRNA、鎖伸長）→E部位（退出）という順序でリボソームを通過する。
ポリソームpolysome/polyribosomeポリソーム（polysome/polyribosome）polysome/polyribosome（ポリソーム）は複数リボソームによる単一mRNAの同時翻訳を可能にし、PABP-eIF4によるmRNAの環状化がリボソームの効率的な再利用（5′端付近での再開始）を促進する。
リボソームサイクルribosome cycleリボソームサイクル（ribosome cycle）ribosome cycle（リボソームサイクル）は終結後の不安定な解離を経て、IF-3の有無により「安定なネイティブサブユニット対」または「単一リボソーム」のいずれかの経路を辿る。