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

🧠 リボソームは「小サブユニットsmall subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（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・Eの3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RNAribosomal RNA リボソームRNA（ribosomal RNA）ribosomal RNA（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small subunit小サブユニット（small subunit）small subunit（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small subunit小サブユニット（small subunit）small subunit（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

💡 ペプチド結合を触媒しているのはタンパク質ではなくrRNAである（リボソームはリボザイム ribozymeリボザイム（ribozyme） ribozyme（リボザイム））。 大サブユニットの結晶構造 crystal structure 結晶構造（crystal structure） crystal structure（結晶構造） で基質類似体の周囲を調べると、接触しているのは23S rRNAドメインVの保存残基だけで、形成されるペプチド結合から約18Å以内にタンパク質の側鎖原子は1つも無い¹。「大サブユニットが触媒する」と書くとタンパク質酵素を想像しがちだが、リボソームタンパク質は足場 scaffold 足場（scaffold） scaffold（足場） と安定化に回っており、ペプチジル転移中心は全てRNARNA（ribonucleic acid）でできている。

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small subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（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

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small subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（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

💡 リボソームタンパク質の名前は2014年に付け替えられている。 従来の「S1〜S21／L1〜L36」は種ごとに独立して番号が振られたため、同じ名前が別系統のタンパク質を指す混乱があった。2014年の統一命名法 Nomenclature 命名法（Nomenclature） Nomenclature（命名法） では相同なタンパク質には種を問わず同じ名前を与え、全生物共通のものに u（universal、uS7・uL2など）、細菌固有に b、真核固有に e の接頭辞を付ける²。旧名も併記されることが多いので、新旧どちらの表記も読めるようにしておく。

💡 ヒトリボソームは高分解能 high resolution, HR 高分解能（high resolution, HR） high resolution, HR（高分解能） 構造解析で「化学修飾chemical modification 化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾） まで見える」段階に来ている。 2024年に報告された1.9Å分解能のクライオ電顕 electron microscopy, EM 電顕（electron microscopy, EM） electron microscopy, EM（電顕） 構造では、rRNA上の230部位を超える化学修飾 chemical modification化学修飾（chemical modification） chemical modification（化学修飾）（2′-O-メチル化・シュードウリジンpseudouridineシュードウリジン（pseudouridine）pseudouridine（シュードウリジン）・塩基修飾modification of bases塩基修飾（modification of bases）modification of bases（塩基修飾））と、Zn²⁺・K⁺・Mg²⁺といった機能的イオンとその水和 hydration 水和（hydration） hydration（水和） 水までが同定された³。rRNAの修飾はサブユニット界面や機能中心の相互作用を作っており、単なる飾りではない。

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：

→ 加えて、主に小サブユニット small subunit 小サブユニット（small subunit） small subunit（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：

1. 単一のmRNA分子を複数のリボソームが同時に翻訳する
2. 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）：

→ 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。

⚠️ 「IF-3の量で決まる」だけでは、終結後にリボソームがmRNAから外れる仕組みを説明しきれない。 上の記述はIF-3が解離状態を安定化する（再会合を防ぐ）側面を捉えているが、終結後複合体を実際に割るのは別の専用因子である。

細菌のRRFはtRNAの分子擬態 molecular mimicry 分子擬態（molecular mimicry） molecular mimicry（分子擬態） であり、これがリボソームに「もう1回転位する」と誤認させてEF-Gに複合体を割らせる、と理解すると覚えやすい。

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small subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（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tRNA aminoacyl-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 site P部位（P site） P site（P部位） （ペプチジルtRNApeptidyl-tRNAペプチジルtRNA（peptidyl-tRNA）peptidyl-tRNA（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。ただし終結後複合体を実際に解体するのは細菌ではRRF＋EF-G＋GTP＋IF3、真核ではABCE1という専用因子である⁴⁵。
• ペプチド結合形成の触媒中心 catalytic center 触媒中心（catalytic center） catalytic center（触媒中心） は23S rRNAだけでできており（リボソーム＝リボザイム ribozymeリボザイム（ribozyme） ribozyme（リボザイム））、リボソームタンパク質は2014年に全生物共通の命名法 Nomenclature 命名法（Nomenclature） Nomenclature（命名法） へ整理された¹²。