核糖体

精細結構研究

早在20世紀70年代初期，人們已開始著手了解核糖體整體的分子結構。
21世紀初，在人們有能力對亞顯微結構進行高解析度的研究後，描述核糖體結構的精確度達到十分之一奈米。
2000年，最初幾份關於核糖體原子級結構的論文連續發表：最先公布的是屬於古菌中的死海鹽盒菌（Haloarcula marismortui）核糖體50S次單元的結構圖和屬於細菌中的抗輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans）。不久之後，屬於嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）核糖體30S次單元的結構圖也被公布。緊接著，又有一份更精細的結構圖被公布。九年後，文卡特拉曼·拉馬克里希南、托馬斯·施泰茨和阿達·約納特因為確定這些核糖體的詳細結構和機制而被授予2009年諾貝爾化學獎。2001年5月，上述幾份結構坐標被用於重現精確到5.5Å的嗜熱棲熱菌完整的70S核糖體分子結構。
兩份關於大腸桿菌（Escherichia coli）的70S核糖體結構的論文則於2005年被發表。論文中描述了使用X射線晶體學方面的技術獲得解析度高達3.5Å的中空核糖體（未結合mRNA或tRNA的核糖體）的結構。在該篇論文發表兩周後，一份基於冷電子顯微鏡技術的結構圖被公布，該圖以11-15Å的解析度描繪了核糖體中一條剛合成的肽鏈被輸入蛋白質輸出通道（protein-conducting channel）的畫面。一年之後，結合了mRNA和tRNA的核糖體的原子級結構圖由兩個研究小組分別以2.8Å的解析度及3.7Å的解析度獨立繪出。這些結構圖使人們最終看到嗜熱棲熱菌核糖體與在該核糖體經典區域中結合的mRNA、tRNA一起反應的細節。過了不久，核糖體與一些含有夏因-達爾加諾序列的長鏈mRNA的反應也被在4.5-5.5Å的解析度下可視化。
在2011年，第一個從酵母中的釀酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）的真核生物80S核糖體的完整的原子結構由晶體衍射獲得。該模型揭示了真核生物特有要素的結構以及它們與普遍保存內核的相互作用。

核糖體自組裝

在細菌細胞中，核糖體是通過對多個rDNA的操縱組的轉錄在細胞質中合成的。
在真核細胞中，核糖體的合成主要發生在細胞核的核仁（細胞核中的一個區域）里。在該區域中，rDNA轉錄產生的45S rRNA前體（rRNA的前體分子）與從細胞質中運來的蛋白質結合形成80S rRNP前體，80S rRNP前體再經過加工（其中的45S rRNA前體被RNA酶裂解成5.8S rRNA、18S rRNA及28Sr RNA的較小的rRNA片段），在5-10min內剪切成32S rRNP和20S rRNP。20S rRNP在5min內再經加工形成12S rRNP，率先裝配成40S核糖體次單元。32S rRNP在經加工剪切為28S rRNP及5.8S rRNP後，需耗費約30min才能與在核仁外合成的5S rRNA（5S rDNA不定位在核仁組織區）共同裝配成60S核糖體次單元。大小次單元經核孔排入細胞質後，裝配成核糖體。
核糖體一般的合成過程需要超過200種蛋白質的協同配合來完成聚合、加工核糖體內的4個rRNA，以及將rRNA和多種核糖體蛋白捆綁、組裝在一起。

大小次單元的聚合與解聚

大小次單元在細胞質中可分離存在，但兩者嵌合成完整核糖體後才具備轉譯能力。
當Mg²⁺的濃度為10mmol/L時，大小次單元聚合；Mg²⁺的濃度降至0.1mmol/L時，大小次單元則會發生解聚。

分布及分布狀態

在真核細胞中，細胞質核糖體以其分布狀態分為游離核糖體（free ribosome）與膜結合核糖體（membrane-bound ribosome）兩類。同一種生物的游離核糖體與膜結合核糖體在結構上是沒有區別的，它們的不同只在於兩者在細胞中分布位置上的差異。

游離核糖體

約70%的細胞質核糖體處於游離狀態，這些懸浮在細胞質基質中的核糖體稱為「游離核糖體」。游離核糖體幾乎可以在細胞質基質中沿細胞骨架任意移動。在游離核糖體上合成的蛋白質會直接釋放到細胞質基質中，這些蛋白質只能用於構成該細胞自身結構（稱為內源性蛋白，如肌紅素或肌纖維蛋白等）。
由於細胞質在整體上處於還原氛中且常含有高濃度的穀胱甘肽，所以具有二硫鍵的蛋白質（二硫鍵由半胱胺酸殘基形成）不能在游離核糖體中合成。

狀態轉換

一個核糖體是處於游離態還是膜結合態僅僅取決於它們正在轉譯的mRNA單鏈首端第一個三聯體密碼子（AUG）之後是否有一段「內質網靶向信號序列」（ER-targeting signal sequence，長度約為45-90nt），該序列經核糖體轉譯，能得到長度約為16-26個胺基酸的多肽片段（稱為「信號肽」，signal peptide），這種合成了信號肽的核糖體在肽鏈延伸約80個胺基酸殘基後將進入膜結合態，附著在內質網上。
核糖體轉譯出的信號肽暴露在細胞質基質中，會被訊息確認顆粒（Signal Recognition Particle，簡稱SRP）識別結合，SRP能以其類似tRNA分子的構型占據核糖體的A位點，使核糖體轉譯暫時停止。SPR可識別糙面內質網膜上相應的SRP受體（又稱停泊蛋白，docking proteins），而SRP受體又能使核糖體通過它與內質網上的易位子（translocon）相連。當核糖體停止浮動後，SRP便與其受體分離，但核糖體將仍粘附在內置網膜上開始繼續轉譯，延伸的肽鏈則穿過易位子中的通道進入糙面內質網腔。

膜結合核糖體

另一些粘附在內質網的膜上或核膜上的核糖體稱為「膜結合核糖體」。當一個核糖體開始形成一些其他胞器中需要利用到的蛋白質時，這類核糖體可以與相應胞器的胞器膜相結合，成為膜結合核糖體。在真核細胞中，這一過程發生在一類稱為糙面內質網的內質網上。正在延伸中的肽鏈會不斷地被膜結合核糖體透過內質網膜注入內質網腔中，再以囊泡的形式通過分泌途徑（Secretory pathway）輸送到的其他部位。膜結合核糖體既可以合成在細胞內被利用的蛋白質，也可以合成需要通過胞吐排出細胞的分泌蛋白（又稱為「外輸性蛋白質」，如抗體、蛋白質類激素等）。

聚核糖體

常見多個核糖體排列成螺紋狀或念珠狀，一起沿著一條mRNA單鏈進行轉譯。這種由一個mRNA串起來的多個核糖體的結構被稱為「聚核糖體」或「多聚核糖體」，它可以提高mRNA的轉譯效率。

相關組分

解離從細胞內分離得到的核糖體除了能得到其本身包含的多種較難脫離的、屬於核糖體蛋白質的分子（稱為「真核糖體蛋白質」，real ribosomal proteins）外，還可以得到附著在核糖體上的其他蛋白質（稱為「核糖體相關蛋白質」，proteins associated with ribosome，簡稱「PAR」）。這些不是核糖體實際組分的分子主要為參與轉譯過程但並非核糖體組成部分的轉譯因子，容易被洗脫。

結構

核糖體都由一大一小兩個次單元構成，這兩個次單元中各具有為合成中的肽鏈、mRNA、tRNA及轉譯因子等分子提供的特殊的結構。核糖體大次單元與小次單元之間存在稱為「橋」的接觸面，總共有12對橋將大、小次單元連接起來，它們還起到大、小次單元間傳遞資訊的作用。70S核糖體的這些橋中，除了3對橋中包含了RP，其餘的橋都由rRNA組成。rRNA橋主要由16S rRNA小溝與23S rRNA小溝之間的相互作用來建立。rRNA-RP橋則通過蛋白質識別RNA結構而實現。

核糖體大次單元

核糖體大次單元外側邊緣有三個較明顯的凸起，凸起之間有兩處凹陷。大次單元內部有一條起源於肽醯轉移酶中心附近，橫貫大次單元的、為合成中的肽鏈提供的狹長通道（稱為「肽鏈輸出通道」），這條通道長約35aa（約8.5nm）。各種原核生物50S大次單元肽鏈輸出通道的孔徑大小並不完全相同（孔徑最大約2nm，最小約1nm），主要由23S rRNA構成，同時需要一些RP（如L4、L22、L39等）輔助成形。有研究認為該通道具有動態的結構，不僅能與新生肽鏈中的效應模體相互作用調節轉譯效率，而且能夠調節通過通道的多肽鏈的共轉譯摺疊及轉譯後修飾。

核糖體小次單元

核糖體小次單元大致呈扁弧形，一面也有凹陷。在小次單元一端約三分之一處有一條為mRNA穿過提供的凹槽（也稱為小次單元的「頸部」），該凹槽處的空間局限使得mRNA的解碼區呈現U形轉角構象。
在進行轉譯前，兩個游離的次單元結合在一起，協同轉譯夾在兩者之間的mRNA鏈。

工作過程

原核細胞與真核細胞中進行的轉譯過程並不完全相同，大致可分為被原核轉譯、真核轉譯與古菌轉譯三種類型。這三種類型轉譯步驟基本相同，但這幾種轉譯中利用的的核糖體、mRNA及tRNA等在結構上有一定差異，且各需要一套轉譯因子系統的參與（其中真核轉譯中涉及的生物大分子約有200種）。
由核糖體主導的轉譯主要可分為起始、延伸、終止及再循環4個步驟。
核糖體對mRNA的轉譯過程是迅速且準確的。在37℃時，細菌細胞內合成肽鏈的速度約為每秒連接15個胺基酸。當其合成速度達到每秒連接1000個胺基酸時，錯誤率約為十萬分之一。

肽鏈延伸

轉譯起始後，核糖體沿mRNA鏈由5'端朝3'端移動。從起始密碼子處開始，核糖體利用具有與當前正在轉譯的密碼子相對應的反密碼子的氨醯-tRNA攜帶的胺基酸合成肽鏈。核糖體每轉譯一個三聯體密碼子就為延伸中的肽鏈的C端添加一分子胺基酸，其自身也同時順著mRNA單股移動一段距離。
肽鏈延伸階段是一個不斷循環進行的過程（直至核糖體到達終止密碼子處）。該階段可再細分為進位、成肽和移位三個步驟。真核及原核轉譯延伸階段的不同主要在於各自延伸因子體系的不同：已發現的原核延伸因子有3種，古菌延伸因子有2種，真核延伸因子有2種。

轉肽

核糖體的肽醯轉移酶催化位於核糖體P位的tRNA上運載的甲醯甲硫氨醯基或肽醯基轉移到A位內剛進入核糖體的新胺基醯-tRNA轉運的胺基酸上，使前者的羧基與後者的胺基之間脫水縮合形成肽鍵。此步驟稱為「轉肽」（transpeptidation）。
轉肽步驟完全由核糖體大次單元內的核酶催化完成。在轉肽這一步驟中生成的肽醯-tRNA將占據核糖體A位，而P位中剛卸載甲醯甲硫氨醯基或肽醯基的空載tRNA則將進入核糖體的E位。

移位

EF-G將位於核糖體A位的tRNA推入P位的步驟稱為「移位」。
EF-G具有轉位酶活性，能催化GTP水解提供能量，推動處於核糖體A位的肽醯-tRNA，使之進入P位（同時使P位中的tRNA進入E位、並使E位的tRNA排出核糖體），核糖體也沿mRNA移動一個密碼子。核糖體移位後，其A位將再次空出，為新胺基醯-tRNA進位提供空間。
在肽鏈延伸的過程中，上述三個步驟是重複循環的。循環每完成一次，肽鏈的C端便加入一個胺基酸分子，直至轉譯進入終止階段。

聯讀轉譯

轉譯終止失敗可能導致核糖體越過終止密碼子，朝mRNA的3'端繼續轉譯，這種現象稱為「聯讀轉譯」（read-through translation）。已發現多種mRNA聯讀轉譯的產物達到可檢測的水平。許多具有重要生理意義的蛋白質就是通過這種方式合成的。

核糖體再循環

核糖體再循環是核糖體參與的轉譯中的最後一個過程。在該過程中，核糖體複合物發生解體，以便投入下一次使用。該過程是在核糖體再循環因子（RRF）和參與蛋白質合成過程中轉位的延伸因子（EF-G）的協同作用下完成的。核糖體在其再循環過程中由RRF的結構域Ⅰ識別結合核糖體的功能。RRF的結構域Ⅱ則具有將核糖體解離為大、小次單元的能力。

功能抑制

化學藥劑師如今已可以利用細菌與真核生物（如人類）細胞中核糖體結構的差異來提取或合成能抵抗細菌感染而不損傷受感染者自身細胞的抗生素（如胺基糖苷類抗生素、四環素類抗生素等蛋白質合成抑制劑類抗生素），這類抗生素能抑制感染患者的病原體微生物的細胞內的蛋白質合成。基於70S核糖體與80S核糖體結構上的不同，細菌細胞中的70S核糖體較容易受到某些抗生素的損害而真核細胞中的80S核糖體卻可以不受影響。雖然一些真核生物的粒線體中也含有類似細菌核糖體的70S核糖體，但粒線體擁有具有一定選擇透過性、使這些抗生素不能隨意透過的雙層磷脂雙分子膜，所以這些胞器也可以避免該類抗生素對其中核糖體的影響。