蛋白合成工厂的内幕

刘 旸

2009年的诺贝尔化学奖是由美国的文卡特拉曼·拉马克里希南、托马斯·施泰茨和以色列的阿迭·约纳特三位科学家所获得，他们的贡献在于“对核糖体的结构和功能的研究”。

要说清核糖体的结构和功能并不容易，不妨这样说，就好比老板向你亮出张图纸，限你按时交差，你一看不要紧，上面写着的是天书一般的阿拉伯文。就在这紧要关头，突然冒出无数小工厂，内配流水线，精通双语的工人摩拳擦掌。你飞速复印来图纸，不出半小时，产品已然交付使用。这看似不可能发生的一幕其实在你体内数以兆计的小小细胞里正时时刻刻、争分夺秒地上演着。请看图1，如果说一个细胞相当于一座城池，那么中央的细胞核就是它的“宫殿”，里面住着大权在握的“老板”，它不仅把黑线团似的遗传密码DNA全锁着，还不停发号施令，让手下取了DNA复印件，去制造细胞需要的产品；而那些翻译和生产双项全能的工厂，正是城池之内宫殿之外散布的一个个小点——核糖体。

“穿珠子”的能手

核糖体有多小?500颗核糖体“小工厂”排成一排，差不多横跨一颗细胞。在一个活跃生长的细菌之城里可能有20000个这样的“小工厂”，重量是整个细胞的1／4；人体细胞中更可达到几百万个。图2是一幅真实的细胞(局部)电子显微镜照片，密密麻麻排起队列的都是核糖体，一派繁忙的劳动景象!

它们在忙活什么呢?核糖体凭着单一式样的厂房，就地取材地抓取细胞里的氨基酸零件，按DNA图纸的要求穿成不同式样的蛋白质链。正因为它们勤勤恳恳的工作，你才出落成你如今的模样：头上冒出乱莲蓬的头发，手指顶着剪不完的指甲，胃里晃荡着蛋白酶，体液里武装了抗体……

说核糖体是保量保质的“劳模”一点不为过。在疯长的细菌中，核糖体1秒之内能把20个氨基酸穿在一起；人体细胞的核糖体即便稍逊，1秒之内也能穿6～7个。更难能可贵的是质量有保障：穿100000个氨基酸，大约才出1个次品。

现在，让我们把核糖体那颗小点放大，便会发现它分大小两坨(图3)。在细茼中，小的名叫30S小亚基(下边略扁平的那部分)，大的叫50S大亚基(上边厚的部分)，总和为70S(注意，可不是算错了“加法”!因为“s”描述的是小颗粒在黏稠液体里下沉的速度，总体的下沉速度当然不是两者的简单加和)。人体里的细胞比细菌高级，核糖体也重，小的那半是40S，大的是60S，加起来是80S。这两半就是核糖体小工厂的全部家当，好像两只手掌扣在一起，小手掌将DNA复印件夹好，大的负责照图纸用氨基酸穿珠子，结果，蛋白链珠就从中央通道鱼贯而出。

还需要说明一下，人间的工厂由砖头垒成，砂浆固定：核糖体工厂把核糖核酸(RNA)当砖头，蛋白质做砂浆。两种成分显然前者为主，这是核糖体之所以为“核糖”体而不是“蛋白”体的原因。

一篇神速拿到诺奖的论文

核糖体实在太小了，研究者们根本没法看清这些个小工厂内部是如何进行生产操作的，更别提揭示其高效高质的秘诀了。难道用最先进的超高分辨率的显微镜也不行吗?的确。凡是利用光波(或者电子显微镜中的电子)放大的原理，要求光源渡长必须小于物体尺度。核糖体厂房直径20纳米，整个就被可见光给忽略掉了，更看不清细节。

1912年，德国物理学家冯·劳厄遇到了相似的挑战：他的研究对象是晶体。我们知道，晶体是同种分子以同样的姿态整齐排列而成。可是如何才能具体确定排布状况呢?显微镜没这么离精度……他一拍脑袋，x射线的波长只有0.1纳米，应该可以一窥晶体内部!他用x射线照射晶体，果然它没有忽略晶体内部细节，透过晶体发生了衍射作用，在对面的底片上曝出一个围绕中心点排布的固盘状图案(图4)。就像光透过舞厅房项的大转球，在地板上投撒出花纹一般。冯·劳厄当即撰文，论证x射线通过内部排布不同的晶体，定会衍射出不同式样的图案。

这篇论文意义之大，使他在两年后神速拿到诺贝尔物理学奖，同时也神速开启了x射线衍射技术的时代。该技术利用复杂的计算，从衍射出的圆盘图案反推晶体内部粒子排布。人们想要知道什么分子的形态，就让无数这种分子整齐排成一颗晶体，再让X射线通过晶体发生衍射，然后反推。科学家的尝试日渐别出心裁，照射对象日渐五花八门，从无机盐晶体到有机小分子，再到脂类小分子和小蛋白晶体……人们的视线就这样削尖到分子和原子的水平。

冯·劳厄一定没有料到，之后几十年，从他的理论出发，又追加了不下12个直接相关的诺贝尔奖。其中最无可比拟的，当然是DNA双螺旋结构的确定。

为核糖体拍摄“定妆照”

盐可以结晶、DNA可以结晶、蛋白质也可以结晶……那么，找个又有RNA又有蛋白质的核糖体来，用x射线照照，难道就让几位科学家获得诺贝尔奖了?

如果你了解这项工作之难就不会有这种念头了。首先，为x射线晶体衍射准备实验材料就是项极其考验技巧(甚至是运气)的工作。漂亮的盐晶体都不好获得，更别提让无数个又软又支棱八又的核糖体排成整齐漂亮的三维阵型。为了让结晶顺利，酸碱度、温度、浓度都要细细调节；有时候。需要让一丁点水花几个月甚至几年的时间慢慢蒸发；有的实验室把长晶体的环境彻底封闭起来，免得人的呼吸扰乱了晶体的生长；还有的实验室不让放摇滚乐：甚至有人开玩笑说月相和超自然力也会影响晶体形成。

结果，阿达·约纳特做到了，她在20世纪80年代成功“培育”出50S大亚基的晶体。可这才是第一步，为了让脆弱的晶体禁得住高能的x射线一照，她又花了20年时间!约纳特专门找来有一身绝活的细茵开练，比如那些75度也煮不死的，泡在死海里也成不死的细茵，想必它们体内的核糖体在x射线下也应该比较顽强。长出晶体后做进一步的加固：迅速放到液氮里冻得硬邦邦的，这样每颗核糖体的每个小部件就都动弹不得了。

把图5从左到右扫过，核糖体几十年的研究成果便一览无余：30年前的教科书上，50s大亚基是手掌状的“一坨”；20年前人们可以旋转着端详它大致的沟壑起伏；10年前细微结构在托马斯·施秦茨实验室诞生，分子盘绕之曲折尽在眼前；1年后这幅图变得凹凸有致；又过了1年简直堪称精美，上万个原子，人们都可以说出来每一个隐匿在什么地方。

我们知道，细胞内的核糖体是活的，生产流水线是飞速运转的。但在x射线晶体衍射宾验中，它们却被冻住了。这难不到聪明的结构学家，他们捕捉下无数定格图像，如同相机连拍，最终就能知道整个动作是如何完成的。通过观察其中某

些“关键动作”，拉马克里希南甚至发现了核糖体质检的秘密。原来，核糖体30S小亚基中有一段忙碌的RNA在时刻不停地进行尺寸度量，好像工人质检一样，只不过核糖体的世界不用人间的足，而是分子尺。尺寸不对，就重新来过。

现在，我们可以得出一个结论：核糖体是造蛋白用的，但是核糖体本身是蛋白质作“砂浆”垒起来的。这就沦为了“到底是先有蛋还是先有鸡”的问题。

结构学家们通过定格动作看到了流水线上的工作过程，终于给“鸡蛋问题”一个自圆其说的解释。他们发现真正干活的全是RNA。在演化的起点，核糖体工厂很可能只是RNA“砖头”所垒成，这粗放的流水线慢慢学会了合成蛋白的方法，之后整个细胞之城全面建设发展，核糖体自己也被加上蛋白质“砂浆”，这样小小的工厂就更坚固了。

让抗生素堵住细菌的核糖体

核糖体的研究能帮助我们破解生命化学工厂中的秘密，在认清生命的本质的同时，还让人类能够利用“抗生素”这一武器，抵抗细菌，保护生命。

抗生素多为小分子，它们靠堵截细菌的生长和繁殖过程而锁住细菌的黑手。半数抗生素堵的都是细茼的核糖体，有的塞住零件入口，有的挡住成品出口，让细菌没法合成蛋白，最终死掉。细菌核糖体的关键部位是如何被抗生素堵住的，也被结构生物学家精确地呈现了出来。

而所谓抗药性，最初都是由一小撮细菌燎原起来的。这些个别分子的核糖体的某个小角落，可能由于意外而发生细微的改变。在图6中，左边的一幅图是要被抗生素杀死的细菌，右边的细茵则产生了抗药性，图中的虚线代表了抗生素把核糖体嘬住、锁死的力量。区别何在?右边那幅图中的核糖体“小衬枝”明显距抗生素“小树枝”比较近，近了差不多有0.14纳米。就是这么微不足道的0.14纳米的扭动，让细菌躲过了抗生素的堵截。如果你的眼力不济，那就打个这样的比方吧：你去亲一个大鼻子的人，嘴还没碰上，先让鼻子给挡了，就是这么回事!

“上有政策下有对策，让抗生素也扭扭姿势，重新把细菌的核糖体塞住不就得了?”如果你提出这个想法，恭喜你!你的思维已经跃入当前最时髦最前沿的研究领域——“基于结构的药物设计”。

上边说的是细菌核糖体的变化，人的核糖体也会变，只不过这种变化对进化得趋于完美的人类来说来必是好事。比如阿尔茨海默氏症患者神经细胞的核糖体，就因为某些原因更容易遭到氧化修饰；而神经精神性红斑狼疮，则是因为人的免疫系统把自身核糖体上几个蛋白当靶子。如果我们拿到了这些核搪体的精密结构，就能知道如何改追它们，可以让它们逃过一劫，又不影响为细胞合成蛋白的正常功能。

当然，把细菌核糖体每个细微变化捕捉下来，不代表计算机就能为我们设计出力克各色“菌”等的万能药来；把人核糖体每个原子的底细摸得一清二楚，也不代表我们就能立刻把病人细胞修补成我们希望的样子。无论是微小的细菌还是复杂的人体，细胞的城池远比世界的城邦要难以驾驭。所以我今天没法再告诉你什么了，但或许明天可以……(文章代码：2302)