蛋白合成工廠的內(nèi)幕

劉 旸

2009年的諾貝爾化學(xué)獎是由美國的文卡特拉曼·拉馬克里希南、托馬斯·施泰茨和以色列的阿迭·約納特三位科學(xué)家所獲得，他們的貢獻在于“對核糖體的結(jié)構(gòu)和功能的研究”。

要說清核糖體的結(jié)構(gòu)和功能并不容易，不妨這樣說，就好比老板向你亮出張圖紙，限你按時交差，你一看不要緊，上面寫著的是天書一般的阿拉伯文。就在這緊要關(guān)頭，突然冒出無數(shù)小工廠，內(nèi)配流水線，精通雙語的工人摩拳擦掌。你飛速復(fù)印來圖紙，不出半小時，產(chǎn)品已然交付使用。這看似不可能發(fā)生的一幕其實在你體內(nèi)數(shù)以兆計的小小細胞里正時時刻刻、爭分奪秒地上演著。請看圖1，如果說一個細胞相當于一座城池，那么中央的細胞核就是它的“宮殿”，里面住著大權(quán)在握的“老板”，它不僅把黑線團似的遺傳密碼DNA全鎖著，還不停發(fā)號施令，讓手下取了DNA復(fù)印件，去制造細胞需要的產(chǎn)品；而那些翻譯和生產(chǎn)雙項全能的工廠，正是城池之內(nèi)宮殿之外散布的一個個小點——核糖體。

“穿珠子”的能手

核糖體有多小?500顆核糖體“小工廠”排成一排，差不多橫跨一顆細胞。在一個活躍生長的細菌之城里可能有20000個這樣的“小工廠”，重量是整個細胞的1／4；人體細胞中更可達到幾百萬個。圖2是一幅真實的細胞(局部)電子顯微鏡照片，密密麻麻排起隊列的都是核糖體，一派繁忙的勞動景象!

它們在忙活什么呢?核糖體憑著單一式樣的廠房，就地取材地抓取細胞里的氨基酸零件，按DNA圖紙的要求穿成不同式樣的蛋白質(zhì)鏈。正因為它們勤勤懇懇的工作，你才出落成你如今的模樣：頭上冒出亂蓮蓬的頭發(fā)，手指頂著剪不完的指甲，胃里晃蕩著蛋白酶，體液里武裝了抗體……

說核糖體是保量保質(zhì)的“勞?！币稽c不為過。在瘋長的細菌中，核糖體1秒之內(nèi)能把20個氨基酸穿在一起；人體細胞的核糖體即便稍遜，1秒之內(nèi)也能穿6～7個。更難能可貴的是質(zhì)量有保障：穿100000個氨基酸，大約才出1個次品。

現(xiàn)在，讓我們把核糖體那顆小點放大，便會發(fā)現(xiàn)它分大小兩坨(圖3)。在細茼中，小的名叫30S小亞基(下邊略扁平的那部分)，大的叫50S大亞基(上邊厚的部分)，總和為70S(注意，可不是算錯了“加法”!因為“s”描述的是小顆粒在黏稠液體里下沉的速度，總體的下沉速度當然不是兩者的簡單加和)。人體里的細胞比細菌高級，核糖體也重，小的那半是40S，大的是60S，加起來是80S。這兩半就是核糖體小工廠的全部家當，好像兩只手掌扣在一起，小手掌將DNA復(fù)印件夾好，大的負責照圖紙用氨基酸穿珠子，結(jié)果，蛋白鏈珠就從中央通道魚貫而出。

還需要說明一下，人間的工廠由磚頭壘成，砂漿固定：核糖體工廠把核糖核酸(RNA)當磚頭，蛋白質(zhì)做砂漿。兩種成分顯然前者為主，這是核糖體之所以為“核糖”體而不是“蛋白”體的原因。

一篇神速拿到諾獎的論文

核糖體實在太小了，研究者們根本沒法看清這些個小工廠內(nèi)部是如何進行生產(chǎn)操作的，更別提揭示其高效高質(zhì)的秘訣了。難道用最先進的超高分辨率的顯微鏡也不行嗎?的確。凡是利用光波(或者電子顯微鏡中的電子)放大的原理，要求光源渡長必須小于物體尺度。核糖體廠房直徑20納米，整個就被可見光給忽略掉了，更看不清細節(jié)。

1912年，德國物理學(xué)家馮·勞厄遇到了相似的挑戰(zhàn)：他的研究對象是晶體。我們知道，晶體是同種分子以同樣的姿態(tài)整齊排列而成?？墒侨绾尾拍芫唧w確定排布狀況呢?顯微鏡沒這么離精度……他一拍腦袋，x射線的波長只有0.1納米，應(yīng)該可以一窺晶體內(nèi)部!他用x射線照射晶體，果然它沒有忽略晶體內(nèi)部細節(jié)，透過晶體發(fā)生了衍射作用，在對面的底片上曝出一個圍繞中心點排布的固盤狀圖案(圖4)。就像光透過舞廳房項的大轉(zhuǎn)球，在地板上投撒出花紋一般。馮·勞厄當即撰文，論證x射線通過內(nèi)部排布不同的晶體，定會衍射出不同式樣的圖案。

這篇論文意義之大，使他在兩年后神速拿到諾貝爾物理學(xué)獎，同時也神速開啟了x射線衍射技術(shù)的時代。該技術(shù)利用復(fù)雜的計算，從衍射出的圓盤圖案反推晶體內(nèi)部粒子排布。人們想要知道什么分子的形態(tài)，就讓無數(shù)這種分子整齊排成一顆晶體，再讓X射線通過晶體發(fā)生衍射，然后反推?？茖W(xué)家的嘗試日漸別出心裁，照射對象日漸五花八門，從無機鹽晶體到有機小分子，再到脂類小分子和小蛋白晶體……人們的視線就這樣削尖到分子和原子的水平。

馮·勞厄一定沒有料到，之后幾十年，從他的理論出發(fā)，又追加了不下12個直接相關(guān)的諾貝爾獎。其中最無可比擬的，當然是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確定。

為核糖體拍攝“定妝照”

鹽可以結(jié)晶、DNA可以結(jié)晶、蛋白質(zhì)也可以結(jié)晶……那么，找個又有RNA又有蛋白質(zhì)的核糖體來，用x射線照照，難道就讓幾位科學(xué)家獲得諾貝爾獎了?

如果你了解這項工作之難就不會有這種念頭了。首先，為x射線晶體衍射準備實驗材料就是項極其考驗技巧(甚至是運氣)的工作。漂亮的鹽晶體都不好獲得，更別提讓無數(shù)個又軟又支棱八又的核糖體排成整齊漂亮的三維陣型。為了讓結(jié)晶順利，酸堿度、溫度、濃度都要細細調(diào)節(jié)；有時候。需要讓一丁點水花幾個月甚至幾年的時間慢慢蒸發(fā)；有的實驗室把長晶體的環(huán)境徹底封閉起來，免得人的呼吸擾亂了晶體的生長；還有的實驗室不讓放搖滾樂：甚至有人開玩笑說月相和超自然力也會影響晶體形成。

結(jié)果，阿達·約納特做到了，她在20世紀80年代成功“培育”出50S大亞基的晶體?？蛇@才是第一步，為了讓脆弱的晶體禁得住高能的x射線一照，她又花了20年時間!約納特專門找來有一身絕活的細茵開練，比如那些75度也煮不死的，泡在死海里也成不死的細茵，想必它們體內(nèi)的核糖體在x射線下也應(yīng)該比較頑強。長出晶體后做進一步的加固：迅速放到液氮里凍得硬邦邦的，這樣每顆核糖體的每個小部件就都動彈不得了。

把圖5從左到右掃過，核糖體幾十年的研究成果便一覽無余：30年前的教科書上，50s大亞基是手掌狀的“一坨”；20年前人們可以旋轉(zhuǎn)著端詳它大致的溝壑起伏；10年前細微結(jié)構(gòu)在托馬斯·施秦茨實驗室誕生，分子盤繞之曲折盡在眼前；1年后這幅圖變得凹凸有致；又過了1年簡直堪稱精美，上萬個原子，人們都可以說出來每一個隱匿在什么地方。

我們知道，細胞內(nèi)的核糖體是活的，生產(chǎn)流水線是飛速運轉(zhuǎn)的。但在x射線晶體衍射賓驗中，它們卻被凍住了。這難不到聰明的結(jié)構(gòu)學(xué)家，他們捕捉下無數(shù)定格圖像，如同相機連拍，最終就能知道整個動作是如何完成的。通過觀察其中某

些“關(guān)鍵動作”，拉馬克里希南甚至發(fā)現(xiàn)了核糖體質(zhì)檢的秘密。原來，核糖體30S小亞基中有一段忙碌的RNA在時刻不停地進行尺寸度量，好像工人質(zhì)檢一樣，只不過核糖體的世界不用人間的足，而是分子尺。尺寸不對，就重新來過。

現(xiàn)在，我們可以得出一個結(jié)論：核糖體是造蛋白用的，但是核糖體本身是蛋白質(zhì)作“砂漿”壘起來的。這就淪為了“到底是先有蛋還是先有雞”的問題。

結(jié)構(gòu)學(xué)家們通過定格動作看到了流水線上的工作過程，終于給“雞蛋問題”一個自圓其說的解釋。他們發(fā)現(xiàn)真正干活的全是RNA。在演化的起點，核糖體工廠很可能只是RNA“磚頭”所壘成，這粗放的流水線慢慢學(xué)會了合成蛋白的方法，之后整個細胞之城全面建設(shè)發(fā)展，核糖體自己也被加上蛋白質(zhì)“砂漿”，這樣小小的工廠就更堅固了。

讓抗生素堵住細菌的核糖體

核糖體的研究能幫助我們破解生命化學(xué)工廠中的秘密，在認清生命的本質(zhì)的同時，還讓人類能夠利用“抗生素”這一武器，抵抗細菌，保護生命。

抗生素多為小分子，它們靠堵截細菌的生長和繁殖過程而鎖住細菌的黑手。半數(shù)抗生素堵的都是細茼的核糖體，有的塞住零件入口，有的擋住成品出口，讓細菌沒法合成蛋白，最終死掉。細菌核糖體的關(guān)鍵部位是如何被抗生素堵住的，也被結(jié)構(gòu)生物學(xué)家精確地呈現(xiàn)了出來。

而所謂抗藥性，最初都是由一小撮細菌燎原起來的。這些個別分子的核糖體的某個小角落，可能由于意外而發(fā)生細微的改變。在圖6中，左邊的一幅圖是要被抗生素殺死的細菌，右邊的細茵則產(chǎn)生了抗藥性，圖中的虛線代表了抗生素把核糖體嘬住、鎖死的力量。區(qū)別何在?右邊那幅圖中的核糖體“小襯枝”明顯距抗生素“小樹枝”比較近，近了差不多有0.14納米。就是這么微不足道的0.14納米的扭動，讓細菌躲過了抗生素的堵截。如果你的眼力不濟，那就打個這樣的比方吧：你去親一個大鼻子的人，嘴還沒碰上，先讓鼻子給擋了，就是這么回事!

“上有政策下有對策，讓抗生素也扭扭姿勢，重新把細菌的核糖體塞住不就得了?”如果你提出這個想法，恭喜你!你的思維已經(jīng)躍入當前最時髦最前沿的研究領(lǐng)域——“基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計”。

上邊說的是細菌核糖體的變化，人的核糖體也會變，只不過這種變化對進化得趨于完美的人類來說來必是好事。比如阿爾茨海默氏癥患者神經(jīng)細胞的核糖體，就因為某些原因更容易遭到氧化修飾；而神經(jīng)精神性紅斑狼瘡，則是因為人的免疫系統(tǒng)把自身核糖體上幾個蛋白當靶子。如果我們拿到了這些核搪體的精密結(jié)構(gòu)，就能知道如何改追它們，可以讓它們逃過一劫，又不影響為細胞合成蛋白的正常功能。

當然，把細菌核糖體每個細微變化捕捉下來，不代表計算機就能為我們設(shè)計出力克各色“菌”等的萬能藥來；把人核糖體每個原子的底細摸得一清二楚，也不代表我們就能立刻把病人細胞修補成我們希望的樣子。無論是微小的細菌還是復(fù)雜的人體，細胞的城池遠比世界的城邦要難以駕馭。所以我今天沒法再告訴你什么了，但或許明天可以……(文章代碼：2302)