核糖体上蛋白质的合成过程（揭开生物体内合成蛋白质的奥秘）

三位科学家获奖

瑞典时间2009年10月7日11时45分（北京时间17时45分），瑞典皇家科学院宣布将2009年度诺贝尔化学奖授予英国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南（Venkatraman Ramakrishnan），美国科学家托马斯·施泰茨（Thomas A. Steitz）和以色列科学家阿达·约纳特（Ada Yonath），以表彰他们在“核糖体的结构和功能”方面做出的贡献。三位获奖者将均享1000万瑞典克朗（约合140万美元）的奖金。

约纳特是1964年以来首位获得诺贝尔化学奖的女科学家。

获奖者介绍

文卡特拉曼·拉马克里希南（Venkatraman Ramakrishnan），1952年出生于印度泰米尔纳德邦吉登伯勒姆（Chidambaram），1976年获得美国俄亥俄大学物理学博士学位。获奖时工作单位：英国剑桥MRC分子生物学实验室。

诺贝尔奖获得者：文卡特拉曼·拉马克里希南

2000年，文卡特拉曼·拉马克里希南和其他研究人员使用x射线晶体学的方法研究了核糖体的结构。并分析了其中的30S亚基的结构和核糖体辨识基因编码方式。

托马斯·施泰茨（Thomas A. Steitz），1940年8月23日出生于美国威斯康星州密尔沃基市（Milwaukee），1966年获得哈佛大学分子生物学和生物化学博士学位。获奖时工作单位：美国耶鲁大学，霍华德休斯医学研究所。2018年10月9日在美国康涅狄格州布兰福德（Branford）逝世。

诺贝尔奖获得者：托马斯·施泰茨

托马斯·斯泰茨出生于美国威斯康星州密尔沃基市。他曾就读于威斯康星州的劳伦斯大学，1966年在哈佛大学获得博士学位。托马斯·施泰茨在剑桥大学分子生物学MRC实验室做博士后研究，之后成为耶鲁大学的教授。托马斯·施泰茨的妻子是分子生物学家琼·施泰茨，他们育有一子。

在核糖体结构的研究中，施泰茨的贡献是解决了相位问题，使得科学家能够得到更高分辨率的核糖体结构体。

阿达·约纳特（Ada Yonath），1939年6月22日出生在耶路撒冷，1968年在魏茨曼科学研究所获X射线晶体学博士学位。获奖时工作单位：以色列魏茨曼科学研究所。

诺贝尔奖获得者：阿达·约纳特

阿达·约纳特出生在耶路撒冷。她的父母是从波兰移民来的。父亲去世后，阿达·约纳特一家搬到了特拉维夫。在耶路撒冷希伯来大学学习化学之后，她在魏茨曼科学研究所获得了博士学位，她一直以研究员的身份与该研究所保持联系。除了在那里工作外，阿达•约纳特还为几所欧洲和美国大学工作。约纳特育有一个女儿。

20世纪70年代，阿达·约纳特开始研究核糖体的结晶，她在80年代的工作为以后获得高质量的晶体和高分辨率的结构解析打下了坚实的基础。

获奖工作介绍

<一>蛋白质：生命活动的承担着

蛋白质是生命的物质基础，是构成细胞的基本有机物，也是生命活动的主要承担者。生物体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与，蛋白质约占人体全部重量的18%。蛋白质也是人体组织更新和修补的重要原料，人体的许多组织都含有蛋白质，如毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等。

生命是物质运动的高级形式，这种运动方式是通过蛋白质来实现的，因此蛋白质有极其重要的生物学意义。人体的生长、发育、运动、遗传、繁殖等一切生命活动都离不开蛋白质。

人体内的一些生理活性物质如胺类、神经递质、多肽类激素、抗体、酶、核蛋白以及细胞膜、血液中的载体等都离不开蛋白质，蛋白质在调节生理功能，维持新陈代谢中起着极其重要的作用。人体运动系统中肌肉的成分以及肌肉在收缩、作功、完成动作过程中的代谢无不与蛋白质有关。

细胞可以说是生命的最小单位，它们一直处在新陈代谢过程中，也就是细胞一直在永不停息的衰老、死亡、新生。例如年轻人的表皮每28天更新一次，而胃黏膜更是仅用两三天就要全部更新一次。因此一个人如果蛋白质的摄入量充足的话，那么皮肤就是充满光泽而又富有弹性的。反之，如果蛋白质摄入量不足的话，人就经常处于亚健康状态。包括外伤在内的人体组织受损后，如果蛋白质摄入量不足，不能得到及时和高质量的修补，会加速肌体的衰老。

根据营养学家的研究显示，一个成年人每天大约要更新300g以上蛋白质，其中大部分是机体代谢产生的氨基酸的再利用，因此一般一个成年人每天需要摄入60g～80g的蛋白质。同时每天食用的蛋白质最好有⅓来自动物蛋白质，⅔来源于植物蛋白质。另外，每餐食物都要有一定质和量的蛋白质，因为人体对蛋白质不会进行储备，一次摄入过量的蛋白质，也会造成浪费；而要是蛋白质摄入量不足，青少年发育不良，成年人会感到乏力，体重下降，抗病力减弱。最后也要注意，蛋白质的补充要以足够的热量供应为前提，如果热量供应不足，肌体就会消耗食物中的蛋白质来提供能量，而使用蛋白质作能源是一种浪费，是大材小用。

富含蛋白质的食物

普通健康成年人每公斤体重每天大约需要0.8 克蛋白质。

蛋白质的基本组成单位是氨基酸，人体中的氨基酸有20种，可分为必需氨基酸，半必需氨基酸和非必需氨基酸三类。

氨基酸结构式

氨基酸通过脱水缩合形成肽链，不同氨基酸的不同排列组合形成各种类型的蛋白质，人体中估计有10万种以上的蛋白质。蛋白质是由一条或多条肽链组成的生物大分子，每条肽链中含有数十至数百个不等的氨基酸残基。

人体内蛋白质的种类很多，虽然性质和功能各异，但都是由20种氨基酸组成的，并在体内不断进行代谢与更新。

氨基酸形成蛋白质示意图

蛋白质具有以下的功能：

①催化功能：具有催化功能的蛋白质通常称为酶，生物体内发生的全部化学反应都必须需要酶的催化才能得以进行的。

②运动功能：从最低等的细菌鞭毛运动到高等动物的肌肉收缩都是通过蛋白质得以实现的。例如，肌肉的松弛与收缩是通过粗丝和细丝的相对滑动而实现的，而粗丝的主要成分是肌球蛋白，细丝的主要成分是肌动蛋白。

③运输功能：在生命活动过程中，许多小分子及离子的运输是由各种特定专一的蛋白质来完成的。例如在血液中血浆白蛋白能运送多种小分子物质、红细胞中的血红蛋白能运送氧气等。

血红蛋白分子示意图

④支持保护功能：在高等动物中，骨头和结缔组织等具有机械支持功能，毛发、皮肤和指甲等组织具有覆盖保护功能，它们主要是由胶原、角蛋白、弹性蛋白等组成。

⑤免疫功能：免疫和防御功能是生物体拥有的一种防御手段，其中不少是通过蛋白质来实现的。例如抗体就是一类高度专一的蛋白质，它能识别和结合侵入生物体的外来物质，如病毒、细菌或异体蛋白质等。

⑥调节功能：在生物体中，包括代谢机能的调节，生长发育，分化的控制，生殖机能的调节以及物种的延续在内的各种生命活动过程中，多肽和蛋白质激素起着极为重要的作用。此外，还有一些能接受和传递调节信息的蛋白质，如各种激素的受体蛋白等。

蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物高分子，具有特定的构象，蛋白质的分子结构决定其功能。通常将蛋白质结构分为四个结构水平，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。一般将二级结构、三级结构和四级结构称为高级结构。

一级结构：氨基酸残基在肽链中的排列顺序称为蛋白质的一级结构，每种蛋白质都有明确且唯一的氨基酸序列。

二级结构：蛋白质分子中的肽链按一定的规律卷曲形成特定的空间结构，包括α-螺旋结构和β-折叠结构。蛋白质的二级结构主要依靠氨基酸残基中亚氨基（-NH-）上的氢原子和羰基上的氧原子之间形成的氢键而实现的。

蛋白质的四级结构

三级结构：在二级结构的基础上，肽链还按照一定的空间结构进一步形成更复杂的三级结构（通常是球状分子结构）。肌红蛋白，血红蛋白等正是通过这种结构使其表面的空穴恰好容纳一个血红素分子。

四级结构：具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互连接形成聚合体结构。如血红蛋白由4个具有三级结构的多肽链构成，其中两个是α-链，另两个是β-链。

<二>蛋白质在生物体内的合成

那么问题来了，生物体内的蛋白质是如何合成的呢？

1958年，英国生物学家克里克（就是那位发现DNA双螺旋结构的科学家）提出分子生物学的中心法则：生物的遗传信息以DNA序列的形式储存在基因组中，DNA信息可通过转录形成mRNA（信使RNA），mRNA通过翻译即可合成生物体内各种各样的蛋白质，这些蛋白质承担了大部分是生物学功能。而翻译过程的主要承担着就是核糖体。

DNA转录示意图

也就是说，在生物体内的细胞中，核糖体是进行蛋白质合成的重要细胞器！

细胞器是细胞中具有特定形态结构和功能的微器官，主要包括线粒体、内质网、中心体、叶绿体，高尔基体、核糖体等。它们组成了细胞的基本结构，使得细胞能正常的工作和运转。

细胞中的细胞器

核糖体是细胞器的一种，为椭球形的粒状小体。除了哺乳类成熟红细胞和植物筛管细胞外，所有活细胞中均有核糖体存在，它是进行蛋白质合成的重要细胞器，负责将mRNA翻译成蛋白质。一般来说，原核细胞只有一种核糖体，而真核细胞中则有两种核糖体（线粒体核糖体和细胞质核糖体）。换句话说，核糖体是将基因信息翻译成蛋白质的复杂分子机器。

电子显微镜下的核糖体

核糖体是怎么发现的呢？1953年，英国科学家罗宾逊（Ribinson）和布朗（Brown）用电子显微镜观察植物细胞时，发现细胞质中存在一种颗粒物质。1955年，美国生物学家帕拉德（Palade）在动物细胞中也看到同样的颗粒，并进一步研究其化学组成和结构。1958年，美国科学家罗伯茨（Roberts）根据化学成分将其命名为核糖核蛋白体，简称核糖体，又称核蛋白体。

细菌核糖体的X射线结构图

核糖体具有什么样的功能呢？20世纪40年代，科学家翰墨林（J. Hanmerling）和布拉舍（J. Brachet）在实验中发现，伞澡和海胆在除去细胞核后，仍然能进行一段时间的蛋白质合成，首次证明细胞质与蛋白质的合成有关。1955年，扎梅奇尼克（P. C. Zamecnic）使用14C标记的氨基酸饲喂小白鼠，之后将小鼠杀死，然后取出肝脏细胞分析其化学组成。结果发现大部分14C渗入蛋白质，并且与核糖体有关系。这样，细胞内蛋白质的合成就与核糖体联系起来了。1960年，雅各布（F. Jacob）和雅克·莫诺（J. Monod）提出假设：核糖体是非专一的蛋白质合成装置，核糖体是通过mRNA（信使RNA）上的碱基排列信息来决定蛋白质的合成。一年以后，这个假设被科学家用实验得以证实。

现在科学家对核糖体已经有了比较全面的认识了。细菌等原核细胞的核糖体比较小，由50S和30S两个大小不同的亚基组成，分子质量分别为80万和150万，可以以游离形式存在，也可以与mRNA结合形成串状的多核糖体，平均每个细胞约2万个核糖体。真核细胞的核糖体体积较大，相对分子质量约390~450万，由60S和40S两个亚基组成，同样可以以游离形式存在，也可以与细胞内质网结合形成粗面内质网，所含数目为百万至千万个。其它细胞器如线粒体，叶绿体以及细胞核内也都有自己的核糖体。

核糖体结构示意图

核糖体的主要成分为蛋白质和rRNA（核糖体RNA），二者比例在原核细胞中为1.5:1，在真核细胞中为1:1。核糖体的每个亚基中，以一条或二条高度折叠的rRNA为骨架，几十种蛋白质绕着RNA分子紧密结合，使得rRNA大部分围在内部，小部分露在表面。

核糖体大小两个亚基相互配合，相互分工。大亚基有肽酰基转移酶中心，催化肽酰转移反应，小亚基为解码中心，涉及tRNA（转运RNA）上的反密码子和mRNA中密码子间的匹配，小亚基还具有复杂的校正机制，使得翻译发生的错误减少到最小程度。

原核细胞核糖体30S小亚基含有21种蛋白质和16S一个rRNA分子，后者大约含有1600个核苷酸；50S大亚基含有34种蛋白质和5S与23S两个大小不等的rRNA分子，分别含有120和2900个核苷酸。这类核糖体存在3个功能性的tRNA结合位点，分别为A位点、P位点和E（Exit，退出，出口的意思）位点。对于更复杂的真核细胞核糖体，它的40S亚基中有30多种蛋白质和18S一个rRNA分子，60S大亚基中有50多种蛋白质和5S，5.8S和28S三个rRNA分子。

在原核细胞核糖体小亚基的16S rRNA分子中，RNA螺旋之间相互作用决定了30S小亚基的形状，核糖体蛋白结合在外表，同时大小亚基的界面处也极少有蛋白质。晶体结构显示，小亚基的rRNA具有解码的功能。位于大亚基的肽酰基转移酶中心，只有RNA分子，并无蛋白质存在，也就更加清楚证明肽键的形成是由大亚基的23S这个rRNA分子所催化。核糖体中的蛋白质只是起到结构框架的作用，而rRNA在蛋白质合成过程中的各个环节均起到催化作用，可以说核糖体是一个大的核酶。

核糖体中肽键的形成机理

单个核糖体上有6个与蛋白质合成有关的活性位点，这些位点在蛋白质合成中均有专一的识别作用：①mRNA结合位点；②A位点：氨酰基-tRNA位点，是新参入是氨酰-tRNA结合位点；③P位点：肽酰基-tRNA位点，为延伸中的肽链-tRNA结合位点；④E位点：即释放位点，为肽酰转移后即将释放的空载tRNA结合位点；⑤肽酰基转移酶的催化位点：可催化氨基酸间形成肽键，这是蛋白质合成中的关键反应；⑥GTP酶的结合位点：为延伸因子EF-G的结合位点，可催化肽酰-tRNA从A位点转移到P位点，促进肽链延伸。

30S亚基的关闭和打开

<三>对核糖体的研究历程

20世纪60年代确定了核糖体和蛋白质之间的联系之后，科学家下一步的工作就是解析核糖体的结构。在结构生物学常常采用三大手段进行研究，X射线晶体学、电子显微学和核磁共振谱学。上个世纪八十年代时，电镜的分辨率还不够高。而核磁共振只能研究小分子量的蛋白质，分子量超过2万后，研究难度急剧增加。因此研究生物大分子结构的一项重要工具就是X射线衍射技术。

对于X射线衍射技术来说，高质量的晶体是研究的基础。核糖体的体积虽然很小，但其分子量也有数百万之多，而且它的结构是不对称的，使得其结晶极其困难，同时核糖体极不稳定，环境条件或生理状态的改变会发生聚合或解离等现象。因此核糖体的结晶和结构解析具有很大的挑战性。

20世纪70年代开始，以色列女科学家约纳特开始研究核糖体的结晶，1980年她首次得到嗜热芽孢杆菌核糖体50S亚基的晶体，虽然这个晶体不够稳定，数据并不理想。但已经能识别出结构中几乎所有的原子了。这对核糖体结晶来说是迈出了非常重要的一步。约纳特接下来采用一种在死海中发现的古细菌——嗜盐细菌，这种细菌在极端条件下生长，它的核糖体可能会更加稳定。同时约纳特还采用了液氮下进行超低温结晶，提高了晶体的稳定性。1991年，约纳特报道了50S亚基结构的初步分析结果。约纳特在80年代的工作为以后获得高质量的晶体和高分辨率的结构解析打下了坚实的基础。

施泰茨的贡献是解决了相位问题，相位是指衍射过程中，衍射波的相位（反映X射线不同时刻状态的物理量）不能直接测量的问题。想要得到更高解析度的结构图，必须克服相位问题。施泰茨通过使用低温电镜，同晶置换和反常散射技术等方法，在1998年重建了大肠杆菌核糖体50S亚基结构，得到了9Å（0.9纳米）分辨率的结构图，一年后他还发表了死海古细菌50S亚基5Å分辨率的结构图，同年约纳特发表了30S亚基4.5Å分辨率的结构图，随后，拉马克里希南也发表了同核糖体亚基5.5Å分辨率结构图。

不同分辨率的50S亚基结构图（从上到下分辨率为9 Å、5 Å和2.4 Å）

拉马克里希南的贡献是分析了30S亚基的结构和核糖体辨识基因编码方式。在mRNA翻译的过程中，小亚基的作用是与mRNA结合并检测mRNA的密码子与反密码子的配对情况。生物体中，总共有61种密码子对应20种氨基酸，因此有的氨基酸会对应两个或者多个密码子的情况，称为密码子的简并性，1966年，克里克提出了摆动学说来解释这种简并性。通过一系列高解析度的与一段mRNA与相应的tRNAphe反密码子相结合的30S亚基复合物结构图像的分析，拉马克里希南从结构上为摆动学说提供了证据。

AB表明密码子U1、U2与反密码子A36、A34的配对均有监测，而C显示U3和G34的配对则没有监测

当tRNA（转运RNA）的反密码子臂与核糖体大亚基的A位点结合时，位于30S小亚基中的16S rRNA上的保守位点A1492和A1493的构象改变并导致另一个保守位点G530的构象从顺式变成反式，这三个位点分别监视反密码子的前两位碱基，对于第三位的碱基没有类似的监视。当正确的tRNA结合30S核糖体时，核糖体会从一个开放构象转变称为一个闭合构象，导致延伸因子EF-Tu与GTP的复合物水解成EF-Tu/GDP并从核糖体上释放。对于错误的tRNA，则不会发生上述的核糖体构象变化，tRNA会很快从核糖体上解离。生物体通过这种机制确保了自身翻译过程中的准确性。

低温电子显微镜下EF-Tu和tRNAs与核糖体的结合

后记

对核糖体的研究有什么实际应用呢？

二战后的60余年年，抗生素的使用使得人类因细菌感染的死亡率大大降低。现在已知的抗生素中，一半以上是以细菌核糖体为作用靶点的，通过抑制细菌蛋白质的合成达到抑菌的目的。但随着抗生素抗药性的日益严重，寻找新的精确靶点称为关键，对核糖体的结构以及核糖体与小分子化合物结合的复合物结构的解析，可以寻找到更多更有效的新型抗生素。

2006年，科学家利用高分辨度细菌核蛋白体50S亚基和30S亚基晶体提出抗生素多作用于转肽酶的活性中心的观点，而施泰茨和约纳特也分别对大多数抗生素的靶点进行了定位。

50S亚基中的肽基转移酶中心受到大量抗生素的攻击

三位科学家利用高分辨度的功能性核蛋白体复合物在核蛋白体晶体方面的开拓性研究工作解答了蛋白质生物合成中存在已久的根本问题，对生命科学和医学的基础研究具有深远的影响。

参考资料

[1] https://www.nobelprize.org

[2]凌志洋,刘望夷.核糖体的研究历程——2009年诺贝尔化学奖简介[J].自然杂志,2009,31(06):337-341.

[3]赵镜一,陈鹏.探索核糖体的奥秘——2009年诺贝尔化学奖简述[J].大学化学,2009,24(06):1-5.

[4]路钊,丁卫.所见即所学,所学有所用——2009年诺贝尔化学奖简介[J].首都医科大学学报,2009,30(05):723-726.

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