核糖体合成蛋白质内幕

核糖体合成蛋白质内幕

桔子帮小帮主

科学松鼠会的诺贝尔红旗手的行业内幕

Boss朝你亮亮产品图纸，限时要你交工，可图纸写满阿拉伯语，一场噩梦！危难关头，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。真是救人于水火！你飞速复印来图纸。不出半小时，阿拉伯乱码已变成交付使用的产品。可以去讨好boss喽～

这不只是人间一幕，在你数以兆计的小小细胞里时刻上演了这争分夺秒的故事。请看“地形图”：一个细胞相当于一座城池，约占你身体十兆分之一的体积，紫色轮廓圈出它的疆界（当然颜色是假的，不然你就成了辛普森了）；中央的粉色“宫殿”叫细胞核，住着大权在握的boss，这资本家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小蓝点，今年“诺贝尔红旗手”——核糖体。

穿珠子红旗手

什么，我刚进入正题，你就开始撇嘴？不要嫌它们小哦！因为它们比你看到的更渺小……500颗核糖体小工厂排成一排，差不多横跨一颗细胞。

劳动阶级的普遍特点，除了个头微不足道，还有“人多势众”。在一个活跃生长的细菌之城里可能有20000个这样的工厂，重量是整个细胞的四分之一；人细胞中更可达到几百万个。放眼望去一派繁忙的劳动景象。

（这是一幅真实的细胞电子显微镜照片，显示了你细胞的局部，密密麻麻排起队列的都是核糖体，让你体会一下它们有多繁忙！细节不再赘述。）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，对工作不挑不捡，任劳任怨。正因为它们的工作，你才出落成你如今的模样：头上冒出乱蓬蓬的头发，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，走上生命之路。说核糖体工厂是保量保质的劳模，一点不过。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，你的细胞的核糖体略逊一筹，1秒能穿6、7个（那也比你穿珠子快多了！），更可贵的是制造过程同时质检，穿100000个氨基酸，大约才出一个次品。

现在，让我们揉揉眼睛，将目光集中到一颗核糖体小蓝点。

正如你所预料，核糖体并非毫无细节的小蓝点。它分大小两坨。在细菌中，小的名叫30S小亚基（位于上图下方，略扁平的那个），大的叫50S大亚基（上边厚的），总和为70S。所以学生物不需要会数学～（好了我开玩笑。其实，“S”描述的是小颗粒在粘稠液体里下沉的速度，总体的下沉性质当然不是两个的加

和）。你的细胞比细菌高级，核糖体也沉，小的那半是40S，大的是60S，加起来——还是我来帮你“加”吧——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，大的负责照图纸穿氨基酸，流水线上有3个岗位，原料从右边依次进来，蛋白链珠就从中央通道鱼贯而出，为你细胞的四化事业添砖加瓦去了。

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（如果你到现在还头脑清醒，来了解一下补充知识：核糖核酸，即RNA，是我们平时总挂在嘴边的脱氧核糖核酸，即DNA的双胞胎弟弟，他俩长得特别像；二者同蛋白质差不多是叔侄关系，辈分差得远了）。

从开篇说到现在，你差不多已经走到上世纪七八十年代（哈哈，希望你不要感觉受了愚弄），人们花费三十年努力，把细胞里一颗小点精确到两个亚基三个岗位，诺贝尔委员会欢欣鼓舞，给最初将它们从细胞之城里挖掘出来的人颁了一块生理学奖章。

你想不想进一步削尖脑袋探探小工厂内幕？芝麻开门！

门不开——研究在这时走到了意料之中的瓶颈。核糖体太小，即使在最牛的显微镜下也是模糊一坨，根本没法看清厂房内部如何进行生产操作，更别提揭示其高效高质的秘诀。就让我们呼唤新手段吧。

一项特别尖的技术

说新手段之前，你要知道我们如何看到东西：光当然是必需的，它照在物体上，再被物体反射到你眼睛里，就在眼中成了一个像；显微镜也没什么特殊，光波（或者电子显微镜中的电子）照在物体上，再反射到大大小小的镜片上，你就看到了放大的影像。但是利用这种原理的系统有个限制，光源波长必须小于物体尺度。穿梭在我们空间中的可见光，波长几百纳米，看真实厂房绰绰有余，可核糖体厂房直径20纳米，整个就被光波给忽略了，更别说细节。

什么光能胜任呢？

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（不要摇头说你没见过“晶体”，你吃的盐粒、你手上的钻石，都是无

数的同种分子整齐排列形成的晶体）？显微镜没这么高精度……他一拍脑袋，X 射线的波长只有0.1纳米，应该可以偷窥到晶体内部。伟大的科学家都不是空想派——他用X射线照射晶体，X射线比可见光果然更多了些诡秘气质，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圆盘状图案。就像光透过迪斯科舞厅房顶的大转球，在地板上撒出花纹（下图）。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（想象你变换大转球上玻璃的排布，地上的花纹就会改变）。

这篇论文意义之大，为他在两年后神速拿到诺贝尔物理学奖（如今再没有写篇文章两年后拿奖的好事了……），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（你可以想象让无数个氯化钠分子排成一颗食盐），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。

不知捧得大奖归时冯·劳厄有没有料到，之后几十年，从他的理论出发，又追加了不下十二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。

刺探蛋白合成工厂内幕

听起来简单——盐可以结晶、DNA可以结晶、蛋白质也可以结晶……那你找个又有RNA又有蛋白质的核糖体来，用X射线照照，去拿诺贝尔奖吧。

可以想，但你保准不愿去做：首先，为X射线晶体衍射实验准备实验材料就是项极其考验技巧（极其考验运气）的工作。如果感兴趣，你倒可以试试做些食盐晶体出来，没有比这更简单的了，将一盘盐水慢慢加热，一下子就制成了难看