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揭開蛋白質製造機的神祕面紗

99/09/02 瀏覽次數 24938
蛋白質在生物體中扮演非常重要的角色,它幾乎負責執行生物體內所有的生理功能。蛋白質的種類繁多,微生物有上千種的蛋白質,高等生物則有上萬種的蛋白質。有趣的是,這些成千上萬種的蛋白質都是由一種蛋白質製造機—核醣體—所製造的。2009 年 3 位諾貝爾化學獎得主揭開蛋白質製造機的神祕面紗,讓我們更了解蛋白質的製造過程,將來可利用這些知識開發新一代的抗生素。

從DNA到蛋白質

生物體所擁有的遺傳物質—去氧核醣核酸(DNA)或核醣核酸(RNA),決定了生物特徵。若把生物體比作一棟建築,遺傳物質就是建築的藍圖,它記載了建築物所有的資訊。

1953 年華生(James D. Watson)和克里克(Francis H. C. Crick)解出 DNA 的雙股螺旋結構後,揭開了生物體建築藍圖的神祕面紗,了解 DNA 是由 4 種去氧核醣核酸(dA、dT、dC、dG,d 代表去氧)排列所構成的聚合物,而不同的排列順序就有如不同的藍圖,造就了不同生物體之間的差異。他們也發現結合在一起的雙股 DNA 間有核苷酸配對的特性(A 對 T、C 對 G),並了解雙股互補的原理。這跨世紀的突破開啟了人們對分子生物學及遺傳學領域的大門。

但接踵而來的問題是,如何從遺傳物質製作出實際的生物分子?科學家發現核醣核酸聚合酶(RNA polymerase)會以 DNA 上具有遺傳訊息的去氧核醣核酸序列—基因(gene)—為模板,經過轉錄作用,用 4 種核醣核酸(A、U、C 及 G)合成出 RNA。核醣體再以 RNA 為模板,經過轉譯作用以 20 種胺基酸合成出蛋白質。

整個過程有如魔法般神奇,因此不妨把整個過程想像成魔法師使用魔法。魔法師使用魔法前需要唸一段咒語,當然,不同的魔法會有不同的咒語,如果把一種魔法的咒語寫成一本書,所有咒語書集合起來就是一座魔法圖書館。當要使用某個魔法時,就必須到圖書館找到它的魔法書,但因為魔法書是用古老的文字寫成的,所以必須先把它翻譯成現代的文字,這樣才可唸出它的咒語以完成魔法。

這裡的魔法圖書館就有如 DNA,它包含了所有的遺傳訊息;一本一本的魔法書相當於各種不同的基因;古文字相當於由 4 個字母(dA、dT、dC 及 dG)組成的 DNA 語言;翻譯員相當於 RNA 聚合酶,它會依核苷酸互補的原理翻譯成 RNA,翻譯的動作則是轉錄作用;現代文字相當於由4個字母(A、U、C 及 G)組成的 RNA 語言;而魔法師相當於我們的主角—核醣體,經轉譯作用變出蛋白質。

轉譯作用

我們已經知道 DNA 語言 可經過轉錄作用翻譯為 RNA 語言。RNA 又可再細分為 3 種:訊息 RNA(mRNA)、核醣體 RNA(rRNA)和轉移 RNA(tRNA)。

mRNA 的功能是攜帶遺傳訊息給核醣體,核醣體再依 mRNA 的核酸序列合成出蛋白質。當核醣體在讀 mRNA 核酸時,會以 3 個字母為一組,代表一種「密碼子」(codon),而一種密碼子只會對應到一種特定胺基酸,其中 AUG 這組密碼子是起始密碼,它就像是解密的起點。核醣體會先找出起始密碼後再依序每 3 個一組地往下讀,直到遇上截止密碼(UAA、UGA 或 UAG),才會停止蛋白質合成。

而 rRNA 是構成核醣體的元件,它會結合多種蛋白質共同組成核醣體。tRNA 則是 RNA 語言和蛋白質語言之間的媒介,它的末端會攜帶 20 種胺基酸中的一種,且 tRNA 中有 3 個核苷酸會和 mRNA 的密碼子互補,這 3 個核苷酸稱為「補密碼」(anticodon)。

一種 tRNA 只會帶一組補密碼,也只會攜帶一種特定胺基酸,因此一組 mRNA 的密碼子只會和一組 tRNA 的補密碼配對,翻譯出一種特定胺基酸。而密碼子和補密碼的配對就在核醣體內進行,把 mRNA 語言翻譯成由 20 種胺基酸所構成的蛋白質語言,合成出各式各樣的蛋白質。

核醣體的重要性

一本本的魔法書如果沒人去翻閱,即使是再絢麗的法術也無用武之地。相同的道理,如果DNA沒有經過轉錄、轉譯成蛋白質,它也只是一條沒有功能的核苷酸序列,無法參與生理反應。因此,蛋白質才是真正有生理功能的執行單位。

如上一單元所述,核醣體是合成蛋白質的製造機,而蛋白質是參與生理反應的單位,核醣體在生物體內的重要性可想而知。3 位科學家利用X光繞射的技術解出核醣體的立體結構,這對於我們更進一步了解生命的奧妙有重大貢獻。

核醣體的結構

核醣體是由一大一小的兩個次單元所構成,兩個次單元則是由蛋白質及 RNA 所組成的複合體,原核生物跟真核生物的核醣體大小有些微差異。原核生物核醣體的大小是 70S(S 是沉降係數),其中大次單元是 50S,小次單元是 30S。真核生物的核醣體較大,大小是 80S,其中大次單元是 60S,小次單元是 40S。

70S 的核醣體的分子量約為 2,300 kDa,正因為核醣體結構如此巨大,早期科學家認為要利用X光繞射核醣體的結晶來了解它的結構是非常困難的工作。

直到 1980 年,以色列科學家艾達•尤娜斯(Ada E. Yonath)提出生長於極端環境的細菌為了適應環境,它的核醣體應該較生長在一般環境生物的核醣體穩定的概念後,首次成功地由生長於溫泉中的嗜熱桿菌純化出大次單元核醣體(50S),並把它做成結晶。雖然那時的結晶技術還無法得到完美晶體,但成功結晶出如此巨大的核醣體,在當時可說是相當重大的突破。

接下來的十餘年,艾達•尤娜斯教授持續改善結晶技術,使X光繞射圖譜的解析度越來越高,但因X光繞射的「相位角問題」,仍無法正確解析出核醣體結構的原子模型。這個難題一直到 1998 年,美國一位科學家托瑪斯•史泰茲(Thomaz A. Steitz)利用由電子顯微鏡專家約阿希姆•富蘭克(Joachim Frank)所拍攝核醣體在晶體中低解析度的影像和方位,結合X光晶體繞射的資料才得以解決。

2000 年,托瑪斯•史泰茲教授由生長於死海的嗜鹽古生菌解出 50S 結構。同年,艾達•尤娜斯教授和英國科學家文卡特拉曼•拉馬克理斯南(Venkatraman Ramakrishnan)也由嗜熱桿菌解出 30S 的結構。核醣體清晰完整的原子模型,也就在相位角問題解決後兩年被完全解出。

從 1980 年到 2000 年,科學家花了 20 年的時間,經過不斷地改善結晶技術,解決相位角問題,才得以建構出完整的核醣體結構。尤娜斯、史泰茲及拉馬克理斯南這 3 位科學家,也因為在這個領域上的努力和貢獻,共同獲得了 2009 年諾貝爾化學獎。

核醣體的功能

我們已經知道核醣體是合成蛋白質的機器,接下來就讓我們更進一步了解合成的細部過程。

核醣體內有 3 個 tRNA 的反應位置,包括 A 位、P 位及 E 位。A 位(胺醯位)是密碼子和補密碼配對結合的位置,只有正確配對的 tRNA 可誘發往下的蛋白質合成步驟,不正確的 tRNA 則無這項功能,最後就會離去。P 位(肽醯位)是接有合成中蛋白質的 tRNA 所在位置,E 位(退出位)則是 tRNA 離去的位置。

當轉譯作用開始時,起始 tRNA 會和起始密碼(AUG)先在 P 位結合,第 2 個 tRNA 則會在 A 位和第 2 組密碼子配對,當配對正確後,核醣體會催化 P 位的 tRNA,把它的胺基酸轉移到A位的胺基酸上。這時 P 位的 tRNA 變成沒有攜帶胺基酸的 tRNA,A 位的 tRNA 上則含有以肽鍵連接的兩個胺基酸。

完成胺基酸轉移後,核醣體會往右移 3 個核苷酸的位置,來讀下一組密碼子。因此原本在 P 位的 tRNA 移到 E 位,原本在 A 位的 tRNA 來到 P 位。空出來的 A 位就可和相對的 tRNA 配對,進行下次的胺基酸轉移,並延長胺基酸鏈。在 E 位的 tRNA 則會離開核醣體,由氨醯 tRNA 合成酶再次攜帶相對的胺基酸進行下次的反應。

因為生物體內並無終止密碼相對的 tRNA,所以當 A 位讀到中止密碼時,釋放因子(release factors)會接上 A 位,水解在 P 位上的胺基酸鏈,完成蛋白質合成。

托瑪斯•史泰茲教授除了解決「相位角問題」外,更由 50S 的晶體結構發現 tRNA、rRNA 和水分子間有網絡的氫鍵作用,使亂度上升,降低了活化的自由能,幫助 tRNA 間胺基酸的轉移。

合成蛋白質具有高準確率

如房屋未照藍圖施工,可能會造出危樓。相同的道理,如解碼的過程有錯誤,就無法合成出正確序列的蛋白質,這可能使蛋白質的活性下降,甚至完全失去功能。因此合成的過程必須有高度的準確率,避免錯誤發生。核醣體的錯誤發生率是十萬分之一,如何在一個如此迅速的反應中維持這麼低的錯誤率,一直是科學家好奇的問題。

由研究 30S 的晶體結構,文卡特拉曼•拉馬克理斯南教授發現除了華生—克里克的核苷酸配對,可以檢驗在 A 位的 tRNA 是否和 mRNA 正確配對外,30S 的 rRNA 也參與選擇 tRNA 的工作。他發現當正確的核苷酸配對後,才會誘使 30S 的結構些微改變,使 rRNA 中的第 1943 號核苷酸和第 1 組的配對有交互作用;rRNA 的第 530 號及第 1942 號核苷酸會和第 2 組配對有交互作用;第3組配對的交互作用則較弱。

因為只有正確的密碼子—補密碼配對,結構才會和 rRNA 吻合,產生穩定的交互作用,所以這種交互作用等於重複確認密碼子和補密碼間的配對是否正確,使核醣體的準確性更加提升。

核醣體就是藉由密碼子—補密碼配對和 rRNA 的交互作用力來達到如此高的準確率。文卡特拉曼•拉馬克理斯南教授的研究也回答了這困惑科學家已久的問題。

抗生素和核醣體

抗生素的使用可說是第二次世界大戰後人口會成長如此迅速的主因。很難想像在這之前,腸胃炎等細菌感染性疾病竟在 10 大死因中名列前茅。

許多抗生素殺細菌的原理,是藉由抑制原核生物核醣體的功能來阻斷蛋白質的合成,進而達到殺菌效果。因為真核生物和原核生物的核醣體結構有些微差異,所以這種抗生素只會抑制原核生物的核醣體,卻不會抑制真核生物的核醣體,因此才會廣泛地使用。

但隨著抗生素的過度使用,抗藥性的突變菌株依達爾文的「天擇說」存活了下來,使得抗生素漸漸失去功能,二次大戰前的細菌性感染危機又再次浮現。

為了避免這些危機發生,科學家藉由研究具有抗藥性菌株的突變型核醣體結構,希望能研發出新一代的抗生素,解決目前抗藥性的問題。

【2009年諾貝爾化學獎】
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