生物学通报 ２０１０年第４５卷第９期 核糖体的发现与认识过程半 任衍钢 郭申生ｚ 文艳萍。 （１阳泉教育学院 山西阳泉０４５０００ ２山西师范大学生命科学学院 山西临汾０４１００ ３临汾职业技术学院 山西临汾０４１０００） 摘要 回顾核糖体的发现与认识的历史．介绍科学家运用电子显微镜和ｘ射线衍射分析 方法研究并揭示核糖体结构和功能的过程．主要介绍科学家帕拉德、拉马克里希南、施泰茨和 尤纳斯在这方面所做的工作和历史性的贡献，并以此说明物理化学方法在生命科学发展中的 重要作用 关键词 核糖体 科学家 诺贝尔化学奖 电子显微镜 ｘ射线衍射 中国图书分类号：Ｑ一１ 文献标识码Ｅ 核糖体是细胞内具有重要功能的细胞器，被 紫外分光光度技术独立地发现，在大量合成蛋白 称之为细胞内蛋白质合成的分子工厂，核糖体是 质的细胞里．存在着含有ＲＮＡ特别多的微粒体 如何发现的？科学家又是如何揭示其功能的？这里 （ｍｉｃｒｏｓｏｍｅ）。由于在光学显微镜下，可视波长是 作一个简要的回顾。 ４００ ＦＩＢ，而这些微粒体的直径仅有２０ ｎｍ，生物学 １ 显微镜技术下运用生化方法的研究 家无法预测它的功能．只是简单地认为，这些微粒 早在２０世纪３０年代，生物学家就注意到，在 是细胞质中的一些碎片而已。随着电子显微镜的 光学显微镜下，多种细胞的细胞质里存在着群居 应用。人类进人可看到直径小于２００ ｎｍ的亚显微 的小球。有人称之为“ｐｏｏｌ ｂａｌｌ”。１９４１年，美国生 时代。１９５３年，英国的罗宾逊（Ｅ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）和布朗 物学家希拉切特（Ｊ．Ｂｒａｃｈｅｔ）和卡斯波森（Ｔ．Ｃａｓ— （Ｒ．Ｂｒｏｗｎ）首先用电子显微镜在植物细胞中观察 ｐｅｒｓｓｏｎ）分别用他们发明的组织化学方法和显微 到这些颗粒状的东西．这些颗粒就是后来人们称 ．， ＼！， Ｉ，；＼！， ＼．／ｌ－、 ＼！／ ＼！／．、 ，．＼ 、！／ ，；＼！， ＼！／ 、！／＿．、 ／；＼－／＿．、 ／； ＼．／ 、． ＼．／ 、．／ 、！ ＼！， ＼！ ／；＼！， ＼！／ ＼ ＼！／１．、 ＼．／．、 ，；＼！， ＼！／；＼ ／ ＼！／＿－、 表３ 已知血型血液与未知血型血清的混合 表４ ＡＢ型和Ｏ型血清与各血型血液 后现象及血型判断结果 混合后现象及血型判断 本文探索了在无标准Ａ、Ｂ型血清的情况下 表５ ＡＢ型和Ｏ型血液与各血型血清 仅利用２种已知血型血液．即０型和Ｂ型血液对 混合后现象及血型判断 未知血型的血液进行血型鉴定．经过实验验证获 得良好的效果。但是经讨论发现，当２种已知血型 血液分别为ＡＢ型和０型血液时，无法对未知血 液进行血型鉴定。推论过程如下： 当２种已知血型为ＡＢ型和０型时，运用交 （指导老师：华东师范大学生命科学学院张 叉配血法仅能鉴定出０型血液和ＡＢ型血液（表 红锋老师。） ４、表５），无法将Ａ型和Ｂ型血液区分开来。 主要参考文献 因此，在无标准血清的情况下利用２种已知 １ 张飞雄等．普通遗传学．北京：科学出版社．２００４：４３． 血型血液对未知血型血液进行血型鉴定的方法是 ２王玢．左明雪等．人体及动物生理学．北京：高等教育出版社， 可行的．但在已知血型仅有２种时，此方法还存在 ２００９：２０３—２ｏ４． 一定的局限性。 （Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｙ８９１１０３＠１６３．ｃｏｎ） ２０１０年第４５卷第９期 生物学通报 ６１ 之为的核糖体。１９５５年，罗马尼亚血统的美国生物 学家帕拉德（Ｇ．Ｆ．Ｐａｌａｄｅ）通过改进电子显微镜样品 固定技术，发现制造酶的地方是直径仅为 认识核糖体显然是不够的，需要用新的研究工具 去解析核糖体的结构。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。著名的物理学 ２０ ｎｍ左右、含有丰富ＲＮＡ成分的小颗粒。在细菌 细胞里．这些颗粒多达２万个，而在哺乳动物中的 这种颗粒约是细菌的５０倍。他敏锐地察觉到它们 的特殊性，并于１９５６年公布了他的发现。由于他的 发现．人们一度称这些粒子为“帕拉德粒子”。１９５８ 家威尔金斯（Ｍ．Ｈ．Ｆ．Ｗｉｌｋｉｎｓ）正是用Ｘ射线衍射研 究ＤＮＡ分子的结构获，得了１９６２年的诺贝尔生理 学或医学奖。在研究核糖体方面，以色列魏茨曼科 学研究所的科学家尤纳斯（Ａｄｅ．Ｅ．Ｙｏｎａｔｈ）是应用 Ｘ射线衍射研究核糖体结构的拓荒者。早在２０世 年，美国科学家罗伯茨（Ｒ．Ｒｏｂｅｄｓ）根据这些微粒中 的化学成分将其命名为核糖核蛋白体（ｒｉｂｏｎｕｌｅｏ． ｐｒｏｔｅｉｎ），简称核糖体（ｒｉｂｏｓｏｍｅ）或核蛋白体。帕拉德 因其在细胞亚显微结构上的一系列发现与其他科 学家分享了１９７４年的诺贝尔生理学或医学奖。 核糖体有什么功能呢？这要从２０世纪４０年 代的一个实验谈起。当时，科学家翰墨林（Ｊ．Ｈａｎ— ｍｅｒｌｉｎｇ）和布拉舍（Ｊ．Ｂｒａｃｈｅｔ）通过伞藻和海胆卵 细胞的实验发现。伞藻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 质与蛋白质合成有关。１９５５年，科学家扎梅奇尼 克（Ｐ．Ｃ．Ｚａｍｅｃｎｉｃ，ｔＲＮＡ的发现者）等做了一个 有名的经典实验。他用含有放射性同位素 Ｃ标记 的氨基酸饲喂小鼠，不久后将小鼠杀死，然后取出 肝脏细胞分析其化学组成。结果发现大部分 Ｃ标 记渗入蛋白质，并且与核糖体有联系。这样，细胞 内蛋白质的合成就与核糖体联系起来。１９６０年，法 国巴黎巴斯德研究所的雅各布（Ｆ．Ｊａｃｏｂ）和雅克・ 莫诺（Ｊ．Ｍｏｎｏｄ）在综合前几年ＲＮＡ研究的基础 上，提出假设：核糖体是非专一的蛋白质合成装 置，它的ＲＮＡ不决定氨基酸的序列，核糖体是通 过接受特殊的信息（ｍＲＮＡ）上的碱基排列的信息 决定蛋白质的合成。１年以后，这个假设被英国剑 桥大学的布伦纳（Ｓ．Ｂｒｅｎｎｅｒ）和美国的梅塞尔森 （Ｍ．Ｍｅｓｅｌｓｅｎ）用实验所证明：ｒｆ４噬菌体侵染细菌 ３ ｍｉｎ后。在培养基里加入含放射性的ＲＮＡ成分。 ２ ｍｉｎ后从侵染的细菌中取出核糖体并进行密度 离心分析。结果发现，侵染后合成的ＲＮＡ附着在 核糖体上，并作为信使指导蛋白质合成。由此证 实，核糖体是非专一的蛋白质合成装置。 ２ Ｘ射线衍射分析下运用物理方法的研究 随着遗传密码的破译和对转移ＲＮＡ（ｔＲＮＡ）的 认识，科学家们把目光转移到揭开“蛋白质合成的 黑匣子”的研究上来 科学家意识到仅用显微镜去 纪的７０年代，学术界普遍认为，由于核糖体是由 上百万分子量组成的蛋白质一ＲＮＡ复合体，形状不 规则，比较软，中间还有些空隙含有水分；用Ｘ光 衍射研究核糖体结构实属不易。尤纳斯领导的研 究小组却力排众议率先开展了这项工作。她首先 精心选择研究对象——一种嗜热沙漠细菌．并从 中纯化核糖体。他们在经历了２５ ０００次的失败后， 终于在１９８０年首次报道了湿热脂肪芽孢杆菌核 糖体５０Ｓ亚基的结晶体，在应用Ｘ射线衍射研究 核糖体晶体方面迈出极为重要的一步。但是，由于 核糖体晶体不够稳定。用普通的细菌无法得到足 够的数据来解析其结构。但是，尤纳斯并不气馁， 她又找到了一种在死海中发现的古细菌为研究对 象。由于这种细菌在极端条件下生长，其核糖体会 更加稳定，并利用低温冷却晶体能获得更多的数 据。利用这样的方法，之后他们又报道了一些３０Ｓ、 ５０Ｓ、７０Ｓ的高分辨率的核糖体晶体，并收集了可用 的衍射数据。特别是在１９９１年报道了核糖体５０Ｓ 亚基３ｘｌＯ一。ｍ分辨率的结构。１９９２年，英国剑桥 大学ＭＲＣ分子生物研究所拉马克里希南（Ｖｅｎｋｅ． ｔｒａｍａｎ Ｒａｍａ Ｋｒｉｓｈｎａｎ）小组和尤纳斯小组又分别 报道了核糖体３０ｓ亚基５．５Ｘ１０ ０ ｍ和４．５Ｘ１０ ０ １１１ 分辨率的结构。以后他们又运用更加高超的Ｘ射 线衍射技术，测定出的核糖体晶体内原子的排列 一次比一次清晰，分辨率愈来愈高。然而，尽管他 们在Ｘ衍射测定核糖体晶体方面有了进展．但要 解读核糖体的结构，还必须解决“相位问题”。 ３ 电子显微镜技术与Ｘ射线衍射分析结合下运 用综合方法的研究 确立核糖体结构的一个关键环节是解决衍射 “相位问题”。因为核糖体分子比较大，很难用ｘ射 线衍射经典的相位方法解读它的结构。这个问题被 美国耶鲁大学的科学家施泰茨（Ｔｈｏｍａｓ Ａ．Ｓｔｅｉｚ）领 导的小组于１９９８年得以解决。他领导的小组把电 ６２ 生物学通报 ２０１０年第４５卷第９期 镜观察与ｘ衍射结构分析结合起来考虑。他们先 在低温电子显微镜下观察核糖体的结构，并计算 出低分辨率相位，然后利用２种Ｘ射线衍射的相 位方法综合起来进行分析。这样，他首先解读了核 糖体大亚基的结构图。２０００年后．拉马克里希南 和尤纳斯又趁热打铁，解读了核糖体小亚基的结 构图。为此，１９９９年和２０００年，美国《科学》杂志 连续２年将他们的工作评为年度十大科技进展。 拉马克里希南还在研究核糖体结构的基础 上，对核糖体合成蛋白质的机制进行了研究。他通 过研究～段信使ＲＮＡ与转运ＲＮＡｐｈｅ反密码子形 成的复合结构，合理地解释了细胞内蛋白质翻译 过程中的高保真性、第３位碱基的摇摆性和蛋白 质合成过程中３０亚基的构象变化。正是这些研究 为人类揭开了“蛋白质合成的黑匣子”。为此。拉 马克里希南、施泰茨和尤纳斯共同分享了２００９年 的诺贝尔化学奖。尤纳斯成为诺贝尔化学奖历史 上继英国女生物化学家罗西・霍奇金（Ｄ．Ｃ．Ｈｏｄｇ— ｋｉｎ）之后的第４名女性获奖者。 需要补充的是，拉马克里希南、施泰茨和尤纳 斯这３位科学家虽然独立门户，但师出名门。拉马 克里希南曾经是施泰茨研究小组同事皮特・摩尔 ｆＰｅｔｅｒ Ｍｏｏｒｅ）的博士后。皮特・摩尔是最早研究核 糖体的人之一，他是１９６２年诺贝尔生理学或医学 奖者沃森（Ｊａｍｅｓ Ｄ．Ｗａｔｓｏｎ）的学生。施泰茨和尤 纳斯都是１９７６年诺贝尔化学奖获得者哈佛大学 教授威廉・利普斯科姆（Ｗ．Ｎ．Ｌｉｐｓｃｏｍｂ）的学生。 施泰茨曾经是利普斯科姆的博士生．尤纳斯在上 世纪７０年代赴哈佛大学进修，师从于利普斯科 姆。利普斯科姆的导师是１９５４年诺贝尔化学奖和 １９６２年诺贝尔和平奖的获得者、美国著名化学家 鲍林ｆＬ．Ｐａｕｌｉｎｇ）。真可谓“名师出高徒”。还需要指 出的是，由于名额的限制，３位科学家只是这方面 众多科学精英的代表，正如拉马克里希南在得知 自己获奖后感言：“科学是高度合作的事业，很多 人对核糖体的研究作出了贡献。所以．从某个角度 来说，我们只是一群努力者的代表。” ４核糖体结构解析的意义 核糖体结构的揭示为开发新的抗生素带来了 广阔的前景。科学家发现，细菌侵入人体后之所以 危害人体，往往是利用它们的核糖体制造出让人 生病的蛋白质，而人类服用抗生素就是影响细菌 的核糖体，让它们“读取错误”，制造出错误的蛋 白质或者让细菌的核糖体“卡住”。无法读取细菌 本身的遗传信息，制造蛋白质。这样细菌就无法繁 衍后代而死亡。对核糖体的了解，为人类设计适合 的抗生素，扰乱抗药菌的核糖体提供了理论基础。 正因为如此，施泰茨成立了一个医药公司．从事以 细菌核糖体为靶标的抗生素研发工作，并取得初 步的进展。此外，核糖体结构的解析对研究生命演 化中“先有鸡还是先有蛋”具有重要的意义。科学 家发现，在核糖体中起关键作用的是ｒ ＲＮＡ酶． 核糖体蛋白质仅起着维持ＲＮＡ构型的作用。故核 糖体结构的解析为先有核酸后有蛋白质的观念提 供了一个新的佐证。 回顾这段历史，不难发现，物理化学方法是打 开生命之门的一把金钥匙。正是得益于电子显微 镜和Ｘ射线衍射技术，人类揭开了核糖体结构和 功能的秘密。同时也应看到科学家专注和执著的 精神造就了他们事业的成功。 主要参考文献 １ 胡永林．核糖体的结构与功能研究——２ｏｏ９年诺贝尔化学 奖简介．生物化学与生物物理进展．２００９，３６（１０）：ｌ２３９—１２４３ ２凌志洋，刘望翼．核糖体：蛋白质合成的分子工厂．科学，２０１０， ６２（１）：５３—５６． ３余海若．生命化学工厂的设计大师——解读２００９年诺贝尔 化学奖． ｈｈｔ：／／ｗｗｗ．ｓｔｄａｉｌｙ．ｃｏｍ／ｏｔｈｅｒ／ｄｚｋｊ／２００９１０１８／２—１．ｈｔｍ ４ Ａｎｎ Ｒｏｌｌｅｒ．Ｄｉｓｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｌｉｆｅ（分子生物学入门）． 杨庆尧，徐思舜译．上海教育出版社，１９８５，６：）２３６－－２３８． ５ 任衍钢．生命科学术语简史．山西人民出版社。２ｏｏ８，６：２１９— ２２０．４８—４９． ６梁颖．英美以三国科学家分享２０ｏ９年诺贝尔化学奖．生理 科学进展，２００９。４（４）：３６８． ７ Ｇｅｏｒｇｅ Ｅ．Ｐａｌａｄｅ．Ａｕｔｏｂｉｏｇｒａｐｈｙ． ｈｔｔｐ：／／ｎｏｂｅｌｐｒｉｚｅ．ｏｒｇ／ｎｏｂｅｌ ｐｒｉｚｅｓ／ｍｅｄｉｃｉｎｅ／ｌａｕｒｅａｔｅｓ／１９７４／ ｐａｌａｄｅ—ａｕｔｏｂｉｏ．ｈｔｍｌ ８化学奖：找到生命的传译者． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３９ｋｆ．ｃ０ｍ／ｆ０ｅｕｓ／ｚｔ／Ｎ０ｂｅｌ—ｍｅｄｉｃｊｎｅ—ｐｒｉｚｅ． ９ Ｓｏｎａｌ Ｐａｎｓｅ．Ｇｅｏｒｇｅ Ｐａｌａｄｅ：Ｔｈｅ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌｏｇｉｓｔ Ｗｈｏ Ｄｉｓｅｏｖ－ ｅｒｅｄ Ｒｉｂｏｓｏｍｅｓ． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｒｉｇｈｔｈｕｂ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ｇｅｎｅｔｉｃｓ，ａｎｉｃｌｅｓ／２３９ｌ４．ａｓｐｘ １０ Ｖｉｃｔｏｒｉａ Ｓｔｅｍ．Ｒｉｂｏｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｗｉｎ Ｎｏｂｅ１． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｈｅ—ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ．ｅｏｍ／ｂｌｏｇ／ｄｉｓｐｌａｙ／５６０４５／ １ １ Ｋｒｉｓｔｅｎ Ｋｏｃｈ．Ｘ—ｒａｙｓ，ｒｉｂｏｓｏｍｅｓ，ａｎｄ Ｄｅａｄ Ｓｅａ ｂａｃｔｅｒｉａ：ｔｈｅ ２００９ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ． ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｈｙｐｉｏｓ．ｃｏｒｎ／ｔｈｉｎｋｉｎｇ． （Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｙｇ１９５８１０＠１２６．ｃｏｒｎ）