本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
欢迎本月的 Scicurious 客座作者 Abid Javed！他不仅撰写了这篇文章，还绘制了一些自己的艺术作品！
机器可以是大型且复杂的。以汽车为例。它有一个引擎，使其能够执行将我们人类从一个地方运送到另一个地方的任务。单个小失误或对众多汽车零件之一的损坏都会导致机器完全停止工作。例如，生锈的汽车引擎会阻止汽车启动，更不用说向前行驶了。现在在生物学中考虑一下这个机器概念。就像人造机器一样，生物机器可以是复杂的、大型的，并且可以以巨大的力量执行任务。ATP 合成酶，例如，是细胞中的一种大型蛋白质机器，通过旋转自身来为其 ATP（能量）分子生产提供动力。同样，我们有核糖体作为细胞中蛋白质制造（翻译）机器。这些机器要么在细胞质中自由发挥作用，要么嵌入细胞隔室的膜内，不知疲倦地工作以制造新的蛋白质。细胞质中的核糖体就像汽车，沿着信使 RNA链 (mRNA) 行驶，拖着不断增长的蛋白质链，直到到达最终目的地停止位点（mRNA 上的终止遗传密码）以完成蛋白质合成 (2)。在所有制造蛋白质的生物体中都发现核糖体，这种机器是如何实现其重要作用的呢？
核糖体的结构
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让我们首先考虑一下这种生物机器的结构组成。它由两个主要主体部分组装而成 - 一个小的 30S（S 是一个Svedberg单位，用于表示分子重量）亚基和一个大的 50S 亚基。这些亚基中的每一个都由核糖体 RNA和蛋白质分子组成，它们相互补充，以实现核糖体蛋白质合成的功能。大的 50S 核糖体亚基具有精心折叠的 RNA 分子（16S 核糖体 RNA），穿插在 50S 核糖体蛋白之间。另一方面，小的 30S 亚基具有两个 RNA 分子（23S 和 5S 核糖体 RNA），其核糖体蛋白包裹着它 (2), (3)。单个的小亚基和大亚基部分在细胞核内合成，一旦进入细胞质，就会组装成一个 70S 核糖体单元 (2)。
像汽车一样，核糖体机器在其结构内具有指定的特定位点。例如，在许多旧汽车内部，有前排驾驶员和乘客座椅，中间有一个小的中间座椅夹在两者之间。同样，在核糖体的核心内部，您会发现三个主要活动发生的位点。首先，是驾驶员 A 位点（氨酰-tRNA 位点），允许新的 tRNA 分子连接到氨基酸上进入。旁边是中间乘客 P 位点（肽酰-tRNA 位点），它容纳不断增长的蛋白质链和中间 tRNA 分子。最后，前排乘客 E 位点（出口位点）允许已使用的 tRNA 分子和新生成的蛋白质链从核糖体中排出。本质上，机器的小亚基部分用于识别和正确结合进入的 tRNA 分子，而大亚基部分用于促进蛋白质合成活动（图 1）。
（来源，Darrell Sharp 撰写）
核糖体如此庞大的原因之一是它有一个大的底物需要容纳；tRNA 分子。 tRNA 分子从其遗传序列折叠成 L 形 RNA 结构。在其结构的一端，它携带连接的氨基酸，而在另一端，它暴露了一个三字母遗传密码（mRNA 密码子的反密码子），该密码充当与核糖体内部 mRNA 分子结合的特定识别位点。本质上，tRNA 分子在蛋白质翻译事件中充当货物状分子，将新的氨基酸带入核糖体，以便将其掺入不断增长的蛋白质链中 (2)。一旦 tRNA 分子完成了其在核糖体内部的工作，它就会通过清除新的氨基酸来回收自身，它可以将这些氨基酸带回以进行另一轮循环。
许多机器都需要辅助部件才能发挥作用，核糖体也不例外。在蛋白质合成过程中，核糖体机器由三种辅助蛋白质辅助，这些蛋白质帮助核糖体有效地翻译蛋白质。EF-Tu（延伸因子热不稳定）蛋白允许核糖体在其 A 结合位点结合特定的 tRNA 分子以开始翻译 (5)。EF-G（延伸因子 G）蛋白帮助核糖体在蛋白质合成步骤中移动 tRNA 和 mRNA (6)。释放因子蛋白 (RF1) 最终帮助核糖体促进 tRNA 和新合成的蛋白质链从出口位点排出。
工作中的核糖体
一旦核糖体组装了所有单个部件以形成一个整体单元，它就会作为一台制造蛋白质的机器而活跃起来。它通过结合单个小亚基和大亚基的工作来实现这一点，从小亚基和大亚基收集来自细胞质的 tRNA 结合氨基酸组分，并将它们组合在一起以制造大量的蛋白质分子。整个过程分为三个阶段，发生在机器内部的三个相应位点。在游离核糖体组装并结合到细胞质中的 mRNA 链后，第一步是允许特定的 tRNA 分子在小核糖体亚基的 A 位点进入。在这个亚基的核糖体 RNA 链上，有两组遗传看门人充当守卫，只允许特定的 tRNA 分子结合。这是通过它们与进入的 tRNA 分子的特定化学相互作用来实现的，这种相互作用要么允许进入，要么直接拒绝进入。核糖体当然不能允许非特异性结合，因为那会扰乱机器的力学 (4)。像核糖体这样的引擎（由底物结合小亚基和蛋白质制造大亚基组成）需要燃料才能发挥作用，而燃料以快速释放能量的分子GTP（鸟苷三磷酸）的形式出现。这些由辅助蛋白（EF-Tu 和 G 蛋白）携带，最终为 tRNA 结合和蛋白质合成事件期间沿核糖体内部 A 到 E 位点的移动提供燃料 (5), (6)。
一旦正确的 tRNA（携带氨基酸）在核糖体内部的 A 位点与 mRNA 链结合，机器就会准备开始将蛋白质分子组装在一起，方法是在其内部结合进入的氨基酸。核糖体机器具有特殊的、灵活的能力，可以在 tRNA 分子结合后移动并包裹自身，从而通过使氨基酸更靠近彼此来更容易地结合伴随的氨基酸 (7), (9)。通过将 tRNA 分子正确地固定在小亚基的 A 位点，大亚基的蛋白质合成活动开始。
在核糖体机器的大亚基部分内部，蛋白质合成的主要化学事件发生在称为肽基转移酶中心的 A 和 P 位点连接处，在该处，核糖体机器在指定的核糖体位点按顺序化学键合单个氨基酸，从而使该过程具有渐进性并且不会停止。与辅助蛋白（前面提到的 EF-Tu 和 EF-G 和 RF1）一起，tRNA 和氨基酸在两个核糖体部分内的 A 位点、P 位点和 E 位点之间跳跃，从而使蛋白质链分子逐渐生长 (8)。一旦最后一个 tRNA 分子与其在 30S 机器部分中对应的终止 mRNA 密码结合，大亚基部分中的肽基转移酶中心就会意识到是时候停止了。蛋白质随后终止，并在 RF1 辅助蛋白的帮助下，新生成的链通过核糖体 E 位点出口隧道滑出核糖体 (3), (9), (10)。在整个过程中，核糖体的任务不仅是充当核酶（化学合成蛋白质），而且还充当过滤机器，以便允许将正确的氨基酸掺入到不断增长的蛋白质链中，并降低蛋白质翻译错误率 (10)。如果没有这种过滤能力，否则会导致核糖体将错误的氨基酸掺入蛋白质中，这将导致完全功能失调的蛋白质被制造出来。因此，核糖体能够维持其过滤特性非常重要。
靶向核糖体的功能。
然而，像核糖体这样的大型机器如此努力地工作，不可避免地会出现错误。如前所述，机器零件故障或其功能混乱会放大核糖体的错误产生率。科学家们已将此视为通过使核糖体机器在制造正确的蛋白质分子方面功能失调来治疗各种病理疾病的主要步骤。例如，当前的工作正在利用核糖体的机制通过抑制细胞中的蛋白质合成来创造新药，这可能是阻止细菌感染等事物的强大工具。天然抗生素和化学抑制剂是一些在抑制细胞核糖体功能方面显示出有希望结果的例子。这些分子的抑制作用直接导致阻止大型 50S 机器部件发挥作用；削弱肽基转移酶中心的螺母和螺栓，从而阻止核糖体中的蛋白质合成。从本质上讲，通过抑制蛋白质合成过程，它直接阻止了被靶向的病理生物体的生长和存活，因此被证明是在 DNA 和蛋白质分子界面治疗病理疾病的有用策略 (10), (11)。
所有这些努力工作来理解这种复杂机器的分子内部运作方式，引出了一个问题，即为什么我们如此热衷于它？蛋白质分子是生物生命的核心，理解它们的基本合成过程（通过核糖体机器）使我们能够深入了解与蛋白质在合成后实际如何折叠，以及是什么导致它们无法适应正确的形状（这可能导致蛋白质错误折叠，这是某些神经退行性疾病如阿尔茨海默病的症状）相关的问题。阐明核糖体机器行为的艰苦工作理所当然地获得了 2009 年诺贝尔化学奖 (12)。目前仍有许多工作要做，并且可以从核糖体中学到重要的东西。但对于所有剩余的工作，仍然很容易看出核糖体真是一种非凡的生物机器。
参考文献。
1. Albertsson A. P., Hanzon V., Toschi G. 1959. 通过液体两相系统从大鼠脑微粒体中分离核糖核蛋白颗粒。《超微结构研究杂志》。第 2 卷：366-372。
2. Steitz A. Thomas. 2008. 动态核糖体机器的结构理解。《自然评论-分子细胞生物学》。第 9 卷：242-253。
3. Rodnina V. Marina, BeringerMalte 和 Wintermeyer Wolfgang. 2007. 核糖体如何形成肽键。《生物化学科学趋势》。第 32 卷：20-26。
4. Wimberly T. Brian, Brodersen E. Ditlev, Clemons M. William, Warren-Morgan J. Robert, Carter P. Andrew, Vonrhein Clemens, Hartsch Thomas &Ramakrishnan V. 2000. 30S 核糖体亚基的结构。《自然》。第 407 卷：327-339。
5. Stark Holger, Rodnina V. Marina, Appel-RinkeJutta, Brimacome Richard, Wintermeyer Wolfgang &Heel van Marin. 1997. 大肠杆菌核糖体上延伸因子 Tu 的可视化。《自然》。第 389 卷：403-406。
6. Rodnina V. Marina, Savelsbergh, Katunin I. Vladimir &Wintermeyer Wolfgang. 1997. 延伸因子 G 对 GTP 的水解驱动 tRNA 在核糖体上的移动。《自然》。第 385 卷：37-41。
7. PapeTillmann, Wintermeyer Wolfgang 和 Rodnina Marina. 1999. 核糖体上氨酰-tRNA 的初始选择和校对中的诱导契合。《欧洲分子生物学组织杂志》。第 18 卷：3800-3807。
8. Julian Patricia, Konevega L. Andrey, Scheres W. H. Sjors, Lazaro Melisa, Gil David, Wintermeyer Wolfgang, Rodnina V. Marina 和 Valle Mikel. 2008. 具有混合状态 tRNA 的棘轮核糖体的结构。《美国国家科学院院刊》。第 105 卷：16924-16927。
9. Valle Mikel, ZavialovAndrey, SenguptaJayati, RawatUrmila, Ehrenberg Mans, Frank Joachim. 2003. 核糖体运动的锁定和解锁。《细胞》。第 114 卷：123-134。
10. Liljas A. 1999. 功能即结构。《科学》。第 285 卷（5436）：2077-8。
11. Ochi Kozo, Okamoto Susumu, TozawaYuzuru, Inaoka Takashi, Hosaka Takeshi, Xu Jun, Kurosawa Kazuhiko. 2004. 核糖体工程和次级代谢产物生产。《应用微生物学进展》。第 56 卷：第 155-184 页。
12. Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, Ada E. Yonath. 2009 年诺贝尔化学奖：- www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/press.html
Abid Javed 是曼彻斯特大学的生物化学本科生。今年完成学位后，Abid 将在 UCL 与 John Christodoulou 博士一起开始他的博士研究，以梳理核糖体的内部运作。总有一天，他想举办一个艺术展览，展示蛋白质在结构上有多么美丽。网站：- www.abidsbrushstrokes.com
Twitter：- twitter.com/sunshine_6