揭開蛋白質製造機的神祕面紗 - 科技大觀園

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 ... 跳到主要內容 展開搜尋 全站搜尋 熱門關鍵字： 半導體 精準醫療 太空 煙火 關閉搜尋 分類 分類項目 關閉分類項目 地理 天文 化學 醫學 科技 社會科學 人類文明 地科 心理 物理 數學 環境 生物 生活科學 醫療 地球科學 Menu 關於我們 文章 熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 公務人員 教師 網站導覽 English 首長信箱 常見問答 雙語詞彙 關於我們 文章 文章 熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 認證 公務人員 教師 ::: 首頁 文章 最新文章 PleaceLogin! × 請先登入 登入 註冊 facebook twitter plurk line 中 列印 書籤 ::: 揭開蛋白質製造機的神祕面紗 99/09/02 瀏覽次數 24939 蕭世裕｜ 成功大學生物科技研究所 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（JamesD.Watson）和克里克（FrancisH.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（RNApolymerase）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2,300kDa，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（AdaE.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（ThomazA.Steitz）利用由電子顯微鏡專家約阿希姆•富蘭克（JoachimFrank）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（VenkatramanRamakrishnan）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（releasefactors）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】 資料來源 《科學發展》2010年9月，453期，56~61頁 蛋白質(66) RNA(15) 胺基酸(30) 達爾文(35) 推薦文章 111/04/29 地表空污全解析！如何用衛星遙測技術監測，提升全球尺度觀測優勢？ 林唐煌｜ 國立中央大學太空及遙測研究中心主任 儲存書籤 111/03/31 臺灣如何與極端氣候共存？唯一解方是透過數據分析及早做好防災準備 廖珮君｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 111/04/26 發現國境之南-臺灣生物的南島緣-國立臺灣師範大學吳忠信教授專訪 林珮霖｜ 科技部補助新南向計畫專案辦公室特約作家 儲存書籤 111/03/31 臺灣的國家級綠能科技示範場域「沙崙智慧綠能科學城」，由哪些科學研究與關鍵技術組成？ 陳亭瑋｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 OPEN 關於我們 關於我們 文章 熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音&廣播 TechTalk 活動 活動 學生專區 學生專區 回頂部