The term ribozyme is used for RNA that can act as an enzyme. Ribozymes are mainly found in selected viruses, bacteria, plant organelles, and lower eukaryotes. Ribozymes were first discovered in 1982 when Tom Cech’s laboratory observed Group I introns acting as enzymes. This was shortly followed by the discovery of another ribozyme, Ribonulcease P, by Sid Altman’s laboratory. Both Cech and Altman received the Nobel Prize in chemistry in 1989 for their work on ribozymes.
Ribozymes can be categorized into two groups depending upon their size – large and small. Large ribozymes can vary in size from a few hundred to several thousand nucleotides. The type I and II introns and bacterial Ribonuclease P are large ribozymes. Small ribozymes are 30 to 150 nucleotides long. They are found in many pathogenic plant viruses and the hepatitis delta virus (HDV), a human pathogen. Hammerhead, hairpin, HDV and Varkud satellite are common types of small ribozymes. Most large ribozymes need metal ions, especially Mg2+, for their activity, but metal ions are not necessary for most of the small ribozymes. The glmS ribozyme, in glmS mRNA, is a unique a-ribozyme as it also acts as a riboswitch when glucosamine 6-phosphate is present at high concentrations.
Most naturally occurring ribozymes catalyze self-cleavage breaking phosphodiester bonds present in their own RNA. Unlike a typical protein enzyme, most ribozymes perform a single-turnover reaction because, after self-cleavage, they are no longer active. However, two ribozymes – Ribonulcease P and the 23S RNA in the 50S ribosomal subunit perform different reactions. Bacterial Ribonuclease P is an RNA-protein complex that has endonuclease activity and requires Mg2+ ions. Its RNA component acts on the 5' end of premature tRNA to produce the mature 5' end. The 23S RNA present in the ribosome is different from all other known natural ribozymes as instead of phosphoryl transfer reactions, it carries out peptide-bond formation reactions during translation.
As RNA can act as a carrier of genetic information as well as enzymes, it is hypothesized that an “RNA world” may have existed in the past where RNA played an important role in the development of the early life forms. However, with the evolution of complex life forms, proteins with twenty amino acids might have started acting as enzymes and took over the many reactions carried out by the ribozymes. This theory gets support from the in-vitro developed artificial ribozymes that can carry out a myriad of reactions such as amide bond formation, glycosidic bond formation, carbon-carbon bond formation, and oxidation-reduction reactions.
Ribozyme sind spezielle Arten von RNA, die als Enzyme fungieren können.
Die Substrate für die meisten natürlich vorkommenden Ribozyme sind RNA-Phosphodiesterbindungen. Die einzige bekannte Ausnahme ist die ribosomale RNA 23S im bakteriellen Ribosom, die die Bildung von Peptidbindungen katalysiert.
Ribozyme wurden in allen Arten von Organismen gefunden und ähneln proteinbasierten Enzymen, da beide die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Viele Ribozyme benötigen Metallionen, wie Magnesium, als Co-Faktoren, um Reaktionen zu katalysieren.
Einige Klassen von Introns können als Ribozyme fungieren. Introns werden in fünf verschiedene Klassen eingeteilt: nukleäre mRNA, nukleare tRNA, Archaeen, Introns der Gruppe eins und Gruppe zwei.
Introns der Gruppen eins und zwei sind große Ribozyme, die mehrere hundert Nukleotide lang sind und in Pilz- und Pflanzenmitochondrien, Chloroplasten, Bakteriophagen und eukaryotischen Viren vorkommen.
Sie können sich ohne die Hilfe von Proteinen selbst spleißen, während nukleäre Introns durch das Spleißosom, einen RNA- und Protein-haltigen Enzymkomplex, gespleißt werden.
Kleine Ribozyme sind in der Regel 50 bis 150 Nukleotide lang und sind selbstspaltende Nukleotidsequenzmotive. Diese sind in vielen RNA-Pflanzenviren sowie im Hepatitis-Delta-Virus, einem menschlichen Krankheitserreger, zu finden.
Der Replikationsprozess in diesen Viren produziert lange RNA, die mehrere Einheiten des viralen Genoms trägt, wobei jede Einheit ein kleines Ribozym wie einen Hammerhai trägt. Diese Hammerhai-Enzyme in regelmäßigen Abständen durchlaufen eine Selbstspaltung, die zu einem Bruch der langen RNA in einzelne Genomsegmente führt.
Die meisten Ribozyme spalten ihre eigene Nukleotidsequenz, Ribonuklease P kann jedoch auch andere RNA-Moleküle spalten. Ribonuklease P kommt in einigen Bakterien vor und verarbeitet Vorläufer-tRNA, um ein reifes 5′-Ende zu erzeugen.
Es ist bekannt, dass die natürlich verfügbaren Ribozyme einen engen Bereich von Reaktionen katalysieren, wie z. B. den Phosphoryltransfer in Nukleinsäuren und die Bildung von Peptidbindungen in Proteinen. Wissenschaftler haben im Labor künstliche Ribozyme synthetisiert, die eine Vielzahl von Reaktionen wie die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und Oxidations-Reduktions-Reaktionen durchführen können.
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