11.13: 리보자임

리보자임이라는 용어는 효소로 작용할 수 있는 RNA를 가리키는 데 사용됩니다. 리보자임은 선택된 바이러스, 박테리아, 식물 소기관 및 하급 진핵생물에서 주로 발견됩니다. 리보자임은 1982년 Tom Cech의 실험실에서 그룹 I 인트론이 효소로 작용하는 것을 관찰하면서 처음 발견되었습니다. 이는 Sid Altman의 연구실에서 또 다른 리보자임인 리보뉴클레이스 P를 발견한 이후에 이루어졌습니다. 체흐와 알트만은 둘 다 리보자임에 대한 연구로 1989년에 노벨 화학상을 받았습니다.

리보자임은 크기에 따라 크고 작은 두 그룹으로 분류될 수 있습니다. 큰 리보자임은 크기가 수백에서 수천 개의 뉴클레오티드까지 다양할 수 있습니다. 유형 I 및 II 인트론과 세균성 리보뉴클레이스 P는 큰 리보자임입니다. 작은 리보자임의 길이는 30~150개 뉴클레오티드입니다. 이는 많은 병원성 식물 바이러스와 인간 병원체인 델타 간염 바이러스(HDV)에서 발견됩니다. 귀상어, 머리핀, HDV 및 Varkud 위성은 일반적인 유형의 작은 리보자임입니다. 대부분의 큰 리보자임은 활동을 위해 금속 이온, 특히 Mg2+가 필요하지만 대부분의 작은 리보자임에는 금속 이온이 필요하지 않습니다. glmS mRNA에 있는 glmS 리보자임은 글루코사민 6-포스페이트가 고농도로 존재할 때 리보스위치 역할도 하기 때문에 독특한 a-리보자임입니다.

대부분의 자연 발생 리보자임은 자신의 RNA에 존재하는 포스포디에스테르 결합을 파괴하는 자가 절단을 촉매합니다. 일반적인 단백질 효소와 달리 대부분의 리보자임은 자가 절단 후에는 더 이상 활성이 아니기 때문에 단일 전환 반응을 수행합니다. 그러나 두 개의 리보자임(리보뉴클레이스 P 및 50S 리보솜 하위 단위의 23S RNA)은 서로 다른 반응을 수행합니다. 세균성 리보뉴클레이스 P는 엔도뉴클레아제 활성을 가지며 Mg2+ 이온이 필요한 RNA-단백질 복합체입니다. 그 RNA 구성요소는 미성숙 tRNA의 5' 말단에 작용하여 성숙한 5' 말단을 생성합니다. 리보솜에 존재하는 23S RNA는 인산 전달 반응 대신 번역 중에 펩타이드 결합 형성 반응을 수행한다는 점에서 알려진 다른 모든 천연 리보자임과 다릅니다.

RNA는 효소뿐만 아니라 유전 정보의 전달자 역할을 할 수 있기 때문에, 과거에 RNA가 초기 생명체의 발달에 중요한 역할을 했던 "RNA 세계"가 존재했을 수도 있다는 가설이 세워졌습니다. 그러나 복잡한 생명체가 진화하면서 20개의 아미노산을 가진 단백질이 효소로 작용하기 시작했고 리보자임이 수행하는 많은 반응을 대신했을 수도 있습니다. 이 이론은 아미드 결합 형성, 글리코시드 결합 형성, 탄소-탄소 결합 형성 및 산화-환원 반응과 같은 수많은 반응을 수행할 수 있는 시험관 내에서 개발된 인공 리보자임으로부터 뒷받침됩니다.

리보자임(Ribozymes)은 효소로 작용할 수 있는 특별한 유형의 RNA입니다.

대부분의 자연적으로 발생하는 리보자임의 기질은 RNA 포스포디에스테르 결합입니다. 이에 대한 유일하게 알려진 예외는 펩타이드 결합 형성을 촉매하는 박테리아 리보솜의 23S 리보솜 RNA입니다.

리보자임은 모든 유형의 유기체에서 발견되었으며 둘 다 반응 속도를 증가시킨다는 점에서 단백질 기반 효소와 유사합니다. 많은 리보자임은 반응을 촉매하기 위한 보조 인자로 마그네슘과 같은 금속 이온을 필요로 합니다.

일부 종류의 인트론은 리보자임으로 작용할 수 있습니다. 인트론은 핵 mRNA, 핵 tRNA, 고세균, 1족 및 2족 인트론의 5가지 클래스로 분류됩니다.

1족과 2족 인트론은 수백 뉴클레오티드 길이의 큰 리보자임으로, 곰팡이 및 식물 미토콘드리아, 엽록체, 박테리오파지, 진핵생물 바이러스에서 발견됩니다.

그들은 단백질의 도움 없이 자체 접합할 수 있는 반면, 핵 인트론은 RNA 및 단백질 함유 효소 복합체인 스플라이소솜에 의해 접합됩니다.

작은 리보자임은 일반적으로 50-150 뉴클레오티드 길이이며 자체 절단 뉴클레오티드 서열 모티프입니다. 이들은 많은 RNA 식물 바이러스와 인간 병원체인 델타 간염 바이러스에서 발견될 수 있습니다.

이러한 바이러스의 복제 과정은 바이러스 게놈의 여러 단위를 운반하는 긴 RNA를 생성하며, 각 단위는 귀상어와 같은 작은 리보자임을 운반합니다. 이 규칙적인 간격의 귀상어 효소는 자체 절단을 거쳐 긴 RNA가 개별 게놈 분절로 파손됩니다.

대부분의 리보자임은 자신의 뉴클레오티드 염기서열을 절단하지만, 리보뉴클레아제 P는 다른 RNA 분자를 절단할 수 있습니다. 리보뉴클레아제 P는 일부 박테리아에서 발견되며 전구체 tRNA를 처리하여 성숙한 5' 말단을 생성합니다.

자연적으로 이용 가능한 리보자임은 핵산의 인산화 전달 및 단백질의 펩타이드 결합 형성과 같은 좁은 범위의 반응을 촉매하는 것으로 알려져 있습니다. 과학자들은 실험실에서 탄소-탄소 결합 형성 및 산화-환원 반응과 같은 광범위한 반응을 수행할 수 있는 인공 리보자임을 합성했습니다.