Back to chapter

11.13:

Рибозимы

JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Ribozymes

Languages

Share

Рибозимы специальные типы РНК, которые могут действовать как ферменты. Субстратами для большинства естественные рибозимы являются связи фосфодиэфира РНК. Единственное известное исключение-это 23s рибосомальная РНК в бактериальной рибосоме которыая катализирует образование пептидной связи.Рибозимы были найдены во всех типах организмов и являются сходными с белковыми ферментами поскольку и те, и другие увеличивают скорость реакции. Многим рибозимам нужен ионы металла, такие как магний, как кофакторы для катализации реакции. Некоторые классы интронов могут действовать как рибозимы.Интроны подразделяются на пять различных классов Ядерная мРНК, ядерная тРНК, архейные, группа I и группа II.Группы I и II большие рибозимы длиной несколько сотен нуклеотидов и находящиеся в грибковых и растительных митохондриях, хлоропластах, бактериофагах, и эукариотических вирусах. Они могут самостоятельно соединяться без помощи каких-либо белков. В то время как ядерные интроны сращиваются с помощью сплайсеосомы, РНК и белок-содержащего ферментного комплекса.Небольшие рибозимы обычно от 50 до 150 нуклеотидов длиной и являются само-расщепляющимися мотивами нуклеотидной последовательности. Их можно найти во многих РНК растительных вирусов, например дельта гепатита, человеческого патогена. Процесс репликации в этих вирусах производит длинную РНК с несколькими единицами вирусного генома, где каждый из них имеет небольшую рибозиму, как молотоголовую рибозиму.Эти расположенные через регулярные промежутки мологоловые ферменты проходят через стадию саморасщепления, в результате чего длинная РНК разрывается на отдельные геномные сегменты. Большинство рибозимов расщепляют их собственные нуклеотидные последовательности. Однако рибонуклеаза P может расщепляют другие молекулы РНК.Рибонуклеаза Р обнаружена в некоторых бактериях и перерабатывает предшественника тРНК в зрелый конец праймер-5. Естественно доступные рибозимы, как известно, катализируют узкий диапазон реакций, например, фосфорильный перенос в нуклеиновых кислотах и образование пептидной связи у белков. Ученые синтезировали искусственные рибозимы в лаборатории, и они могут осуществлять широкий спектр реакций, таких как формирование углерод-углеродных связей и окисльно-восстановительные реакции.

11.13:

Рибозимы

Термин рибозим используется для обозначения РНК, которая может действовать как фермент. Рибозимы в основном обнаруживаются в некоторых вирусах, бактериях, органеллах растений и низших эукариотах. Рибозимы были впервые обнаружены в 1982 году, когда в лаборатории Тома Чека наблюдали интроны группы I, действующие как ферменты. Вскоре за этим последовало открытие другого рибозима, рибонуклеазы P, лабораторией Сида Альтмана. И Чек, и Альтман получили Нобелевскую премию по химии в 1989 году за свою работу с рибозимами.

Рибозимы можно разделить на две группы в зависимости от их размера – большие и малые. Большие рибозимы могут иметь размер от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Интроны типа I и II и бактериальная рибонуклеаза P являются большими рибозимами. Малые рибозимы имеют длину от 30 до 150 нуклеотидов. Они обнаружены во многих патогенных вирусах растений и вирусе гепатита дельта (HDV), возбудителе болезни человека. Рибозим hammerhead (головка молотка), рибозим, содержащий шпильку, HDV и сателлит Варкуда – распространенные типы малых рибозимов. Большинству больших рибозимов для активности нужны ионы металлов, особенно Mg2+, но для большинства малых рибозимов ионы металлов не нужны. Рибозим glmS в мРНК glmS является уникальным а-рибозимом, поскольку он также действует как рибопереключатель, когда глюкозамин-6-фосфат присутствует в высоких концентрациях.

Большинство встречающихся в природе рибозимов катализируют саморасщепление, разрушая фосфодиэфирные связи, присутствующие в их собственной РНК. В отличие от типичного белкового фермента, большинство рибозимов выполняют один оборот реакции, потому что после саморасщепления они перестают быть активными. Однако два рибозима – рибонуклеаза P и 23S РНК в рибосомной 50S субъединице осуществляют отличающиеся реакции. Бактериальная рибонуклеаза P представляет собой комплекс РНК-белок, обладающий эндонуклеазной активностью и требующий ионов Mg2+. Ее РНК-компонент действует на 5'-конце незрелой тРНК для образования зрелого 5'-конца. 23S РНК, присутствующая в рибосоме, отличается от всех других известных природных рибозимов, поскольку вместо реакций переноса фосфорильной группы она выполняет реакции образования пептидных связей во время трансляции.

Поскольку РНК может выступать в качестве носителя генетической информации, а также фермента, предполагается, что, возможно, в прошлом существовал “мир РНК“, в котором РНК играла важную роль в развитии ранних форм жизни.  Однако с развитием сложных форм жизни белки с двадцатью аминокислотами могли начать действовать как ферменты и взять на себя многие реакции, проводимые рибозимами. Эта теория получила поддержку за счет искусственных рибозимов, разработанных in vitro, которые могут выполнять множество реакций, таких как образование амидной связи, образование гликозидной связи, образование углерод-углеродной связи и окислительно-восстановительные реакции.

Suggested Reading

  1. Doherty, Elizabeth A., and Jennifer A. Doudna. "Ribozyme structures and mechanisms." Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure 30, no. 1 (2001): 457-475.
  2. Weinberg, Christina E., Zasha Weinberg, and Christian Hammann. "Novel ribozymes: discovery, catalytic mechanisms, and the quest to understand biological function." Nucleic Acids Research 47, no. 18 (2019): 9480-9494.  
  3. Ferré-D'Amaré, Adrian R., and William G. Scott. "Small self-cleaving ribozymes." Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2, no. 10 (2010): a003574.
  4. Tanner, N. Kyle. "Ribozymes: the characteristics and properties of catalytic RNAs." FEMS Microbiology Reviews 23, no. 3 (1999): 257-275.