Что такое рибозимы биохимия
Рибозимы
Содержание
Открытие
Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila, и Сидни Альтманом, работавшим с бактериальной рибонуклеазой P.
Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК. Каталитическая активность также была обнаружена в РНК-субъединице комплекса рибонуклеазы P, участвующей в обработке пре-тРНК (впоследствии Альтман доказал, что эта активность может обеспечиваться рибозимом без участия белков).
Термин рибозим был введён Келли Крюгер и др. в статье, опубликованной в журнале Cell в 1982 году.
Действие
Несмотря на то, что большинство рибозимов достаточно редко встречаются в клетках, иногда они очень важны для их существования. Например, активная часть рибосомы — молекулярной машины, осуществляющей трансляцию белков из РНК — является рибозимом.
То обстоятельство, что РНК может содержать наследственную информацию, позволило Уолтеру Гилберту выдвинуть предположение, что в древности РНК использовалась как в качестве генетического материала, так и в качестве катализаторов и структурных компонентов клетки, а впоследствии эти роли были перераспределены между ДНК и белками. Эта гипотеза сейчас известна как Гипотеза мира РНК.
Если РНК были первыми молекулярными машинами, использовавшимися в ранних живых клетках, то рибозимы, существующие сегодня (например, аппарат рибосомы), могут считаться живыми ископаемыми — образцами живых существ, состоящих из нуклеиновых кислот.
Известные рибозимы
Естественные рибозимы
В природе обнаружены следующие рибозимы:
Синтетические рибозимы
После обнаружения естественных рибозимов начались и исследования новых синтетических рибозимов, созданных в пробирке. Например, получены саморасщепляющиеся РНК, обладающие высокой каталитической активностью.
Тан и Брейкер [7] выделили саморасщепляющиеся РНК путём отбора фрагментов из РНК, сформированных случайным образом. Среди синтетических рибозимов есть как обладающие уникальной структурой, не встречающейся или не обнаруженной в живой природе, как и другие, весьма схожие с природным рибозимом типа hammerhead.
Одна из методик обнаружения синтетических рибозимов — эволюционный метод. Этот подход полагается на двойственную природу РНК, которая является как катализатором, так и информационной цепочкой. За счёт такой двойственности довольно просто создать большие разнообразия РНК-катализаторов при помощи ферментов типа полимераз. Полученные рибозимы подвергаются мутациям путём обратной транскрипции при помощи обратных транскриптаз с образованием фрагментов кДНК в процессе мутагенной полимеразной цепной реакции.
Рибозимы — катализаторы древнего мира
Уникальное свойства ферментов рибозимов — их способность к низкотемпературному катализу — позволяла им обеспечивать сборку новых молекул РНК на самых ранних этапах возникновения жизни.
Когда на Земле жизнь только возникла, еще не существовало ДНК, которая сейчас служит основным носителем наследственной информации. Другая нуклеиновая кислота, РНК, возникла раньше. По-видимому, именно она в то время обеспечивала развитие и размножение первых живых существ. Многие ученые разделяют гипотезу о существовании на заре зарождения жизни «мира РНК». Одна из загадок этого мира состоит в том, как молекулы РНК могли воспроизводиться при низких температурах, которые, как предполагают, могли быть в то время. Это было возможно благодаря ферментам рибозимам. Изучению рибозим и посвящено совместное исследование ученых из новосибирского Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и их коллег из американской компании SomaGenics (Санта-Круз, Калифорния).
Рибозимы — не совсем ферменты: по своей химической природе это не белки, а тоже молекулы РНК, только выполняющие специальные функции. Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК. У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры. То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ.
Свойства рибозимов новосибирские исследователи проверили экспериментально. Они работали с так называемым «шпилечным рибозимом», который содержится в вирусе табачной мозаики. Эта ферментная РНК «собирает» в заданном порядке геномную РНК вируса, нарезая и сшивая участки молекулы РНК, которые синтезируются из нуклеотидов на ее цепи. Ученые синтезировали участок РНК вируса табачной мозаики, очистили от примесей, добавили в получившийся раствор немного рибозима и инкубировали пробы при разной температуре.
Когда они сравнили, что получилось, оказалось, что количество вновь синтезированной РНК находится в обратной зависимости от температуры раствора. При положительной температуре рибозим только расщеплял нуклеотидную цепочку, а сшивал кусочки очень неэффективно, в результате в растворе образовалось не более 4% новых продуктов. А при температуре минус 10 градусов фермент расщеплял РНК и сшивал ее в новом порядке, так что «неиспользованных» деталей практически не оставалось. По мнению ученых, рибозим начинает активно работать из-за дегидратации раствора при его охлаждении. При обычной температуре можно добиться такого же эффекта, введя в реакционную смесь спирты.
Ученые считают, что именно исследуемый ими феномен — низкотемпературный катализ — был двигателем эволюции в ту пору, когда жизнь только возникла. Они ожидают, что такую особенность рибозимов можно будет использовать для низкотемпературного синтеза веществ, подавляющих нежелательные гены, и в химическом анализе, когда промежуточные продукты реакций неустойчивы при нормальной температуре.
Источник информации: Доклады Академии наук, 2005, т. 42, №3.
Особенности и виды рибозимов
рибозимы это РНК (рибонуклеиновая кислота) с каталитической способностью, то есть способная ускорять химические реакции, которые происходят в организме. Некоторые рибозимы могут действовать в одиночку, в то время как другим необходимо присутствие белка для эффективного проведения катализа..
Обнаруженные до настоящего времени рибозимы участвуют в реакциях генерации молекул переносимой РНК и в реакциях сплайсинг: переэтерификация, связанная с удалением интронов из молекул РНК, будь то мессенджер, перенос или рибосома. В зависимости от их функции они делятся на пять групп.
Открытие рибозимов вызвало интерес у многих биологов. Эти каталитические РНК были предложены в качестве потенциального кандидата на молекулы, которые, возможно, породили первые формы жизни.
Кроме того, многие вирусы используют РНК в качестве генетического материала, и многие из них являются каталитическими. Следовательно, рибозимы открывают возможности для создания лекарств, которые стремятся атаковать эти катализаторы..
Историческая перспектива
В течение многих лет считалось, что единственными молекулами, способными участвовать в биологическом катализе, были белки..
Белки состоят из двадцати аминокислот, каждая из которых имеет различные физические и химические свойства, которые позволяют группировать их в самые разнообразные сложные структуры, такие как альфа-спирали и бета-листы..
В 1981 году произошло открытие первого рибозима, положив конец парадигме, согласно которой единственными биологическими молекулами, способными проводить катализ, являются белки..
Структуры ферментов позволяют брать субстрат и превращать его в определенный продукт. Молекулы РНК также обладают способностью складывать и катализировать реакции.
Фактически структура рибозима напоминает структуру фермента со всеми его наиболее заметными частями, такими как активный сайт, сайт связывания субстрата и сайт связывания кофактора..
РНКаза Р была одним из первых обнаруженных рибозимов и состоит из белков и РНК. Участвует в генерации молекул переноса РНК, начиная с более крупных предшественников..
Характеристика катализа
В лабораторных экспериментах также было показано, что они участвуют в других реакциях, таких как переэтерификация фосфата..
Типы рибозимов
Существует пять классов или типов рибозимов: три из них участвуют в реакциях самомодификации, в то время как остальные два (рибоназа P и рибосомная РНК) используют другой субстрат в каталитической реакции. Другими словами, молекула, отличная от каталитической РНК.
Интроны I группы
Этот тип интронов был обнаружен в митохондриальных генах паразитов, грибов, бактерий и даже вирусов (таких как бактериофаг T4).
Например, у простейших видов Тетрахимена термофила, Интрон удаляется из предшественника рибосомной РНК в несколько этапов: сначала нуклеозид или нуклеозид гуанозина реагирует с фосфодиэфирной связью, связывающей интрон с реакцией экзон-трансэтерификации..
Затем свободный экзон выполняет ту же реакцию в фосфодиэфирной связи экзон-интрон на конце акцепторной группы интрона..
Интроны II группы
Интроны группы II известны как «autoempalme», поскольку эти РНК способны к самосвязыванию. Интроны этой категории находятся в предшественниках митохондриальной РНК в линии грибов.
Группы I и II и рибонуклеазы P (см. Ниже) представляют собой рибозимы, характеризующиеся большими молекулами, длиной до нескольких сотен нуклеотидов и образованием сложных структур..
Интроны III группы
Интроны III группы называются «автокортируемыми» РНК и были идентифицированы в патогенных вирусах растений..
Эти РНК имеют особенность в том, что они способны разрезать себя в реакции созревания геномных РНК, начиная с предшественников со многими единицами.
В этой группе один из самых популярных и изученных рибозимов: рибозимная головка молотка. Это найдено в инфекционных рибонуклеиновых агентах растений, называемых вироидами.
Эти агенты требуют, чтобы саморасщепляющийся процесс размножался и производил несколько своих копий в непрерывной цепи РНК..
Вироиды должны быть отделены друг от друга, и эта реакция катализируется последовательностью РНК, обнаруженной с обеих сторон области связывания. Одна из этих последовательностей является «головкой молотка» и названа в честь сходства ее вторичной структуры с этим инструментом..
Рибонуклеаза Р
Четвертый тип рибозимов состоит из молекул РНК и белков. У рибонуклеаз структура РНК жизненно важна для осуществления каталитического процесса..
В клеточной среде рибонуклеаза P действует так же, как белковые катализаторы, разрезая предшественники РНК-переносчика, чтобы получить зрелый 5′-конец.
Этот комплекс способен распознавать мотивы, последовательности которых не изменились в ходе эволюции (или изменились очень мало) предшественников трансфер-РНК. Чтобы связать субстрат с рибозимом, он широко не использует комплементарность между основаниями.
Они отличаются от предыдущей группы (рибозимы головки молотка) и РНК, сходных с этим, конечным продуктом среза: рибонуклеаза продуцирует 5′-концевой фосфат.
Бактериальная рибосома
Исследования структуры рибосомы бактерий позволили сделать вывод, что он также обладает свойствами рибозима. Участок, ответственный за катализ, находится в субъединице 50S..
Эволюционные последствия рибозимов
Открытие РНК с каталитическими способностями привело к возникновению гипотез, связанных с происхождением жизни и ее эволюцией на зарождающихся стадиях..
Эта молекула является основой гипотезы о «мире первичной РНК». Некоторые авторы поддерживают гипотезу о том, что миллиарды лет назад жизнь должна была начаться с определенной молекулы, способной катализировать свои собственные реакции..
Таким образом, рибозимы, по-видимому, являются потенциальными кандидатами на эти молекулы, которые породили первые формы жизни..
Рибозим
СОДЕРЖАНИЕ
Открытие [ править ]
В биологии существовало твердое убеждение, что катализ предназначен только для белков. Однако идея катализа РНК частично мотивирована старым вопросом о происхождении жизни: что первично: ферменты, выполняющие работу клетки, или нуклеиновые кислоты, несущие информацию, необходимую для производства ферментов? Концепция «рибонуклеиновые кислоты как катализаторы» позволяет обойти эту проблему. РНК, по сути, может быть как куриным, так и яйцом. [10]
После открытия Чеха и Альтмана другие исследователи обнаружили другие примеры саморасщепляющейся РНК или каталитических молекул РНК. Многие рибозимы имеют активный центр в форме шпильки или головки молотка и уникальную вторичную структуру, которая позволяет им расщеплять другие молекулы РНК по определенным последовательностям. Теперь можно создавать рибозимы, которые будут специфически расщеплять любую молекулу РНК. Эти катализаторы РНК могут иметь фармацевтическое применение. Например, рибозим был разработан для расщепления РНК ВИЧ. Если бы такой рибозим был произведен клеткой, все поступающие вирусные частицы имели бы свой РНК-геном, расщепленный рибозимом, что предотвратило бы инфекцию.
Структура и механизм [ править ]
Несмотря на то, что для каждой мономерной единицы (нуклеотидов) имеется только четыре варианта выбора, по сравнению с 20 боковыми цепями аминокислот, обнаруженными в белках, рибозимы имеют различные структуры и механизмы. Во многих случаях они способны имитировать механизм, используемый их белками. Например, в саморасщепляющихся рибозимных РНК проточная реакция SN2 осуществляется с использованием 2′-гидроксильной группы в качестве нуклеофила, атакующего мостиковый фосфат и заставляющего 5′-кислород основания N + 1 действовать как уходящая группа. Для сравнения, РНКаза А, белок, который катализирует ту же реакцию, использует координирующий гистидин и лизин, чтобы действовать как основание для атаки на фосфатный остов. [2] [ требуется пояснение ]
Перенос фосфорила также можно катализировать без ионов металлов. Например, рибонуклеаза поджелудочной железы А и рибозимы вируса гепатита дельта (HDV) могут катализировать расщепление основной цепи РНК посредством кислотно-основного катализа без ионов металлов. [14] [15] Рибозим-шпилька также может катализировать саморасщепление РНК без ионов металлов, но механизм до сих пор неясен. [15]
Рибозим также может катализировать образование пептидной связи между соседней аминокислотой за счет снижения энтропии активации. [14]
Действия [ править ]
Наиболее изученными рибозимами, вероятно, являются те, которые разрезают сами себя или другие РНК, как в оригинальном открытии Чеха [18] и Альтмана. [19] Однако рибозимы могут быть разработаны для катализирования ряда реакций (см. Ниже), многие из которых могут происходить в жизни, но не были обнаружены в клетках. [20]
Рибозимы и происхождение жизни [ править ]
Искусственные рибозимы [ править ]
Линкольн и Джойс разработали ферментную систему РНК, способную к самовоспроизведению примерно за час. Путем использования молекулярной конкуренции ( эволюция in vitro ) смеси РНК-кандидатов появилась пара рибозимов, в которых каждый синтезирует другой, соединяя синтетические олигонуклеотиды без присутствия белка. [26]
Рибозим РНК-полимеразы [ править ]
Приложения [ править ]
Рибозимы были предложены и разработаны для лечения заболеваний с помощью генной терапии (3). Одной из основных проблем использования ферментов на основе РНК в качестве терапевтических средств является короткий период полужизни каталитических молекул РНК в организме. Чтобы бороться с этим, положение 2 ‘на рибозе модифицируется для повышения стабильности РНК. Одной из областей генной терапии рибозимов является ингибирование вирусов на основе РНК.
Был разработан синтетический рибозим, направленный против РНК ВИЧ, называемый генными ножницами, который прошел клинические испытания на ВИЧ-инфекцию. [31] [32]
Точно так же рибозимы были разработаны для нацеливания на РНК вируса гепатита С, коронавирус SARS (SARS-CoV) [33], аденовирус [33] и РНК вирусов гриппа A и B. [34] [35] [36] [33] Рибозим способен расщеплять консервативные области генома вируса, который, как было показано, снижает вирус в культуре клеток млекопитающих. [37] Несмотря на эти усилия исследователей, эти проекты остались на доклинической стадии.
Известные рибозимы [ править ]
Хорошо подтвержденные классы встречающихся в природе рибозимов:
★ Рибозимы
Ribasim, также называемый фермент РНК или каталитической РНК-это молекула РНК, обладающая каталитическим действием. многие природные рибозимы катализируют расщепление происхождение самих себя или других молекул РНК, кроме того образование пептидной связи в белках с помощью рРНК рибосомы. В исследованиях о происхождении жизни, удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимераза способна при определенных условиях стимулировать собственную сборку. первые лабораторные образцы показали низкую каталитическую способность: они умудряются собирать цепочки из не более, чем 14 нуклеотидов за 24 часа, после чего они разлагаются при гидролизе fosfolipidnyh связей, но результат постепенно улучшается: в 2011 году достиг значения в 95 нуклеотидов.
1. Открытие. (Opening)
Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е лет пре-рРНК Томасом чеком, который изучал сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila и Сидней Альтман, который работал с бактериальной рибонуклеазы P.
Рибозим был участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena закодированных introna внехромосомных генов рДНК, этот участок была проведена autoplaying, то есть, он порезался в созревании рРНК. каталитическую активность также была обнаружена в субъединицы РНК рибонуклеазы комплекса P, участвующие в обработке пре-тРНК и впоследствии Альтман доказал, что эта деятельность может быть указана рибозимы без участия белков.
В 1989 году чек и Альтман получили Нобелевскую премию по химии за «обнаружение каталитических свойств РНК».
Термин рибозим был внесен на Келли Крюгер и др. в статье, опубликованной в журнале Cell (Клетки) для 1982 году.
2. Действие. (Action)
В качестве коферментов, некоторые рибозимы часто содержат двухвалентные ионы металлов, например, Mg 2.
Тот факт, что РНК может содержать генетическую информацию, допускается Уолтер Гилберт предположить, что в древности использовали РНК как в качестве генетического материала, и как катализаторы и структурных компонентов клеток, и впоследствии эти функции были перераспределены между ДНК и белками. это предположение сейчас известно как гипотеза РНК-мира.
Если РНК была первой молекулярных машин, используемых в начале жизни клетки, рибозимы, которые существуют сегодня, например, аппарат рибосом могут считаться живыми ископаемыми, образцы живых существ, состоит из нуклеиновых кислот.
Недавние исследования складывания прионы показывают, что РНК может катализировать фолдинг белка в патологические конфигурации, как ферменты для сопровождающих.
3.1. Известны рибозимы. Природные рибозимы. (Natural ribozymes)
Природа обнаружен следующий рибозимы:
3.2. Известны рибозимы. Синтетические рибозимы. (Synthetic ribozymes)
После открытия природные рибозимы начались исследования и разработка новых синтетических рибозимов созданный в пробирке. например, получил camaraderies РНК с высокой каталитической активностью.
И выключатель Тан выделенной РНК camaraderies путем отбора фрагментов РНК, которые генерируются случайным образом. среди синтетических рибозимов, как обладая уникальной структурой, не нашел или нет в природе, как и другие, очень похожие на природные рибозимы hammerhead (молот).