【6.1.3】核酶(Ribozymes)

一、核酶的发现与定义 (Discovery and Definition of Ribozymes)

核酶就是RNA催化剂既然核酶也属于酶,就应该具有酶的一切性质。但作为一种最古老的生物催化剂,核酶催化反应的种类和效率与基于蛋白质的酶相比,还存在一些不足。正因为如此,现代的细胞主要使用蛋白质作为催化剂,少数核酶仍然被使用,是因为它们催化的反应已能完全满足细胞功能的需要,在生命的进化过程中,缺乏被能行使相同功能的蛋白质取代的选择性压力。

  • 由Tom Cech和Sydney Altman发现(Discovered by Tom Cech and Sydney Altman)
  • 核酶是有催化作用的RNA分子, 可以催化很多化学反应(Ribozymes just are catalyticRNA molecules, which can catalyze a number of the chemical reactions)
  • 核酶可以是天然的,也可能是人工合成的(Ribozymes can be naturally-occurring or artificially-made)
  • 2种几乎存在于所有生物体内的天然核酶:核糖核酸酶P和核糖体(Two naturally- occurring ribozymes are present in almost every organism: RNase P and Ribosome)

二、核酶的种类(Types of Ribozymes)

  • 天然核酶(Naturally occurring ribozymes)
    • 根据大小和反应机制可分为大核酶和小核酶(are classified into two different groups, the large and small ribozymes, based on differences in size and reaction mechanism).
  • 人工核酶(Artificial ribozymes)
    • 在体外从由随机序列组成的RNA库中筛选而来,可催化多种反应 (produced by in vitro selection from the RNA pool with random sequences. Can catalyze many different types of reactions).

到目前为止,已发现近十种天然的核酶。这些天然的核酶在细胞里催化不同的反应。根据分子的大小和催化机制,核酶可以分为小核酶和大核酶,其中小核酶的大小约40~154nt,大核酶有几百个到几千个nt。

小核酶一般是来源于某些动、植物病毒的卫星RNA,主要包括锤头状(hammerhead)核酶、发夹状(hairpin)核酶、D型肝炎病毒(the hepatitis delta virus,HDV)RNA、Varkud卫星(Varkud satellite,VS)核酶和GlmS核开关。这些核酶除了GlmS核开关以外,都能催化近乎相同的剪切反应,在宿主细胞内都是通过互补的RNA中间物进行滚环复制,但在二级结构和三级结构上差别很大。滚环复制产生的是多个拷贝串联在一起的多聚体,需要通过自我剪切的方式将单体释放出来。

大核酶包括I组和II组自我剪接的内含子(self-splicing introns)、催化真核细胞核mRNA前体剪接的剪接体(spliceosome)、催化tRNA 前体在5′-端后加工的核糖核酸酶P和催化蛋白质生物合成的核糖体。

除了以上这些天然的核酶以外,人们使用指数富集式配体系统进化 (SELEX)技术,已从人工构建的序列库中筛选到自然界并不存在的核酶。在体外催化反应的类型上,这些人工核酶大大超过了细胞内现存的天然核酶,至少包括:催化RNA复制的RNA复制酶;催化RNA转录的RNA聚合酶;催化ATP的γ-磷酸基团转移到RNA 5′或2′-OH的多核苷酸激酶;催化氨酰基从Phe-AMP转移到RNA 3′-端的氨酰-RNA合成酶;催化C-N键和C-S键形成的酶;催化酰胺键形成的酶;催化碱基和戊糖形成核苷酸的酶;催化尿苷酸甲基化形成胸苷酸的合酶;催化脂酰-CoA合成的合成酶等。这些核酶很可能在生命的进化过程中出现过,属于从RNA世界过渡到现代的生命世界中失落的环节。

三、蛋白质催化剂与核酶的共同特点(Common points between Protein catalysts and ribozymes)

核酶与起催化作用的蛋白质具有许多相同或相似的特征,它们包括:

  1. 只改变反应速度,不改变平衡常数;
  2. 具有很高的底物专一性.在催化过程中,核酶可与辅酶因子结合,并且可以通过与小分子别构效应物结 合而启动或终止反应
  3. 对温度和pH等因素的变化敏感;
  4. 具有较高的催化效率。例如,丁型肝炎病毒核酶催化的自我切割反应速率 常数为102-104 s–1,与核糖核酸酶A催化的反应的最大速率相近
  5. 与蛋白质催化剂相似,核酶需折叠成特定的三维结构,含有深沟和溶剂难以接 近的活性中心。这种三级结构可以使底物与催化基团和金属离子靠近而有助于 催化反应
  6. 与蛋白质催化剂一样,核酶也通过稳定反应的过渡态而催化反应

例如,HDV核酶的周转数为102~104s–1,这与核糖核酸酶A不相上下(~103s–1);也可以使用辅助因子来协助催化。例如,绝大多数核酶需要金属离子为辅助因子,I组内含子使用鸟苷或鸟苷酸为辅助因子;酶活性既可以受到激活,也可以受到抑制。例如,GlmS核开关能受到葡糖胺-6-磷酸的激活,也能受到葡糖-6-磷酸的竞争性抑制;酶的活性也依赖于其特有的三维结构,特别是活性中心的结构,并且也是通过稳定反应的过渡态、降低反应的活化能来提高反应速率 的。

四、蛋白质催化剂与核酶的不同特点(Differences between Protein catalysts and ribozymes)

  1. 与蛋白质不同,核酸磷酸二酯键构成的主链是带电的,因此RNA带很强的静电 ,所以金属离子在其中起重要作用(Unlike Proteins, the phosphodiester backbone of nucleic acids is charged, and thus RNA has a large electrostatic component in which metal ions have a big role to play).
  2. 核酶所能催化的化学反应有限,并且催化的反应速率更加温和。因为核酶中可 参与化学反应的功能基团较氨基酸侧链相比更局限(The range of chemical reactions that are catalyzed by ribozymes is rather limited, and the rate enhancements are relatively modest because the range of functional groups that can be called upon to participate in the chemistry is limited compared to the set of amino acid side- chains).
  3. 大部分核酶催化的反应是转酯反应,其他种类的催化作用也偶有发生(The great majority of reactions carried out by the ribozymes are transesterification reactions, although other reactions can be catalyzed in a few cases).

然而,与基于蛋白质的酶相比,天然核酶能催化的反应较为单调。几乎所有已知的天然核酶催化的都是与磷酸二酯键有关的转酯反应,功能一般为RNA的后加工。而且,大多数核酶属于自催化,即催化自身分子内的反应。这与酶的确切含义有别,原因是真正的酶在催化反应结束以后,自身的结构不应该有变化。核酶催化的反应有限,这是因为其活性中心能够提供的催化基团很有限。蛋白质共有10种蛋白质氨基酸的侧链具有不同的pKa,特别是His,其侧链的pKa接近生理pH。然而,RNA只有四种碱基组成,且大都埋在具有高度的负电荷的磷酸核糖骨架上。碱基的pKa要么太低(A和C分别是3.5和4.2),要么太高(G和U分别是9.8和10.5)。在核酶的活性中心,碱基一般很难有效地作为广义的酸碱催化剂去参与催化。正因为如此,几乎所有天然的核酶(可能的例外是发夹状核酶)都绝对需要二价的金属离子Mg2+或Mn2+。这两种金属离子所起的作用可能是结构上的,也可能直接参与催化。金属离子起结构性作用的典型例子是四膜虫的I组内含子核酶,它的一个亚结构域的折叠依赖于3个Mg2+与2个磷酸基团的结合。这种结合使得RNA能够形成里朝外或内翻的结构,即磷酸基团伸向内部,碱基朝外指向溶剂;金属离子参与催化的典型例子也是四膜虫的I组内含子,其活性中心绝对需要2个Mg2+参与催化。

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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