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核糖酶

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自然界中大部分酶的本质是蛋白质。但是，也还必须注意到：蛋白质不是生物催化领域中唯一的物质。有些RNA分子也具有催化能力，我们称这些本质为RNA的酶为核糖酶(ribozymes)，近代科学表明，核糖酶具有酶活性。

简介

现在已经提纯并证明了几千种蛋白质具有酶活性。50多年来，人们认为所有的酶都是蛋白质。然而，近年来的实验指出：RNA分子也可以是高活性的酶！最使人震惊的例子是L19RNA。它是原生动物四膜虫26SrRNA前体经自身拼接所释放出的内含子的缩短的形式。1982年T．Cech发现四膜虫tetrahymena)的 26SrRNA前体在没有蛋白质的情况下进行内含子(intron)的自我拼接。当时因为只发现它有这种自我催化的活性，所以并未把它与酶等同。随后，在1983年底S．Atman和Pace分别报导了把对于E．ColitRNA前体加工过程起催化作用的酶：RNaseP(由20%蛋白质和80%RNA组成)的蛋白质部分除去，并提高Mg2+浓度，则余留下来的RNA部分具有与全酶相同的催化活性，这是说明某些RNA具有酶活性的又一例证。

发展

后来到了1986年，T．Cech又发现L19RNA在一定条件下能够以高度专一性的方式去催化寡聚核糖核苷酸底物的切割与连接。五聚胞苷酸(C5，Pentacytidylate)能被L19RNA转化成或长或短的聚合物。特别是C5可以降解成C4及C3；同时，又能形成出C6及更长些的甚至最大达到30个胞苷酸残基的寡聚核苷酸片段的聚合物。因此，L19RNA是既有核糖核酸酶(ribonuclease)活性，又有RNA聚合酶(RNA polymerase)活性的生物分子，可以看作是酶了。

这个RNA在寡聚胞苷酸C6上的作用比在寡聚尿苷酸U6上快得多，而在A6上及G6上则一点也不起作用。此RNA酶服从于Michaelis Henten动力学规律，对于C5来说，其Km值为42μmol/L，kcat值为0.033s-1。由于找到脱氧C5是C5的竞争性抑制剂，其Ki为260μmol/L，因而确定L19RNA的底物不可缺少2′─OH基。因此，L19RNA表现出经典酶促作用的好几种特征：要求高度的底物专一性，Michaelis-Menten动力学，对竞争性抑制剂敏感。

专一性位点

这个具有395个核苷酸的RNA分子是怎么样地又既起核糖核酸酶作用又起RNA聚合酶作用的？现在还不清楚它的三维结构，因此还不能确切地阐明作用机理。但是，对催化机理可以作出某些推断，见图4-41。五聚胞嘧啶核苷酸结合到L19RNA的专一性位点上；

很可能这种底物的几个分子的五个胞嘧啶碱基与这个核糖酶的富G区进行碱基配对。配对后，五聚胞苷酸C5的第四、第五胞苷酸之间的磷酸二酯键受到此酶的末端G残基上的3′-OH基的攻击。于是，酶的末端G与底物末端C通过形成一个新的磷酸二酯键，而生成共价中间物GpC。伴随这个酯基转移反应或转酯反应 (transesterification reaction)，释放出C4，新的磷酸二酯键是高度不稳定的，可以再因受到水的攻击而释放出pC，酶则因此而得到再生。由图中A到B、B到C以及C到A的三步系列说明了L19RNA所具有的核糖核酸酶酶活性。

另一方面，它又是如何具有RNA聚合酶活性的呢？转酯反应所生成的共价中间物GpC可以再结合一分子五聚胞苷酸，第二个底物分子攻击GpC，形成C6，酶从而得到再生。这样的过程(A→B，B→C，C→D，D→A)共五步，说明了L19RNA起到RNA聚合酶功能的作用机理。

因此，共价中间物GpC既可被水分子的OH-攻击，又可受第二个底物分子的3′-OH基攻击。当环境的pH值较高时，反应倾向于水解过程；当环境中存在着高浓度的C5底物时，则有利于形成C6的转酯反应。如此生成的C6还可以连续地通过这种转酯反应，继续地延长，形成C7以及更长一些的聚合物，很可能GpC的磷酸二酯键有着不寻常的反应性能，因为它被静电激活形成五聚共价过渡态(Pentacovalent transition state)。

提问

人们进一步要问，这个RNA酶与那些蛋白质酶相比，其催化效率如何？已知RNA可以形成严格的三维结构，这种结构可以与专一性底物结合，并稳定与底物所形成的过渡态。L19RNA的kcat/Km、值是103s-1(mol/L)-1，与核糖核酸酶A极为相似，但比大部分常用的蛋白质酶低5个数量级。受这个RNA催化的C5的水解速度大约是未受它催化的C5水解速度的1010倍。这就是说，RNA分子象蛋白质分子一样，可以是非常有效的催化剂。但是大多数RNA还是不同于蛋白质。首先，因为它们不能形成大的非极性分子；而且，与蛋白质相比，它们的易变性也小得多。因为核酸只有四种不同的构建单位，而不象蛋白质那样有20种氨基酸作为基本的构建单位。

因此，自然界中大部分酶的本质是蛋白质。但是，也还必须注意到：蛋白质不是生物催化领域中唯一的物质。有些RNA分子也具有催化能力，我们称这些本质为RNA的酶为核糖酶(ribozymes)，有时也称为RNA。它们很适于去识别并转化单链核酸，因为它们与所作用的核酸底物享用着共同的碱基配对语言。