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核糖酶

[1]來自 搜狗 的圖片

自然界中大部分酶的本質是蛋白質。但是，也還必須注意到：蛋白質不是生物催化領域中唯一的物質。有些RNA分子也具有催化能力，我們稱這些本質為RNA的酶為核糖酶(ribozymes)，近代科學表明，核糖酶具有酶活性。

簡介

現在已經提純並證明了幾千種蛋白質具有酶活性。50多年來，人們認為所有的酶都是蛋白質。然而，近年來的實驗指出：RNA分子也可以是高活性的酶！最使人震驚的例子是L19RNA。它是原生動物四膜蟲26SrRNA前體經自身拼接所釋放出的內含子的縮短的形式。1982年T．Cech發現四膜蟲tetrahymena)的 26SrRNA前體在沒有蛋白質的情況下進行內含子(intron)的自我拼接。當時因為只發現它有這種自我催化的活性，所以並未把它與酶等同。隨後，在1983年底S．Atman和Pace分別報導了把對於E．ColitRNA前體加工過程起催化作用的酶：RNaseP(由20%蛋白質和80%RNA組成)的蛋白質部分除去，並提高Mg2+濃度，則餘留下來的RNA部分具有與全酶相同的催化活性，這是說明某些RNA具有酶活性的又一例證。

發展

後來到了1986年，T．Cech又發現L19RNA在一定條件下能夠以高度專一性的方式去催化寡聚核糖核苷酸底物的切割與連接。五聚胞苷酸(C5，Pentacytidylate)能被L19RNA轉化成或長或短的聚合物。特別是C5可以降解成C4及C3；同時，又能形成出C6及更長些的甚至最大達到30個胞苷酸殘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。

這個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上則一點也不起作用。此RNA酶服從於Michaelis Henten動力學規律，對於C5來說，其Km值為42μmol/L，kcat值為0.033s-1。由於找到脫氧C5是C5的競爭性抑制劑，其Ki為260μmol/L，因而確定L19RNA的底物不可缺少2′─OH基。因此，L19RNA表現出經典酶促作用的好幾種特徵：要求高度的底物專一性，Michaelis-Menten動力學，對競爭性抑制劑敏感。

專一性位點

這個具有395個核苷酸的RNA分子是怎麼樣地又既起核糖核酸酶作用又起RNA聚合酶作用的？現在還不清楚它的三維結構，因此還不能確切地闡明作用機理。但是，對催化機理可以作出某些推斷，見圖4-41。五聚胞嘧啶核苷酸結合到L19RNA的專一性位點上；

很可能這種底物的幾個分子的五個胞嘧啶鹼基與這個核糖酶的富G區進行鹼基配對。配對後，五聚胞苷酸C5的第四、第五胞苷酸之間的磷酸二酯鍵受到此酶的末端G殘基上的3′-OH基的攻擊。於是，酶的末端G與底物末端C通過形成一個新的磷酸二酯鍵，而生成共價中間物GpC。伴隨這個酯基轉移反應或轉酯反應 (transesterification reaction)，釋放出C4，新的磷酸二酯鍵是高度不穩定的，可以再因受到水的攻擊而釋放出pC，酶則因此而得到再生。由圖中A到B、B到C以及C到A的三步系列說明了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？轉酯反應所生成的共價中間物GpC可以再結合一分子五聚胞苷酸，第二個底物分子攻擊GpC，形成C6，酶從而得到再生。這樣的過程(A→B，B→C，C→D，D→A)共五步，說明了L19RNA起到RNA聚合酶功能的作用機理。

因此，共價中間物GpC既可被水分子的OH-攻擊，又可受第二個底物分子的3′-OH基攻擊。當環境的pH值較高時，反應傾向於水解過程；當環境中存在着高濃度的C5底物時，則有利於形成C6的轉酯反應。如此生成的C6還可以連續地通過這種轉酯反應，繼續地延長，形成C7以及更長一些的聚合物，很可能GpC的磷酸二酯鍵有着不尋常的反應性能，因為它被靜電激活形成五聚共價過渡態(Pentacovalent transition state)。

提問

人們進一步要問，這個RNA酶與那些蛋白質酶相比，其催化效率如何？已知RNA可以形成嚴格的三維結構，這種結構可以與專一性底物結合，並穩定與底物所形成的過渡態。L19RNA的kcat/Km、值是103s-1(mol/L)-1，與核糖核酸酶A極為相似，但比大部分常用的蛋白質酶低5個數量級。受這個RNA催化的C5的水解速度大約是未受它催化的C5水解速度的1010倍。這就是說，RNA分子象蛋白質分子一樣，可以是非常有效的催化劑。但是大多數RNA還是不同於蛋白質。首先，因為它們不能形成大的非極性分子；而且，與蛋白質相比，它們的易變性也小得多。因為核酸只有四種不同的構建單位，而不象蛋白質那樣有20種氨基酸作為基本的構建單位。

因此，自然界中大部分酶的本質是蛋白質。但是，也還必須注意到：蛋白質不是生物催化領域中唯一的物質。有些RNA分子也具有催化能力，我們稱這些本質為RNA的酶為核糖酶(ribozymes)，有時也稱為RNA。它們很適於去識別並轉化單鏈核酸，因為它們與所作用的核酸底物享用着共同的鹼基配對語言。