Ribozimele sunt molecule de ARN care catalizează reacții chimice. Majoritatea proceselor biologice nu au loc în mod spontan. De exemplu, scindarea unei molecule în două părți sau legarea a două molecule într-o moleculă mai mare necesită catalizatori , adică molecule ajutătoare care fac ca o reacție să meargă mai repede. Majoritatea catalizatorilor biologici sunt proteine numite enzime. Timp de mulți ani, oamenii de știință au presupus că numai proteinele aveau complexitatea structurală necesară pentru a servi drept catalizatori specifici în celule, dar, în jurul anului 1980, grupurile de cercetare ale lui Tom Cech și Sidney Altman au descoperit în mod independent că unii catalizatori biologici sunt făcuți din ARN. Acești doi oameni de știință au fost distinși cu Premiul Nobel pentru chimie în 1989 pentru descoperirea lor.
Structură și funcție
Catalizatorii ARN numiți ribozomi se găsesc în nucleul, mitocondriile și cloroplastele organismelor eucariote. Unii viruși, inclusiv mai multe virusuri bacteriene, au, de asemenea, ribozime. Ribozimele descoperite până în prezent pot fi grupate în diferite tipuri chimice, dar în toate cazurile ARN-ul este asociat cu ioni metalici, cum ar fi magneziul (Mg2+) sau potasiul (K+), care joacă roluri importante în timpul catalizei. Aproape toate ribozimele sunt implicate în procesarea ARN-ului. Ele acționează fie ca foarfeci moleculare pentru a scinda lanțurile de ARN precursoare (lanțurile care formează baza unui nou lanț de ARN), fie ca „capsatoare moleculare” care leagă două molecule de ARN între ele. Deși cele mai multe ținte ale ribozimei sunt ARN, există acum dovezi foarte puternice că legarea aminoacizilor în proteine, care are loc la ribozom în timpul traducerii , este, de asemenea, catalizată de ARN. Astfel, ARN-ul ribozomal este el însuși, de asemenea, o ribozomă.
În unele reacții catalizate de ribozomi, procesele de scindare și de legare a ARN-ului sunt legate. În acest caz, un lanț de ARN este scindat în două locuri, iar bucata din mijloc (numită intron) este eliminată, în timp ce cele două bucăți de ARN din flancuri (numite exoni) sunt ligaturate împreună. Această reacție se numește splicing. În afară de splicingul mediat de ribozime, care implică doar ARN-ul, există unele reacții de splicing care implică complexe ARN-proteice. Aceste complexe se numesc particule ribonucleoproteice mici de nucleu, prescurtate snRNP. Această clasă de splicing este o caracteristică foarte comună a procesării ARN mesager (ARNm) la eucariotele „superioare”, cum ar fi oamenii. Nu se știe încă dacă splicingul mediat de snRNP este catalizat de componentele ARN-ului. Rețineți, de asemenea, că unele reacții de splicing al ARN sunt catalizate de enzime alcătuite numai din proteine.
Câteva molecule de ARN precursor au o ribozomă încorporată în propriul intron, iar această ribozomă este responsabilă de eliminarea intronului în care se găsește. Acestea se numesc ARN-uri cu auto-splicare. După ce reacția de splicing este completă, intronul, inclusiv ribozima, este degradat. În aceste cazuri, fiecare ribozomă acționează o singură dată, spre deosebire de enzimele proteice care catalizează o reacție în mod repetat. Printre exemplele de ARN-uri autoîmpletite se numără ARN-urile ribosomale ale protozoarelor ciliate și anumite ARNm ale mitocondriilor de drojdie.
Câteva virusuri ARN, cum ar fi virusul hepatitei delta, includ, de asemenea, o ribozomă ca parte a moleculei lor de ARN moștenite. În timpul replicării ARN-ului viral, sunt sintetizate șiruri lungi care conțin repetări ale genomului ARN (informația genetică virală). Ribozima clivează apoi moleculele lungi multimerice în bucăți care conțin o singură copie a genomului și potrivește acea bucată de ARN într-o particulă de virus.
Alte ribozime acționează asupra altor molecule de ARN. O ribozomă de acest tip este RNază P, care constă dintr-un lanț de ARN și una sau mai multe proteine (în funcție de organism). Mecanismul catalitic al RNazei P a fost deosebit de bine studiat în special la bacterii. Această ribozomă procesează ARN de transfer precursor (ARNt) prin îndepărtarea unei prelungiri de la capătul 5-prime, pentru a crea capătul 5-prime al ARNt „matur” (cele două capete ale unei molecule de ARN sunt distincte din punct de vedere chimic și se numesc capetele 5-prime și 3-prime, referindu-se la anumiți carboni din fracțiunea de zahăr a nucleotidelor terminale). Atunci când molecula de ARN din RNază P bacteriană este purificată departe de proteina sa, aceasta încă mai poate cliva ținta sa de ARNt precursor, deși cu o viteză foarte lentă, ceea ce dovedește că ARN-ul este catalizatorul. Cu toate acestea, proteina (proteinele) din RNază P are, de asemenea, funcții importante, cum ar fi menținerea conformației corespunzătoare a RNazei P ARN și interacțiunea cu ARNt precursor.
Relictele unei „lumi ARN”
Mulți biologi au emis ipoteza că ribozimele sunt vestigii ale unei lumi vechi, prebiotice, care a precedat evoluția proteinelor. În această „lume ARN”, ARN-urile au fost catalizatorii unor funcții precum replicarea, clivarea și legarea moleculelor de ARN. Se presupune că proteinele au evoluat mai târziu și, pe măsură ce au evoluat, au preluat funcțiile îndeplinite anterior de moleculele de ARN. Este posibil ca acest lucru să se fi întâmplat deoarece proteinele sunt mai versatile și mai eficiente în funcțiile lor catalitice.
În lumea de astăzi, cea mai mare parte a procesării ARNt precursor este realizată de ribozima RNază P, așa cum a fost descrisă mai sus, dar în unele cloroplaste, această funcție este realizată de o proteină care aparent nu conține ARN. Acesta poate fi un exemplu de evoluție a enzimelor proteice care înlocuiesc ribozimele.
Studiile aprofundate ale ribozimelor au furnizat reguli pentru modul în care acestea își recunosc țintele. Pe baza acestor reguli, a fost posibil să se modifice ribozimele pentru a recunoaște și scinda noi ținte în moleculele de ARN care, în mod normal, nu sunt supuse scindării de către ribozime. Aceste rezultate ridică posibilitatea interesantă de a utiliza ribozimele pentru terapia umană. De exemplu, abundența moleculelor de ARN care cauzează boli, cum ar fi HIV, cauza SIDA, ar putea fi redusă cu ajutorul ribozomelor artificiale. S-au obținut succese considerabile în testarea acestor ribozime în celule model. Cu toate acestea, cea mai mare întrebare rămasă de rezolvat este modul în care aceste ribozime potențiale de „combatere a bolilor” pot fi introduse într-un pacient și preluate de celulele corespunzătoare.
vezi și Evoluție, moleculară; Proteine; ARN; Procesarea ARN.
Lasse Lindahl
Bibliografie
Cech, T. R. „RNA as an Enzyme”. Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Biologie celulară și moleculară, ed. a 3-a. New York: John Wiley & Sons, 2002.
.