В живых клетках синтезируются необычные молекулы РНК — рибозимы. Главная особенность любого рибозима заключается в том, что он может не только временно хранить в себе генетическую информацию, но и выступать в качестве катализатора, то есть ускорять химическую реакцию, не расходуясь в процессе её протекания. В этой статье мы погрузимся в специфику рибозимов и объясним смысл их жизненно важной внутриклеточной деятельности с помощью простых и понятных аналогий.
Главным рибозимом для любого живого организма является рибосомная (р) РНК. Чтобы понять, как работает рРНК, давайте представим клетку в виде высокотехнологичного завода, который занимается производством многокомпонентных устройств — белков. Роль типового заводского станка, состоящего из вспомогательных конструкций и автоматизированных сварщиков, играет рибосома. Если говорить упрощённо, за структурную целостность рибосомы-«станка» отвечают белковые комплексы, а функцию «сварки», то есть соединения отдельных аминокислот в белки, берёт на себя рибозим — рРНК.
Для понимания процесса катализа давайте отойдём от масштабных промышленных предприятий и посмотрим на обычные бытовые ситуации. Если нам необходимо скрепить два листа бумаги, прижимать к ним металлическую скобку руками бессмысленно — не хватит сил, чтобы проткнуть материал и одновременно правильно согнуть металл. Листы бумаги в этом примере иллюстрируют соединяемые аминокислоты, а наша неспособность скрепить их самостоятельно — энергетический барьер реакции. И здесь в работу вступает рРНК — внутри её каталитического центра электрические заряды перераспределяются так, что между аминокислотами легко и быстро возникают химические связи. Так же и металлическая скобка под давлением рычага степлера становится податливой для соединения листов.
В предыдущем абзаце мы упомянули каталитический центр рибозима. Он представляет собой микроскопическую полость, в которой и создаются условия для ускорения химических реакций. При этом в обычном виде нить РНК — это цепочка отрицательно заряженных нуклеотидов, которые, как и одноимённые полюса магнитов, отталкиваются друг от друга. Поэтому попытка свернуть молекулу в плотный комок с «кармашком» каталитического центра похожа на сжатие мощной стальной пружины. Чтобы преодолеть это сопротивление нуклеотидов, в клетках реализуются самые разные механизмы, два из которых являются основными:
- Роль ионов металлов. Положительно заряженные ионы магния и других металлов буквально прилипают к фосфатному каркасу будущего рибозима, нейтрализуя процесс отталкивания. Представьте, что вы пытаетесь сшить сложное фигурное платье из жёсткой ткани, которая постоянно распрямляется или, наоборот, хаотично топорщится. Но, вкалывая булавки в ключевые точки, вы надёжно фиксируете слои ткани, подобно тому, как ионы позволяют рибозиму принять рабочую форму.
- Роль кислотности среды. Кислотность среды, или pH, — это количество свободных протонов (H+), которые постоянно окружают РНК. Чтобы рибозим работал, pH должен быть оптимальным. В кислой среде с пониженным pH протонов становится слишком много, и они начинают соединяться с нуклеотидами, нарушая их правильную укладку. В щелочной среде протонов катастрофически не хватает, и они вытягиваются из самой РНК, что приводит к разрушению её структуры. Продолжая тему с платьем, pH можно сравнить с микроклиматом в комнате. В холодном и сыром помещении ткань грубеет и теряет форму, а при экстремальной жаре — расползается по волокнам.
Автор текста Иван Стефанов
