Любые вещества, способные ускорять химические реакции, называют катализаторами. Вплоть до начала 1980-х годов молекулярные биологи были убеждены в том, что в живой природе роль катализаторов безраздельно принадлежит белкам. Однако затем была открыта каталитическая активность рибонуклеиновой кислоты, что кардинально изменило представление учёных о внутриклеточных процессах. Из этого небольшого материала вы узнаете, почему РНК может выполнять функцию катализатора и какие именно химические реакции, жизненно необходимые клеткам, она ускоряет.
Молекула РНК представляет собой полимер, то есть выглядит как цепь, состоящая из последовательно соединенных звеньев-мономеров — нуклеотидов. В её структуру входят нуклеотиды всего четырёх разных типов, но, несмотря на столь небольшое разнообразие, РНК обладает удивительной химической пластичностью. Возможность для ускорения химических реакций обеспечивают три ключевых фактора:
- Сложная трехмерная форма. В отличие от ДНК с её прочной двухспиральной структурой, молекула РНК в базовом виде состоит всего из одной цепочки. Эта особенность дает широкое «пространство для маневра» — цепь может всячески изгибаться, формируя локальные пары, петли и узлы. Так создаются каталитические центры — «кармашки», идеально подходящие под молекулы-субстраты, которые и будут вступать в химические реакции.
- Химические группы нуклеотидов. Азотистые основания, последовательности которых определяют генетический код, могут выступать в роли доноров и акцепторов протонов. При условии локального повышения кислотности внутри каталитического центра такие основания, как аденин и цитозин, проявляют активность и начинают отдавать и принимать положительно заряженные ионы водорода, открывая возможности для реакций. Кроме того, за реакционную способность РНК отвечает гидроксильная группа её углеводного компонента — рибозы.
- Участие ионов металлов. Отрицательно заряженная молекула РНК активно привлекает двухвалентные ионы металлов с положительным зарядом, например, магний, марганец и кальций. Эти ионы стабилизируют трехмерную укладку РНК и нейтрализуют взаимное отталкивание её фосфатных групп. Помимо этого, металлы и сами часто напрямую участвуют в катализе, преобразуя молекулы воды в химически активные гидроксильные группы, нарушая баланс электронов в молекулах-субстратах и стабилизируя переходные состояния реакций.
Рибозим — это РНК, проявляющая каталитическую активность. В клетках живых организмов самым распространённым рибозимом является рибосомная (р) РНК. В связке с белковым комплексом, функционирующим в первую очередь как каркас, рРНК входит в состав рибосомы — внутриклеточного «цеха» по сборке белков. Внутри её каталитических центров происходят реакции образования пептидных связей. Отдельные аминокислоты, которые доставляются к рибосоме посредством транспортных РНК, соединяются в строгой последовательности, закодированной в геноме.
Также рибонуклеиновая кислота обладает удивительной способностью к «самоцензуре». Когда клетка считывает генетическую информацию с фрагмента ДНК, она создает его копию — матричную (м) РНК. Однако в изначальном виде эта копия функционировать не может, так как в ней содержится много лишних последовательностей нуклеотидов, известных как интроны. В ходе таких процессов, как сплайсинг или самосплайсинг, РНК взаимодействует с другими подобными молекулами или буквально сама с собой. Она аккуратно вырезает интроны, а затем сшивает цепочки, представляя рабочую генетическую «инструкцию». Без РНК-катализаторов реакции разрыва и воссоединения прочных молекулярных связей протекали бы невообразимо долго.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение: Magnific
