Ribozyme: katalytisch aktive RNA
Ribozyme sind RNA-Moleküle mit Enzymfunktion: Sie katalysieren unter anderem das Spleißen von Introns und die Knüpfung von Peptidbindungen am Ribosom.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Ribozym ist ein katalytisch aktives RNA-Molekül: Neben Proteinen können also auch Nucleinsäuren Reaktionen katalysieren.
- Ribozyme sind keine Proteine mit Zusatz: Anders als Glykoproteine oder Flavoproteine mit FMN/FAD bestehen sie vollständig aus RNA.
- Ihre katalytische Gestalt entsteht durch intramolekulare Basenpaarung, im aktiven Zentrum oft mit \(\ce{Mg^2+}\).
- Ribozyme enthalten wie die tRNA den Zucker Ribose mit 2’-OH-Gruppe.
- Beim Spleißen katalysieren Ribozyme die Spaltung und Neuknüpfung von Phosphodiesterbindungen durch zwei Umesterungen; das Intron wird als Lariat frei.
- Die Peptidbindung am Ribosom knüpft die rRNA der großen Untereinheit, das Ribosom ist ein Ribozym.
Worum es geht
Nicht nur Proteine können als Biokatalysatoren wirken, auch RNA kann Reaktionen beschleunigen. Solche katalytischen RNA-Moleküle heißen Ribozyme. Sie stecken in zentralen Vorgängen jeder Zelle, vom Spleißen der mRNA bis zur Proteinsynthese, an der viele Antibiotika ansetzen.
Katalytische RNA
Lange galt die Regel: Enzyme sind Proteine. Ribozyme erweitern diese Regel. Auch Nucleinsäuren können Reaktionen katalysieren, und zwar in Form von RNA. Der Name verbindet Ribonucleinsäure und Enzym.
Ein Ribozym ist ein RNA-Molekül, das selbst eine biochemische Reaktion katalysiert. Der Katalysator besteht also aus RNA, nicht aus Protein.
Wie kann ein Einzelstrang katalysieren? RNA paart sich mit sich selbst. Komplementäre Abschnitte bilden Basenpaare, dazwischen bleiben Schleifen offen. So entsteht eine feste räumliche Gestalt mit einer Tasche, die Substrat bindet. Oft sitzt dort ein \(\ce{Mg^2+}\)-Ion, das negative Ladungen stabilisiert. Man kann sich das wie ein Origami vorstellen: Erst die Faltung macht aus dem flachen Band ein Werkzeug.
Im Vergleich zu Proteinenzymen gilt das gleiche Prinzip. Beide senken die Aktivierungsenergie und gehen unverändert aus der Reaktion hervor. Sie unterscheiden sich im Baumaterial.
- Polymer aus Aminosäuren
- 20 verschiedene Bausteine mit vielfältigen Seitenketten
- häufigste Form der Biokatalyse
- Polymer aus Ribonucleotiden
- vier Basen, katalytisch oft mit \(\ce{Mg^2+}\)
- vor allem Reaktionen an RNA und am Ribosom
Wichtig ist die Abgrenzung gegen Proteine, die nur einen Zusatz tragen. Ein Glykoprotein ist ein Protein mit Zuckerresten. Ein Flavoprotein trägt FMN oder FAD als prosthetische Gruppe, abgeleitet vom Riboflavin. Auch Enzyme mit einem Ribonucleotid-Coenzym wie NAD bleiben Proteine. Ein Ribozym dagegen ist durch und durch RNA und braucht kein Protein als Träger.
Ribozyme bilden damit eine eigene funktionelle Gruppe unter den RNA-Spezies, neben mRNA, tRNA und rRNA. Teilweise überschneiden sich die Gruppen, denn auch rRNA kann katalytisch wirken.
Ribose als Baustein
Weil Ribozyme RNA sind, ist ihr Zuckerbaustein die Ribose. Das gilt für jede RNA, also auch für die tRNA. Die DNA enthält dagegen 2-Desoxyribose. Der Unterschied liegt an einer einzigen Stelle: Ribose trägt am C2’ eine OH-Gruppe, Desoxyribose nur ein H-Atom. Mehr zu den Bausteinen der Nucleinsäuren steht auf der eigenen Seite.
Diese 2’-OH-Gruppe ist für die Katalyse kein Nebendetail. Sie kann als Nucleophil angreifen und Wasserstoffbrücken bilden. Genau das nutzt das Spleißen. Zugleich macht sie RNA chemisch reaktiver und weniger stabil als DNA.
Spleißen
Die prä-mRNA eukaryotischer Gene enthält Introns, also nicht codierende Abschnitte zwischen den Exons. Beim Spleißen werden die Introns entfernt und die Exons verbunden. Diese Prozessierung katalysieren Ribozyme. Manche Introns spleißen sich sogar selbst heraus: Das Intron ist sein eigener Katalysator. Beim Spleißen im Spleißosom bildet RNA das katalytische Zentrum, die Proteine stützen und steuern.
Chemisch werden dabei Phosphodiesterbindungen innerhalb der Nucleotidsequenz gespalten und neu geknüpft. Das geschieht durch zwei Umesterungen:
- Erster Angriff: Die 2’-OH-Gruppe eines Adenosins im Intron, des Verzweigungspunkts, greift die Phosphodiesterbindung an der 5’-Spleißstelle an. Das 5’-Exon wird frei und trägt nun ein 3’-OH.
- Zweiter Angriff: Dieses freie 3’-OH greift die 3’-Spleißstelle an und knüpft eine neue Phosphodiesterbindung zum 3’-Exon.
- Produkte: Die Exons sind verbunden. Das Intron wird als lassoförmiges Lariat freigesetzt.
Bindungen werden also getauscht, nicht hydrolysiert. Ihre Zahl bleibt gleich. Details der RNA-Prozessierung behandelt das Unterthema Prozessierung von RNA.
Ribozyme sind keine RNA-abbauenden Enzyme. Ribonucleasen sind Proteine, die RNA hydrolytisch zerlegen. Ribozyme bestehen selbst aus RNA und schneiden beim Spleißen gezielt und verknüpfen neu.
Peptidyltransferase am Ribosom
Das bekannteste Ribozym ist das Ribosom selbst. Die Knüpfung der Peptidbindung bei der Translation katalysiert die rRNA der großen Untereinheit. Dort liegt das Peptidyltransferasezentrum, in dem die α-Aminogruppe der Aminoacyl-tRNA in der A-Stelle die Esterbindung der Peptidyl-tRNA in der P-Stelle angreift. Die wachsende Kette verlässt das Ribosom durch einen Tunnel. Wie die Elongation im Einzelnen abläuft, zeigt die Seite zum Ablauf der Translation.
Quiz
Aussage 1
Ribozyme gehören zu den Ribonucleasen, die RNA hydrolytisch abbauen.
Ribonucleasen sind RNA-abbauende Proteinenzyme. Ribozyme bestehen aus RNA und spalten und verknüpfen beim Spleißen gezielt neu.
Aussage 2
Beim Spleißen katalysieren Ribozyme die Spaltung und Neuknüpfung von Phosphodiesterbindungen innerhalb der prä-mRNA.
Über zwei Umesterungen werden Phosphodiesterbindungen getauscht, die Exons verbunden und das Intron als Lariat freigesetzt.
Aussage 3
Ribozyme und tRNA enthalten beide Ribose als Zuckerbaustein.
Beide sind RNA und enthalten daher Ribose mit 2’-OH-Gruppe, nicht 2-Desoxyribose.
Aussage 4
Ribozyme sind Proteine, die ein Ribonucleotid als prosthetische Gruppe tragen.
Ribozyme bestehen vollständig aus RNA. Proteine mit Ribonucleotid-Coenzym wie NAD-abhängige Enzyme bleiben Proteinenzyme.
Aussage 5
Die Peptidbindung bei der Translation wird von ribosomalen Proteinen geknüpft, die rRNA dient nur als Gerüst.
Das Peptidyltransferasezentrum besteht aus rRNA der großen Untereinheit. Die rRNA ist der Katalysator, das Ribosom also ein Ribozym.
Aussage 6
Katalytische Aktivität ist nicht auf Proteine beschränkt, auch RNA-Moleküle können biochemische Reaktionen katalysieren.
Genau das definiert Ribozyme: katalytisch aktive RNA-Moleküle.
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