Sind alle Enzyme Proteine?

Bis in die späten 1980er Jahre glaubte man, dass alle Enzyme* Proteine ​​seien und wurden oft als Proteinkatalysatoren definiert , oft in Lehrbüchern, die oft keine perfekte Darstellung der Wissenschaft sind. Zu diesem Zeitpunkt war jeder bekannte makromolekulare biologische Katalysator ein Protein, also dachten sie, alle makromolekularen Katalysatoren seien Proteine. Aber die Entdeckung von Ribozymen (RNA-Stränge, die als Katalysatoren fungieren) änderte dies. Die Entdeckung, dass eines der bekanntesten Enzyme, Ribosomen, ihre funktionellen Komponenten aus RNA und nicht aus Proteinen haben, spielte ebenfalls eine Rolle.

NOW-Enzyme werden allgemein als makromolekulare biologische Katalysatoren definiert und schließen Ribozyme ein. Aber ältere Arbeiten oder veraltete Lehrbücher beziehen sich immer noch auf Enzyme als nur Proteine, neuere Arbeiten jedoch nicht. Seien Sie nicht verzagt, mir wurde anfangs das Gleiche beigebracht, und es hielt mehrere Jahre am College an. Ein Teil davon ist, dass jeder aufeinanderfolgende Schritt in der Bildung dazu neigt, hinterherzuhinken und / oder in wissenschaftlichen Erkenntnissen vereinfacht zu werden. Lehrbuchhersteller kümmern sich nicht übermäßig um schlechte Formulierungen oder veraltete Definitionen und werden selten von Wissenschaftlern geschrieben.

*In seiner Objektform bezog sich Enzym ursprünglich und lange Zeit auf den Prozess, nicht auf den verantwortlichen Agenten, da der Agent unbekannt war.

Es hängt davon ab, wie Sie "Enzym" definieren. Wiktionary sagt, ein Enzym ist:

Ein globuläres Protein, das eine biologische chemische Reaktion katalysiert.

Wikipedia sagt :

Enzyme sind makromolekulare biologische Katalysatoren.

Die erste Definition schließt also alles andere als Proteine ​​aus und die zweite erlaubt auch andere große biologische Moleküle, die Reaktionen katalysieren.

Die wichtige Kernbedeutung ist die eines Biomoleküls, das eine Reaktion katalysiert, und die Beschränkung auf nur Proteine ​​ist etwas willkürlich. Jahrzehntelang wurde erwartet, dass Enzyme (Biokatalysatoren) Proteine ​​seien, weil alle entdeckten tatsächlich Proteine ​​waren. Daher beinhaltete die ältere Definition "Protein" als Teil der Definition.

Nachdem entdeckt wurde, dass einige RNA-Moleküle auch eine enzymatische Wirkung haben (eine Entdeckung, die 1989 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde ), haben viele die erweiterte Definition für „Enzym“ verwendet, da die enzymatische Wirkung von RNA wichtig ist. Wenn speziell auf RNA-Katalysatoren Bezug genommen wird, wird typischerweise der Begriff "Ribozym" verwendet.

Mittlerweile sind einige Ribozyme entdeckt worden. Eine wichtige und bekannte ist rRNA , die den Kern des Ribosoms bildet und die katalytischen Stellen bereitstellt, die für die Translation von mRNA in Protein erforderlich sind. Ein weiteres Ribozym ist Ribonuklease P. Katalytische Introns der Gruppe I sind eine Art Intron, das als Ribozym wirkt, dessen Wirkung darin besteht, sich selbst aus dem RNA-Transkript eines Gens herauszuspleißen, so dass eine reife mRNA gebildet werden kann.

Haftungsausschluss

Ich habe dafür gestimmt, diese Frage zu schließen, da mir auffiel, dass er, indem er dem Poster das Zauberwort „Ribozym“ gab, leicht selbst überprüfen konnte, ob die Antwort auf die Frage in seinem Titel „Nein“ war. Da diese Frage jedoch Antworten erhielt, die ich für falsch oder irreführend halte, gebe ich meine eigene Antwort, um den Sachverhalt klarzustellen.

Geschichte und Terminologie

Obwohl ich Einträge in Wikipedia nicht unbedingt als maßgeblich ansehen würde, sind wissenschaftliche Daten nicht besonders umstritten, daher verweise ich den Leser für Folgendes auf die Einträge zu Enzyme and Protein :

• Das erste entdeckte Enzym soll 1833 die Diastase gewesen sein, obwohl Pasteurs Widerstand gegen die Idee der Stoffwechselaktivität außerhalb von Lebewesen die Anerkennung verzögerte. Das Wort Enzym wurde 1877 aus dem Griechischen geprägt und bedeutet „in Hefe“. Die katalytische Aktivität der Fermentationsenzyme wurde im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert intensiv untersucht, was 1907 in Buchners Nobelpreis für Chemie gipfelte.
• Obwohl Proteine ​​im 18. Jahrhundert erkannt und 1838 von Berzelius benannt wurden, wurde ihre Chemie als Polypeptide erst 1902 etabliert, und Sumner stellte erst 1926 fest, dass Urease ein Protein ist.

Daher wurde das Wort Enzym und das Konzept seiner Aktivität eingeführt, lange bevor die chemische Natur der meisten Enzyme als Proteine ​​festgestellt wurde, und daher ist es richtig, dass das Poster Protein nicht in die Definition von Enzym einbezieht. Es ist auch richtig, über die spätere Entdeckung von Enzymen zu sprechen, bei denen es sich eher um RNA als um Proteine ​​handelt, obwohl letztere einen allgemeinen Glauben widerlegten, der über ein halbes Jahrhundert galt. Tatsächlich werden RNA-Enzyme mit einer speziellen Bezeichnung – Ribozyme – bezeichnet, so wie die meisten Mitglieder der Gattung Cygnus als Schwäne bezeichnet werden, aber Cygnus atratus wird normalerweise als schwarzer Schwan bezeichnet .

RNA-Enzyme (Ribozyme)

Ein perfektes Beispiel für ein RNA-Enzym wäre eines, das in Abwesenheit von Protein natürlich aktiv ist und katalytische Aktivität gegen ein bestimmtes Substrat zeigt . Ab 2002, als das Thema von Thomas Cech überprüft wurde – der zusammen mit Sidney Altman 1962 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung des ersten Ribozyms erhielt – gab es keine solchen natürlichen Beispiele.

• Die Art der katalytischen RNA, die von Cech entdeckt wurde – die selbstspleißenden Introns von Tetrahymena sind völlig proteinfrei, wirken aber auf die Prä-mRNA, die sie enthält.
• Eine andere Art von katalytischer RNA, beispielhaft dargestellt durch die von Altman entdeckte Ribonuklease-P, ist gegen ein Substrat aktiv, das sich von ihr selbst unterscheidet – eine Vorläufer-tRNA –, die sowohl Protein als auch RNA enthält. Wenn das Protein jedoch unter geeigneten Bedingungen von RNase-P entfernt wird, behält die RNA-Komponente ihre katalytische Aktivität.

Trotz dieser Einschränkungen – und der Tatsache, dass die einzigen katalysierten Reaktionen die Spaltung und Ligation von RNA sind – hätte ich diese als eindeutige Beispiele für RNA-Enzyme angeführt, wenn ich der Professor gewesen wäre, an den das Poster seine Frage gerichtet hätte. Ribosomale RNA hat wahrscheinlich katalytische Aktivität, ist aber weniger eindeutig, wie ich unten erkläre.

Die „RNA-Welt“ und die RNA-Katalyse anderer Reaktionstypen

Eines der Ergebnisse der Entdeckung von katalytischer RNA in den frühen 60er Jahren war, dass sie einer Idee Gestalt gab, die einige der Probleme der frühen Evolution biochemischer Prozesse löste – insbesondere die gegenseitige Abhängigkeit von Protein und Nukleinsäure. Dies war eine „RNA-Welt“, in der RNA sowohl als genetisches Material (bevor sich die DNA entwickelte) als auch als Enzym zur Durchführung biochemischer Reaktionen, einschließlich der Proteinsynthese, diente. Jedoch waren die einzigen Reaktionen, die durch die zeitgenössischen RNA-Enzyme, die charakterisiert worden waren, katalysiert wurden, die Spaltung oder Ligation von RNA selbst.

Man könnte argumentieren, dass andere katalytische Reaktionen von Proteinen übernommen wurden, als sie auftauchten, da sie effizienter waren usw. Es blieb jedoch die Frage, ob RNA das Potenzial hatte, solche Reaktionen zu katalysieren. Ein Schritt in diese Richtung war die künstliche Auswahl von Oligoribonukleotiden (Aptameren) auf der Grundlage ihrer Fähigkeit, bestimmte kleine Moleküle zu binden. Es gab auch Berichte , dass eine kleine synthetische RNA die Aminoacylierung von AMP-aktivierter tRNA für Phe katalysieren kann.

Die Peptidyltransferase-Aktivität von rRNA

Im Kontext dessen, was ich oben geschrieben habe, sollte die mögliche katalytische Aktivität von rRNA betrachtet werden.

• Die beteiligte Reaktion ist die der Peptidyltransferase (unten). Außer der RNA-Hydrolyse und -Ligation gibt es keine anderen Beispiele für RNA-katalysierende Reaktionen
• Die Implikationen für die „RNA-Welt“-Hypothese (die nicht allgemein anerkannt ist) sind derart, dass man – obwohl ich sie persönlich bevorzuge (und vor Studenten in Bezug auf Ribosomen Vorträge darüber gehalten habe) – sehr darauf achten muss, dass dies nicht getrübt wird sein wissenschaftliches Urteil.

Der Beweis für die Aktivität der Peptidyltransferase (PT) der großen ribosomalen RNA (23S-rRNA in E. coli , 28S-rRNA in H. sapiens ) ist wie folgt:

• Wiederholte Versuche, bestimmte ribosomale Proteine ​​mit PT-Aktivität zu assoziieren, schlugen fehl, und viele einzelne ribosomale Proteine ​​konnten aus E.coli- Ribosomen deletiert werden, ohne die PT-Aktivität aufzuheben
• Affinitätsmarkierungen von Substraten der PT-Reaktion neigten dazu, eher RNA als Protein zu markieren.
• Das PT-Zentrum wurde in der dreidimensionalen Struktur der 23S-rRNA durch Kristallisation mit einem Analogon des Reaktionsintermediats lokalisiert. In der Nähe befinden sich keine Proteine.

Dies spricht stark dafür, dass die PT-Aktivität des Ribosoms in der 23S-rRNA liegt – kann aber nicht als strenger Beweis angesehen werden. Es überrascht nicht, dass keine proteinfreie RNA oder ein Fragment davon in der Lage ist, die PT-Reaktion zwischen den kleinen Substratanaloga zu katalysieren, die dafür verwendet werden können.

Ich selbst glaube zufällig, dass das Ribosom ein Ribozym ist – für den geringen Wert, den es wert ist –, aber ich würde das Ribosom niemals als Beispiel für ein Ribozym vorbringen, wenn es so viel bessere gibt.