Olovo - Leadzyme


Olovo je malý ribozym (katalytická RNA), která katalyzuje štěpení specifického fosfodiesterová vazba. Bylo objeveno pomocí in-vitro evoluční studie, kde vědci vybírali pro RNA, které se specificky štěpily v přítomnosti Vést.[1][2] Od té doby však byl objeven v několika přírodních systémech.[3][4] Bylo zjištěno, že Leadzyme je efektivní a dynamický [5] v přítomnosti mikromolárních koncentrací olova ionty.[6] Na rozdíl od jiných malých samostatných štěpení ribozymy, jiné dvojmocné kovové ionty nemohou nahradit Pb2+ v olověném enzymu.[7] Vzhledem k povinnému požadavku na elektrodu se ribozym nazývá metaloribozym.
Leadzyme byl podroben rozsáhlé biochemické a strukturní charakterizaci.[8] Minimální sekundární struktura olova je překvapivě velmi jednoduchá. Obsahuje asymetrickou vnitřní smyčku složenou ze šesti nukleotidy a a spirálovitý region na každé straně vnitřní smyčky. Místo štěpení olova je umístěno ve čtyř nukleotidové dlouhé asymetrické vnitřní smyčce, která také sestává z RNA šroubovic na obou stranách. To je znázorněno na horním obrázku vpravo, což je sekundární struktura olova, generovaného pomocí mfold. Struktury olova byly také řešeny pomocí rentgenové krystalografie a NMR.[9][10] Krystalové struktury dvou konformací olova jsou zobrazeny na spodním obrázku vpravo.
Katalytický mechanismus olova
Předpokládá se, že Leadzyme účinkuje katalýza pomocí dvoustupňového mechanismu.[11] V prvním kroku reakce se fosfodiesterová vazba štěpí na dva produkty: 5 'produkt zakončený 2'3' cyklickým fosfátem a 3 'produkt v 5' hydroxylu. Tento krok je podobný jako u jiných malých samoštěpících ribozymů, jako je Ribozym hammerhead a HDV ribozym.[12] Oba tyto ribozymy generují produkt, který obsahuje 2 ’, 3’ -cyklický fosfát. V olověném produktu je však tento produkt pouze meziproduktem. Ve druhém kroku této reakční dráhy prochází 2'3'-cyklický fosfát hydrolýza za vzniku 3 ‘monofosfátu. Tento způsob katalýzy je podobný tomu, jak fungují ribonukleázy (proteiny), spíše než jakýkoli známý malý samoštěpící ribozym.
Předpokládá se, že leadzym má vysoce dynamickou strukturu.[13][14] Mnoho studií včetně NMR, Rentgenová krystalografie a molekulární modelování odhalily mírně odlišné struktury. Nedávno pomocí časově rozlišená spektroskopie, bylo prokázáno, že aktivní místo olova je velmi dynamické.[15] V roztoku vzorkuje mnoho různých konformací a že delta G interkonverze mezi různými konformacemi je velmi nízká. V souladu s těmito studiemi krystalická struktura s vysokým rozlišením také odhalila dvě odlišné konformace olova s různými vazebná místa pro Mg2+ a Sr2+ (Str2+ náhražky) ve dvou konformacích.[16] V základním stavu olověný enzym váže jeden Sr2+ ion na nukleotidech G43, G45 a A45. Toto vazebné místo je daleko od nůžková vazba (místo štěpení), a proto nevysvětluje zapojení Pb2+ v katalýze. Ve druhé konformaci, nazývané „předkatalytický“ stav, však ribozym vykazuje dva Sr2+ vazebná místa. G43 a G42 interagují s jedním Sr2+ zatímco druhý Sr2+ interaguje s A45, C23 a G24. Tento druhý Sr2+ vazebné místo také potenciálně interaguje s 2’-OH C23 prostřednictvím molekuly vody. Toto druhé vazebné místo vysvětluje, jak Pb2+ by mohl usnadnit katalýzu abstrahováním 2-OH protonu a připravit jej na in-line nukleofilní útok na nůžkový fosfát. To je podporováno také skutečností, že reakce olova je závislá na pH. Pb2+ může působit jako Lewisova kyselina a aktivace 2-OH v C23. Krystalová struktura odpovídá mechanismu iontů dvou kovů, který byl navržen pro katalýzu olovem.[17]
Toxicita olova prostřednictvím olova
Toxické kovy jako olovo jsou nebezpečí pro životní prostředí a zdraví a mohou vstoupit do biologických systémů po expozici. Olovo je perzistentní kov, který se v lidském těle může hromadit v průběhu času díky častému používání v průmyslových odvětvích a přítomnosti v našem prostředí. Vdechování olova může mít účinky, které se mohou pohybovat od jemných příznaků až po vážná onemocnění. Je možné, že přítomnost olova v našich biologických systémech může vyvolat katalýzu ionty olova.[18] Vzhledem k tomu, že olovo je poměrně jednoduchý motiv tj. má jednoduchý záhyb, zdá se, že v genomy mnoha přírodních systémů, které se mohou potenciálně složit do struktury olovymu. Jednoduché hledání tohoto motivu RNA v genomech člověka, Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans a Arabidopsis thaliana odhalilo, že v průměru je tento motiv přítomen s frekvencí 2-9 motivů pro 1 Mbp sekvence DNA.[19] Ukázali také, že motiv olova je také velmi běžný v sekvencích mRNA těchto organismů. Tyto sekvence by se tedy mohly potenciálně štěpit v přítomnosti iontů olova. Cílení těchto RNA motivů olovem v mRNA a jiných RNA může vysvětlovat toxicitu zprostředkovanou olovem, která vede k buněčné smrti.[20]
Reference
- ^ Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). „Malý metaloribozym s dvoustupňovým mechanismem“. Příroda. 358: 560–563. doi:10.1038 / 358560a0. PMID 1501711.
- ^ Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). "In vitro selekce RNA, které podléhají autolytickému štěpení olovem (2+)". Biochemie. 31: 3887–3895. doi:10.1021 / bi00131a001.
- ^ Barciszewska, M. Z .; Wyszko, E .; Bald, R .; Erdmann, V. A .; Barciszewski, J. (2003). „5S rRNA je olovo. Molekulární základ pro toxicitu olova“. Journal of Biochemistry. 133: 309–315. doi:10.1093 / jb / mvg042.
- ^ Kikovska, E .; Mikkelsen, N.E.; Kirsebom, L. A. (2005). „Přirozeně trans-působící ribozym RNáza P RNA má vlastnosti olovu.“. Výzkum nukleových kyselin. 33: 6920–6930. doi:10.1093 / nar / gki993. PMC 1310964. PMID 16332695.
- ^ Kadakkuzha, B. M .; Zhao, L .; Xia, T. (2009). "Konformační distribuce a ultrarychlá základní dynamika olova". Biochemie. 48: 3807–3809. doi:10.1021 / bi900256q. PMID 19301929.
- ^ Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). „Malý metaloribozym s dvoustupňovým mechanismem“. Příroda. 358: 560–563. doi:10.1038 / 358560a0. PMID 1501711.
- ^ Arciszewska, M. Z .; et al. (2005). "Toxicita olova přes olovo". Výzkum mutací / Recenze v oblasti výzkumu mutací. 589: 103–110. doi:10.1016 / j.mrrev.2004.11.002.
- ^ Sigel, Astrid; Operschall, Bert P .; Sigel, Helmut (2017). „Kapitola 11. Složitá tvorba olova (II) s nukleotidy a jejich složkami“. In Astrid, S .; Helmut, S .; Sigel, R. K. O. (eds.). Olovo: jeho účinky na životní prostředí a zdraví. Kovové ionty v biologických vědách. 17. de Gruyter. 319–402. doi:10.1515/9783110434330-011.
- ^ Wedekind, J. E .; McKay, D. B. (1999). „Krystalová struktura ribozymu závislého na olovu, která odhaluje vazebná místa pro kov relevantní pro katalýzu“. Přírodní strukturní biologie. 6: 261. doi:10.1038/6700.
- ^ Wedekind, J. E .; McKay, D. B. (2003). „Krystalová struktura olověného enzymu při rozlišení 1,8 Å: Vazba kovových iontů a důsledky pro katalytický mechanismus a regulaci iontů Allo Site †“. Biochemie. 42: 9554–9563. doi:10.1021 / bi0300783. PMID 12911297.
- ^ Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). „Malý metaloribozym s dvoustupňovým mechanismem“. Příroda. 358: 560–563. doi:10.1038 / 358560a0. PMID 1501711.
- ^ Ferré-D'Amaré, A. R .; Scott, W. G. (2010). „Malé samoštěpící se Ribozymes“. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii. 2: a003574. doi:10.1101 / cshperspect.a003574. PMC 2944367. PMID 20843979.
- ^ Hoogstraten, C. G .; Legault, P .; Pardi, A. (1998). „Struktura řešení NMR ribozymu závislého na olova: důkaz dynamiky v katalýze RNA“. Journal of Molecular Biology. 284: 337–350. doi:10.1006 / jmbi.1998.2182. PMID 9813122.
- ^ Kadakkuzha, B. M .; Zhao, L .; Xia, T. (2009). "Konformační distribuce a ultrarychlá základní dynamika olova". Biochemie. 48: 3807–3809. doi:10.1021 / bi900256q. PMID 19301929.
- ^ Kadakkuzha, B. M .; Zhao, L .; Xia, T. (2009). "Konformační distribuce a ultrarychlá základní dynamika olova". Biochemie. 48: 3807–3809. doi:10.1021 / bi900256q. PMID 19301929.
- ^ Wedekind, J. E .; McKay, D. B. (2003). „Krystalová struktura olova v rozlišení 1,8 Å: Vazba kovových iontů a důsledky pro katalytický mechanismus a regulaci iontů Allo Site †“. Biochemie. 42: 9554–9563. doi:10.1021 / bi0300783. PMID 12911297.
- ^ Ohmichi, T .; Sugimoto, N. (1997). „Role Nd3 + a Pb2+ na reakci štěpení RNA malým ribozymem † ". Biochemie. 36: 3514–3521. doi:10.1021 / bi962030d. PMID 9132001.
- ^ Barciszewska, M. Z .; et al. (2005). "Toxicita olova přes olovo". Výzkum mutací / Recenze v oblasti výzkumu mutací. 589: 103–110. doi:10.1016 / j.mrrev.2004.11.002.
- ^ Barciszewska, M. Z .; et al. (2005). "Toxicita olova přes olovo". Výzkum mutací / Recenze v oblasti výzkumu mutací. 589: 103–110. doi:10.1016 / j.mrrev.2004.11.002.
- ^ Barciszewska, M. Z .; et al. (2005). "Toxicita olova přes olovo". Výzkum mutací / Recenze v oblasti výzkumu mutací. 589: 103–110. doi:10.1016 / j.mrrev.2004.11.002.
Další čtení
- Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). „Malý metaloribozym s dvoustupňovým mechanismem“. Příroda. 358: 560–563. doi:10.1038 / 358560a0. PMID 1501711.
- Pan, T .; Uhlenbeck, O. C. (1992). "In vitro selekce RNA, které podléhají autolytickému štěpení olovem (2+)". Biochemie. 31: 3887–3895. doi:10.1021 / bi00131a001.
- Barciszewska, M. Z .; Wyszko, E .; Bald, R .; Erdmann, V. A .; Barciszewski, J. (2003). „5S rRNA je olovo. Molekulární základ pro toxicitu olova“. Journal of Biochemistry. 133: 309–315. doi:10.1093 / jb / mvg042.
- Kikovska, E .; Mikkelsen, N.E.; Kirsebom, L. A. (2005). „Přirozeně trans-působící ribozym RNáza P RNA má vlastnosti olovu.“. Výzkum nukleových kyselin. 33: 6920–6930. doi:10.1093 / nar / gki993. PMC 1310964. PMID 16332695.
- Barciszewska, M. Z .; et al. (2005). "Toxicita olova přes olovo". Výzkum mutací / Recenze v oblasti výzkumu mutací. 589: 103–110. doi:10.1016 / j.mrrev.2004.11.002.
- Wedekind, J. E .; McKay, D. B. (1999). „Krystalová struktura ribozymu závislého na olovu odhalující vazebná místa pro kovy relevantní pro katalýzu“. Přírodní strukturní biologie. 6: 261. doi:10.1038/6700.
- Hoogstraten, C. G .; Legault, P .; Pardi, A. (1998). „Struktura řešení NMR ribozymu závislého na olova: důkaz dynamiky v katalýze RNA“. Journal of Molecular Biology. 284: 337–350. doi:10.1006 / jmbi.1998.2182. PMID 9813122.
- Wedekind, J. E .; McKay, D. B. (2003). „Krystalová struktura olova v rozlišení 1,8 Å: Vazba kovových iontů a důsledky pro katalytický mechanismus a regulaci iontů Allo Site †“. Biochemie. 42: 9554–9563. doi:10.1021 / bi0300783. PMID 12911297.
- Ferré-D'Amaré, A. R .; Scott, W. G. (2010). „Malé samodštěpitelné Ribozymes“. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii. 2: a003574. doi:10.1101 / cshperspect.a003574. PMC 2944367. PMID 20843979.
- Kadakkuzha, B. M .; Zhao, L .; Xia, T. (2009). "Konformační distribuce a ultrarychlá základní dynamika olova". Biochemie. 48: 3807–3809. doi:10.1021 / bi900256q. PMID 19301929.
- Ohmichi, T .; Sugimoto, N. (1997). „Role Nd3 + a Pb2 + na reakci štěpení RNA malým ribozymem †“. Biochemie. 36: 3514–3521. doi:10.1021 / bi962030d. PMID 9132001.