РИБОНУКЛЕАЗЫ

Рибонуклеазы (РНК-азы, RN-азы) — ферменты, катализирующие расщепление межнуклеотидных связей в олиго- и полирибонуклеотидной цепи рибонуклеиновых кислот; представляют собой подгруппу нуклеаз. Важнейшая биологическая роль этих ферментов обусловлена их участием в ключевых процессах биосинтеза и функционирования РНК in vivo — уремии (см.) наблюдают повышение активности РНК-азы в сыворотке крови.

РНК-азы чрезвычайно широко распространены в природе: они присутствуют во всех живых организмах — животных, растениях, грибах и бактериях; нек-рые бактериофаги (см.) способны индуцировать в клетке синтез специфических РНК-аз. РНК-азная активность обнаружена во многих тканях и биол. жидкостях человека: в поджелудочной железе, печени, селезенке, легких, полиморфно-ядерных лейкоцитах, панкреатическом соке, сыворотке крови, моче.

Все ферменты, объединяемые под названием «рибонуклеазы», по характеру каталитического действия являются фосфодиэстеразами, они деполимеризуют РНК без образования неорганического фосфата. Однако механизм разрыва фосфодиэфирной связи, специфичность по отношению к хим. природе азотистых оснований, к вторичной структуре субстрата, а также каталитические, химические и физические свойства достаточно сильно различаются как у РНК-аз из разных источников, так и у различных РНК-аз одной клетки.

По механизму каталитического действия РНК-азы делятся на фосфотрансферазы и фосфогидролазы, что раньше служило основанием для причисления этих РНК-аз к разным классам ферментов (см.). Согласно позднейшим рекомендациям Международного биохимического союза все РНК-азы относят к классу гидролаз и подклассу гидролаз фосфодиэфиров — КФ 3.1.4.

Фосфогидролазы (рибонуклеинат 3'- или 5'-нуклеотидгидролазы; КФ 3.1.4.20) катализируют расщепление 3',5'-фосфодиэфирных связей в молекуле РНК путем прямого гидролиза. Фосфотрансферазы (см.) осуществляют деполимеризации РНК не прямым гидролизом, а в два этапа: сначала происходит трансфосфорили-рование, характеризующееся внутримолекулярным расщеплением фос-фодиэфирной связи, в к-ром участвует 2'-OH-группа рибозы (см.), с образованием нуклеозид 2',3'-циклофосфата, затем следует гидролиз нуклеозидциклофосфата и его превращение в нуклеозид-З'-монофосфат либо в виде свободного нуклеотида, либо в виде концевого нуклеотидного остатка в составе олигонуклеотида. Циклизация протекает обычно значительно быстрее, чем собственно гидролиз.

Для большинства РНК-аз характерен эндонуклеолитический тип взаимодействия с субстратом (см. Нуклеазы). При расщеплении полирибонуклеотида внутри полимерной цепи может наблюдаться определенная избирательность; в зависимости от хим. природы азотистых оснований, вблизи к-рых происходит разрыв фосфодиэфирных связей, различают пиримидин-специфичные, пурин-специфичные, гуанил- и аденил-специфичные, а также неспецифичные РНК-азы. Напр., панкреатическая РНК-аза, или РНК-аза I, из животных тканей (рибонуклеинат З'-пиримидиноолигонуклеотид-гидролаза; КФ 3.1.4.22) является высокоспецифичной эндонуклеазой, расщепляющей связь только между фосфатом, присоединенным к С-З'-атому пиримидинового нуклеотида и С-5'-кислороду следующего нуклеотида. РНК-аза Т1 (гуанилрибонук-леаза, рибонуклеинат З'-гуанилолигонуклеотид-гидролаза; КФ 3.1.4.8), полученная из Aspergillus oryzae, катализирует эндонуклеолитическое расщепление РНК строго между гуанозин-З'-фосфатом и 5'-ОН-группами соседних нуклеотидов. Другой фермент из того же источника — РНК-аза Т2 — менее специфичен и лишь отдает предпочтение связям, в к-рых участвуют остатки аденозина, расщепляя почти всю молекулу РНК на З'-монофосфаты.

Примером эндо-РНК-азы, не обладающей специфичностью к хим. природе азотистых оснований, может служить РНК-аза I из E. coli (рибонуклеинат З'-олигонуклеотид-гидролаза; КФ 3.1.4.23), гидролизующая фосфодиэфирную связь у пуриннуклеотидных и у пиримидин-нуклеотидных остатков в положении 3'.

Эндонуклеазы, к-рые расщепляют РНК на З'-монофосфаты, обнаружены практически во всех тканях и у всех организмов. Из бактериальных клеток выделена эндонуклеаза, гидролизующая РНК с образованием З'-монофосфатов, специфичность к-рой определяется одним азотистым основанием. Этот фермент, получивший название РНК-аза Р, способен расщеплять одну определенную фосфодиэфирную связь в предшественнике тирозиновой тРНК, превращая его в зрелую тирозил-тРНК. Способностью узнавать определенные нуклеотидные последовательности в молекулах-предшественниках РНК обладают и другие высокоспецифичные РНК-азы. Специфичность нек-рых ферментов определяется также вторичной и (или) третичной структурой субстрата. Существуют РНК-азы, действующие исключительно на двуспиральные молекулы РНК (эндорибонуклеаза III; КФ 3.1.4.24); выделена группа РНК-аз (КФ 3.1.4.34), к-рые катализируют гидролиз РНК-цепей в молекулах ДНК—РНК-гибридов, но не действуют на ДНК или двуцепочечную РНК.

Разрыв фосфодиэфирных связей под действием эндо-РНК-аз, действие к-рых приводит к образованию 5'-монофосфатов, происходит без циклизации; механизм катализа заключается в прямом гидролитическом расщеплении 3',5'-фосфодиэфирной связи, поэтому участия 2'-ОН группы в ферментативной реакции не требуется. По этой причине многие эндонуклеазы (как и нек-рые экзонуклеазы), деполимеризующие полинуклеотидную цепь до 5'-монофосфатов (КФ 3.1.4.21), действуют как на РНК, так и на ДНК. Для экзонуклеаз в целом характерно отсутствие выраженной специфичности по отношению к азотистым основаниям нуклеотидов, соседних с расщепляемыми связями. Напр., экзо-РНК-аза II из клеток E. coli (КФ 3.1.4.20) последовательно отщепляет 5'-моно-нуклеотиды с 3'-конца молекулы РНК вплоть до образования олигонуклеотида, содержащего всего 2—4 нуклеотидных звена.

РНК-азы разнообразны по макромолекулярной структуре, по потребности в катионах металлов для проявления каталитической активности, по мол. весу (массе) и оптимальным условиям действия. Отмечена способность практически всех организмов, находящихся на различных ступенях эволюции, продуцировать кислые неспецифичные РНК-азы, мол. вес к-рых находится в пределах от 20 000 до 40 000. В основном РНК-азы — это небольшие, относительно термостабильные глобулярные белки основного характера, нуждающиеся в катионах Mg²⁺, Mn²⁺, NH₄⁺, К⁺ в качестве активаторов. Для проявления максимальной активности и стабильности иногда необходимо присутствие SH-реагентов, таких как дитиотреитол; отдельные РНК-азы обладают субъединичной структурой. Нек-рые из этих ферментов не нуждаются в активаторах и отличаются высокой термостабильностью. Так, панкреатическая РНК-аза способна выдерживать без заметной потери каталитической активности кратковременное кипячение в воде, а ее температурный оптимум находится при 65°. Эта РНК-аза, имеющая мол. вес 13 680, образована единственной полипептидной цепью из 124 аминокислотных остатков; она была первым ферментом, для к-рого удалось установить последовательность аминокислотных остатков в цепи. В 1969 г. Меррифилд (R. В. Merrifield) осуществил полный хим. синтез панкреатической РНК-азы.

Разнообразие РНК-аз связано с разнообразием их функций. Хотя понятно, что физиол. роль внутриклеточных ферментов заключается в расщеплении различных типов функциональных молекул клеточных РНК, в вопросе о том, какова конкретная роль различных РНК-аз в клетке, есть еще нек-рая неопределенность. Очевидно, что РНК-азы могут включаться в регуляторные процессы на стадии репликации, транскрипции и трансляции генетического материала. На уровне репликации и транскрипции ДНК возможно участие РНК — ДНК-специфичных РНК-аз в инициации синтеза ДНК путем удаления РНК-сегментов. В пользу этого предположения свидетельствует их локализация в ядрах клеток. Бактериальные РНК—ДНК-специфичные РНК-азы, по-видимому, участвуют в конформационных изменениях в структуре хроматина (см.) во время клеточного цикла (см. Мейоз, Митоз). Большое число высокоспецифичных ядерных и цитоплазматических РНК-аз участвует в посттранскрипционном процессинге РНК, т. е. в превращении молекул-предшественников в зрелую форму РНК. Это превращение включает в себя процессы модификации нуклеозидов, специфичное расщепление и укорачивание нуклеотидных цепей и добавление специфических нуклеотидных последовательностей на 3'-и 5'- концах молекул (см. Дезоксирибонуклеазы), ингибируемых РНК.

Внутриклеточная РНК-азная активность контролируется, во-первых, регуляцией процесса биосинтеза РНК-аз и, во-вторых, ингибированием или активацией уже существующих ферментов. Одна из основных ролей при этом принадлежит природным белковым ингибиторам РНК-аз, как строго специфичным, активным лишь в отношении определенного фермента, так и неспецифичным. К факторам, активирующим РНК-азы, относятся полиамины (путресцин, спермин, спермидин), обнаруженные в клетках различных эукариотных организмов (см).

Внеклеточные РНК-азы гл. обр. обеспечивают расщепление РНК при пищеварении или усвоении их клеткой, а также участвуют в разрушении тканей, микроорганизмов и их компонентов, происходящем при различных патол. процессах. В этой связи намечаются пути использования РНК-аз в мед. целях. Так, высокоочищенные препараты панкреатической РНК-азы в комплексе с препаратами протеолитических ферментов и ДНК-азы животного и бактериального происхождения оказались эффективными при лечении трофических язв и длительно незаживающих ран, гнойно-воспалительных процессов в мягких тканях и железистых органах (флегмон, абсцессов, маститов, гнойных лимфаденитов),а также при лечении гнойно-воспалительных процессов в легких, плевре, костях, суставах и воспалительных заболеваний сосудов.

Наиболее распространенными методами измерения активности РНК-аз являются осаждение ферментативно неизмененной РНК из инкубационной смеси с последующим радиоизотопным или спектрофотометрическим определением количества кислоторастворимых продуктов реакции — олиго- и мононуклеотидов, а также спектрофотометрическая регистрация изменений УФ-спектра, обусловленных деполимеризацией РНК или образованием циклических фосфатов на первой стадии изменения РНК, вызванного фосфотрансферазами. В первом случае измеряют увеличение оптической плотности р-ра РНК при 260 нм (гиперхромизм), во втором — уменьшение оптической плотности при 230 нм (гипохромизм).

Библиография: Биосинтез микроорганизмами нуклеаз и протеаз, под ред. А. А. Имшенецкого, М., 1979, библиогр.; Дэвидсон Дж. Н. Биохимия нуклеиновых кислот, пер. с англ., с. 194, М., 1976; Нуклеазы микроорганизмов, под ред. А. М. Безбородова, М., 1974; Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов, пер. с англ., с. 388, М., 1980.

П. Л. Иванов.