Аминоацил-тРНК-синтетаза

Аминоацил-тРНК-синтетаза

17.12.2020

Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) — фермент (синтетаза), катализирующий образование аминоацил-тРНК в реакции этерификации определённой аминокислоты с соответствующей ей молекулой тРНК. Для каждой протеиногенной аминокислоты существует по меньшей мере одна аминоацил-тРНК-синтетаза.

АРСазы обеспечивают соответствие нуклеотидным триплетам генетического кода (антикодону тРНК) встраиваемых в белок аминокислот и, таким образом, обеспечивают правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосомах.

Аминоацилирование

  • аминокислота + АТФ → аминоацил-АМФ + PPi — АТФ активирует аминокислоту
  • аминоацил-AМФ + тРНК → аминоацил-тРНК + АМФ — активированная аминокислота соединяется с соответствующей тРНК
  • Суммарное уравнение двух реакций:
    аминокислота + тРНК + АТФ → аминоацил-тРНК + АМФ + PPi

    Механизм аминоацилирования

    Сначала в активном центре синтетазы связываются соответствующая аминокислота и АТФ. Из трёх фосфатных групп АТФ две отщепляются, образуя молекулу пирофосфата (PPi), а на их место становится аминокислота. Образованное соединение (аминоацил-аденилат) состоит из ковалентно связанных высокоэнергетической связью аминокислотного остатка и АМФ. Энергии, содержащейся в этой связи, хватает на все дальнейшие этапы, необходимые для того, чтобы аминокислотный остаток занял своё место в полипептидной цепи (то есть в белке). Аминоацил-аденилаты нестабильны и легко гидролизуются, если диссоциируют из активного центра синтетазы. Когда аминоацил-аденилат сформирован, с активным центром синтетазы связывается 3′-конец тРНК, антикодон которой соответствует активируемой этой синтетазой аминокислоте. Происходит перенос аминокислотного остатка с аминоацил-аденилата на 2′- либо 3′-ОН группу рибозы, входящей в состав последнего на 3′-конце аденина тРНК. Таким образом синтезируется аминоацил-тРНК, то есть тРНК, несущая ковалентно присоединённый аминокислотный остаток. От аминоацил-аденилата при этом остаётся только АМФ. И аминоацил-тРНК, и АМФ освобождаются активным центром.

    Безошибочность узнавания аминокислот

    Каждая из 20 аминоацил-тРНК синтетаз должна всегда прикреплять к тРНК только свою аминокислоту, узнавая только одну из 20 протеиногенных аминокислот и не связывая другие похожие молекулы, содержащиеся в цитоплазме клетки. Аминокислоты значительно меньше тРНК по размерам, неизмеримо проще по структуре, поэтому их узнавание является значительно большей проблемой, чем узнавание нужной тРНК. В действительности, ошибки имеют место, но их уровень не превышает одной на 10 000 — 100 000 синтезированных аминоацил-тРНК.

    Некоторые аминокислоты отличаются друг от друга очень слабо, например, лишь одной метильной группой (изолейцин и валин, аланин и глицин). Для таких случаев во многих аминоацил-тРНК синтетазах эволюционировали механизмы, избирательно расщепляющие ошибочно синтезированные продукты. Процесс их распознавания и гидролиза называют редактированием. Избирательное расщепление аминоацил-аденилата называют претрансферным редактированием, так как оно происходит до переноса аминокислотного остатка на тРНК, а расщепление готовой аминоацил-тРНК — посттрансферным редактированием. Претрансферное редактирование, как правило, происходит в том же активном центре, что и аминоацилирование. Посттрансферное редактирование требует попадания 3′-конца аминоацил-тРНК с прикреплённым к нему остатком аминокислоты во второй активный центр аминоацил-тРНК синтетазы — редактирующий. Этот второй активный центр есть не у всех аминоацил-тРНК синтетаз, а у тех, у которых есть, находится в отдельном домене глобулы фермента. Встречаются также свободно плавающие ферменты, участвующие в посттрансферном редактировании. После гидролиза разъединённые аминокислота и тРНК (или аминокислота и АМФ) высвобождаются в раствор.

    Классификация

    Все аминоацил-тРНК-синтетазы произошли от двух предковых форм и объединены на основе структурного сходства в два класса. Эти классы отличаются по доменной организации, структуре главного (аминоацилирующего) домена, способу связывания и аминоацилирования тРНК.

    Аминоацилирующий домен аминоацил-тРНК-синтетаз 1-го класса образован так называемой укладкой Россмана, в основе которой лежит параллельный β-лист. Ферменты 1-го класса являются в большинстве случаев мономерами. 76-й аденозин тРНК они аминоацилируют по 2′-ОН группе.

    Ферменты 2-го класса имеют в основе структуры аминоацилирующего домена антипараллельный β-лист. Как правило, они являются димерами, то есть имеют четвертичную структуру. За исключением фенилаланил-тРНК синтетазы, все они аминоацилируют 76-й аденозин тРНК по 3′-ОН группе.

    Каждый класс дополнительно делится на 3 подкласса — a, b и c по структурному сходству. Зачастую аминоацил-тРНК-синтетазы одной и той же специфичности (напр., пролил-тРНК синтетаза) существенно отличаются друг у друга у бактерий, архебактерий и эукариот. Тем не менее, ферменты одной специфичности почти всегда более сходны между собой, чем с ферментами других специфичностей. Исключение составляют две различные лизил-тРНК синтетазы, одна из которых относится к 1-му классу, а другая — ко 2-му.

    Доменная организация

    Каждая молекула аминоацил-тРНК синтетазы состоит из двух основных доменов — аминоацилирующего, в котором располагается активный центр и происходят реакции, и антикодон-связывающего, узнающего последовательность антикодона тРНК. Также часто встречаются редактирующие домены, служащие для гидролиза аминоацил-тРНК, несущих не тот аминокислотный остаток, и другие домены.

    Эволюция

    В добелковой жизни (РНК-мире) функцию аминоацил-тРНК синтетаз выполняли, по всей видимости, рибозимы, то есть молекулы РНК, обладающие каталитическими свойствами. В настоящее время такие молекулы воссозданы в лаборатории методом «эволюции в пробирке». После становления основных элементов аппарата белкового синтеза функция аминоацилирования тРНК перешла к белковым молекулам, восходящим к двум предковым последовательностям. Первоначально эти ферменты состояли только из одного, аминоацилирующего, домена. По мере становления генетического кода росло разнообразие аминоацил-тРНК синтетаз и повышались требования к их специфичности. Это и привело к включению в их структуру дополнительных доменов. Первичная последовательность аминоацил-тРНК синтетаз за время их эволюции дивергировала очень существенно, что, впрочем, не помешало обнаружить в пределах каждого из классов гомологию как первичной последовательности, так и третичной (пространственной) структуры.

    Распознавание

    Аминоцил-тРНК-синтазы узнают тРНК по антикодону.