Аминоацил тРНК синтетаза

Аминоацил-тРНК синтетаза (ааРС или АРС), исто така наречена и тРНК-лигаза, е ензим кој ја врзува соодветната аминокиселина за нејзината тРНК. Процесот на катализа вклучува естерификација на соодветната аминокиселина (или нејзин претходник) за нејзината компатибилна тРНК, за да се формира аминоацил-тРНК. Кај човекот, 20-те различни типови на аминоацил-тРНК се синтетизираат од 20 различни ааРС, по една за секоја аминокиселина од генетскиот код. Повеќето организми имаат по една ааРС за секоја аминокиселина од генетскиот код, но постојат и исклучоци на ова правило.
Откако тРНК молекулата бива естерифицирана со аминокиселина, рибозомот може да ја пренесе таа аминокиселина на растечки пептиден ланец, во согласност со правилата на генетскиот код. Затоа аминоацил-тРНК молекулите, а воедно и аминоацил-тРНК синтетазите, играат клучна улога во процесот на РНК транслација, односно експресијата на гените за синтеза на белковини .
1 Механизам на дејство
Аминоацил-тРНК синтетазата најпрво врзува ATP и естерифицирана аминокиселина (или нејзин претходник) за да формира аминоацил-аденилат, при што се ослободува неоргански пирофосфат (PP<sub>i</sub>). Фосфоанхидридната врска меѓу двата фосфатни остатоци во пирофосфатот веднаш се хидролизира од страна на ензимот пирофосфатаза, при што енергијата од хидролизата се ослободува во вид на топлина. Според тоа, се работи за нето егзергона реакција - текот на реакцијата е иреверзибилен. Аденилат-ааРС комплексот потоа го врзува D-кракот на соодветната тРНК молекула, со што аминокиселината се пренесува од аминоацил-AMP на 2’- или 3’-OH групата на последниот тРНК нуклеотид (А76) на 3’ крајот на тРНК. Интеракцијата на ааРС со нејзината одговарачка тРНК е од главно значење за формирање на точниот пар аминокиселина-тРНК, а со тоа и за правилно читање на генетскиот код.
Механизмот може да се сумира со следните реакции:
# Аминокиселина + ATP → Аминоацил-AMP + PP<sub>i</sub># Аминоацил-AMP + тРНК → Аминоацил-тРНК + AMP
Со сумирање на овие две реакции, збирната, исклучително егзергона реакција, може да се прикаже на следниот начин:
* Аминокиселина + тРНК + ATP → Аминоацил-тРНК + AMP + PP<sub>i</sub>
Некои синтетази вршат и реакција на уредување, со која се обезбедува висока верност на врзување на соодветната аминокиселина за нејзината тРНК. Доколку, по грешка, синтетазата врзе несоодветна тРНК за аминокиселината, со помош на реакцијата на уредување аминоацил-тРНК хемиската врска се хидролизира. Грешки можат да се случат кога две аминокиселини имаат слична молекулска големина и форма, и покрај разликите во физичко-хемиските својства, каков што е случајот со валин и треонин.
Точноста на аминоацил-тРНК синтетазите е толку висока во споредба со другите ензими, што, за да се опише, често се користи изразот „суперспецифичност“. Не сите синтетази поседуваат посебен домен кој го врши процесот на уредување, а сепак имаат висока специфичност за врзување и активација на соодветната аминокиселина. За исклучителната точност на овие синтетази придонес има односот на концентрации на синтетазата и нејзината одговарачка тРНК. Кога синтетазата се продуцира во преголеми количини во клетката, таа започнува соодветната тРНК молекула да ја ацилира со погрешна аминокиселина, па затоа in vivo секогаш постои горна граница на нивото на синтетази и тРНК молекули.
2 Класи
Постојат две класи на аминоацил-тРНК синтетази, кои се разликуваат во однос на првичната и третичната структура и механизмот на реакцијата, а секоја од нив содржи по десет ензими:*Класа I ааРС имаат две сочувани мотиви во низата. Тие ја аминоацилираат 2’-OH групата од терминалниот аденозински нуклеотид на тРНК.
*Класа II ааРС имаат три сочувани мотиви во низата. Тие ја аминоацилираат 3’-OH групата од терминалниот аденозински нуклеотид на тРНК. Иако фенилаланин-тРНК синтетаза спаѓа во класа II, таа ја аминоацилира 2’-OH групата, наместо 3’-OH групата.
Аминокиселините се врзуваат за хидроксилната (-OH) група на аденозинската рибоза преку нивната карбоксилна група (-COOH).
Без оглед на тоа за која -OH група аминоацилот првично бил врзан, со процесот на трансестерификација секогаш на крај бива врзан за 3’ позицијата.
3 Структури
И двете класи на ааРС се мултидоменски белковини. Обично, во структурата на ааРС молекулата постои каталитички домен (каде се одвиваат двете горенаведени реакции) и домен кој го врзува тРНК антикодонот. Покрај овие два домена, некои ааРС може да имаат дополнителни домени за врзување на тРНК, како и уредувачки домени, кои ги раскинуваат неточно врзаните аминоацил-тРНК молекули.
Каталитичките домени на сите ааРС кои припаѓаат на истата класа се хомологни меѓусебе, меѓутоа домените од две различни класи се потполно несродни меѓусебе. Класа I ааРС го поседуваат доста честиот Розманов склоп и имаат архитектура на паралелни бета нишки, додека ааРС од класа II имаат уникатен склоп, составен од антипаралелни бета нишки.
Доменот кој го врзува антикодонот кај аргинил-, глицил- и цистеинил-тРНК синтетазите има алфа завојна структура и е познат како DALR домен, по карактеристичните сочувани аминокиселини во низата.
При кинетичкото проучување на ааРС, било покажано дека Mg<sup>2+</sup> јоните играат активна каталитичка улога во ензимската реакција, па затоа активноста на ааРС е зависна од нивното присуство. Со зголемување на концентрацијата на Mg<sup>2+</sup> јоните се зголемуваат константите на рамнотежа за реакциите катализирани од ааРС. Иако овој тренд е забележан кај двете класи на ааРС, сепак зависноста од магнезиум се разликува помеѓу двете класи, така што ааРС од класа II имаат потреба од два или три (најчесто три) магнезиумови јони за нивната активност, додека ааРС од класа I имаат потреба од само еден магнезиумов јон.
Покрај недостатокот на сличности во аминокиселинската низа и во целокупната структура, синтетазите од класа I и класа II се разликуваат и во механизмот на врзување на молекулата на ATP. Ензимите од класа I го врзуваат ATP со помош на заемодејства (водородни врски) посредувани од ‘рбетот на полипептидниот ланец, додека ензимите од класа II користат пар на аргинински остатоци за да формираат два солени моста за врзување на ATP лигандот. Ова се манифестира во два сочувани структурни мотиви: ''backbone brackets'' (од англ. „‘рбетни загради“) и ''arginine tweezers'' (од англ. „аргининска пинцета“), кои се среќаваат кај класа I и класа II синтетазите, соодветно. Исклучителната структурна сочуваност на овие мотиви сугерира дека тие имаат древно потекло.
4 Еволуција
Повеќето ааРС со одредена специфичност еволутивно се поблиски едни со други отколку со ааРС со друга специфичност. Сепак, аспарагинил-тРНК синтетазата (AsnRS) се групира заедно со аспартил-тРНК синтетазата (AspRS), а глутаминил-тРНК синтетазата (GlnRS) се групира заедно со глутамил-тРНК синтетазата (GluRS). Исто така, повеќето од ааРС со одредена специфичност припаѓаат на истата класа. Сепак, постојат две различни верзии на лизил-тРНК синтетаза (LysRS), од кои едната припаѓа на класа I, а другата припаѓа на класа II ааРС.
Молекуларните филогении на ааРС често не се во согласност со прифатените филогении на организмите; т.е. тие го кршат т.н. канонски филогенетски модел, кој го почитуваат повеќето други ензими кои се универзални за трите домени на животот – археи, бактерии и еукариоти. Понатаму, филогениите добиени за ааРС кои врзуваат различни аминокиселини често не се согласуваат едни со други. Покрај тоа, ааРС паралози во склоп на истиот вид на организам покажуваат висок степен на дивергенција меѓу себе. Ова се јасни индикации дека во еволуционата историја на ааРС неколкупати се случил хоризонтален пренос на гени.
Погрешно е широко распространетото мислење дека ова натсемејство на белковини поседува голема еволутивна стабилност, што значи дека секој организам ги поседува сите ааРС за соодветните белковинаогени аминокиселини. Една голема анализа на околу 2500 прокариотски геноми покажала дека кај многу геноми недостасуваат еден или повеќе ааРС гени, а, исто така, кај многу геноми има еден или повеќе паралози. Аланил-тРНК синтетаза (AlaRS), глицил-тРНК синтетаза (GlyRS), леуцил-тРНК синтетаза (LeuRS), изолеуцил-тРНК синтетаза (IleRS) и валил-тРНК синтетаза (ValRS) се еволуционо најстабилните членови на фамилијата. Глутамил-тРНК синтетаза (GluRS), лизил-тРНК синтетаза (LysRS) и цистеинил-тРНК синтетаза (CysRS) често имаат паралози, додека аспарагинил-тРНК синтетаза (AsnRS), глутаминил-тРНК синтетаза (GlnRS), пиролизил-тРНК синтетаза (PylRS) и О-фосфосерил-тРНК синтетаза (SepRS) често се отсутни од многу геноми.
Откриено е дека 19 од 20-те ааРС кај човекот, со исклучок на аланил-тРНК синтетазата (AlaRS), додале барем еден нов домен или мотив во текот на својата еволуција. Овие нови домени и мотиви варираат во функција и се забележани кај различните форми на живот. Честа нова функција на ааРС кај човекот е обезбедување на дополнителна регулација на биолошките процеси. Постои теорија дека зголемувањето на бројот на ааРС кои додаваат нови домени се должи на континуираната еволуција на посложените организми, со покомплексни и поефикасни градбени молекули и биолошки механизми. Клучен доказ за оваа теорија е дека по додавањето на нов домен на ааРС тој станува потполно интегриран, а од тој момент неговата функционалност станува потполно сочувана.
5 Примена во биотехнологијата
Кај некои од аминоацил-тРНК синтетазите, жлебот во кој се врзува аминокиселината може да се мутира и модифицира за да врзува неприродни аминокиселини синтетизирани во лабораторија и да ги прикачи за специфични тРНК. Оваа постапка го проширува генетскиот код надвор од рамките на 20-те канонски аминокиселини, за да бидат вклучени и неприродни аминокиселини. Неприродната аминокиселина е кодирана од нонсенс триплет (TAG, TGA, TAA), квадриплет кодон, или, во некои случаи, редок кодон. Организмот кој врши експресија на мутантната синтетаза потоа може генетски да се програмира да ја инкорпорира неприродната аминокиселина во било која посакувана позиција во составот на било која белковина од интерес, овозможувајќи им, на тој начин, на биохемичарите и структурните биолози да ја истражат или променат функцијата на белковината. На пример, може да се започне со ген за белковина која врзува одредена РНК-низа и, со инкорпорирање на неприродна аминокиселина со реактивна странична низа во местото за врзување на ДНК, да се создаде нов белковина која ја сече ДНК молекулата на таа позиција, наместо да се врзе за неа.
Со мутирање на ааРС, хемичарите ги имаат проширено генетските кодови на разни организми за да вклучат во структурата на добиените белковини различни лабораториски синтетизирани аминокиселини со разновидни корисни особини: фотореактивни, аминокиселини кои хелатираат ксенон, спин-резонантни, флуоресцентни, редокс-активни итн. Друга употреба е воведување на аминокиселина со реактивни функционални групи за хемиско модифицирање на целните белковини.
6 Поврзано
*т-РНК