Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза, кодаза) — 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

1. аминокислота + АТФ → аминоацил-АМФ + PP i — АТФ активирует аминокислоту
2. аминоацил-AМФ + тРНК → аминоацил-тРНК + АМФ — активированная аминокислота соединяется с соответствующей тРНК

Суммарное уравнение двух реакций:
аминокислота + тРНК + АТФ → аминоацил-тРНК + АМФ + PP i

Механизм аминоацилирования

Сначала в активном центре синтетазы связываются соответствующая аминокислота и АТФ . Из трёх фосфатных групп АТФ две отщепляются, образуя молекулу пирофосфата (PP _i ), 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.

Аминоацил-тРНК-синтетазы первого класса — ферменты, переносящие остаток аминокислоты на 2′-ОН группу рибозы; второго класса — ферменты, переносящие остаток аминокислоты на 3′-ОН группу концевой рибозы 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.

Аминокислоты по классам аминоацил-тРНК-синтетаз:

• Класс I: валин , изолейцин , лейцин , цистеин , метионин , глутамат , глутамин , аргинин , тирозин , триптофан
• Класс II: глицин , аланин , пролин , серин , треонин , аспартат , аспарагин , гистидин , фенилаланин

Для аминокислоты лизин существуют аминоацил-тРНК-синтетазы обоих классов.

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.

Гены аминоацил-тРНК синтетаз

КФ	Фермент	Аминокислота	Ген , Homo sapiens
	тирозил-тРНК синтетаза	тирозин
	триптофанил-тРНК синтетаза	триптофан
	треонил-тРНК синтетаза	треонин
	лейцил-тРНК синтетаза	лейцин
	изолейцил-тРНК синтетаза	изолейцин
	лизил-тРНК синтетаза	лизин
	аланин-тРНК синтетаза	аланин
	валил-тРНК синтетаза	валин
	метионил-тРНК синтетаза	метионин
	серил-тРНК синтетаза	серин
	аспартил-тРНК синтетаза	аспартат
	глицил-тРНК синтетаза	глицин
	пролил-тРНК синтетаза, глутамил-пролил-тРНК синтетаза	пролин	,
	цистеил-тРНК синтетаза	цистеин
	глутамил-тРНК синтетаза, глутамил-пролил-тРНК синтетаза	глутамат	,
	глутаминил-тРНК синтетаза	глутамин
	аргинил-тРНК синтетаза	аргинин
	фенилаланил-тРНК синтетаза	фенилаланин	,
	гистидил-тРНК синтетаза	гистидин
	аспарагинил-тРНК синтетаза	аспарагин
	аспартил-тРНК-Asn синтетаза	аспартат	нет у человека
	глутамил-тРНК-Gln синтетаза	глутамат	нет у человека
	пирролизил-тРНК-Pyl синтетаза	пирролизин	нет у человека
	O-фосфо-L-серил-тРНК синтетаза	O-фосфо-L-серин	нет у человека

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 .

Технологические перспективы

Мутантные аминоацил-тРНК синтетазы и тРНК используются для включения в белки аминокислот, не предусмотренных генетическим кодом .

Примечания

См. также

Пермеазы