Аминоацил тРНК синтетаза

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Антикодон-врзувачки домен
PDB 1obc EBI.jpg
Леуцил-тРНК синтетаза на Thermus thermophilus во комплекс со пост-трансфер супстратен аналог кој подлежи на уредување
Назнаки
СимболAnticodon_2
PfamPF08264
InterProIPR013155
SCOP1ivs
SUPERFAMILY1ivs
DALR антикодон врзувачки домен 1
PDB 1iq0 EBI.jpg
Аргинил-тРНК синтетаза на Thermus thermophilus
Назнаки
СимболDALR_1
PfamPF05746
Pfam-кланCL0258
InterProIPR008909
SCOP1bs2
SUPERFAMILY1bs2
DALR антикодон врзувачки домен 2
PDB 1u0b EBI.jpg
Кристална структура на бинарен комплекс на цистеинил-тРНК синтетаза со тРНКCys
Назнаки
СимболDALR_2
PfamPF09190
Pfam-кланCL0258
InterProIPR015273

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 прекурсор) 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 протеини (белковини).

Механизам на дејство[уреди | уреди извор]

Аминоацил-тРНК синтетазата најпрво врзува ATP и естерифицирана аминокиселина (или нејзин прекурсор) за да формира аминоацил-аденилат, при што се ослободува неоргански пирофосфат (PPi). 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 примарно значење за формирање на точниот пар аминокиселина-тРНК, а со тоа и за правилно читање на генетскиот код.[1]

Механизмот може да се сумира со следните реакции:

  1. Аминокиселина + ATP → Аминоацил-AMP + PPi
  2. 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 + PPi

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 нејзинитата 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][3]

Класи[уреди | уреди извор]

Постојат две класи на аминоацил-тРНК синтетази, кои се разликуваат во однос на примарната и терциерната структура и механизмот на реакцијата, а секоја од нив содржи по десет ензими:[4]

  • Класа I ааРС имаат две сочувани мотиви во секвенцата. Тие ја аминоацилираат 2’-OH групата од терминалниот аденозински нуклеотид на тРНК.
  • Класа II ааРС имаат три сочувани мотиви во секвенцата. 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.

Општа структура на аминоацил-тРНК синтетаза, на која е прикажано местото за уредување, како и активационото место. Главната разлика помеѓу класа I и класа II аминоацил-тРНК синтетази е во активационото место. Прикажана е и општата структура на Розмановиот склоп кај класа I ааРС и општата структура на антипаралелните бета ланци кај класа II ааРС.
Споредба на основните домени на класа I и класа II аминоацил-тРНК синтетази. Аминокиселинските остатоци од важните места за врзување (backbone brackets и arginine tweezers) се обоени. N-терминалните аминокиселински остатоци се обележани со сина боја, а C-терминалните со црвена боја.

Структури[уреди | уреди извор]

И двете класи на ааРС се мултидоменски протеини. Обично, во структурата на ааРС молекулата постои каталитички домен (каде се одвиваат двете гореневадени реакции) и домен кој го врзува антикодонот на тРНК. Покрај овие два домена, некои ааРС може да имаат дополнителни домени за врзување на тРНК, како и уредувачки домени,[5] 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 ланци, додека ааРС од класа II имаат уникатен склоп, составен од антипаралелни бета ланци.

Доменот кој го врзува антикодонот кај аргинил-, глицил- и цистеинил-тРНК синтетазите има алфа хеликсна структура и е познат како DALR домен, по карактеристичните сочувани аминокиселини во секвенцата.[6]

При кинетичкото проучување на ааРС, било покажано дека Mg2+ јоните играат активна каталитичка улога во ензимската реакција, па затоа активноста на ааРС е зависна од нивното присуство. Со зголемување на концентрацијата на Mg2+ 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.[7][8]

Покрај недостатокот на сличности во аминокиселинската секвенца 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 интеракции (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 анг. „‘рбетни загради“) и arginine tweezers (од анг. „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.[9]

Еволуција[уреди | уреди извор]

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 неколку пати се случил хоризонтален пренос на гени.[10][11]

Погрешно е широко распространетото мислење дека оваа суперфамилија на протеини поседува голема еволутивна стабилност, што значи дека секој организам ги поседува сите ааРС за соодветните протеиногени 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.[11] 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.[12] 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.[13]

Примена во биотехнологијата[уреди | уреди извор]

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 кој протеин од интерес, овозможувајќи им, на тој начин, на биохемичарите и структурните биолози да ја истражат или променат функцијата на протеинот. На пример, може да се започне со ген за протеин кој врзува одредена ДНК секвенца и, со инкорпорирање на неприродна аминокиселина со реактивна странична низа во местото за врзување на ДНК, да се создаде нов протеин кој 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 протеини различни лабораториски синтетизирани аминокиселини со разноврсни корисни особини: фотореактивни, аминокиселини кои хелатираат ксенон, спин-резонантни, флуоресцентни, редокс-активни итн.[14] Друга употреба е воведување на аминокиселина со реактивни функционални групи за хемиско модифицирање на целните протеини.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Rodin, S. N.; Rodin, A. S. (1 април 2008 г). On the origin of the genetic code: signatures of its primordial complementarity in tRNAs and aminoacyl-tRNA synthetases. „Heredity“ том  100 (4): 341–355. doi:10.1038/sj.hdy.6801086. ISSN 1365-2540. PMID 18322459. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18322459?dopt=Abstract. 
  2. McClain, W. H. (20 ноември 1993 г). Rules that govern tRNA identity in protein synthesis. „Journal of Molecular Biology“ том  234 (2): 257–280. doi:10.1006/jmbi.1993.1582. ISSN 0022-2836. PMID 8230212. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8230212. 
  3. Swanson, R.; Hoben, P.; Sumner-Smith, M.; Uemura, H.; Watson, L.; Söll, D. (16 декември 1988 г). Accuracy of in vivo aminoacylation requires proper balance of tRNA and aminoacyl-tRNA synthetase. „Science (New York, N.Y.)“ том  242 (4885): 1548–1551. ISSN 0036-8075. PMID 3144042. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3144042. 
  4. Nelson, David L; Cox, Michael M. (2017-01-01) (на англиски). Lehninger Principles of Biochemistry (Seventh edition издание). New York NY: W. H. Freeman. ISBN 9781464126116. https://www.amazon.com/Lehninger-Principles-Biochemistry-David-Nelson/dp/1464126119/ref=pd_lpo_sbs_14_t_0?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=XBG2962040NMTNPBG8YN. 
  5. „PDB101: Molecule of the Month: Aminoacyl-tRNA Synthetases“. RCSB: PDB-101. конс. 2018-08-23. 
  6. Wolf, Y. I.; Aravind, L.; Grishin, N. V.; Koonin, E. V. (1 август 1999 г). Evolution of aminoacyl-tRNA synthetases--analysis of unique domain architectures and phylogenetic trees reveals a complex history of horizontal gene transfer events. „Genome Research“ том  9 (8): 689–710. ISSN 1088-9051. PMID 10447505. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10447505. 
  7. Airas, R. Kalervo (1 декември 2007 г). Magnesium dependence of the measured equilibrium constants of aminoacyl-tRNA synthetases. „Biophysical Chemistry“ том  131 (1-3): 29–35. doi:10.1016/j.bpc.2007.08.006. ISSN 0301-4622. PMID 17889423. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17889423. 
  8. Francklyn, C.; Musier-Forsyth, K.; Martinis, S. A. (1 септември 1997 г). Aminoacyl-tRNA synthetases in biology and disease: new evidence for structural and functional diversity in an ancient family of enzymes. „RNA (New York, N.Y.)“ том  3 (9): 954–960. ISSN 1355-8382. PMID 9292495. PMC: PMC1369542. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9292495. 
  9. Kaiser, Florian; Bittrich, Sebastian; Salentin, Sebastian; Leberecht, Christoph; Haupt, V. Joachim; Krautwurst, Sarah; Schroeder, Michael; Labudde, Dirk (04 2018 г). Backbone Brackets and Arginine Tweezers delineate Class I and Class II aminoacyl tRNA synthetases. „PLoS computational biology“ том  14 (4): e1006101. doi:10.1371/journal.pcbi.1006101. ISSN 1553-7358. PMID 29659563. PMC: PMC5919687. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29659563. 
  10. Woese, C. R.; Olsen, G. J.; Ibba, M.; Söll, D. (1 март 2000 г). Aminoacyl-tRNA synthetases, the genetic code, and the evolutionary process. „Microbiology and molecular biology reviews: MMBR“ том  64 (1): 202–236. ISSN 1092-2172. PMID 10704480. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10704480. 
  11. 11,0 11,1 Chaliotis, Anargyros; Vlastaridis, Panayotis; Mossialos, Dimitris; Ibba, Michael; Becker, Hubert D.; Stathopoulos, Constantinos; Amoutzias, Grigorios D. (02 17, 2017 г). The complex evolutionary history of aminoacyl-tRNA synthetases. „Nucleic Acids Research“ том  45 (3): 1059–1068. doi:10.1093/nar/gkw1182. ISSN 1362-4962. PMID 28180287. PMC: PMC5388404. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28180287. 
  12. Guo, Min; Yang, Xiang-Lei; Schimmel, Paul (09 2010 г). New functions of aminoacyl-tRNA synthetases beyond translation. „Nature Reviews. Molecular Cell Biology“ том  11 (9): 668–674. doi:10.1038/nrm2956. ISSN 1471-0080. PMID 20700144. PMC: PMC3042954. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20700144. 
  13. Lee, Sang Won; Cho, Byeong Hoon; Park, Sang Gyu; Kim, Sunghoon (1 август 2004 г). Aminoacyl-tRNA synthetase complexes: beyond translation. „Journal of Cell Science“ том  117 (Pt 17): 3725–3734. doi:10.1242/jcs.01342. ISSN 0021-9533. PMID 15286174. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15286174. 
  14. Wang, Lei; Schultz, Peter G. (1 јануари 2005 г). Expanding the Genetic Code (на en). „Angewandte Chemie International Edition“ том  44 (1): 34–66. doi:10.1002/anie.200460627. ISSN 1433-7851. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.200460627. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]