Аминоацил-тРнк-синтетазы

Это особый класс ферментов, катализирующих совокупность реакций, составляющих первую стадию биосинтеза белка – строго специфическое соединение аминокислоты с соответствующей ей тРНК. Для каждой АК существует специфическая аа-тРНК-синтетаза. Клетка содержит, по крайней мере, 20 типов аа-тРНК-синтетаз, обладающих специфичностью не только в отношении аминокислоты, но и тРНК. Из-за единообразия функций все тРНК имеют очень сходную пространственную структуру. Поэтому распознавание аа-тРНК-синтетазой своей тРНК должно базироваться на очень тонких различиях строения отдельных тРНК.

Аминоацил-тРНК-синтетазы имеют два активных центра: один небольших размеров, связывающий аминокислоту; и второй, протяженный, ‒ для точного выбора тРНК. АТР связывается в активном центре фермента через ион Mg²⁺ с имидазольным радикалом His.

Ферменты, выделенные из одной и той же клетки, но специфичные к разным АК, существенно отличаются по субъединичной структуре и молекулярной массе. Молекулярная масса большинства аа-тРНК-синтетаз составляет примерно 100 кДа, иногда 200 кДа и больше. Эти ферменты являются димерами или тетрамерами, очень редко имеют одну полипептидную цепь, содержащую до 1000 аминокислотных остатков (изолейцил-тРНК-синтетаза, аланил-тРНК-синтетаза). Структура аа-тРНК-синтетаз обеспечивает точную установку тРНК относительно фермента, в результате чего участок аа-тРНК-синтетазы, несущий активированную АК, располагается рядом с 3′-концевым аденозином.

Аминоацил-тРНК-синтетазы работают очень точно: ошибочное аминоацилирование in vivo встречается только приблизительно в одном случае из 10000 циклов этой реакции. Именно в виде аа-тРНК аминокислота непосредственно вовлекается в биосинтез белка, осуществляемый белоксинтезирующей системой клетки. Аминоацил-тРНК-синтетазы очень медленные ферменты, число их оборотов составляет 50-500 каталитических актов в минуту.

Аминоацил-тРНК-синтетазы делят на два класса: класс I (ферменты, переносящие остаток аминокислоты на 2′-ОН группу рибозы); класс II (ферменты, переносящие остаток аминокислоты на 3′-ОН группу концевой рибозы тРНК).

Аминоацил-тРНК-синтетазы существуют в виде высокомолекулярных комплексов – кодосом. Их молекулярная масса ‒ 1,4 мДа. Они включают несколько аа-тРНК-синтетаз и ферменты, модифицирующие аа-тРНК-синтетазы и регулирующие их активность. Это протеинкиназы, метилтрансферазы, фосфопротеинфосфатазы и др.

Аминоацил-тРНК-синтетазам свойственны и неканонические функции. В частности, некоторые митохондриальные аа-тРНК-синтетазы проявляют сплайсирующую активность и участвуют в процессинге мРНК. Механизм этого явления неясен.

Как осуществляется узнавание тРНК аа-тРНК-синтетазами? Элементы узнавания тРНК, по-видимому, отличаются у про- и эукариот. Это было показано в экспериментах: многие бактериальные тРНК плохо аминоацилируются аа-тРНК-синтетазами млекопитающих, и наоборот, тРНК млекопитающих служат плохими субстратами для аа-тРНК-синтетаз Е.соli.

Элементами узнавания у прокариот и дрожжей служат: а) антикодон. (главный элемент узнавания для большинства тРНК); б) Нуклеотиды акцепторного стебля; в) вариабельная шпилька (в том случае, если она достаточно длинная).

Нуклеотиды антикодона остаются основными элементами узнавания как в про-, так и в эукариотических системах. В других случаях элементами узнавания служат несколько оснований в разных участках молекулы тРНК.

Активный центр фермента высокоспецифичен в отношении субстрата, но пределы точности все же существуют. Фермент достаточно легко отличает аминокислоты с сильно различающимися свойствами, но ему трудно отличить похожие аминокислоты, например валин и изолейцин.

В случае ошибочного аденилирования изолейцил-специфический фермент гидролизует валил-АМР, в то время как изолейцил-АМР (возможно из-за гораздо больших размеров) в этот центр не входит. Благодаря этому уменьшается ошибка присоединения изолейцина до 1 на 60000. Не все аа-тРНК-синтетазы имеют такой механизм коррекции. Он нужен только для распознавания похожих аминокислот.