Etherifizierung von tRNA-Molekülen. Um die Funktion eines Adapters zu erfüllen, muss die tRNA im Prozess der mrnA-Übersetzung an eine Aminosäure binden, die ihrem Anticodon entspricht. Dies geschieht durch die ATR-abhängige Reaktion, die durch spezifische Enzyme von Aminoacyl-trnA-Synthetasen katalysiert wird. Im Laufe der Reaktion spaltet sich ATP in 5'-Adenylsäure und anorganisches Phosphat auf, und die freigesetzte Energie wird genutzt, um die Aminosäure-Carboxylgruppe an eine der ribosehydroxylischen Gruppen am 3'-Ende der tRNA zu binden. Tatsächlich erfolgt die Bildung von Aminoacil-tRNAs in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird dem ATP-Phosphat die Aminosäure-Carboxylgruppe zugesetzt, die von der Freisetzung von anorganischem Phosphat und der Bildung von Aminoacyladenylat begleitet wird. Aminoacyladenylat weist eine sehr hohe Reaktivität auf und wird durch eine starke Bindung an das Enzym stabilisiert. Die zweite Stufe besteht in der Übertragung der Aminoacil-Gruppe aus dem an das Enzym gebundenen Aminoacil-Adenylat in die 2'- oder 3'-ON-Gruppe der tRNA-terminalen Ribose. Das Transferpotential der Acylgruppe von Aminoacil-tRNAs ist mehr als ausreichend, um ohne zusätzlichen Energieaufwand eine Peptidbindung zu bilden.
Das Hauptmerkmal der Reaktion, die zur Aminoacetylierung der tRNA führt, ist die Spezifität der beteiligten Enzyme. Die Zugabe jeder der 20 Aminosäuren, die in Proteinen enthalten sind, zur tRNA wird durch eine bestimmte Aminoacil-tRNA-Synthetase katalysiert. Das Enzym muss eine Aminosäure von 19 anderen Aminosäuren unterscheiden und sie auf eine oder mehrere Isoakzeptor-TRNAs von etwa 75 anderen verfügbaren tRNAs übertragen. Erinnern Sie sich daran, dass viele Aminosäuren in ihrer Struktur sehr ähnlich sind: Leucin, Valin und Isoleucin; Valin und Threonin; Spargel und Glutaminsäure. Aminoacyl-TRNA-Synthetasen sollten ihre "eigenen" tRNAs von allen anderen unterscheiden, trotz der erstaunlichen Ähnlichkeit ihrer sekundären und tertiären Strukturen. Daher ist es notwendig, dass Enzyme eine sehr hohe Spezifität aufweisen, die es ihnen ermöglicht, aus solchen verwandten Strukturen die richtige Wahl zu treffen und Fehler bei der Proteinsynthese zu vermeiden.
Kommentar zu den Strukturen von Aminoacil-tRNA-Synthetasen und ihrer Fähigkeit, Aminosäuren und verwandte tRNAs zu erkennen. Viele Aminoacil-tRNA-Synthetasen wurden gereinigt. Einige von ihnen bestehen aus einer Polypeptidkette, andere aus zwei oder vier identischen Ketten mit einem Gewicht von jeweils 35 bis 115 kDa. Einige dimere und tetramer Enzyme bestehen aus zwei Arten von Untereinheiten. Es gibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Größe des Enzymmoleküls oder der Art seiner Untereinheitestruktur und seiner Spezifität.
Studien über die Interaktion zwischen Aminoacil-tRNA-Synthetasen und ihren verwandten tRNAs zeigten nicht die Art ihrer hohen Spezifität. Die meisten Studien zeigten, dass die Spezifität des Enzyms durch seine starke Bindung an das Akzeptorenende von tRNA, DU-Stelle und variabler Schleife bestimmt wird. Einige Enzyme scheinen das Antikodon-Triplett nicht zu erkennen und katalysieren die Aminoacetylierungsreaktion auch bei verändertem Antikodon. Einige Enzyme weisen jedoch eine verminderte Aktivität gegenüber solchen modifizierten tRNAs auf, und beim Austausch des Anticodons wird die falsche Aminosäure hinzugefügt. Daher ist in einigen Fällen auch die Interaktion mit der Anticodonschleife von Bedeutung. In jedem Fall muss das Akzeptorende der tRNA so ausgerichtet sein, dass das katalytische Zentrum des Enzyms das gebundene Aminoacidenylat auf das terminale Nukleotid der tRNA übertragen kann.
Bis zu einem gewissen Grad hängt die Fähigkeit des Enzyms, die gewünschte Aminosäure an eine verwandte tRNA zu binden, von der spezifischen Bindung der Aminosäure ab. Ist jedoch eine fehlerfreie Erkennung der verwandten Aminosäuren nicht möglich, können die Synthetasen die bei der Zugabe auftretenden Fehler korrigieren. So kann beispielsweise die Möglichkeit der Bindung von Valin an die Isoleucil-tRNA-Synthetase aufgrund der ähnlichen Größe und Struktur von Isoleucin und Valin nicht vollständig ausgeschlossen werden. Der Defekt in der Spezifität liegt in der ersten Reaktion: Die Isoleucil-tRNA-Synthetase bildet ein fermentiertes Valyladenylat, wenn auch mit geringerer Effizienz als Isoleucil-Adenylat, aber ein solches aktiviertes Valin bindet weder an TPHK noch an tRNA. Stattdessen wird das enzymgebundene valil-amR in Gegenwart von tRNA schnell hydrolysiert und die Bildung von valil tRNA verhindert. Ein solcher Mechanismus ermöglicht es, zwischen Valin und Threonin zu unterscheiden, während die Methionyl-tRNA-Synthetase Threonin von Methionin unterscheidet. Es ist offensichtlich, dass Aminoacyl-trnA-Synthetasen einen Korrekturmechanismus verwenden, um unvermeidliche Fehler bei der tRNA-Aminoacetylierung zu vermeiden. Im Gegenteil, es gibt keinen Mechanismus, mit dem die bereits an die tRNA gebundene falsche Aminosäure entfernt werden kann. In solchen Fällen nimmt die Aminosäure eine falsche Position im Protein ein. Die Häufigkeit solcher Fehler ist sehr gering. Im Hämoglobin beispielsweise erscheint der Valin des Kaninchens an den normalerweise von Isoleucin besetzten Stellen nur in einem der 25000-50000 möglichen Fälle. So wird die Genauigkeit des ersten Schrittes auf dem komplexen Weg des Lesens genetischer Informationen durch die klare Arbeit verschiedener Aminoacil-tRNAs gewährleistet.
Fortsetzung folgt..