Аминоацил-тРНК (также аа-тРНК или заряженная тРНК ) представляет собой тРНК , с которой ее родственная аминокислота химически связана (заряжена). Аа-тРНК вместе с определенными факторами элонгации доставляют аминокислоту в рибосому для включения в полипептидную цепь, которая образуется во время трансляции.
Сама по себе аминокислота не является субстратом, необходимым для образования пептидных связей внутри растущей полипептидной цепи. Вместо этого аминокислоты должны быть «заряжены» или аминоацилированы тРНК, чтобы сформировать соответствующую аа-тРНК. [1] Каждая аминокислота имеет свою собственную специфическую аминоацил-тРНК-синтетазу , которая используется для химического связывания с тРНК, к которой она специфична или, другими словами, «родственна». Спаривание тРНК с родственной ей аминокислотой имеет решающее значение, поскольку оно гарантирует, что во время синтеза белка используется только определенная аминокислота, соответствующая антикодону тРНК и, в свою очередь, соответствующая кодону мРНК .
Чтобы предотвратить ошибки трансляции, при которых в полипептидную цепь включается неправильная аминокислота, эволюция предусмотрела корректуру функций аа-тРНК-синтетаз; эти механизмы обеспечивают правильное спаривание аминокислоты с родственной ей тРНК. [2] Аминокислоты, которые неправильно ацилируются соответствующим субстратом тРНК, подвергаются гидролизу посредством механизмов деацилирования, которыми обладают аа-тРНК-синтетазы. [3]
Из-за вырожденности генетического кода несколько тРНК будут иметь одну и ту же аминокислоту, но разные антикодоны. Эти разные тРНК называются изоакцепторами. При определенных обстоятельствах неродственные аминокислоты будут заряжены, что приведет к неправильному заряду или неправильному аминоацилированию тРНК. Эти неправильно заряженные тРНК должны быть гидролизованы, чтобы предотвратить неправильный синтез белка.
Хотя аа-тРНК служит главным образом промежуточным звеном между кодирующей цепью мРНК и кодируемой полипептидной цепью во время синтеза белка, также обнаружено, что аа-тРНК выполняет функции в нескольких других путях биосинтеза. Обнаружено, что аа-тРНК функционируют в качестве субстратов в путях биосинтеза клеточных стенок, антибиотиков, липидов и деградации белков.
Понятно, что аа-тРНК могут выступать в качестве доноров аминокислот, необходимых для модификации липидов и биосинтеза антибиотиков. Например, кластеры генов микробного биосинтеза могут использовать аа-тРНК в синтезе нерибосомальных пептидов и других метаболитов, содержащих аминокислоты. [4]
Аминоацил-тРНК производится в два этапа. Сначала происходит аденилирование аминокислоты, образующей аминоацил-АМФ:
Во-вторых, аминокислотный остаток переносится на тРНК:
Общая чистая реакция:
Итоговая реакция энергетически выгодна только потому, что пирофосфат (PPi) позже гидролизуется. Реакция гидролиза пирофосфата до двух молекул неорганического фосфата (Pi) очень энергетически выгодна и запускает две другие реакции. Вместе эти высокоэкзергонические реакции происходят внутри аминоацил-тРНК-синтетазы, специфичной для этой аминокислоты. [5] [6]
Исследования стабильности аа-тРНК показывают, что ацильная (или сложноэфирная) связь является наиболее важным определяющим фактором, в отличие от последовательности самой тРНК. Эта связь представляет собой сложноэфирную связь, которая химически связывает карбоксильную группу аминокислоты с концевой 3'-ОН-группой ее родственной тРНК. [7] Было обнаружено, что аминокислотная часть данной аа-тРНК обеспечивает ее структурную целостность; фрагмент тРНК по большей части определяет, как и когда аминокислота будет включена в растущую полипептидную цепь. [8]
Различные аа-тРНК имеют разные константы скорости псевдопервого порядка гидролиза сложноэфирной связи между аминокислотой и тРНК. [9] Подобные наблюдения обусловлены, прежде всего, стерическими эффектами. Стерические препятствия обеспечиваются специфическими группами боковых цепей аминокислот, которые помогают ингибировать межмолекулярные атаки на карбонил сложного эфира; эти межмолекулярные атаки ответственны за гидролиз сложноэфирной связи.
Разветвленные и алифатические аминокислоты (валин и изолейцин) при синтезе образуют наиболее стабильные аминоацил-тРНК со значительно более длительным периодом полураспада, чем те, которые обладают низкой гидролитической стабильностью (например, пролин). Стерические препятствия аминокислот валина и изолейцина создаются метильной группой на β-углероде боковой цепи. В целом, химическая природа связанной аминокислоты отвечает за стабильность аа-тРНК. [10]
Было показано, что повышенная ионная сила, возникающая в результате действия солей натрия, калия и магния, дестабилизирует ацильную связь аа-тРНК. Повышенный pH также дестабилизирует связь и изменяет ионизацию α-углеродной аминогруппы аминокислоты. Заряженная аминогруппа может дестабилизировать связь аа-тРНК за счет индуктивного эффекта. [11] Было показано, что фактор элонгации EF-Tu стабилизирует связь, предотвращая гидролиз слабых ацильных связей. [12]
В целом фактическая стабильность сложноэфирной связи влияет на восприимчивость аа-тРНК к гидролизу в организме при физиологическом pH и концентрациях ионов. Термодинамически выгодно, чтобы в результате аминоацилирования образовалась стабильная молекула аа-тРНК, что обеспечивает ускорение и продуктивность синтеза полипептидов. [13]
Некоторые антибиотики, такие как тетрациклины , предотвращают связывание аминоацил-тРНК с субъединицей рибосомы у прокариот . Понятно, что тетрациклины ингибируют прикрепление аа-тРНК к акцепторному участку (А) прокариотических рибосом во время трансляции. Тетрациклины считаются антибиотиками широкого спектра действия; эти препараты обладают способностью ингибировать рост как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, а также других атипичных микроорганизмов.
Кроме того, обнаружено, что белок TetM ( P21598 ) позволяет молекулам аминоацил-тРНК связываться с акцепторным участком рибосомы, несмотря на концентрацию тетрациклинов, которые обычно ингибируют такие действия. Белок TetM считается белком рибосомальной защиты, проявляющим ГТФазную активность, зависящую от рибосом. Исследования показали, что в присутствии белков TetM тетрациклины высвобождаются из рибосом. Таким образом, это позволяет связываться аа-тРНК с участком А рибосом, поскольку молекулы тетрациклина больше не препятствуют этому. [14] TetO на 75% похож на TetM, и оба имеют сходство примерно на 45% с EF-G . Установлена структура TetM в комплексе с рибосомой E. coli . [15]