Aminoacyl-tRNA-Synthetase

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Aminoacyl-tRNA-Synthetasen sind Enzyme, die in allen Lebewesen im Zytoplasma vorkommen und bei der Proteinbiosynthese für die Translation nötig sind. Sie werden gebraucht, um tRNA-Moleküle abhängig von deren Struktur – insbesondere der Anticodon-Sequenz – jeweils mit der entsprechenden Aminosäure zu beladen (Aminoacyl-tRNA). Eine Synthetase ist je spezifisch für eine der proteinogenen Aminosäuren und so gibt es zumeist 20 unterschiedliche Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, deren Gene zu den Haushaltsgenen zählen. Eukaryoten haben daneben einen zusätzlichen Satz an mitochondrialen Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, und Pflanzen noch einen weiteren in Plastiden. Diese unterscheiden sich von den zytoplasmatischen Hauptenzymen wie untereinander und beladen vorzugsweise die tRNA der jeweiligen Organellen.[1]

Für zwei der Aminoacyl-tRNA sind alternative Synthesewege bekannt. So können Archaeen, Cyanobakterien, wie ebenso Mitochondrien und Plastiden, eine (mit Gln) beladene tRNA auch durch Umwandlung (per Glu-tRNAGln-Amidotransferase) aus einer anders (mit Glu) beladenen tRNA herstellen.[2] Bei Halobakterien gilt dies analog für eine weitere (Asn-tRNAAsn aus Asp-tRNAAsn); diese Organismen können daher mit einer Familie von 18 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen auskommen.[3]

Beim Menschen führen Mutationen im GARS-Gen (für Glycyl-tRNA-Synthetase) zu einer Form des Morbus Charcot-Marie-Tooth.[4]

Die von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen katalysierten Reaktionsschritte – die Aktivierung einer Aminosäure (→ Aminoacyl-Adenylat) und dann deren Bindung an tRNA (→ Aminoacyl-tRNA) – lauten zusammengefasst in allgemeiner Form

Enzymstruktur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen werden nach ihrer spezifischen Aminosäure benannt und nach Organismus bzw. Zellkompartiment differenziert (z. B. humane Alanyl-tRNA-Synthetase 2, mitochondrial; AARS 2). Hinsichtlich ihres strukturellen Aufbaus wie nach den Motiven funktioneller Domänen der Enzyme lassen sich zwei Klassen unterscheiden:

Beide Klassen werden nach der Bindungsweise an den Akzeptorstamm der tRNA weiter unterteilt in je drei Unterklassen a, b und c.[5][6]

Ablauf der tRNA-Beladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Damit eine tRNA mit der entsprechenden Aminosäure (AS) beladen werden kann, muss die Aminoacyl-tRNA Synthetase die AS zuerst aktivieren. Dies geschieht durch Bildung einer Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydrid-Bindung zwischen der Aminosäure und ATP, wobei AS-AMP (Aminoacyl-adenylat) und Pyrophosphat (PPi oder Diphosphat) entstehen.

Nun kann die mit AMP verbundene AS auf das 3'-Ende der tRNA übertragen werden, wobei das AMP-Molekül wieder abgespalten wird.

Die Spezifität und Kontrolle dieser Aminoacylierung der tRNAs ist genauso wichtig für die Genauigkeit der Proteinbiosynthese wie die Anticodon-Codon-Wechselwirkung zwischen tRNA und mRNA am Ribosom. Wird die tRNA mit der falschen Aminosäure beladen, so wird bei der Proteinbiosynthese die falsche Aminosäure eingebaut, auch wenn die tRNA-mRNA-Wechselwirkung korrekt ist.

Einige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen die passenden tRNAs hauptsächlich anhand des Anticodons. Es konnte allerdings durch Mutageneseexperimente für die Alanyl-tRNA Synthetase gezeigt werden, dass diese die entsprechende tRNA nicht am Anticodon, sondern anhand des Akzeptorstamms und einer Haarnadelschleife erkennt. Auch gibt es nicht für jede der möglichen 64 Codon-Kombinationen eine spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase, sondern nur eine für jede proteinogene Aminosäure (siehe degenerierter genetischer Code).

Schließlich besitzt die Aminoacyl-tRNA-Synthetase auch die Fähigkeit zum Korrekturlesen und kann die Bindung zwischen einer "falsch beladenen" Aminosäure und der tRNA überdies wieder auflösen.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Woese CR, Olsen GJ, Ibba M, Söll D: Aminoacyl-tRNA synthetases, the genetic code, and the evolutionary process. In: Microbiol. Mol. Biol. Rev.. 64, Nr. 1, März 2000, S. 202–36. PMID 10704480. PMC: 98992 (freier Volltext).
  • Curnow AW, Hong K, Yuan R, et al.: Glu-tRNAGln amidotransferase: a novel heterotrimeric enzyme required for correct decoding of glutamine codons during translation. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 94, Nr. 22, Oktober 1997, S. 11819–26. PMID 9342321. PMC: 23611 (freier Volltext).

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. UniProt Suchergebnis menschliche Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
  2. EC 6.1.1.24
  3. RajBhandary UL: Once there were twenty. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 94, Nr. 22, Oktober 1997, S. 11761–3. PMID 9342308. PMC: 33776 (freier Volltext).
  4. UniProt P41250
  5. Burbaum JJ, Schimmel P: Structural relationships and the classification of aminoacyl-tRNA synthetases. In: J. Biol. Chem.. 266, Nr. 26, September 1991, S. 16965–8. PMID 1894595.
  6. InterPro: IPR006195 Aminoacyl-tRNA synthetase, class II, conserved domain