Aminoacyl-tRNA-Synthetase

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (AARS) sind Enzyme, die in allen Lebewesen im Zytoplasma vorkommen und bei der Proteinbiosynthese für die Translation nötig sind.

Sie gehören zu den Ligasen und 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]

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]

β-Faltblatt-Strukturmotive – durch Pfeile dargestellt – in der TGS-Domäne der zytoplasmatischen Threonyl-tRNA-Synthetase (TARS) des Menschen, einer homodimeren Aminoacyl-tRNA-Synthetase der Klasse II

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

hierzu gehören Synthetasen spezifisch für Arg, Cys, Glu, Gln, Ile, Leu, Met, Trp, Tyr, Val
  • die zumeist dimeren oder multimeren Klasse II-Enzyme weisen dagegen in der Kerndomäne ein gemischtes β-Faltblatt auf sowie 3 andere Motive, die an der ATP-Bindung beteiligt sind;
hierzu gehören Synthetasen spezifisch für Ala, Asn, Asp, Gly, His, Lys, Phe, Pro, Ser, Thr

Beide Klassen werden nach der Bindungsweise an den Akzeptorstamm der tRNA weiter unterteilt in je drei Unterklassen a, b und c.[4][5]

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.

Pathologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Menschen führen Mutationen im GARS-Gen (für Glycyl-tRNA-Synthetase) zu einer Form des Morbus Charcot-Marie-Tooth.[6]

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. 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.
  5. InterPro: IPR006195 Aminoacyl-tRNA synthetase, class II, conserved domain
  6. UniProt P41250