Aminoacyl-tRNA-Synthetase

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (AARS) sind Enzyme, die in allen Lebewesen im Zytoplasma vorkommen und wichtig für die Translation (ein Teil der Proteinbiosynthese) sind. Ihre Funktion ist es, die tRNAs abhängig von ihrer Sequenz (insbesondere ihrer Anticodon-Sequenz) mit ihren spezifischen Aminosäuren zu beladen. Es gibt meistens 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Moleküle, eines pro Aminosäure. Eukaryoten haben einen zusätzlichen Satz mitochondrieller AARS, und Pflanzen einen weiteren in Plastiden. Diese sind zu den Hauptenzymen und untereinander unterschiedlich und beladen vorzugsweise die tRNA der jeweiligen Organellen.^[1] Jedoch können Archaeen, Cyanobakterien, aber auch Mitochondrien und Plastiden einige tRNA nicht mithilfe der AARS herstellen. Diese Organismen haben noch einen zweiten Weg zur Biosynthese der Aminoacyl-tRNA.^[2][3]

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

Die katalysierte Reaktion:

$ \mathrm {tRNA+{\mbox{Aminosäure}}\;\!+ATP\;\longrightarrow \;tRNA\;\!\!{\mbox{-}}\;\!\!{\mbox{Aminosäure}}\;\!+AMP+{\mbox{Pyrophosphat}}} $

Struktur

Die Aufteilung der AARS erfolgt in zwei Klassen: Klasse 1-AARS haben eine Rossmann-Faltung, während Klasse 2-AARS ein beta-Faltblatt aufweisen.^[5][6]

Ablauf der tRNA-Beladung

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 (Aminoacyladenylat) 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

• Woese CR, Olsen GJ, Ibba M, Söll D: Aminoacyl-tRNA synthetases, the genetic code, and the evolutionary process. In: Microbiol. Mol. Biol. Rev. 64. Jahrgang, 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. Jahrgang, Nr. 22, Oktober 1997, S. 11819–26, PMID 9342321, PMC 23611 (freier Volltext). 

Einzelnachweise