氨酰tRNA合成酶：机制、结构和应用

---

简介

蛋白质合成，即从氨基酸合成蛋白质的过程，是所有生物体中的一个基本过程。此过程需要许多不同分子的协作，包括核糖体、转移 RNA（tRNA）和氨酰tRNA合成酶（aaRS）。在本文中，我们将重点关注 aaRS，即负责将氨基酸连接到 tRNA 的酶，它们对于正确读取遗传密码和准确合成蛋白质至关重要。

什么是氨酰tRNA合成酶？

• 氨酰tRNA合成酶 (aaRS) 是一类催化特定氨基酸与其对应的 tRNA 连接的酶，这一过程称为氨酰化或加载。

• aaRS 确保每个氨基酸都连接到相应的 tRNA，而 tRNA 又会结合到指定该氨基酸的 mRNA 密码子上。

• 因此，aaRS 在维持遗传密码的保真度中起着至关重要的作用，因为氨酰化错误会导致氨基酸的错误掺入，并最终导致蛋白质功能障碍。

氨酰tRNA合成酶的进化

• AaRS 是古老的酶，经过数十亿年的进化以适应不同生物体的多样化氨基酸库。

• 目前的共识是，最早的 aaRS 可能是在没有蛋白质酶的情况下催化氨基酸与其相应 tRNA 连接的基于 RNA 的酶。

• 后来，随着蛋白质的进化，一些基于 RNA 的 aaRS 可能被基于蛋白质的 aaRS 取代，后者提供了更高的效率和特异性。

氨酰tRNA合成酶的类型

• aaRS 主要有两大类：I 类和 II 类，它们在结构和催化特征上有所不同。

• I 类 aaRS 通常连接具有疏水侧链的氨基酸，例如亮氨酸和异亮氨酸。

• 而 II 类 aaRS 连接具有极性或带电侧链的氨基酸，例如谷氨酸和赖氨酸。

• 在每个类别中，根据识别到的特定氨基酸和 tRNA 进一步细分。

氨酰tRNA合成酶的机制

aaRS 催化的氨酰化反应分两个步骤进行：激活和转移。在激活步骤中，aaRS 使用 ATP 激活氨基酸，形成氨酰-AMP 中间体。

在转移步骤中，活化的氨基酸从 aaRS 转移到 tRNA，形成氨酰-tRNA 复合物。转移步骤具有高度特异性，因为 aaRS 既识别氨基酸，也识别 tRNA 的反密码子环。

氨酰tRNA合成酶的结构

尽管氨基酸序列和催化机制存在多样性，但 aaRS 的结构在不同生物体中高度保守。

• I 类 aaRS 通常由两个球状结构域组成，其中一个结合氨基酸，另一个结合 tRNA。

• 另一方面，II 类 aaRS 通常具有一个单一的催化结构域，既结合氨基酸又结合 tRNA。

• aaRS 的活性位点通常位于结构域之间的裂缝或凹槽中，这有利于底物的识别和结合。

氨酰tRNA合成酶的应用

AaRS 在基础研究和生物技术中都有许多实际应用。

• 一个重要的应用是创建将非天然氨基酸掺入蛋白质的人工遗传系统。

• 通过改造 aaRS 以识别和连接新的氨基酸，研究人员能够扩展遗传密码并创造出具有新特性和功能的新型蛋白质。

• aaRS 的另一个应用是开发针对细菌 aaRS 的抗生素，抑制蛋白质合成并杀死细菌。

• 最后，aaRS 也用于生产用于治疗和诊断目的的合成肽和蛋白质。

结论

总之，氨酰tRNA合成酶是蛋白质合成中的关键酶，可确保氨基酸准确连接到 tRNA。通过它们的进化和多样化的结构，aaRS 使遗传密码能够被读取并翻译成所有生物体中的功能性蛋白质。它们在研究和生物技术中的应用突出了了解这些酶及其机制的重要性，以便操纵和利用它们的潜力。

常见问题

Q1. 人类有多少种氨酰tRNA合成酶？

A1. 人类有 20 种不同的 aaRS，每种都针对 20 种氨基酸中的一种。

Q2. 氨酰tRNA合成酶会出错吗？

A2. 是的，aaRS 会出错并将错误的氨基酸连接到 tRNA，导致氨基酸的错误掺入并可能产生有害影响。

Q3. 靶向 aaRS 的抗生素是如何起作用的？

A3. 四环素和大环内酯等抗生素会结合到细菌 aaRS 上并抑制其活性，从而阻止氨基酸与 tRNA 的连接并阻断蛋白质合成。

Q4. aaRS 可以用来创造具有新功能的蛋白质吗？

A4. 是的，通过改造 aaRS 以识别和连接新的氨基酸，研究人员可以创造出具有新特性和功能的新型蛋白质。

Q5. aaRS 对所有生物体都至关重要吗？

A5. 是的，aaRS 对所有利用遗传密码合成蛋白质的生物体都至关重要。