Активация аминокислот
Активация аминокислот (также известная как аминоацилирование или зарядка тРНК ) относится к присоединению аминокислоты к соответствующей транспортной РНК (тРНК). Реакция протекает в цитозоле клетки и состоит из двух стадий: сначала фермент аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует связывание аденозинтрифосфата (АТФ) с соответствующей аминокислотой, образуя реакционноспособный промежуточный аминоациладенилат (АМФ-аминокислота) и высвобождая неорганическую пирофосфат (PP i ). Впоследствии аминоацил-тРНК-синтетаза связывает АМФ-аминокислоту с молекулой тРНК, высвобождая АМФ и присоединяя аминокислоту к тРНК. [1] [2] Говорят, что полученная аминоацил-тРНК заряжена.
Активация аминокислот является необходимым условием для инициации трансляции и синтеза белка. Образование пептидной связи — эндергонический термодинамически неблагоприятный процесс, поэтому аминокислоты должны активироваться путем ковалентной связи с молекулами тРНК. Энергия, запасенная в связи аминоацил-тРНК, используется для формирования пептидной связи. Таким образом, активация повышает реакционную способность аминокислоты и стимулирует синтез пептидных связей. Более того, неорганический пирофосфат, высвобождаемый в процессе активации, быстро гидролизуется в результате высокоэкзергонической реакции. Энергия, выделяемая при этом гидролизе, помогает продвинуть вперед энергетически невыгодную реакцию. [3] [4] Именно гидролиз АТФ делает образование пептидной связи благоприятной реакцией, поскольку неорганический фосфат действует как уходящая группа, что приводит к высокой отрицательной свободной энергии. [5]
После активации аминоацилированная тРНК готова перейти к стадии инициации трансляции, на которой аминоацил-тРНК и транскрипт мРНК связываются с рибосомой.
Механизм
[ редактировать ]Этапы реагирования
[ редактировать ]Во время активации аминокислот каждая аминокислота (аа) присоединяется к соответствующей молекуле тРНК. Реакция связывания катализируется группой ферментов, называемых аминоацил-тРНК-синтетазами (названными в честь продукта реакции аминоацил-тРНК или аа-тРНК). Реакция сочетания протекает в две стадии:
Во-первых, карбоксильная группа основной цепи аминокислоты ковалентно связана с α-фосфатом молекулы АТФ, высвобождая неорганический пирофосфат (PP i ) и создавая 5'-аминоациладенилатный промежуточный продукт (аа-АМФ).
1. аа + АТФ ⟶ аа-АМФ + ПП i
Во-вторых, промежуточный аминоациладенилат подвергается нуклеофильной атаке, присоединяя аминоацильную группу к тРНК по 3'-ОН и высвобождая молекулу АМФ.
2. аа-АМФ + тРНК ⟶ аа-тРНК + АМФ
Существует два класса аминоацил-т-РНК-синтетаз: класс I и класс II. Ферменты класса I катализируют перенос аминоацильной группы на 2'-ОН молекулы тРНК, а последующая реакция переэтерификации перемещает аминоацильную группу на 3'-ОН тРНК. Ферменты класса II катализируют перенос аминоацильной группы непосредственно на 3'-ОН тРНК за одну стадию. Полученная молекула аминоацил-тРНК идентична независимо от класса фермента. [1]
Чистая реакция:
аа + АТФ + тРНК ⟶ аа-тРНК + АМФ + ПП i
Аминокислота соединена с концевым нуклеотидом на 3'-конце тРНК (А в последовательности CCA) посредством сложноэфирной связи. Образование сложноэфирной связи сохраняет значительную часть энергии реакции активации. Эта запасенная энергия обеспечивает большую часть энергии, необходимой для образования пептидных связей во время трансляции.
Аминоацил-тРНК-синтетаза
[ редактировать ]Каждая из 20 аминокислот распознается своей специфической аминоацил-тРНК-синтетазой. Синтетазы обычно состоят из одной-четырех белковых субъединиц. Ферменты значительно различаются по структуре, хотя все они выполняют реакции одного и того же типа, связывая АТФ, одну конкретную аминокислоту и соответствующую ей тРНК.
Наиболее важной деятельностью аминоацил-тРНК-синтетазы является присоединение аминокислоты к тРНК, которая затем может взаимодействовать с кодонами, идентифицирующими ее аминокислоту. Принимая во внимание как сходную функцию ацетилирования, так и аминокислотные мотивы, можно выделить два отдельных класса аминоацил-тРНК-синтетаз. Фермент класса I обычно мономерен и связывает акцепторную ножку тРНК из малой бороздки. Он присоединяет аминокислоту к 2'-ОН аденилатного остатка, перемещая его в положение 3'-ОН. Между тем, аминоацил-тРНК-синтетаза класса II является олигомерной и связывает акцепторный стебель тРНК из большой бороздки. Фермент приступает к непосредственному добавлению аминокислоты в положение 3'-ОН. [6] [7]
Аминоацил-тРНК-синтетазы могут различать разные тРНК, и это распознавание происходит по-разному. Аминоацил-тРНК-синтетаза распознает набор секвентинальных элементов и связывает тРНК с соответствующей аминокислотой. Примеры этих элементов различаются: 1 основание в антикодоне, 1 из 3 пар оснований в акцепторном стебле и другие. [6]
Однако в зависимости от хиральности аминокислоты аминоацил-тРНК-синтаза может фактически разорвать сложноэфирную связь между D-аминокислотами и тРНК. Это может произойти, если в активном сайте аминоацил-тРНК-синтазы отсутствует домен редактирования. [8]
Транспортная РНК
[ редактировать ]Во время активации тРНК действует как молекула-адаптер, как утверждает Фрэнсиса Крика адаптерная гипотеза . То есть тРНК на одном конце связывается с конкретной интересующей аминокислотой, а на другом конце — с последовательностью кодонов мРНК. Молекула тРНК эффективно действует как посредник между ними, обеспечивая трансляцию генетического кода в аминокислотную последовательность.
Редактирование и корректура
[ редактировать ]Специфичность активации аминокислот так же важна для точности трансляции, как и правильное совпадение кодона с антикодоном. Причина в том, что рибосома во время трансляции видит только антикодон тРНК. Таким образом, рибосома не сможет различать тРНК с одним и тем же антикодоном, но связанными с разными аминокислотами. Присоединяя правильную аминокислоту к связанной с ней молекуле тРНК, активация обеспечивает как специфичность, так и точность трансляции.
Механизмы редактирования возникают при неправильной активации аминокислот, когда аминокислота присоединяется к неправильной молекуле тРНК. [9] Аминоацил-тРНК-синтетаза может гидролизовать аминокислоту до того, как она прикрепится к неправильной молекуле тРНК (редактирование перед переносом), или деацилировать неправильно заряженную тРНК после прикрепления (редактирование после переноса). [10]
Частота ошибок реакции активации аминокислот составляет примерно 1 из 10 000, несмотря на небольшие структурные различия между некоторыми аминокислотами.
История
[ редактировать ]Активация аминокислот была впервые охарактеризована Махлоном Хоугландом , который обнаружил, что аминокислоты могут активироваться определенными ферментами с образованием промежуточного соединения аминоациладенилата. Было обнаружено, что ферменты представляют собой аминоацил-т-РНК-синтетазы, ответственные за катализацию связывания аминокислоты с небольшой молекулой РНК. Хоугланд и его коллега Пол Замечник позже обнаружили, что небольшая молекула РНК представляет собой тРНК, и идентифицировали ее как ключевой посредник трансляции. [11]
Активация аминокислот является ключевой реакцией во многих биохимических и метаболических процессах. В частности, обработка активированных интерлейкином-18 естественным киллером лейцином запускает метаболический сенсор mTORC1, что указывает на то, что mTORC1 вызывает активацию, управляемую аминокислотами, из-за высокой экспрессии переносчиков аминокислот.
Ингибирование переносчиков аминокислот CD98/LAT1 за границу. Активация mTORC1, вызванная лейцином, снижает активность эффекторных NK-клеток.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Панг Й.Л., Порури К., Мартинис С.А. (2014). «тРНК-синтетаза: аминоацилирование тРНК и не только» . ПРОВОДА РНК . 5 (4): 461–480. дои : 10.1002/wrna.1224 . ПМК 4062602 . ПМИД 24706556 .
- ^ Александр РВ (01 января 2021 г.). «Трансляция | тРНК-синтетазы». В Джез Дже (ред.). Энциклопедия биологической химии III (Третье изд.). Оксфорд: Эльзевир. стр. 509–517. дои : 10.1016/b978-0-12-819460-7.00257-7 . ISBN 978-0-12-822040-5 . S2CID 242703921 .
- ^ Коттур Дж., Наир Д.Т. (июль 2018 г.). «Гидролиз пирофосфата является неотъемлемой и важной стадией реакции синтеза ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 46 (12): 5875–5885. дои : 10.1093/nar/gky402 . ПМК 6159520 . ПМИД 29850882 .
- ^ Суонсон Р., Хобен П., Самнер-Смит М., Уэмура Х., Уотсон Л., Сёлль Д. (декабрь 1988 г.). «Точность аминоацилирования in vivo требует правильного баланса тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы». Наука . 242 (4885): 1548–1551. Бибкод : 1988Sci...242.1548S . дои : 10.1126/science.3144042 . ПМИД 3144042 .
- ^ Мартинес-Бахс, Берта; Римола, Альберт (2019). «Формирование пребиотических пептидных связей посредством фосфорилирования аминокислот. Результаты квантово-химического моделирования» . Жизнь . 9 (3): 75. дои : 10.3390/life9030075 . ПМК 6789625 . ПМИД 31527465 .
- ^ Перейти обратно: а б Гарретт, Реджинальд Х.; Гришэм, Чарльз М. (2017). Биохимия (6-е изд.). США: Cengage Learning . стр. 1094–1098. ISBN 9781305886049 .
- ^ Мартинес-Родригес, Луис (7 августа 2015 г.). «Ферменты, активирующие аминокислоты функционального класса I и II, могут кодироваться противоположными нитями одного и того же гена» . Журнал биологической химии . 290 (32): 19710–19725. дои : 10.1074/jbc.M115.642876 . ISSN 0021-9258 . ПМЦ 4528134 . ПМИД 26088142 .
- ^ Рыбак, Мария Ю; Раевский, Алексей Васильевич; Гудзера Ольга Ивановна; Тукало, Майкл А. (2019). «Контроль стереоспецифичности инаминоацил-тРНК-синтетаз: новые доказательства активации и редактирования D-аминокислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (18): 9777–9788. дои : 10.1093/nar/gkz756 . ПМК 6765224 . ПМИД 31504788 .
- ^ Бенинг П.Дж., Мюзье-Форсайт К. (август 2000 г.). «Гидролитическое редактирование аминоацил-тРНК-синтетазой класса II» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (16): 8916–8920. Бибкод : 2000PNAS...97.8916B . дои : 10.1073/pnas.97.16.8916 . ПМК 16796 . ПМИД 10922054 .
- ^ Якубовский Х (17 ноября 2011 г.). «Контроль качества зарядки тРНК». ПРОВОДА РНК . 3 (3): 295–310. дои : 10.1002/wrna.122 . ПМИД 22095844 . S2CID 13450726 .
- ^ Кресге Н., Симони Р.Д., Хилл Р.Л. (июнь 2009 г.). «Механизм активации аминокислот: работа Махлона Хогланда. 1956» . Журнал биологической химии . 284 (25): e7–e8. дои : 10.1016/S0021-9258(18)66554-8 . ПМК 2719372 . ПМИД 19785094 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Альмутаири С.М., Али А.К., Хе В., Ян Д.С., Горбани П., Ван Л. и др. (март 2019 г.). «Интерлейкин-18 активирует транспортеры аминокислот и способствует индуцированной аминокислотами активации mTORC1 в естественных клетках-киллерах» . Журнал биологической химии . 294 (12): 4644–4655. дои : 10.1074/jbc.RA118.005892 . ПМК 6433059 . ПМИД 30696773 .