Aminoacil tRNA sintetasa - Aminoacyl tRNA synthetase

Dominio de unión al anticodón del ARNt
PDB 1obc EBI.jpg
leucil-tRNA sintetasa de Thermus thermophilus complejado con un análogo de sustrato de edición posterior a la transferencia
Identificadores
Símbolo Anticodon_2
Pfam PF08264
InterPro IPR013155
SCOP2 1ivs / SCOPe / SUPFAM
Dominio 1 de unión al anticodón de DALR
PDB 1iq0 EBI.jpg
Thermus thermophilus arginil-trna sintetasa
Identificadores
Símbolo DALR_1
Pfam PF05746
Clan pfam CL0258
InterPro IPR008909
SCOP2 1bs2 / SCOPe / SUPFAM
Dominio 2 de unión al anticodón de DALR
PDB 1u0b EBI.jpg
estructura cristalina del complejo binario de cisteinil-tRNA sintetasa con tRNA Cys
Identificadores
Símbolo DALR_2
Pfam PF09190
Clan pfam CL0258
InterPro IPR015273

Una aminoacil-tRNA sintetasa ( aaRS o ARS ), también llamada tRNA-ligasa, es una enzima que une el aminoácido apropiado a su correspondiente tRNA . Lo hace catalizando la transesterificación de un aminoácido afín específico o su precursor a uno de todos sus tRNA afines compatibles para formar un aminoacil-tRNA . En los seres humanos, los 20 tipos diferentes de aa-tRNA son producidos por las 20 aminoacil-tRNA sintetasas diferentes, una para cada aminoácido del código genético .

A esto a veces se le llama "cargar" o "cargar" el ARNt con un aminoácido. Una vez que se carga el tRNA, un ribosoma puede transferir el aminoácido del tRNA a un péptido en crecimiento , de acuerdo con el código genético. Por lo tanto, el ARNt de aminoacilo juega un papel importante en la traducción del ARN , la expresión de genes para crear proteínas.

Mecanismo

La sintetasa primero se une al ATP y al aminoácido correspondiente (o su precursor) para formar un aminoacil-adenilato, liberando pirofosfato inorgánico (PPi). El complejo adenilato-aaRS luego se une al brazo D de la molécula de ARNt apropiada , y el aminoácido se transfiere desde el aa-AMP al 2'- o al 3'-OH del último nucleótido de ARNt (A76) en el 3'- fin.

El mecanismo se puede resumir en la siguiente serie de reacciones:

  1. Aminoácido + ATP → Aminoacil-AMP + PPi
  2. Aminoacil-AMP + ARNt → Aminoacil-ARNt + AMP

Sumando las reacciones, la reacción general altamente exergónica es la siguiente:

  • Aminoácido + ARNt + ATP → Aminoacil-ARNt + AMP + PPi

Algunas sintetasas también median en una reacción de edición para asegurar una alta fidelidad de la carga del ARNt. Si se agrega el ARNt incorrecto (también conocido como el ARNt se encuentra incorrectamente cargado), el enlace aminoacil-ARNt se hidroliza . Esto puede suceder cuando dos aminoácidos tienen propiedades diferentes incluso si tienen formas similares, como es el caso de la valina y la treonina .

La precisión de la aminoacil-tRNA sintetasa es tan alta que a menudo se combina con la palabra "superespecificidad" cuando se compara con otras enzimas que participan en el metabolismo. Aunque no todas las sintetasas tienen un dominio con el único propósito de editar, hacen para ello al tener unión específica y activación de sus aminoácidos afiliados. Otra contribución a la precisión de estas sintetasas es la proporción de concentraciones de aminoacil-tRNA sintetasa y su tRNA afín. Dado que la tRNA sintetasa acila incorrectamente el tRNA cuando la sintetasa se sobreproduce , debe existir un límite en los niveles de aaRS y tRNA in vivo.

Clases

Hay dos clases de aminoacil tRNA sintetasa, cada una compuesta por diez enzimas:

  • La clase I tiene dos motivos de secuencia altamente conservados. Se aminoacila en el 2'-OH de un nucleótido de adenosina terminal en el ARNt, y generalmente es monomérico o dimérico (una o dos subunidades, respectivamente).
  • La clase II tiene tres motivos de secuencia altamente conservados. Se aminoacila en el 3'-OH de una adenosina terminal en el ARNt y suele ser dimérico o tetramérico (dos o cuatro subunidades, respectivamente). Aunque la fenilalanina-tRNA sintetasa es de clase II, aminoacila en el 2'-OH.

Los aminoácidos están unidos al grupo hidroxilo (-OH) de la adenosina a través del grupo carboxilo (-COOH).

Independientemente de dónde esté unido inicialmente el aminoacilo al nucleótido, el 2'- O -aminoacil-tRNA migrará finalmente a la posición 3 'mediante transesterificación .

Aquí se muestra una estructura general de una aminoacil-tRNA sintetasa con un sitio de edición y un sitio de activación. La principal diferencia entre las sintetasas de clase I y de clase II es el sitio de activación. Aquí puede ver la estructura general del pliegue de Rossmann que se observa en los aaRS de clase I y la estructura general de las hojas beta antiparalelas que se observan en los aaRS de clase II.
Alineación de los dominios centrales de las aminoacil-tRNA sintetasas de clase I y clase II. Los residuos de sitios de unión esenciales (soportes de columna vertebral y pinzas de arginina) están coloreados. Los residuos N-terminales están resaltados en azul, C-terminal en rojo.

Estructuras

Ambas clases de aminoacil-tRNA sintetasas son proteínas multidominio . En un escenario típico, un aaRS consta de un dominio catalítico (donde tienen lugar las reacciones anteriores) y un dominio de unión anticodón (que interactúa principalmente con la región anticodón del ARNt). Los ARN de transferencia para diferentes aminoácidos difieren no solo en su anticodón sino también en otros puntos, lo que les da configuraciones generales ligeramente diferentes. Las aminoacil-tRNA sintetasas reconocen los tRNA correctos principalmente a través de su configuración general, no solo a través de su anticodón. Además, algunos aaRS tienen dominios de unión de ARN y dominios de edición adicionales que escinden moléculas de aminoacil-ARNt emparejadas incorrectamente.

Se encuentra que los dominios catalíticos de todos los aaRS de una clase dada son homólogos entre sí, mientras que los aaRS de clase I y clase II no están relacionados entre sí. Los aaRS de clase I tienen el omnipresente pliegue de Rossmann y tienen la arquitectura de hebras beta paralelas, mientras que los aaRS de clase II tienen un pliegue único formado por hebras beta antiparalelas.

El dominio de unión del anticodón alfa helicoidal de arginil, glicil y cisteinil-tRNA sintetasas se conoce como el dominio DALR después de los aminoácidos característicos conservados .

Se han estudiado cinéticamente las aminoacil-tRNA sintetasas, lo que demuestra que los iones Mg2 + desempeñan un papel catalítico activo y, por lo tanto, los aaR tienen un grado de dependencia del magnesio. El aumento de la concentración de Mg2 + conduce a un aumento de las constantes de equilibrio para las reacciones de las aminoacil-tRNA sintetasas. Aunque esta tendencia se observó tanto en las sintetasas de clase I como de clase II, la dependencia del magnesio para las dos clases es muy distinta. Las sintetasas de clase II tienen dos o tres (más frecuentemente tres) iones Mg2 +, mientras que la clase I solo requiere un ion Mg2 +.

Además de su falta de similitud general de secuencia y estructura, las sintetasas de clase I y clase II presentan diferentes mecanismos de reconocimiento de ATP. Mientras que la clase I se une a través de interacciones mediadas por enlaces de hidrógeno de la cadena principal, la clase II usa un par de residuos de arginina para establecer puentes salinos con su ligando ATP. Esta implementación de oposición se manifiesta en dos motivos estructurales, los soportes de la columna vertebral y las pinzas de arginina, que son observables en todas las estructuras de clase I y clase II, respectivamente. La alta conservación estructural de estos motivos sugiere que debieron estar presentes desde la antigüedad.

Evolución

La mayoría de los aaRS de una especificidad dada están evolutivamente más cerca entre sí que de los aaRS de otra especificidad. Sin embargo, AsnRS y GlnRS se agrupan dentro de AspRS y GluRS, respectivamente. La mayoría de los aaRS de una determinada especificidad también pertenecen a una sola clase. Sin embargo, hay dos versiones distintas de LysRS: una que pertenece a la familia de clase I y la otra a la familia de clase II.

Las filogenias moleculares de los aaRS a menudo no son consistentes con las filogenias de organismos aceptadas . Es decir, violan el llamado patrón filogenético canónico mostrado por la mayoría de las otras enzimas para los tres dominios de la vida: Archaea , Bacteria y Eukarya . Además, las filogenias inferidas para los aaRS de diferentes aminoácidos a menudo no concuerdan entre sí. Además, los parálogos aaRS dentro de la misma especie muestran un alto grado de divergencia entre ellos. Estos son indicios claros de que la transferencia horizontal se ha producido varias veces durante la historia evolutiva de los aaRS.

Una creencia generalizada en la estabilidad evolutiva de esta superfamilia, lo que significa que cada organismo tiene todos los aaRS para sus correspondientes aminoácidos, es errónea. Un análisis genómico a gran escala de ~ 2500 genomas procarióticos mostró que muchos de ellos pierden uno o más genes aaRS, mientras que muchos genomas tienen uno o más parálogos. AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS y ValRS son los miembros evolutivamente más estables de la familia. GluRS, LysRS y CysRS a menudo tienen parálogos, mientras que AsnRS, GlnRS, PylRS y SepRS a menudo están ausentes en muchos genomas.

Con la excepción de AlaRS, se ha descubierto que 19 de los 20 aaRS humanos han agregado al menos un nuevo dominio o motivo. Estos nuevos dominios y motivos varían en función y se observan en diversas formas de vida. Una función novedosa común dentro de los aaRS humanos es proporcionar una regulación adicional de los procesos biológicos. Existe la teoría de que el creciente número de aaRS que agregan dominios se debe a la evolución continua de organismos superiores con bloques de construcción y mecanismos biológicos más complejos y eficientes. Una pieza clave de evidencia de esta teoría es que después de que se agrega un nuevo dominio a un aaRS, el dominio se integra completamente. La funcionalidad de este nuevo dominio se conserva a partir de ese momento.

A medida que la eficiencia genética evolucionó en organismos superiores, se agregaron 13 nuevos dominios sin asociación obvia con la actividad catalítica de los genes aaRS.

Aplicación en biotecnología

En algunas de las aminoacil tRNA sintetasas, la cavidad que contiene el aminoácido puede mutarse y modificarse para transportar aminoácidos no naturales sintetizados en el laboratorio y para unirlos a tRNA específicos. Esto expande el código genético, más allá de los veinte aminoácidos canónicos que se encuentran en la naturaleza, para incluir también un aminoácido no natural. El aminoácido no natural está codificado por un triplete sin sentido (TAG, TGA, TAA), un codón cuádruple o, en algunos casos, un codón raro redundante. El organismo que expresa la sintetasa mutante puede programarse genéticamente para incorporar el aminoácido no natural en cualquier posición deseada en cualquier proteína de interés, lo que permite a los bioquímicos o biólogos estructurales sondear o cambiar la función de la proteína. Por ejemplo, se puede comenzar con el gen de una proteína que se une a una determinada secuencia de ADN y, al dirigir un aminoácido no natural con una cadena lateral reactiva al sitio de unión, se crea una nueva proteína que corta el ADN en el objetivo. -secuencia, en lugar de vincularla.

Al mutar las aminoacil tRNA sintetasas, los químicos han expandido los códigos genéticos de varios organismos para incluir aminoácidos sintetizados en laboratorio con todo tipo de propiedades útiles: fotorreactivos, quelantes de metales, quelantes de xenón, reticulantes, resonantes de espín, fluorescentes, biotinilados y aminoácidos con actividad redox. Otro uso es la introducción de aminoácidos que portan grupos funcionales reactivos para modificar químicamente la proteína diana.

La causalidad de ciertas enfermedades (como patologías neuronales, cáncer, trastornos metabólicos alterados y trastornos autoinmunitarios) se ha correlacionado con mutaciones específicas de aminoacil-tRNA sintetasas. Charcot-Marie-Tooth (CMT) es el trastorno hereditario más frecuente del sistema nervioso periférico (una enfermedad neuronal) y está causado por una mutación hereditaria en glicol-tRNA y tirosil-tRNA. La diabetes, una enfermedad metabólica, induce estrés oxidativo, lo que desencadena la acumulación de mutaciones del ARNt mitocondrial. También se ha descubierto que las tRNA sintetasas pueden estar parcialmente implicadas en la etiología del cáncer. Se ha observado un alto nivel de expresión o modificación de aaRS dentro de una variedad de cánceres. Un resultado común de las mutaciones de los aaRS es una alteración de la forma / formación del dímero que tiene una relación directa con su función. Estas correlaciones entre los aaRS y ciertas enfermedades han abierto una nueva puerta para sintetizar terapias.

Dominios no catalíticos

Las adiciones de dominios novedosos a los genes aaRS son acumulativas y progresivas en el Árbol de la Vida . La fuerte presión evolutiva de estos pequeños dominios proteicos no catalíticos sugirió su importancia. Los hallazgos que comenzaron en 1999 y más tarde revelaron una capa de biología previamente desconocida: estas proteínas controlan la expresión génica dentro de la célula de origen y, cuando se liberan, ejercen un control homeostático y del desarrollo en tipos específicos de células humanas, tejidos y órganos durante el desarrollo adulto o fetal, o ambos. incluyendo vías asociadas con la angiogénesis , inflamación , la respuesta inmune , la diana de rapamicina en células de mamífero (mTOR) de señalización, la apoptosis , la tumorigénesis , y el interferón gamma (IFN- γ ) y p53 de señalización.

Clínico

Las mutaciones en la enzima mitocondrial se han asociado con una serie de trastornos genéticos que incluyen el síndrome de Leigh , el síndrome de West y CAGSSS ( cataratas , deficiencia de la hormona del crecimiento , neuropatía sensorial , pérdida auditiva neurosensorial y síndrome de disfasia esquelética).

Servidores de predicción

  • ICAARS : B. Pawar y GPS Raghava (2010) Predicción y clasificación de aminoacil tRNA sintetasas utilizando dominios PROSITE. BMC Genomics 2010, 11: 507
  • MARSpred : Panwar B, Raghava GP (mayo de 2012). "Predicción de la localización subcelular de tRNA sintetasas de sus estructuras primarias". Aminoácidos . 42 (5): 1703-13. doi : 10.1007 / s00726-011-0872-8 . PMID  21400228 . S2CID  2996097 .
  • Base de datos de AARS procariotas : Chaliotis, et al. (Febrero de 2017). "La compleja historia evolutiva de las aminoacil-tRNA sintetasas" . Ácidos nucleicos Res . 45 (3): 1059–1068. doi : 10.1093 / nar / gkw1182 . PMC  5388404 . PMID  28180287 .

Ver también

Referencias

enlaces externos

Este artículo incorpora texto del dominio público Pfam e InterPro : IPR015273
Este artículo incorpora texto del dominio público Pfam e InterPro : IPR008909