氨酰

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氨基酸分子去掉羟基后,剩下的一价原子团统称为氨酰。  

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氨酰—tRNA合成酶

密码子“GCG”与tRNA上的反密码子“CGC”配对时,这就意味着tRNA携带丙氨酸核糖体上来了。 这不需要经过检测,因为每种tRNA分子在它到达核糖体之前就与相应的氨基酸结合了。这种结合是在一系列被称为氨酰-tRNA合成酶作用下完成的。 这些酶可以将正确的氨基酸装载到相应的tRNA分子上,于是,tRNA就可以执行它从DNA的脱氧核糖核苷酸序列信息到蛋白质的氨基酸序列信息的翻译功能。  

二十种酶

大多数细胞可产生二十种不同的氨酰-tRNA合成酶,每一种酶负责一种氨基酸。它们各不相同,各负其责,使一种氨基酸与其相应的一套tRNA分子结合。如图所示,天冬氨酰-tRNA合成酶(用蓝色和绿色表示,两个tRNA分子以红色表示)是一个由两个相同亚基构成的二聚体,其他的酶是或大或小的单体,或是二聚体。有的甚至是一种或多种不同亚基构成的四聚体。某些酶具有相当奇特的构造,例如,丝氨酰-tRNA合成酶(蛋白质编号1SET)。几乎所有氨酰-tRNA合成酶的结构都可以在蛋白质立体结构数据库中找到。  

寻找合适的伙伴

正如人们所预料的,这其中的许多酶识别tRNA分子的反密码子。但在某些情况下有所不同。以丝氨酸为例,它有六种不同的密码子,所以丝氨酰-tRNA合成酶必须能识别带有六种不同反密码子的tRNA分子,包括完全不同的“AGA”、“GCU”。于是,酶不得不辨别tRNA分子上的氨基酸接受臂和其他部位的碱基,尤其是在tRNA序列编号为73的碱基,似乎在很多情况下起着极其重要的作用,因此被称为区别碱基。但有时,它可以完全被忽略。应注意的一点是,每个酶在正确识别tRNA分子的同时,必须阻止错误组合。因此,每一个tRNA分子都有一套促进与正确的酶结合的积极因子,也有一套抑制不适当结合的消极因子。例如,天冬氨酰-tRNA合成酶,如图所示(蛋白质编号1ASZ)能识别tRNA分子的区别碱基和反密码子周围的四个碱基,而另一个碱基,鸟嘌呤37,不用于识别,但必须通过甲基化保证tRNA分子不会与精氨酰-tRNA合成酶错误结合。  

惊讶于基因组分析

近来,对整个基因组分析的结果,让人们非常吃惊:有些有机体并不存在全部编码这二十种氨酰-tRNA合成酶的基因。但它们确实是用这二十种氨基酸去构建蛋白质的。有机体对这个矛盾的解决表明,有更复杂的机制存在。这种现象经常出现。例如,某些细菌不存在将谷氨酰胺装载到相应tRNA上的合成酶。但它可以用一种酶将谷氨酸加到所有的谷氨酸tRNA分子上和所有的谷氨酰胺tRNA分子上,然后,另一种酶作用于谷氨酰胺tRNA分子,将谷氨酸转变为谷氨酰胺,从而形成正确的配对组合。  

条条大路通罗马

了五种氨酰-tRNA合成酶与其tRNA分子的复合体。tRNA分子(以红色表示)以相同的方向排列。注意,不同的酶是从不同的角度接近tRNA分子的。作用于异亮氨酸(蛋白质编号1FFY)、缬氨酸(蛋白质编号1GAX)和谷氨酰胺(蛋白质编号1EUQ)的合成酶像是tRNA分子的摇篮,抓住反密码子环(在tRNA分子底部),并将氨基酸接受臂(在tRNA分子右部顶端)置于它的活性部位。这些酶有相似的蛋白质结构,类似的作用方式,并且都将氨基酸加在tRNA分子末端核糖的2'-羟基上,被称为“类型Ⅰ”酶。而作用与苯丙氨酸(蛋白质编号1EIY)和苏氨酸(蛋白质编号1QF6)的酶属于“类型Ⅱ”,它们从另一侧接近tRNA,并将氨基酸加到tRNA末端核糖的3'-羟基上。  

高保真

氨酰-tRNA合成酶执行其功能时,必须有很高的准确性。它们如果犯了错误,将会导致氨基酸在蛋白质合成中的错误定位。这些的出错率为万分之一。对于绝大多数氨基酸,这个准确率不难达到。因为,各个氨基酸之间有很大的不同。而且,前面曾提到过,不同tRNA分子的许多部位都可用于正确识别。但是,在某些情况下,酶难于选择正确的氨基酸而必须求助于特殊机制。

异亮氨酸正是这样一个例子。在酶中,有一个能识别异亮氨酸的小洞,这个洞太小,而不宜让像甲硫氨酸和苯丙氨酸这样的大分子进入,并且,这个洞是疏水的,带有极性侧链的氨基酸,也被阻挡在外。但是比异亮氨酸稍小的缬氨酸,由于仅比它少了一个甲基,刚好能进入这个口袋。缬氨酸代替异亮氨酸的几率为一百五十分。这个错误率太高了。于是必须有校正机制出马。异亮氨酸合成酶(蛋白质编号1FFY)用有校正作用的另一个活性部位来解决这个难题。错误的缬氨酸,而不是异亮氨酸能靠近这个活性部位。这样,缬氨酸被水解掉,留下tRNA分子,等待正确的异亮氨酸。这个校正步骤将总的错误率降到三千分。  

探索结构

这些酶作用于tRNA分子时并不十分温柔。谷氨酰-tRNA合成酶作用于它的tRNA分子(蛋白质编号1GTR)时的结构就是一个很好的例证。该酶紧紧的抓住反密码子,为了更好的辨认,将这三个碱基尽量分开,在tRNA分子的另一端,酶解开最初的一个碱基对(图上所示向上弯曲),并将链的长长的接受臂扭成一个较紧的发卡(图上所示向下弯曲)。这样,使得最后一个核苷酸的2'羟基处于酶的活性部位。此时,ATP和氨基酸(在此结构中未显示)也正处于该部位。

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