Informatie

Hoe worden aminozuren aan tRNA gehecht?


Is er een eiwit dat dit katalyseert of gebeurt het spontaan?

In welk deel van de cel gebeurt dit?


Het proces waarnaar u verwijst heet tRNA opladen en wordt in het cytosol gekatalyseerd door een klasse enzymen die aminoacyl-tRNA-synthetasen worden genoemd.


Aminozuren en vorming van aminoacyl-tRNA's | Biochemie

In dit artikel gaan we in op de activering van aminozuren en de vorming van aminoacyl-tRNA.

De eerste stap van eiwitbiosynthese omvat twee reacties (zie fig. 6-43) die voor een bepaald aminozuur worden gekatalyseerd door één en hetzelfde enzym dat activeringsenzym wordt genoemd, of aminoacyl-tRNA-synthetase, of aminoacyl-tRNA-ligase.

In een eerste stap wordt het L-aminozuur geactiveerd door ATP en vormt het een aminoacyl-AMP, door een reactie analoog aan die van de activering van vetzuren waarbij een acyl-AMP wordt gevormd (zie fig. 5-10). Een gemengd anhydride wordt gevormd tussen de carboxyl en een fosforzuur OH.

Deze verbinding blijft dan aan het enzym gebonden, omdat het zeer reactief is, het zal dissociëren en zo het aminozuur in staat stellen te binden (door zijn carboxyl, opnieuw) aan een hydroxyl aan het 3'-uiteinde van een bepaald RNA genaamd transfer-RNA of tRNA een esterbinding wordt daarom gevormd en deze verbinding wordt aminoacyl-tRNA genoemd. Afhankelijk van het tRNA is het aminozuur gebonden aan de OH op positie 2'8242 of aan de OH op positie 3'8242 van de ribose van het 3'8242 terminale nucleotide.

1. Overdracht RNA's (tRNA):

Het RNA dat aanwezig is in het oplosbare deel (niet-deeltjesvormig) van het cytoplasma werd oorspronkelijk oplosbaar RNA (sRNA) genoemd, door oppositie tegen de ribosomale RNA's die aanwezig zijn in de ribo-nucleoproteïnedeeltjes, ribosomen genaamd, waarnaar in het volgende zal worden verwezen.

Vervolgens werd ontdekt dat dit sRNA in werkelijkheid een mengsel is dat een groot aantal verschillende RNA's bevat die transfer-RNA's of tRNA's werden genoemd, gezien hun rol in de biosynthese van eiwitten zal het tRNA, na binding aan een aminozuur, het inderdaad overdragen en de opname ervan in een eiwit mogelijk te maken, door een mechanisme.

Elk tRNA is specifiek voor een aminozuur, d.w.z. het kan alleen dat specifieke aminozuur binden (of 'accepteren'8221). Dus tRNA ala staat voor a (RNA specifiek voor alanine, in staat om alanine te binden en vervolgens over te dragen, tRNA tyr staat voor a (RNA specifiek voor tyrosine, enz.

Je zou kunnen denken dat er 20 soorten tRNA's zijn (zoveel als de aminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd), maar in feite zijn er veel meer: ​​in een bacteriële cel zijn er meer dan zeventig tRNA's, en in eukaryote cellen is dit aantal zelfs groter, omdat er tRNA's zijn die specifiek zijn voor mitochondriën en chloroplasten (die gewoonlijk verschillen van de overeenkomstige cytoplasmatische tRNA's).

Daarom zijn er over het algemeen verschillende tRNA's die specifiek zijn voor hetzelfde aminozuur (soms tot vier of vijf): ze worden isoacceptor-tRNA's genoemd.

De tRNA's zijn kleine ribonucleïnezuren, die slechts uit 70 tot 90 nucleotiden bestaan, wat overeenkomt met een molecuulgewicht van ongeveer 30.000.

Ze bevatten zeldzame nucleotiden (er zijn er momenteel enkele bekend), dwz nucleotiden die ongebruikelijk zijn door de aard van de base die vaak een gemethyleerde base is (zie fig. 6-2 en 6-3), of zelfs door de aard van de binding tussen de base en de suiker (in tRNA's vindt men bijvoorbeeld pseudo-uridylzuur waarbij C1 van ribose is gebonden aan C5 van uracil en niet van N1).

Deze modificaties worden gekatalyseerd door verschillende specifieke enzymen na de synthese van de polyribonucleotideketen, zoals beschreven in de studie van processen van rijping en shytie van tRNA's.

De verschillende RNA's verschillen door hun nucleotidesequenties. Men kent momenteel enkele honderden complete sequenties van tRNA's van zeer diverse oorsprong (bacteriën, gisten, planten, dieren) en het is waargenomen dat er gemeenschappelijke kenmerken zijn. Er werd gevonden dat in het bijzonder alle tRNA's een secundaire structuur van klaverblad kunnen aannemen, met 4 koppelingszones tussen complementaire basen en 3 lussen.

Figuur 6-44 laat zien dat een pCpCpA-terminale trinucleotide-sequentie aanwezig is aan het 3''8242-uiteinde, deze is identiek in alle tRNA's en onmisbaar voor de binding van het aminozuur, aangezien de laatste bindt aan de ribose van het terminale adenylic-nucleotide. Deze sequentie kan ook in vitro worden afgebroken en vervolgens opnieuw worden gevormd (van CTP en ATP) door een specifiek enzym dat tRNA-nucleotidyltransferase wordt genoemd.

Een van de lussen omvat een nucleotide-triplet genaamd anticodon, dat een vitale rol speelt bij de overdracht van het aminozuur (dwz bij de opname van het aminozuur op de juiste plaats in het eiwit), en waarnaar in de volgend op.

Ten slotte moet worden aangegeven dat een natieve driedimensionale conformatie nodig is voor de biologische activiteit van het tRNA. Onlangs konden verschillende tRNA's worden gekristalliseerd en hun conformatie kan nu worden bestudeerd door röntgendiffractie.

Deze studies onthulden dat het tRNA-molecuul een L-vormige structuur heeft, vanwege het bestaan ​​van 2 loodrechte segmenten in dubbele helix met elk ongeveer 10 basenparen, en de aanwezigheid van tertiaire interacties tussen de basen van de niet-helicodale gebieden.

Deze interacties zijn vaak gebaseerd op ongebruikelijke waterstofbruggen tussen sommige basen (AC, AA, GG), tussen sommige basen en de ribose-fosfaatketen, of tussen verschillende delen van deze keten (de 2'8217OH-groepen van ribosen van de keten nemen vaak deel in deze waterstofbruggen). Het anticodon en de bindingsplaats van het aminozuur (d.w.z. het CCA 3''8242 terminale triplet) bevinden zich aan de uiteinden van de L, op een afstand van ongeveer 80 Å.

2. Activeringsenzym of aminoacyl-tRNA-synthetase:

Deze twee namen herinneren aan de twee reacties die door dit enzym worden gekatalyseerd (zie fig. 6-43) dat naast ATP enerzijds het overeenkomstige aminozuur moet herkennen (het kan alleen de activering van dit laatste katalyseren), en anderzijds, het overeenkomstige tRNA (het kan de binding van het aminozuur alleen aan een tRNA dat specifiek is voor dit aminozuur toestaan).

Tijdens deze stap is inderdaad een zeer hoge specificiteit nodig om fouten in de biosynthese van eiwitten te voorkomen, want zodra het aminoacyl-tRNA is gevormd, is er geen controlemechanisme meer in de cel om de aard van het aminozuur te verifiëren en het is het daarom niet langer mogelijk om een ​​aminozuur af te wijzen dat verkeerd zou zijn gebonden, zoals hieronder zal blijken, hebben de volgende stappen van de eiwitsynthese alleen betrekking op het polynucleotide-deel van het aminoacyl-tRNA, met als resultaat dat een aminozuur dat gebonden zijn aan een ander tRNA dan het tRNA dat ermee overeenkomt, zou ten onrechte in het eiwit worden opgenomen.

Dit werd door Chapeville en medewerkers op de volgende manier aangetoond: ze bonden cysteïne aan tRNA-cys dankzij het overeenkomstige activeringsenzym, vervolgens transformeerden ze met behulp van Nickel Raney cysteïne in alanine zonder de esterbinding te verbreken en verkregen daardoor een alanyl- tRNA-cys (een verbinding die zich normaal niet in de cel kan vormen) merkten ze op dat uit deze verbinding alanine in de polypeptiden werd opgenomen in plaats van cysteïne (zie fig. 6-45) in een celvrij systeem van eiwitsynthese dat ofwel door poly UG (waarbij de verhouding U/G 5 was), waardoor normaal gesproken de opname van cysteïne (codon UGU) maar niet die van alanine (GCN) of door globine-mRNA mogelijk was (in dit geval leidde toevoeging van 14 C-alanyl-tRNA-cys tot de vorming van een radioactief trypsisch peptide dat normaliter cysteïne omvat).

In vivo moeten de aminoacyl-tRNA-synthetasen daarom ofwel geen fouten maken of deze kunnen corrigeren. Ze moeten met name in staat zijn om onderscheid te maken tussen twee aminozuren met zeer vergelijkbare structuren.

Dus, tryosyl-tRNA-synthetase bindt tyrosine 1000 keer effectiever dan fenylalanine (dat slechts één hydroxyl minder verschilt). Maar de discriminatie door isoleucyl-tRNA-synthetase tussen valine en isoleucine (die er maar één heeft - CH2— meer impliceert een correctiemechanisme of “proof-reading”.

Deze extra — CH2— bevordert de activering van isoleucine in vergelijking met valine met een factor van ongeveer 200, maar aangezien er in het algemeen 5 keer meer valine is dan isoleucine in vivo, zou men verwachten dat valine eens op de 40 keer per ongeluk wordt opgenomen in plaats van isoleucine .

In feite is de frequentie van een dergelijke fout slechts 1/3 000 omdat isoleucyl-tRNA-synthetase in staat is zijn eigen fouten te corrigeren, dwz in aanwezigheid van tRNA-ile wordt het gevormde valyl-AMP gehydrolyseerd (maar niet isoleucyl-AMP), waardoor een foutieve aminoacylering (dwz een verkeerde acylering) van tRNA ile wordt voorkomen.

De meeste aminoacyl-tRNA-synthetasen hebben waarschijnlijk een synthetische plaats die geen aminozuren accepteert die groter zijn dan het overeenkomstige aminozuur, en een hydrolytische plaats die de aminoacyl-AMP's afbreekt die kleiner zijn dan de juiste aminoacyl-AMP.

Het aantal subeenheden en het molecuulgewicht variëren sterk van het ene aminoacyl-tRNA-synthetase tot het andere, zelfs binnen hetzelfde organisme.

1. Monomeren (α) met een molecuulgewicht tussen 50 000 en 60 000 d (dalton):

Cys RS, Glu Rs, Gin Rs, Arg Rs

of een molecuulgewicht tussen 110 000 en 130 000 d:

2. Dimeren van het type α2, waarvan het monomeer heeft:

l. Een molecuulgewicht tussen 35 000 en 40 000 d:

Zijn RS, Trp RS, Tyr RS, Ser RS, Pro RS

ii. of een molecuulgewicht tussen 75 000 en 80 000 d:

l. Een van beide typen4 waarvan het monomeer een molecuulgewicht heeft van ongeveer 95 000 d: Ala RS

In Phe RS van E. Coli heeft α een molecuulgewicht van 80 000 tot 90 000 dβ heeft een molecuulgewicht van ongeveer 30 000 d.

In cytoplasmatische Phe RS van gist heeft α een molecuulgewicht van 70.000 d en heeft β een molecuulgewicht van 60.000 d.


Hoe werkt aminozuuractivering?

Verschillende aminozuren hechten zich aan de overeenkomstige moleculen van tRNA, maar ze hebben allemaal dezelfde bindingsplaatsen.

Ik geloof niet dat hier een eenvoudig antwoord op is - dus als je denkt dat dat zo is, is de vraag hoogstwaarschijnlijk verkeerd geïnterpreteerd.

Laat me alsjeblieft weten wat je ervan vindt en ik ga graag dieper in op de details van de vraag.

Dat is een goede observatie. Ik zal mijn best doen om een ​​antwoord te geven. Hier gaat:

Hoewel aminozuren allemaal aan het tRNA binden via de carboxylgroep (COOH), die in alle aminozuren precies hetzelfde is, wordt het activeringsproces gedaan door een enzym dat het aminoacyl-tRNA-synthetase wordt genoemd. Deze enzymen zijn specifiek voor elk aminozuur - dus in de meeste cellen zijn er 20 synthetasen, net zoals er 20 aminozuren zijn.

Om nauwkeurigheid te garanderen bij het koppelen van het juiste aminozuur aan het juiste tRNA, heeft een aminoacyl-tRNA-synthetase twee discriminatiestappen. Ten eerste heeft het juiste aminozuur de hoogste affiniteit voor de pocket op de actieve plaats dan alle andere 19 aminozuren. Sommige aminozuren zullen echter te veel op elkaar lijken om op deze manier van elkaar te worden onderscheiden, dus het enzym moet nog een stap van onderscheid maken. Deze tweede stap omvat een bewerkingsvak waar een onjuist maar vergelijkbaar aminozuur uit het enzym wordt verwijderd. Het juiste aminozuur wordt uit dit bewerkingsvak afgewezen. Dit tweestapsmechanisme zorgt voor een nauwkeurigheid van slechts één fout in 40000 koppelingen.

Anderzijds moet de aminoacyl-tRNA-synthetase ook het juiste tRNA herkennen. De meeste synthetasen zullen dit doen door het anti-codon te herkennen, maar sommige zullen dit doen door nucleotidesequenties van de acceptorstam te herkennen. Met andere woorden, de meeste synthetasen zullen verschillende posities van het tRNA lezen.

Ik hoop dat dit helpt. Maar vraag alsjeblieft meer als dit niet was wat je in gedachten had)


Wat is activatie van tRNA?

tRNA-activering. De binding van een aminozuur aan de tRNA acceptorstam ontstaat als resultaat van een proces in twee stappen: het aminozuur is dan gekoppeld aan tRNA en de AMP is vrijgegeven & ndash de tRNA-molecuul is nu "opgeladen" en klaar voor gebruik.

Evenzo, hoe worden aminozuren geactiveerd voor hechting aan tRNA? Een enzym genaamd aminoacyl-tRNA synthetase voegt de juiste . toe aminozuur naar zijn tRNA. de juiste aminozuur wordt toegevoegd aan zijn tRNA door een specifiek enzym, een aminoacyl-tRNA synthetase. Het proces wordt aminoacylatie of opladen genoemd. Aangezien er 20 aminozuren, er zijn 20 aminoacyl-tRNA synthetasen.

Welke enzymen zijn in dit verband nodig voor tRNA-activering?

Laden van een tRNA met een aminozuur Enzymen genaamd aminoacyl-tRNA synthetasen hebben deze zeer belangrijke taak. Er is een andere synthetase enzym voor elk aminozuur, een die alleen dat aminozuur en zijn . herkent tRNA's (en geen andere).

Hoe herkent tRNA aminozuren?

Tijdens de vertaling, tRNA moleculen komen eerst overeen met de aminozuren die passen bij hun bevestigingsplaatsen. Dan de tRNA's dragen hun aminozuren richting de mRNA-streng. Ze paren op het mRNA door middel van een anticodon aan de andere kant van het molecuul. Elk anticodon aan tRNA komt overeen met een codon op het mRNA.


Hoe worden de aminozuren correct toegewezen aan tRNA-moleculen?

De toewijzing van het juiste aminozuur aan elk van de vormen van tRNA is van cruciaal belang voor het vertaalproces. Deze opdracht wordt bereikt door twintig verschillende enzymen, aminoacyl-tRNA-synthetasen (aaRS) genaamd, voor de twintig aminozuren die in eiwitten worden ingebouwd. Er wordt gedacht dat er 31 verschillende tRNA's zijn, maar deze 20 synthetasen zijn in staat om ze allemaal te "laden" met het juiste aminozuur.


Inhoud

De synthetase bindt eerst ATP en het overeenkomstige aminozuur (of zijn voorloper) om een ​​aminoacyladenylaat te vormen, waarbij anorganisch pyrofosfaat (PPl). Het adenylaat-aaRS-complex bindt vervolgens aan de D-arm van het juiste tRNA-molecuul en het aminozuur wordt overgebracht van het aa-AMP naar de 2'- of de 3'-OH van het laatste tRNA-nucleotide (A76) op de 3'- einde.

Het mechanisme kan worden samengevat in de volgende reactiereeksen:

Als we de reacties optellen, is de zeer exergonische algemene reactie als volgt:

Sommige synthetasen bemiddelen ook bewerken reactie om high-fidelity van tRNA-lading te verzekeren. Als het onjuiste tRNA wordt toegevoegd (ook bekend als het tRNA blijkt niet goed geladen te zijn), wordt de aminoacyl-tRNA-binding gehydrolyseerd. Dit kan gebeuren wanneer twee aminozuren verschillende eigenschappen hebben, zelfs als ze dezelfde vorm hebben, zoals het geval is met Valine en Threonine.

De nauwkeurigheid van aminoacyl-tRNA-synthetase is zo hoog dat het vaak wordt gecombineerd met het woord "superspecificiteit" wanneer het wordt vergeleken met andere enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme. Hoewel niet alle synthetasen een domein hebben met het enige doel van bewerking, maken ze dit goed door specifieke binding en activering van hun gelieerde aminozuren. Een andere bijdrage aan de nauwkeurigheid van deze synthetasen is de verhouding van concentraties van aminoacyl-tRNA-synthetase en zijn verwante tRNA. Aangezien tRNA-synthetase het tRNA op onjuiste wijze acyleert wanneer het synthetase wordt overgeproduceerd, moet er een limiet bestaan ​​op de niveaus van aaRS'en en tRNA's in vivo. [1] [2]

Er zijn twee klassen van aminoacyl-tRNA-synthetase, elk samengesteld uit tien enzymen: [3] [4]

    heeft twee sterk geconserveerde sequentiemotieven. Het aminoacyleert op de 2'-OH van een terminaal adenosinenucleotide op tRNA, en het is gewoonlijk monomeer of dimeer (respectievelijk één of twee subeenheden). heeft drie sterk geconserveerde sequentiemotieven. Het aminoacyleert aan de 3'-OH van een terminale adenosine op tRNA en is gewoonlijk dimeer of tetrameer (respectievelijk twee of vier subeenheden). Hoewel fenylalanine-tRNA-synthetase klasse II is, aminoacyleert het op de 2'-OH.

De aminozuren zijn via de carboxyl (-COOH) groep aan de hydroxyl (-OH) groep van het adenosine gebonden.

Ongeacht waar het aminoacyl aanvankelijk aan het nucleotide is bevestigd, de 2'-O-aminoacyl-tRNA zal uiteindelijk via transverestering naar de 3'-positie migreren.

Beide klassen van aminoacyl-tRNA-synthetasen zijn multidomein-eiwitten. In een typisch scenario bestaat een aaRS uit een katalytisch domein (waar beide bovenstaande reacties plaatsvinden) en een anticodon-bindend domein (dat voornamelijk interageert met het anticodon-gebied van het tRNA). Transfer-RNA's voor verschillende aminozuren verschillen niet alleen in hun anticodon, maar ook op andere punten, waardoor ze enigszins verschillende algemene configuraties hebben. De aminoacyl-tRNA-synthetasen herkennen de juiste tRNA's voornamelijk door hun algehele configuratie, niet alleen door hun anticodon. [5] Bovendien hebben sommige aaRS's extra RNA-bindende domeinen en bewerkingsdomeinen [6] die onjuist gepaarde aminoacyl-tRNA-moleculen splitsen.

De katalytische domeinen van alle aaRS'en van een bepaalde klasse blijken homoloog aan elkaar te zijn, terwijl klasse I en klasse II aaRS'en niet aan elkaar verwant zijn. De klasse I aaRS's hebben de alomtegenwoordige Rossmann-vouw en hebben de parallelle bèta-strengen-architectuur, terwijl de klasse II aaRS's een unieke vouw hebben die bestaat uit antiparallelle bèta-strengen.

Het alfa-helix-anticodon-bindende domein van arginyl-, glycyl- en cysteïnyl-tRNA-synthetasen staat bekend als het DALR-domein na kenmerkende geconserveerde aminozuren. [7]

Aminoacyl-tRNA-synthetasen zijn kinetisch bestudeerd, wat aantoont dat Mg2+-ionen een actieve katalytische rol spelen en daarom hebben aaR's een zekere magnesiumafhankelijkheid. Het verhogen van de Mg2+-concentratie leidt tot een verhoging van de evenwichtsconstanten voor de reacties van de aminoacyl-tRNA-synthetasen. Hoewel deze trend werd gezien in zowel klasse I- als klasse II-synthetasen, is de magnesiumafhankelijkheid voor de twee klassen zeer verschillend. Klasse II-synthetasen hebben twee of drie (vaker drie) Mg2+-ionen, terwijl klasse I slechts één Mg2+-ion nodig heeft. [8] [9]

Naast hun gebrek aan algemene sequentie- en structuurovereenkomst, hebben klasse I- en klasse II-synthetasen verschillende ATP-herkenningsmechanismen. Terwijl klasse I bindt via interacties die worden gemedieerd door waterstofbruggen in de ruggengraat, gebruikt klasse II een paar arginineresiduen om zoutbruggen naar zijn ATP-ligand te vormen. Deze oppositionele implementatie komt tot uiting in twee structurele motieven, de Backbone Brackets en Arginine Pincet, die waarneembaar zijn in respectievelijk alle klasse I- en klasse II-structuren. De hoge structurele conservering van deze motieven suggereert dat ze al sinds de oudheid aanwezig moeten zijn. [10]

De meeste aaRSs van een bepaalde specificiteit liggen evolutionair dichter bij elkaar dan bij aaRSs van een andere specificiteit. AsnRS en GlnRS groeperen echter respectievelijk binnen AspRS en GluRS. De meeste aaRS'en van een bepaalde specificiteit behoren ook tot een enkele klasse. Er zijn echter twee verschillende versies van de LysRS - een die behoort tot de klasse I-familie en de andere die tot de klasse II-familie behoort.

De moleculaire fylogenieën van aaRSs zijn vaak niet consistent met aanvaarde organismale fylogenieën. Dat wil zeggen, ze schenden het zogenaamde canonieke fylogenetische patroon dat wordt getoond door de meeste andere enzymen voor de drie domeinen van het leven - Archaea, bacteriën, en Eukarya. Bovendien komen de fylogenieën die worden afgeleid voor aaRSs van verschillende aminozuren vaak niet met elkaar overeen. Bovendien vertonen aaRS-paralogen binnen dezelfde soort een hoge mate van divergentie tussen hen. Dit zijn duidelijke aanwijzingen dat horizontale overdracht meerdere keren heeft plaatsgevonden tijdens de evolutionaire geschiedenis van aaRSs. [11] [12]

Een wijdverbreid geloof in de evolutionaire stabiliteit van deze superfamilie, wat betekent dat elk organisme alle aaRSs heeft voor hun corresponderende aminozuren, is een misvatting. Een grootschalige genomische analyse van

2500 prokaryotische genomen toonden aan dat veel van hen een of meer aaRS-genen missen, terwijl veel genomen 1 of meer paralogen hebben. [12] AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS en ValRS zijn de meest evolutionair stabiele leden van de familie. GluRS, LysRS en CysRS hebben vaak paralogen, terwijl AsnRS, GlnRS, PylRS en SepRS vaak afwezig zijn in veel genomen.

Met uitzondering van AlaRS is ontdekt dat 19 van de 20 menselijke aaRS's minstens één nieuw domein of motief hebben toegevoegd. [13] Deze nieuwe domeinen en motieven variëren in functie en worden waargenomen in verschillende levensvormen. Een veel voorkomende nieuwe functie binnen menselijke aaRSs is het bieden van aanvullende regulering van biologische processen. Er bestaat een theorie dat het toenemende aantal aaRS's dat domeinen toevoegt, te wijten is aan de voortdurende evolutie van hogere organismen met complexere en efficiëntere bouwstenen en biologische mechanismen. Een belangrijk bewijs voor deze theorie is dat nadat een nieuw domein aan een aaRS is toegevoegd, het domein volledig geïntegreerd wordt. De functionaliteit van dit nieuwe domein blijft vanaf dat moment behouden. [14]

Naarmate de genetische efficiëntie evolueerde in hogere organismen, zijn 13 nieuwe domeinen toegevoegd zonder duidelijke associatie met de katalytische activiteit van aaRSs-genen.

In sommige van de aminoacyl-tRNA-synthetasen kan de holte die het aminozuur bevat, worden gemuteerd en gemodificeerd om onnatuurlijke aminozuren te dragen die in het laboratorium zijn gesynthetiseerd en om ze aan specifieke tRNA's te hechten. Dit breidt de genetische code uit, naast de twintig canonieke aminozuren die in de natuur worden gevonden, om ook een onnatuurlijk aminozuur op te nemen. Het onnatuurlijke aminozuur wordt gecodeerd door een nonsens (TAG, TGA, TAA) triplet, een quadrupletcodon of in sommige gevallen een overtollig zeldzaam codon. Het organisme dat het mutante synthetase tot expressie brengt, kan vervolgens genetisch worden geprogrammeerd om het onnatuurlijke aminozuur op elke gewenste positie in elk eiwit van belang op te nemen, waardoor biochemici of structurele biologen de functie van het eiwit kunnen onderzoeken of veranderen. Men kan bijvoorbeeld beginnen met het gen voor een eiwit dat een bepaalde DNA-sequentie bindt, en door een onnatuurlijk aminozuur met een reactieve zijketen naar de bindingsplaats te sturen, een nieuw eiwit creëren dat het DNA op het doelwit knipt. -sequentie, in plaats van deze te binden.

Door aminoacyl-tRNA-synthetasen te muteren, hebben scheikundigen de genetische codes van verschillende organismen uitgebreid met in het laboratorium gesynthetiseerde aminozuren met allerlei nuttige eigenschappen: fotoreactief, metaalchelerend, xenon-chelerend, verknopend, spin-resonant, fluorescerend, gebiotinyleerd en redox-actieve aminozuren. [15] Een ander gebruik is het introduceren van aminozuren die reactieve functionele groepen dragen voor het chemisch modificeren van het doeleiwit.

De oorzaak van bepaalde ziekten (zoals neuronale pathologieën, kanker, verstoorde metabole aandoeningen en auto-immuunziekten) is gecorreleerd aan specifieke mutaties van aminoacyl-tRNA-synthetasen. Charcot-Marie-Tooth (CMT) is de meest voorkomende erfelijke aandoening van het perifere zenuwstelsel (een neuronale ziekte) en wordt veroorzaakt door een erfelijke mutatie in glycol-tRNA en tyrosyl-tRNA. [16] Diabetes, een stofwisselingsziekte, veroorzaakt oxidatieve stress, die een opeenhoping van mitochondriale tRNA-mutaties veroorzaakt. Er is ook ontdekt dat tRNA-synthetasen gedeeltelijk betrokken kunnen zijn bij de etiologie van kanker. [17] Een hoog niveau van expressie of modificatie van aaRSs is waargenomen binnen een reeks kankers. Een veelvoorkomend resultaat van mutaties van aaRSs is een verstoring van de vorm/vorming van het dimeer die een directe relatie heeft met zijn functie. Deze correlaties tussen aaRSs en bepaalde ziekten hebben een nieuwe deur geopend voor het synthetiseren van therapieën. [18]

De nieuwe domeintoevoegingen aan aaRS-genen zijn bijdragend en progressief naar boven toe Boom van leven. [19] [20] [21] De sterke evolutionaire druk voor deze kleine niet-katalytische eiwitdomeinen suggereerde hun belang. [22] Bevindingen die in 1999 en later begonnen, onthulden een voorheen niet-herkende laag van biologie: deze eiwitten regelen de genexpressie in de cel van oorsprong, en wanneer ze worden vrijgegeven, oefenen ze homeostatische en ontwikkelingscontrole uit in specifieke menselijke celtypen, weefsels en organen tijdens de volwassen of foetale ontwikkeling of beide, inclusief paden die verband houden met angiogenese, ontsteking, de immuunrespons, de mechanistisch doelwit van rapamycine (mTOR) signalering, apoptose, tumorigenese, en interferon gamma (IFN- ) en p53 signalering. [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

Mutaties in het mitochondriale enzym zijn in verband gebracht met een aantal genetische aandoeningen, waaronder het syndroom van Leigh, het syndroom van West en CAGSSS (cataracten, groeihormoondeficiëntie, sensorische neuropathie, perceptief gehoorverlies en skeletdysfasiesyndroom). [32]


Overdracht RNA

Onze redacteuren zullen beoordelen wat je hebt ingediend en bepalen of het artikel moet worden herzien.

Overdracht RNA (tRNA), klein molecuul in cellen dat aminozuren naar organellen, ribosomen genaamd, transporteert, waar ze worden gekoppeld aan eiwitten. Naast tRNA zijn er nog twee andere belangrijke soorten RNA: boodschapper-RNA (mRNA) en ribosomaal RNA (rRNA). In 1960 werd de betrokkenheid van tRNA's bij de assemblage van eiwitten aangetoond door verschillende wetenschappers, waaronder de Amerikaanse biochemicus Robert William Holley, die ook technieken ontwikkelde om verschillende transfer-RNA's van cellen te scheiden en de samenstelling bepaalde van het tRNA dat het aminozuur alanine in eiwit opneemt. moleculen.

Ribosomale moleculen van mRNA bepalen de volgorde van tRNA-moleculen die zijn gebonden aan nucleotide-tripletten (codons). De volgorde van tRNA-moleculen bepaalt uiteindelijk de aminozuursequentie van een eiwit, omdat tRNA-moleculen de vorming van peptidebindingen tussen de aminozuren katalyseren en ze aan elkaar koppelen om eiwitten te vormen. De nieuw gevormde eiwitten maken zich los van de ribosoomplaats en migreren naar andere delen van de cel voor gebruik.

Moleculen van tRNA bevatten doorgaans minder dan 100 nucleotide-eenheden en vouwen in een karakteristieke klaverbladstructuur. Er bestaan ​​gespecialiseerde tRNA's voor elk van de 20 aminozuren die nodig zijn voor eiwitsynthese, en in veel gevallen is er meer dan één tRNA voor elk aminozuur aanwezig. De 61 codons die worden gebruikt om aminozuren te coderen, kunnen door veel minder dan 61 verschillende tRNA's worden gelezen. In de bacterie Escherichia coli in totaal worden 40 verschillende tRNA's gebruikt om de 61 codons te vertalen. De aminozuren worden op de tRNA's geladen door gespecialiseerde enzymen die aminoacyl-tRNA-synthetasen worden genoemd, gewoonlijk met één synthetase voor elk aminozuur. In sommige organismen is echter minder dan het volledige complement van 20 synthetasen vereist omdat sommige aminozuren, zoals glutamine en asparagine, kunnen worden gesynthetiseerd op hun respectieve tRNA's. Alle tRNA's nemen vergelijkbare structuren aan omdat ze allemaal moeten interageren met dezelfde plaatsen op het ribosoom.

Dit artikel is voor het laatst herzien en bijgewerkt door Kara Rogers, Senior Editor.


Beschrijf hoe de volgorde van basen in een DNA-molecuul zou worden gebruikt om de primaire structuur van een eiwit te vormen.

De volgorde van basen in een DNA-molecuul zal de aminozuurvolgorde bepalen in het eiwit waarvoor het codeert. De basen zijn gerangschikt in tripletten waarbij één triplet op een niet-overlappende manier zal coderen voor één aminozuur. Het DNA moet worden uitgepakt om transcriptie mogelijk te maken waar complementaire mRNA-moleculen zich naast de matrijsstreng van DNA opstellen. Deze moleculen worden vervolgens verbonden door RNA-polymerase en zodra een stopcodon is bereikt, stopt de mRNA-synthese en wordt het mRNA-molecuul uit de kern getransporteerd via een kernporie naar het cytoplasma waar translatie kan plaatsvinden. Het mRNA wordt in een ribosoom geladen met drie tripletten die tegelijkertijd worden geladen. Een tRNA-molecuul dat aan een aminozuur is gehecht, zal dan het ribosoom binnengaan en als het tRNA-molecuul een anticodon heeft dat complementair is aan het mRNA-codon, zal het aminozuur door een peptidebinding worden verbonden met het aminozuur dat aan het volgende complementaire tRNA-molecuul is bevestigd door een peptidebinding. Zodra het hele mRNA-molecuul is getranslateerd, wordt een polypeptideketen van aminozuren gevormd en heeft het dus een primaire structuur die door andere moleculen kan worden gemodificeerd.


Hoe kan een mutatie in een DNA-sequentie de functie van een eiwit beïnvloeden?

Ten eerste is het belangrijk om samen te vatten hoe DNA codeert voor de synthese van eiwitten. mRNA wordt gevormd door complementaire basenparing met de matrijsstreng van DNA in een proces dat transcriptie wordt genoemd. Elke 3 basen binnen een gen codeert voor één codon in de mRNA-sequentie. Dit mRNA verlaat vervolgens de kern en bindt aan een ribosoom in het cytoplasma. Hier koppelen tRNA-moleculen met complementaire anticodons aan hun respectieve mRNA-codons. tRNA-moleculen hebben aminozuren eraan vastgemaakt en daarom bepaalt de mRNA-sequentie de aminozuursequentie (de primaire structuur van het eiwit). Tussen deze aminozuren vormen zich dan peptidebindingen. De primaire structuur vouwt dan via waterstofbruggen in een alfa-helix of beta geplooid vel (secundaire structuur). De secundaire structuur vouwt vervolgens via covalente en ionische bindingen tussen aminozuurzijgroepen tot een tertiaire 3D-structuur.
Een mutatie verandert de volgorde van basen in het DNA en daarmee de tripletcode. Het verandert daarom de volgorde van aminozuren in de primaire structuur van het eiwit. Dit verandert de zijgroepen die beschikbaar zijn om covalente of ionische bindingen te vormen om de eiwitspecifieke tertiaire structuur te vormen. Daarom zal het eiwit abnormaal vouwen, wat leidt tot een verandering in de structuur van de actieve plaats van het eiwit (als het een enzym is) - wat de binding van substraten en functie beïnvloedt.


Hoe worden aminozuren aan tRNA gehecht? - Biologie

Eiwitten zijn een van de meest voorkomende organische moleculen in levende systemen en hebben de meest uiteenlopende functies van alle macromoleculen. Eiwitten kunnen structureel, regulerend, contractiel of beschermend zijn, ze kunnen dienen bij transport, opslag of membranen of ze kunnen toxines of enzymen zijn. Elke cel in een levend systeem kan duizenden eiwitten bevatten, elk met een unieke functie. Hun structuren, evenals hun functies, variëren sterk. Het zijn echter allemaal polymeren van aminozuren, gerangschikt in een lineaire volgorde.

Figuur 1. Aminozuren hebben een centraal asymmetrisch koolstofatoom waaraan een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom en een zijketen (R-groep) zijn bevestigd.

Aminozuren zijn de monomeren waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Elk aminozuur heeft dezelfde fundamentele structuur, die bestaat uit een centraal koolstofatoom, ook bekend als de alfa (α) koolstof, gebonden aan een aminogroep (NH2), een carboxylgroep (COOH) en aan een waterstofatoom. Elk aminozuur heeft ook een ander atoom of een groep atomen gebonden aan het centrale atoom dat bekend staat als de R-groep (Figuur 1).

De naam '8220aminozuur'8221 is afgeleid van het feit dat ze zowel de aminogroep als de carboxylzuurgroep in hun basisstructuur bevatten. Zoals gezegd zijn er 20 aminozuren aanwezig in eiwitten. Negen hiervan worden bij de mens als essentiële aminozuren beschouwd omdat het menselijk lichaam ze niet kan produceren en ze uit de voeding worden gehaald.

Voor elk aminozuur is de R-groep (of zijketen) anders (Figuur 2).

Oefenvraag

Figuur 2. Er zijn 20 veelvoorkomende aminozuren die vaak worden aangetroffen in eiwitten, elk met een andere R-groep (variantgroep) die de chemische aard ervan bepaalt.

Welke categorieën aminozuren zou je verwachten te vinden op het oppervlak van een oplosbaar eiwit, en welke zou je verwachten te vinden in het binnenste? Welke verdeling van aminozuren zou je verwachten te vinden in een eiwit dat is ingebed in een lipidedubbellaag?

De chemische aard van de zijketen bepaalt de aard van het aminozuur (dat wil zeggen, of het zuur, basisch, polair of niet-polair is). Het aminozuur glycine heeft bijvoorbeeld een waterstofatoom als de R-groep. Aminozuren zoals valine, methionine en alanine zijn niet-polair of hydrofoob van aard, terwijl aminozuren zoals serine, threonine en cysteïne polair zijn en hydrofiele zijketens hebben. De zijketens van lysine en arginine zijn positief geladen en daarom worden deze aminozuren ook wel basische aminozuren genoemd. Proline heeft een R-groep die is gekoppeld aan de aminogroep en een ringachtige structuur vormt. Proline is een uitzondering op de standaardstructuur van een aminozuur omdat de aminogroep niet gescheiden is van de zijketen (Figuur 2).

Aminozuren worden weergegeven door een enkele hoofdletter of een afkorting van drie letters. Valine is bijvoorbeeld bekend onder de letter V of het drieletterige symbool val. Net zoals sommige vetzuren essentieel zijn voor een dieet, zijn sommige aminozuren ook noodzakelijk. Ze staan ​​bekend als essentiële aminozuren en bij mensen omvatten ze isoleucine, leucine en cysteïne. Essentiële aminozuren verwijzen naar die welke nodig zijn voor de opbouw van eiwitten in het lichaam, hoewel ze niet door het lichaam worden geproduceerd, welke aminozuren essentieel zijn, verschilt van organisme tot organisme.

Figure 3. Peptide bond formation is a dehydration synthesis reaction. The carboxyl group of one amino acid is linked to the amino group of the incoming amino acid. In the process, a molecule of water is released.

The sequence and the number of amino acids ultimately determine the protein’s shape, size, and function. Each amino acid is attached to another amino acid by a covalent bond, known as a peptide bond, which is formed by a dehydration reaction. The carboxyl group of one amino acid and the amino group of the incoming amino acid combine, releasing a molecule of water. The resulting bond is the peptide bond (Figure 3).

The products formed by such linkages are called peptides. As more amino acids join to this growing chain, the resulting chain is known as a polypeptide. Elk polypeptide heeft aan één uiteinde een vrije aminogroep. This end is called the N terminal, or the amino terminal, and the other end has a free carboxyl group, also known as the C or carboxyl terminal. Hoewel de termen polypeptide en eiwit soms door elkaar worden gebruikt, is een polypeptide technisch gezien een polymeer van aminozuren, terwijl de term eiwit wordt gebruikt voor een polypeptide of polypeptiden die samen zijn gecombineerd, vaak gebonden niet-peptide prosthetische groepen hebben, een verschillende vorm hebben , en hebben een unieke functie. Na eiwitsynthese (vertaling) worden de meeste eiwitten gemodificeerd. Deze staan ​​bekend als post-translationele modificaties. They may undergo cleavage, phosphorylation, or may require the addition of other chemical groups. Pas na deze aanpassingen is het eiwit volledig functioneel.

De evolutionaire betekenis van cytochroom c

Cytochrome c is an important component of the electron transport chain, a part of cellular respiration, and it is normally found in the cellular organelle, the mitochondrion. This protein has a heme prosthetic group, and the central ion of the heme gets alternately reduced and oxidized during electron transfer. Because this essential protein’s role in producing cellular energy is crucial, it has changed very little over millions of years. Protein sequencing has shown that there is a considerable amount of cytochrome c amino acid sequence homology among different species in other words, evolutionary kinship can be assessed by measuring the similarities or differences among various species’ DNA or protein sequences.

Wetenschappers hebben vastgesteld dat menselijk cytochroom c 104 aminozuren bevat. For each cytochrome c molecule from different organisms that has been sequenced to date, 37 of these amino acids appear in the same position in all samples of cytochrome c. Dit geeft aan dat er mogelijk een gemeenschappelijke voorouder is geweest. On comparing the human and chimpanzee protein sequences, no sequence difference was found. When human and rhesus monkey sequences were compared, the single difference found was in one amino acid. In een andere vergelijking laat sequencing van mens tot gist een verschil zien op de 44e positie.