氨基酸的活化与转运

在蛋白质生物合成中，各种氨基酸在参入肽链之前必须先经活化，然后再由其特异的tRNA携带至核糖体上，才能以mRNA为模板缩合成肽链。氨基酸活化后与相应的tRNA结合的反应，均是由特异的氨基酰-tRNA合成酶(amino acyl-tRNA synthetase，简写为aaRS)催化完成的。

氨基酸的活化反应

氨基酸-AMP-aaRS复合物的形成在aaRS、ATP及二价阳离子(如Mg2+)存在下，形成上述复合物并释放出PPi。例如，丙氨酸-AMP－丙氨酰－tRNA合成酶（AlaRS）复合物的形成如下：氨基酰－tRNA的形成氨基酸以氨基酸－AMP－aaRS复合物的形式转到tRNAAla上，形成Ala-tRNAAla。各种tRNA的3’端都有同样的三个核苷酸的序列（-CCA）。氨基酸即结合在tRNA的3’－CCA末端腺苷酸（A）的核糖2’或3’游离－OH上，以酯键相连。

上述氨基酸的活化反应，表示绝大多数氨基酸的活化过程。到目前为止，另发现有二种氨基酸（Gln和Ile）的活化有其特殊条件。Gln-tRNA复合物的形成如下，即先由一个Glu经GluRS作用接在tRNAGln上，形成Glu-tRNA；然后再经转氨基酶作用，将Glu（或Asn）的酰胺基接到Glu-tRNA复合物的Glu上，最终形成Gln-tRNA复合物。

此外哺乳动物Ile-tRNA复合物的形成，在标准的tRNA氨基酰化反应系统中(50mmol/LTris-HClpH7.5，50mmol/LK+，2mmol/LMg2+，1mmol/LDTT，2mmol/LATP，aaRS，tRNA和标记的某种氨基酸)，必须加入1-2mmol/L的多胺(如精胺)，否则哺乳动物的tRNAIle不能被氨基酰化。 

氨基酸-tRNA合成酶(aaRS)

aaRS存在于所有的生物体，定位于细胞浆。已从许多生物组织中提纯，其分子量从2.27×104－2.7×105不等，有的由单一肽链组成，有的由几个亚基组成，通常称为α和/或β亚基。单个肽链的大小差别较大，从嗜热杆菌(Bacillusstearothermophilus)的TrpRS含327个氨基酸残基到E.coliIleRS含939个氨基酸残基不等。来源于不同生物的同种aaRS其序列保守性亦不同，如酵母和细菌的同种aaRS比较，其同源性约在20%─50%范围。

aaRS的活性中心一般含有一个或几个-SH基，对该巯基进行化学修饰通常会导致酶失活，从而认为这些巯基在催化中发挥作用。例如，aa-AMP能够与巯基反应形成巯酯键，然后再与tRNA反应。E.coliGlyRS由α2β2四 个亚基构成，当用N-甲基缩苹果酰胺(N-methy1-maleimide)去处理酶的-SH基，会导致GlyRS失活。已证明N-甲基缩苹果酰胺灭活 该酶的靶位置是β亚基的Cys395，以致阻止了aa-AMP与tRNA反应，但不抑制Gly-AMP复合物的形成。然而，并不是所有的半胱氨酸对酶的活 性都有关键性作用。如GlyRS的β链含Cys98，Cys395和Cys450三个半胱氨酸，将这些Cys用Ala取代而形成的突变子，在体内、外均有 活性。因为Ala取代几乎不影响活性。人们认为N-甲基缩苹果酰胺的作用基础最可能是空间障碍所致。支持这一论点的证据是:Csy395→Gln395突 变后，GlyRS的催化活性可下降10倍。

aaRS的两个活性(形成aa-AMP复合物和aa-tRNA复合物)在肽链内具有较明确的结构域。aaRS的N端序列 具有使aa-AMP复合物形成的活性，称为aaRS的aa-AMP合成结构域，毗邻aa-AMP合成结构域C端的部分序列具有识别特异tRNA的活性，称 为aaRS的aa-tRNA合成结构域。例如，E.coliAlaRS含四个α亚基，每条肽链含875个氨基酸残基。分析表明，第1-461位氨基酸残基 组成的肽段具有使tRNAAla氨基酰化作用。其中，第1-368位残基序列属aa-AMP合成结构域，第369-461位残基序列是结合tRNAAla 的关键部位。第699-808位氨基酸残基段对形成AlaRS四聚体(α4)是重要的。亦有一些研究显示，aaRS结合tRNA的部位跨越在不同亚基间。 据上述，aaRS具有高度的特异性，它至少有两识别位点，既能识别特异的氨基酸，又能识别携带该种氨基酸的特异tRNA分子。在体内，每种aaRS都能从 20种氨基酸中精确选择与其相对应的一种，并识别出与此氨基酸相适应的特异tRNA，即一种氨基酸可被数种不同的同工tRNA携带。换言之，aaRS对氨 基酸有严格的特异性，而对与此氨基酸相适应的数种同工tRNA则无严格的特异性

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人们之所以对aaRS做了大量研究，主要是对其识别作用具浓厚的兴趣。aaRS与相应的tRNA结合并不强，在生理 pH，解离常数在0.1-1.0mmol/L范围。当pH在5-5.5时，氨基酰化反应变慢，但结合力变强，解离常数为1-10nmol/L。相对弱的 aaRS-tRNA反应需要的，因为酶在氨基酰化反应需迅速转变，不能长时间与aa-tRNA形成复合物。1982年，已得到了AspRS- tRNAAsp复合物结晶，这些关键区域是氨基酸接受臂，二氢尿嘧啶茎，反密码子茎和反密码子。其后有一些实验肯定了上述结果基本适合于其它aaRS- tRNA的

相互结合部位。aaRS对tRNA的识别过程分二步进行:首先是酶与tRNA的初步结合，然后是tRNA的氨基酰化。tRNA分子上的反密码子 对于酶的识别作用是需要的，反密码子是aaRS识别的主要特征。然而，反密码子并不是aaRS识别必需特征。例如，Leu和Ser各有6个密码子，这些密 码子可以被带有不同反密码子的同工tRNA阅读。每一种同工tRNALeu或tRNASer仅由一种aaRS所特异地氨基酰化。这说明，反密码子并非是 aaRS识别的首要靶子，至少在这些酶是这样。

aa-tRNA复合物的形成是非常精确的。aaRS在非常类似的氨基酸之间怎样进行选择，过去长时间迷惑不解。后来当发 现IleRS如何精确区别Ile和Val后，特别令人鼓舞。Ile和Val仅有单个甲基之差，以致这二种氨基酸与IleRS的结合能之差仅2- 3Kcal，这样小的能差并不能阻止发生错误的结合，即阻止IleRS去识别Val。例如，当等克分子的Ile和Val混合并加入IleRS后，可产生 10-2的错误频率。但活化的Val与tRNAIle结合率非常低。当tRNA与Val-AMP-IleRS结合成复合物时，几乎所有的Val-AMP分解为Val和AMP。这样，在Ile和Val之间的鉴别能够发生二次，最终的错误频率为10-2×10-2=10-4。 现在进一步清楚单通过这些酶的校正是不足以达到足够精确度。近年来，通过对TyrRS三维结构的研究获得了对aaRS识别作用的新认识。已证明TyrRS 在二个非常类似的氨基酸Phe和Tyr二者之间进行选择是通过与Tyr的-OH基形成特殊的氢键，而不仅仅是通过前述的校正方式。据目前所知，以特殊氢键 而区别的氨基酸还有Asp，Asn，Cys，His，Lys和Trp。一旦一个特殊的氨基酸被连接到tRNA分子上，在蛋白质合成的后续步骤中便没有任何 特异的识别和校正方式。如当Cys-tRNACys形成后，再修饰为Ala-tRNACys，把后者加入血红蛋白无细胞合成系统，新合成的Hb肽链中的 Cys位便均被Ala占居。因此，tRNA是唯一能选择模板的分子。

近年来(1983-1986年)的免疫学研究显示，某些心肌炎病人具有直接针对HisRS，ThrRS和AlaRS的自 身抗体。在具有AlaRS自身抗体的病人，也有抗tRNAAla抗体。由此提出了这样的可能性:抗tRNAAla抗体是直接针对AlaRS抗体的独特型抗 体，而抗AlaRS抗体直接针对AlaRS的tRNAAla结合位点，提示tRNAAla结合部位是具有抗原性的。通过X射线结晶学证明酶和aa-AMP 之间可能有11个氢键，酶的侧链和主链（MC）均涉及到反应。它们的相互作用除氢键外，还有VanderWaal力。如果用Phe取代Tyr，则不能形成 VanderWaal力相互作用。