化学生物学课程作业.docxVIP

吕悦广201528008208009化学学院本部氨酰-tRNA合成酶的特异性识别问题众所周知，一般情况下，生命体中每一种氨酰-tRNA合成酶（aaRS）能特异性的识别其同源氨基酸和相应的同源tRNA，在ATP等参与下，将二者催化结合在一起，形成氨酰-tRNA，再通过后续翻译过程中密码子-反密码子的专一性配对，保证信息流动的忠实性。tRNA分子较大，能提供足够多的和aaRS特异性相互作用的位点（个性元件），所以aaRS对tRNA的特异性识别比较容易。然而氨基酸分子比较小，一些氨基酸的侧链结构非常相似，它们不能提供足够的个性元件，所以aaRS要识别同源氨基酸比较困难。生命体是一个极其复杂的体系，规律固然可循，但特例也客观存在，已发现某些aaRS在氨酰化过程中会有一定频率的非同源氨基酸被活化，但这些误活化的氨基酸掺入到延伸肽链的可能性非常小，因为这些aaRS除有特异性选择结构域外，还有编校结构域，能水解误活化的氨基酸，从而使遗传信息的传递具有绝对精确性。可见，了解aaRS的结构域，对认识其功能有很重要的作用。特异性底物选择是aaRS发挥功能的第一步，那些没有编辑活性的aaRS则只能靠这一步维持忠实性。aaRS对极性氨基酸的识别，往往运用“诱导契合”机制，形成氨基酸结合口袋，从而氨基酸残疾与底物的极性功能团之间形成氢键网络。aaRS对非极性氨基酸的识别，往往存在一个相对刚性的结合口袋，以增大与氨基酸的R-基范德华力作用和堆积作用。此外，aaRS还进化出一些特殊的识别机制，以识别同源氨基酸，或排除非同源氨基酸，比如，络氨酰-tRNA合成酶氨酰化中心具有高度的亲水性，能够特异性结合络氨酸p-羟基，排除苯丙氨酸；真核和原核生物苯丙氨酰-tRNA合成酶氨酰化结构域均靠芳香族基团之间的相互识别作用，故只有芳香族氨基酸才有可能成为有效底物，组氨酸和异亮氨酸则被排除；半胱氨酰-tRNA合成酶、丝氨酰-tRNA合成酶和苏氨酰-tRNA合成酶则都进化出了依靠Zn2+的识别机制，苏氨酰-tRNA合成酶利用Zn2+与苏氨酸的巯基相互作用，专一性识别苏氨酸。大肠杆菌的苯丙氨酰-tRNA合成酶的Zn2+可以识别苏氨酸的γ-羟基，并排除缬氨酸。产甲烷古菌丝氨酰-tRNA合成酶的Zn2+特异的与丝氨酸的氨基结合，从而特异识别丝氨酸，而酵母丝氨酰-tRNA合成酶则利用tRNA依赖性的方式识别丝氨酸，丝氨酰-tRNA合成酶是唯一进化出两种机制识别同一种氨基酸的aaRS。另外，天冬氨酰-tRNA合成酶中，Mg2+通过与天冬氨酸侧链作用，影响天冬氨酰-tRNA识别的专一性。细胞质中含有20余中aaRS，分为Ⅰ类和Ⅱ类，Ⅱ类aaRS多催化小的、简单的氨基酸，推测可能比Ⅰ类更古老。原始aaRS的结构较现代aaRS简单，为单结构域蛋白，类似于现代aaRS的氨基酰化结构域，可以识别一个以上的氨基酸，现代aaRS都具有附加的结构域，如丙氨酰-tRNA合成酶有4个结构域。结构域的增加增添了aaRS的第二种忠实性机制，进化出了编辑活性，如果编辑发生在氨酰-AMP水平，称为转位前编辑，如果发生在氨酰-tRNA水平，称为转位后编辑。现在已知一半左右的aaRS具有编辑活性，且大多具有转位前和转位后两种编辑活性。转位前编辑多在氨酰化结构域，而转位后编辑只在编辑结构域，所以Fersht等提出了aaRS的“双筛”模型。因此，除氨酰化结构域能够特异性识别底物外，编辑结构域也可以独立影响底物识别，这在一定程度上现代aaRS中的编辑结构域可能来源于独立存在的编辑蛋白质，这些独立编辑蛋白也需要特异性识别编辑底物，这种识别特性有一些仍保留在现代aaRS中。编辑方式主要有以下下四种（如附图所示）：转位后编辑；aa-AMP在氨酰化位点tRNA依赖性的酶解、aa-AMP在编辑位点的转位前编辑；aa-AMP在氨酰化位点的选择性释放；aa-AMP在氨酰化位点非tRNA依赖性的酶解。综上所述，aaRS通过氨酰结构域和编辑结构域“双筛”作用共同保证信息流动的忠实性，使生命体得以正常运行。然而，结合已发现的特例和aaRS结构域的作用机制，尤其aaRS氨酰化结构域主要靠氢键、亲疏水性、金属离子络合等作用方式特异性选择氨基酸，有理由猜想改变环境pH值、金属离子等有可能影响aaRS的选择活性，导致错误种类氨基酸或不被正常人体所接受的D-氨基酸的插入，特别是后者能引起蛋白质二级、三级、四级构象转变，使生命体异常病变。编辑方式附图：