Una aminoacil-ARNt sintetasa ( aaRS o ARS ), también llamada ARNt-ligasa, es una enzima que une el aminoácido apropiado a su ARNt correspondiente . Lo hace catalizando la transesterificación de un aminoácido cognado específico o su precursor a uno de todos sus ARNt cognados compatibles para formar un aminoacil-ARNt . En los humanos, los 20 tipos diferentes de aa-ARNt son producidos por las 20 aminoacil-ARNt 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 el ARNt está cargado, un ribosoma puede transferir el aminoácido del ARNt a un péptido en crecimiento , de acuerdo con el código genético. Por lo tanto, el ARNt aminoacil desempeña un papel importante en la traducción del ARN , la expresión de genes para crear proteínas.
La sintetasa primero une el ATP y el aminoácido correspondiente (o su precursor ) para formar un aminoacilo-adenilato, liberando pirofosfato inorgánico (PPi). Luego, el complejo adenilato-aaRS 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 extremo 3' .
El mecanismo se puede resumir en la siguiente serie de reacciones:
Sumando las reacciones, la reacción global altamente exergónica es la siguiente:
Algunas sintetasas también median una reacción de edición para garantizar una alta fidelidad de la carga del ARNt. Si se añade el ARNt incorrecto (es decir, se descubre que el ARNt está cargado incorrectamente), el enlace aminoacilo-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-ARNt sintetasa es tan alta que a menudo se la asocia con la palabra "superespecificidad" cuando se la compara con otras enzimas que intervienen en el metabolismo. Aunque no todas las sintetasas tienen un dominio con el único propósito de editar, lo compensan al tener una unión y activación específicas de sus aminoácidos afiliados. Otra contribución a la precisión de estas sintetasas es la relación de concentraciones de aminoacil-ARNt sintetasa y su ARNt cognado. Dado que la ARNt sintetasa acila incorrectamente el ARNt cuando se produce en exceso, debe existir un límite en los niveles de aaRS y ARNt in vivo. [1] [2]
Hay dos clases de aminoacil ARNt sintetasa, cada una compuesta por diez enzimas: [3] [4]
Los aminoácidos se unen al grupo hidroxilo (-OH) de la adenosina a través del grupo carboxilo (-COOH).
Independientemente de dónde se una inicialmente el aminoacilo al nucleótido, el 2'- O -aminoacil-ARNt finalmente migrará a la posición 3' a través de la transesterificación .
Las sintetasas de aminoacil-ARNt bacterianas se pueden agrupar de la siguiente manera: [5]
Los aminoácidos que utilizan aaRS de clase II parecen ser evolutivamente más antiguos. [6]
Ambas clases de aminoacil-ARNt sintetasas son proteínas multidominio . En un escenario típico, una aaRS consta de un dominio catalítico (donde tienen lugar ambas reacciones anteriores) y un dominio de unión al 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-ARNt sintetasas reconocen los ARNt correctos principalmente a través de su configuración general, no solo a través de su anticodón. [7] Además, algunas aaRS tienen dominios de unión al ARN adicionales y dominios de edición [8] que escinden moléculas de aminoacil-ARNt emparejadas incorrectamente.
Se ha descubierto que los dominios catalíticos de todas las aaRS de una clase dada son homólogos entre sí, mientras que las aaRS de clase I y clase II no están relacionadas entre sí. Las aaRS de clase I presentan un pliegue de Rossmann similar al de la citidiltransferasa que se observa en proteínas como la glicerol-3-fosfato citidiltransferasa, la nicotinamida nucleótido adenililtransferasa y la FAD sintasa arqueal, mientras que las aaRS de clase II tienen un pliegue único relacionado con las ligasas de biotina y lipoato.
El dominio de unión del anticodón helicoidal alfa de las sintetasas de ARNt arginil-, glicil- y cisteinil- se conoce como dominio DALR en honor a los aminoácidos conservados característicos . [9]
Se han estudiado cinéticamente las sintetasas de aminoacil-ARNt, demostrando 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 sintetasas de aminoacil-ARNt. 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 (más frecuentemente) tres iones Mg2 + , mientras que la clase I solo requiere un ion Mg2 + . [10] [11]
Además de la falta de similitud general en la secuencia y la 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 utiliza un par de residuos de arginina para establecer puentes salinos con su ligando de ATP. Esta implementación opositora se manifiesta en dos motivos estructurales, los soportes de la cadena principal y las pinzas de arginina, que se observan en todas las estructuras de clase I y clase II, respectivamente. La alta conservación estructural de estos motivos sugiere que deben haber estado presentes desde tiempos antiguos. [12]
La mayoría de las aaRS de una determinada especificidad están evolutivamente más próximas entre sí que con las aaRS de otra especificidad. Sin embargo, AsnRS y GlnRS se agrupan dentro de AspRS y GluRS, respectivamente. La mayoría de las aaRS de una determinada especificidad también pertenecen a una única clase. Sin embargo, existen dos versiones distintas de LysRS: una que pertenece a la familia de la clase I y la otra a la de la clase II. [ cita requerida ]
Las filogenias moleculares de las aaRS a menudo no son consistentes con las filogenias organismales 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 las aaRS de diferentes aminoácidos a menudo no concuerdan entre sí. Además, los parálogos de aaRS dentro de la misma especie muestran un alto grado de divergencia entre ellos. Estas son indicaciones claras de que la transferencia horizontal ha ocurrido varias veces durante la historia evolutiva de las aaRS. [13]
La creencia generalizada en la estabilidad evolutiva de esta superfamilia, es decir, que cada organismo posee todos los aaRS para sus aminoácidos correspondientes, es errónea. Un análisis genómico a gran escala de ~2500 genomas procariotas mostró que muchos de ellos carecen de uno o más genes aaRS, mientras que muchos genomas tienen uno o más parálogos. [14] AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS y ValRS son los miembros más estables evolutivamente de la familia. GluRS, LysRS y CysRS a menudo tienen parálogos, mientras que AsnRS, GlnRS, PylRS y SepRS a menudo están ausentes de muchos genomas.
Con la excepción de AlaRS, se ha descubierto que 19 de las 20 aaRS humanas han añadido al menos un nuevo dominio o motivo. [15] Estos nuevos dominios y motivos varían en función y se observan en varias formas de vida. Una función novedosa común dentro de las aaRS humanas es proporcionar una regulación adicional de los procesos biológicos. Existe una teoría de que el creciente número de aaRS que añaden 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 añade un nuevo dominio a una aaRS, el dominio se integra completamente. La funcionalidad de este nuevo dominio se conserva a partir de ese momento. [16]
A medida que la eficiencia genética evolucionó en organismos superiores, se agregaron 13 nuevos dominios sin una asociación obvia con la actividad catalítica de los genes aaRSs.
En algunas de las aminoacilas ARNt sintetasas, la cavidad que contiene el aminoácido puede ser mutada y modificada para transportar aminoácidos artificiales sintetizados en el laboratorio y unirlos a ARNt específicos. Esto amplía el código genético, más allá de los veinte aminoácidos canónicos que se encuentran en la naturaleza, para incluir también un aminoácido artificial. El aminoácido artificial 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 entonces ser programado genéticamente para incorporar el aminoácido artificial en cualquier posición deseada en cualquier proteína de interés, lo que permite a los bioquímicos o biólogos estructurales investigar o cambiar la función de la proteína. Por ejemplo, uno 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, crear una nueva proteína que corta el ADN en la secuencia objetivo, en lugar de unirse a él.
Al mutar las sintetasas de ARNt de aminoacilo, los químicos han ampliado 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 redox-activos. [17] Otro uso es la introducción de aminoácidos que portan grupos funcionales reactivos para modificar químicamente la proteína objetivo.
Se ha correlacionado la causa de ciertas enfermedades (como patologías neuronales, cáncer, trastornos metabólicos y trastornos autoinmunes) con mutaciones específicas de las aminoacil-ARNt sintetasas. La enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (CMT) es el trastorno hereditario más frecuente del sistema nervioso periférico (una enfermedad neuronal) y está causada por una mutación hereditaria en el glicol-ARNt y el tirosil-ARNt. [18] La diabetes, una enfermedad metabólica, induce estrés oxidativo, que desencadena una acumulación de mutaciones mitocondriales del ARNt. También se ha descubierto que las sintetasas del ARNt pueden estar parcialmente implicadas en la etiología del cáncer. [19] Se ha observado un alto nivel de expresión o modificación de aaRS en una variedad de cánceres. Un resultado común de las mutaciones de aaRS es una alteración de la forma/formación del dímero que tiene una relación directa con su función. Estas correlaciones entre aaRS y ciertas enfermedades han abierto una nueva puerta a la síntesis de terapias. [20]
Las nuevas adiciones de dominios a los genes aaRS son acumulativas y progresivas en el Árbol de la Vida . [21] [22] [23] La fuerte presión evolutiva para estos pequeños dominios proteicos no catalíticos sugirió su importancia. [24] Los hallazgos que comenzaron en 1999 y más tarde revelaron una capa previamente no reconocida de la biología: estas proteínas controlan la expresión genética dentro de la célula de origen, y cuando se liberan ejercen un control homeostático y del desarrollo en tipos de células, tejidos y órganos humanos específicos durante el desarrollo adulto o fetal o ambos, incluidas las vías asociadas con la angiogénesis , la inflamación , la respuesta inmune , la señalización del objetivo mecanicista de la rapamicina (mTOR), la apoptosis , la tumorigénesis y la señalización del interferón gamma (IFN- γ ) y p53 . [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33]
En 2022, se descubrió que las aminoacil-ARNt sintetasas pueden incorporar aminoácidos alternativos durante la escasez de sus precursores. En particular, la triptofanil -ARNt sintetasa ( WARS1 ) incorporará fenilalanina durante el agotamiento del triptófano, lo que inducirá esencialmente una reasignación del codón W>F . [34] El agotamiento del otro sustrato de las aminoacil-ARNt sintetasas, el ARNt cognado, puede ser relevante para ciertas enfermedades, por ejemplo, la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth . Se demostró que las variantes de la glicil-ARNt sintetasa mutante de CMT aún pueden unirse al ARNt-gly pero no lo liberan, lo que lleva al agotamiento del grupo celular de glicil-ARNt-gly, lo que a su vez resulta en el estancamiento del ribosoma en los codones de glicina durante la traducción del ARNm. [35]
Las mutaciones en la enzima mitocondrial se han asociado con una serie de trastornos genéticos, incluidos el síndrome de Leigh , el síndrome de West y el CAGSSS ( cataratas , deficiencia de la hormona del crecimiento , neuropatía sensorial , pérdida auditiva neurosensorial y síndrome de displasia esquelética). [36]
