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 afín específico o su precursor a uno de todos sus ARNt afines compatibles para formar un aminoacil-ARNt . En los seres humanos, los 20 tipos diferentes de aa-tRNA son producidos por 20 aminoacil-tRNA 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 se carga el ARNt, un ribosoma puede transferir el aminoácido del ARNt a un péptido en crecimiento , según el código genético. Por lo tanto, el aminoacil ARNt desempeña un papel importante en la traducción del ARN , la expresión de genes para crear proteínas.
La sintetasa primero se une al ATP y al aminoácido correspondiente (o su precursor ) para formar un aminoaciladenilato, 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'-. fin .
El mecanismo se puede resumir en la siguiente serie de reacciones:
Sumando las reacciones, la reacción general 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 agrega el ARNt incorrecto (es decir, se descubre que el ARNt está cargado incorrectamente), el enlace aminoacil-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 participan en el metabolismo. Aunque no todas las sintetasas tienen un dominio con el único propósito de editar, hacen lo compensa al tener unión específica y activación de sus aminoácidos afiliados. Otra contribución a la precisión de estas sintetasas es la proporción de concentraciones de aminoacil-tRNA sintetasa y su tRNA afín, ya que la tRNA sintetasa acila incorrectamente el tRNA cuando la sintetasa se sobreproduce. , debe existir un límite en los niveles de aaRS y tRNA in vivo [1] [2] .
Hay dos clases de aminoacil ARNt sintetasa, cada una compuesta por diez enzimas: [3] [4]
Los aminoácidos están unidos al grupo hidroxilo (-OH) de la adenosina a través del grupo carboxilo (-COOH).
Independientemente de dónde se une inicialmente el aminoacilo al nucleótido, el 2'- O- aminoacil-ARNt finalmente migrará a la posición 3' mediante transesterificación .
Las aminoacil-ARNt sintetasas 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 las reacciones anteriores) y un dominio de unión al anticodón (que interactúa principalmente con la región del anticodón del ARNt). Los ARN de transferencia para diferentes aminoácidos difieren no sólo 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 de ARN adicionales y dominios de edición [8] que escinden moléculas de aminoacil-ARNt emparejadas incorrectamente.
Se encuentra que los dominios catalíticos de todas las aaRS de una clase determinada 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 a la citidililtransferasa que se observa en proteínas como la glicerol-3-fosfato citidililtransferasa, la nicotinamida nucleótido adenililtransferasa y la FAD sintasa de arqueas, mientras que las aaRS de clase II tienen un pliegue único relacionado con biotina y lipoato ligasas.
El dominio de unión al anticodón alfa helicoidal de las arginil-, glicil- y cisteinil-tRNA sintetasas se conoce como dominio DALR en honor a los aminoácidos conservados característicos . [9]
Las aminoacil-ARNt sintetasas se han estudiado cinéticamente, lo que demuestra que los iones Mg 2+ desempeñan un papel catalítico activo y, por lo tanto, los aaR tienen cierto grado de dependencia del magnesio. El aumento de la concentración de Mg 2+ conduce a un aumento de las constantes de equilibrio de las reacciones de las aminoacil-ARNt sintetasas. Aunque esta tendencia se observó tanto en las sintetasas de clase I como en las 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 Mg 2+ , mientras que las de clase I solo requieren un ion Mg 2+ . [10] [11]
Además de su falta de similitud general en la secuencia y estructura, las sintetasas de clase I y clase II presentan diferentes mecanismos de reconocimiento de ATP. Mientras que la clase I se une mediante 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 ATP. Esta implementación oposicional se manifiesta en dos motivos estructurales, los soportes de la columna vertebral y las pinzas de arginina, que son observables en todas las estructuras de clase I y clase II, respectivamente. La alta conservación estructural de estos motivos sugiere que debieron estar presentes desde la antigüedad. [12]
La mayoría de las aaRS de una especificidad determinada están evolutivamente más cerca entre sí que de las aaRS de otra especificidad. Sin embargo, AsnRS y GlnRS se agrupan dentro de AspRS y GluRS, respectivamente. La mayoría de las RSa de una especificidad determinada también pertenecen a una sola clase. Sin embargo, existen dos versiones distintas del LysRS: una que pertenece a la familia de clase I y la otra a la familia de clase II. [ cita necesaria ]
Las filogenias moleculares de los aaRS a menudo no son consistentes con las filogenias de organismos 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. Estos son indicios claros 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, lo que significa que cada organismo tiene todos los aaRS para sus aminoácidos correspondientes, es errónea. Un análisis genómico a gran escala de ~2500 genomas procarióticos mostró que a muchos de ellos les falta uno o más genes aaRS, mientras que muchos genomas tienen uno o más parálogos. [14] AlaRS, GlyRS, LeuRS, IleRS y ValRS son los miembros evolutivamente más estables de la familia. GluRS, LysRS y CysRS suelen tener parálogos, mientras que AsnRS, GlnRS, PylRS y SepRS suelen estar ausentes en 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 diversas formas de vida. Una nueva función común dentro de las aaRS humanas es proporcionar una regulación adicional de los procesos biológicos. Existe la teoría de que el creciente número de aaRS que agregan dominios se debe a la evolución continua de organismos superiores con componentes básicos y mecanismos biológicos más complejos y eficientes. Una prueba clave de esta teoría es que después de agregar un nuevo dominio a un aaRS, el dominio queda completamente integrado. La funcionalidad de este nuevo dominio se conserva a partir de ese momento. [dieciséis]
A medida que la eficiencia genética evolucionó en organismos superiores, se agregaron 13 nuevos dominios sin asociación obvia con la actividad catalítica de los genes aaRS.
En algunas de las aminoacil ARNt sintetasas, la cavidad que contiene el aminoácido puede mutarse y modificarse para transportar aminoácidos no naturales sintetizados en el laboratorio y unirlos a ARNt específicos. Esto expande el código genético, más allá de los veinte aminoácidos canónicos que se encuentran en la naturaleza, para incluir también un aminoácido no natural. El aminoácido no natural está codificado por un triplete sin sentido (TAG, TGA, TAA), un codón cuatrillizo o, en algunos casos, un codón raro redundante. El organismo que expresa la sintetasa mutante puede luego programarse genéticamente para incorporar el aminoácido no natural 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, se puede comenzar con el gen de una proteína que se une a una determinada secuencia de ADN y, dirigiendo un aminoácido no natural con una cadena lateral reactiva al sitio de unión, crear una nueva proteína que corte el ADN en el sitio objetivo. -secuencia, en lugar de vincularla.
Al mutar las aminoacil ARNt sintetasas, 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 Aminoácidos activos redox. [17] Otro uso es la introducción de aminoácidos que contienen grupos funcionales reactivos para modificar químicamente la proteína objetivo.
La causa de ciertas enfermedades (como patologías neuronales, cáncer, trastornos metabólicos y trastornos autoinmunes) se ha correlacionado con mutaciones específicas de aminoacil-tRNA sintetasas. Charcot-Marie-Tooth (CMT) es el trastorno hereditario más frecuente del sistema nervioso periférico (una enfermedad neuronal) y está causado 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 de ARNt mitocondrial. También se ha descubierto que las ARNt sintetasas 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 las aaRS y determinadas enfermedades han abierto una nueva puerta a la síntesis de terapias. [20]
Las nuevas adiciones de dominio a los genes aaRS son acumulativas y progresivas hacia arriba 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 posteriormente revelaron una capa de biología previamente no reconocida: 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 , el objetivo mecanicista de la señalización 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-trna 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, induciendo esencialmente una reasignación de codones W>F . [34] El agotamiento del otro sustrato de las aminoacil-ARNt sintetasas, el ARNt afín, puede ser relevante para ciertas enfermedades, por ejemplo, la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth . Se demostró que las variantes de glicil-ARNt sintetasa mutante en CMT todavía son capaces de unirse a ARNt-gly pero no logran liberarlo, lo que lleva al agotamiento de la reserva celular de glicil-ARNt-gly, lo que a su vez resulta en el estancamiento del ribosoma en 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]
