Genom mitochondrialny kręgowców jest bardzo

zwarty

-

zredukowanie do minimum

ilości potrzebnych genów kodujących

tRNA

-

brak niefunkcjonalnych sekwencji

międzygenowych

-

geny

kodujące

rRNA

są

wyjątkowo

krótkie,

współczynnik

sedymentacji rRNA

dużej i małej podjednostki wynosi odpowiednio

16S i 12S

-

niektóre geny są skrócone i nie zawierają standardowych kodonów
terminacyjnych,

które są wprowadzane w procesie redagowania

przez

poliadenylację (końcowy kodon U lub UA w UAAAA…)

Działanie syntetaz aminoacylo-tRNA (aaRS)

Do aminoacylacji tRNA potrzebna jest hydroliza ATP

tRNA jest „naładowywany” odpowiednim aminokwasem

przez specyficzne syntetazy aminoacylo-tRNA

aminokwas

aminoacyloadenylan

aminoacylo-
tRNA

1.

2.

Dwa etapy reakcji

1.

AMP zostaje związany z

grupą karboksylową
aminokwasu
- powstaje aminoacyloadenylan

2.

aminoacyloadenylan reaguje

z odpowiednim,
nienaładowanym tRNA
-

reakcja z 2’OH lub 3’OH (w

zależności od syntetazy)

Aminokwas połączony jest z tRNA za pomocą

wiązania estrowego

Klasyfikacja syntetaz aminoacylo-tRNA

Klasa I

Klasa II

Arg (α)

Ala (α

4

)

Cys (α)

Asn (α

2

)

Gln (α)

Asp (α

2

)

Glu (α)

Gly (α

2

β

2

)

IIe (α)

His (α

2

)

Leu (α)

Lys (α

2

)

Met (α)

Phe (α

2

β

2

)

Trp (α

2

)

Ser (α

2

)

Tyr (α

2

)

Pro (α

2

)

Miejsca wiążące syntetaz aminoacylo-tRNA

Różnice w budowie syntetaz klasy I i klasy II

Właściwości syntetaz aminoacylo-tRNA

Klasa aaRS

I

II

Charakterystyczna sekwencja

aminokwasowa

HIGH, KMSKS

1) a

d

Ga

h

xxa

h

xxPa

h

a

h

(2) a

d

a

h

a

h

xa

h

xxx(F/Y/H)RxE

(R/H)xxxFxxx(D/E)

(3) xa

h

Ga

h

Ga

h

Ga

h

ERa

h

a

h

a

h

a

h

a

h

Centrum katalityczne

struktura Rossmanna

struktura

antyrównoległa

Miejsce wiązania syntetazy do tRNA

mniejsza bruzda tRNA

większa bruzda tRNA

Miejsce aminoacylacji

przy końcowej

rybozie tRNA

2 ’OH

3 ’OH (z wyjątkiem PheRS)

Podklasy aaRS:

a

b

c

d

Arg, Cys, Ile, Leu, Met, Val

Tyr, Trp

Gin, Glu

His, Thr, Pro, Ser

Asp, Asn, Lys

Ala, Gly

Phe

Kamińska i wsp., 2002, Postępy Biochemii, 48, 189- 199

Różnice w budowie aaRS prokariotycznych i

eukariotycznych

-

najstarszą ewolucyjnie domeną aaRS jest centrum katalityczne

-

główne różnice w budowie dotyczą końców N- i C-terminalnych

-

różnice w strukturę aaRS prokariotycznych i eukariotycznych mają ogromne znaczenie w

projektowaniu leków

Domeny wspólne dla aaRS i innych białek

Skupińska i wsp., 2009, Postępy Biochemii, 55, 373- 384

Wiązanie tRNA do syntetaz klasy I i klasy II

Swoistość procesu rozpoznawania tRNA przez

aaRS

• Rozpoznanie – identyfikacja danego tRNA przez odpowiednią

syntetazę dzięki specyficznym elementom strukturalnym tRNA

• Identyczność (tożsamość) tRNA – aktywność akceptorowa

tRNA

obejmująca

pozytywne

i

negatywne

elementy

rozpoznania

Interakcja

kodon-antykodon

decyduje

o

wbudowaniu

do

nowosyntetyzowanego
polipeptydu

tRNA

Ala

tRNA

Cys

3

C-G

70

Determinanty cząsteczki tRNA

mini-tRNA

Antydeterminanty

cząsteczki tRNA

•

Antydeterminanty to pojedyncze lub sparowane zasady, które
uniemożliwią błędną aminoacylację

•

tRNA

Ile

modyfikacja L34 zapobiega błędnej aminoacylacji przez syntetazę

specyficzną dla tRNA

Met

•

Cząsteczki, które są substratami dla syntetaz aminoacylo-tRNA klasy I
zawierają antydeterminanty przeciwko enzymom klasy II (tRNA

Leu

/SerRS) i

odwrotnie (tRNA

Asp

/ArgRS)

•

Najprawdopodobniej wszystkie tRNA zawierają antydeterminanty
przeciwko kilku syntetazom

•

Enzym PheRS rozpoznaje i aminoacyluje z dużą wydajnością tRNA

Asp

do

którego wprowadzono główne determinanty fenyloalaniny

Syntetazy rozpoznają kilka charakterystycznych

zasad w tRNA

tRNA Mutacje w tRNA zmieniające oddziaływanie z syntetazą

Syntetazy klasy I

Walinowa 3 zasady antykodonu

Metioninowa 3 zasady antykodonu

Izoleucynowa modyfikacja w pozycji C34 ramienia antykodonowego

Glutaminiowa U35 w antykodonie; U1-A72 i G73 w ramieniu akceptorowym

Syntetazy klasy II

Fenyloalaninowa 3 zasady antykodonu; G20 w pętli D

Serynowa G1-C72; G2-C71; A3-U70 bp w ramieniu antykodonowym; C11-G24 w D

Alaninowa G3-U70 bp w ramieniu akceptorowym

Zmiany struktury tRNA

po związaniu z syntetazą

Korekta kinetyczna redukuje
błędy oddziaływania tRNA i
syntetazy

Korekta chemiczna jest istotna w rozpoznawaniu
odpowiedniego aminokwasu przez syntetazę

Korekta chemiczna jest istotna rozpoznawaniu
odpowiedniego aminokwasu przez syntetazę

Ułożenie miejsc aktywacji i edycji w

syntetazie

aaRS jako cel molekularny w terapii

przeciwbakteryjnej

-

zapotrzebowanie na nowe leki

-

rozwój wiedzy w zakresie struktury i funkcji aaRS

-

podobieństwo poszczególnych enzymów w obrębie gatunku i pomiędzy
blisko spokrewnionymi bakteriami chorobotwórczymi

-

różnice w strukturze i działaniu syntetaz pochodzących z organizmów
odległych ewolucyjnie stwarzają szansę na opracowanie nowych leków
hamujących specyficznie tylko enzym bakteryjny

-

powszechność występowania syntetaz

-

brak u bakterii izoenzymów poszczególnych syntetaz

-

występowanie w obrębie aaRS wielu potencjalnych miejsc wiązanie
inhibitora

-

istnienie wielu naturalnych inhibitorów aaRS o niskiej toksyczności

Inhibitory syntetaz aminoacylo-tRNA

Substancje pochodzenia naturalnego

Inhibitory syntetyczne

Mupiorycyna (kwas psudomonowy)
Psudomonas fluorescens

Inhibitory na bazie cząsteczki

aminoacyloadenylanu z modyfikacją:

Borelidyna, Streptomyces albovinaceous

nietrwałego wiązania fosfodiestrowego

Agrocyna, Agrobacterium radiobacter

rybozy

adeniny

reszty aminokwasowej

na podstawie Skupińska i wsp., 2009, Postępy Biochemii, 55, 373- 384

Różne funkcje syntetaz aminoacylo-tRNA

Syntetazy aminoacylo-tRNA

Aminoacylacja

Aminoacylacja

wirusowych

RNA

Biosynteza

chlorofilu

Regulacja

transkrypcji

Dojrzewanie

RNA

Apoptoza

Biosynteza
alarmonów

Aktywność

cytokin

Regulacja

translacji

Skupińska i wsp., 2009, Postępy Biochemii, 55, 373- 384

Rola aaRS

w etiologii chorób u ludzi

• Choroby autoimmunologiczne

-

miopatie zapalne (toczeń rumieniowaty, reumatoidalne zapalenie stawów,

zapalenie mięśni)

• Choroby układu nerwowego

- encefalopatie, ataksje, leukodystrofia

-

choroba Alzheimera i Parkinsona (w złogach β-amyloidu wykryto TrpRS)

• Choroby nowotworowe

-

podwyższony poziom aaRS w raku okrężnicy (MetRS), raku jelita grubego

(IleRS), raka piersi (LysRS), raka tarczycy (GlyRS), raku płuc i przewlekłej
białaczce szpikowej (PheRS)

• Udział MetRS w arteriosklerozie

-

homocystena błędnie rozpoznawana jest przez MetRS

Homocysteina

Metionina (Met)

Homocysteina (Hey)

Tiolakton homocysteiny

Borowska i wsp., 2008. Diabetologia Praktyczna 2008, tom 9, 3

–4, 182–186

Szlak przemian homocysteiny w komórce