氨醯tRNA合成酶：機制、結構和應用

---

簡介

蛋白質合成，即從氨基酸合成蛋白質的過程，是所有生物體中的一個基本過程。此過程需要許多不同分子的協作，包括核糖體、轉移 RNA（tRNA）和氨醯tRNA合成酶（aaRS）。在本文中，我們將重點關注 aaRS，即負責將氨基酸連線到 tRNA 的酶，它們對於正確讀取遺傳密碼和準確合成蛋白質至關重要。

什麼是氨醯tRNA合成酶？

• 氨醯tRNA合成酶 (aaRS) 是一類催化特定氨基酸與其對應的 tRNA 連線的酶，這一過程稱為氨醯化或載入。

• aaRS 確保每個氨基酸都連線到相應的 tRNA，而 tRNA 又會結合到指定該氨基酸的 mRNA 密碼子上。

• 因此，aaRS 在維持遺傳密碼的保真度中起著至關重要的作用，因為氨醯化錯誤會導致氨基酸的錯誤摻入，並最終導致蛋白質功能障礙。

氨醯tRNA合成酶的進化

• AaRS 是古老的酶，經過數十億年的進化以適應不同生物體的多樣化氨基酸庫。

• 目前的共識是，最早的 aaRS 可能是在沒有蛋白質酶的情況下催化氨基酸與其相應 tRNA 連線的基於 RNA 的酶。

• 後來，隨著蛋白質的進化，一些基於 RNA 的 aaRS 可能被基於蛋白質的 aaRS 取代，後者提供了更高的效率和特異性。

氨醯tRNA合成酶的型別

• aaRS 主要有兩大類：I 類和 II 類，它們在結構和催化特徵上有所不同。

• I 類 aaRS 通常連線具有疏水側鏈的氨基酸，例如亮氨酸和異亮氨酸。

• 而 II 類 aaRS 連線具有極性或帶電側鏈的氨基酸，例如穀氨酸和賴氨酸。

• 在每個類別中，根據識別到的特定氨基酸和 tRNA 進一步細分。

氨醯tRNA合成酶的機制

aaRS 催化的氨醯化反應分兩個步驟進行：啟用和轉移。在啟用步驟中，aaRS 使用 ATP 啟用氨基酸，形成氨醯-AMP 中間體。

在轉移步驟中，活化的氨基酸從 aaRS 轉移到 tRNA，形成氨醯-tRNA 複合物。轉移步驟具有高度特異性，因為 aaRS 既識別氨基酸，也識別 tRNA 的反密碼子環。

氨醯tRNA合成酶的結構

儘管氨基酸序列和催化機制存在多樣性，但 aaRS 的結構在不同生物體中高度保守。

• I 類 aaRS 通常由兩個球狀結構域組成，其中一個結合氨基酸，另一個結合 tRNA。

• 另一方面，II 類 aaRS 通常具有一個單一的催化結構域，既結合氨基酸又結合 tRNA。

• aaRS 的活性位點通常位於結構域之間的裂縫或凹槽中，這有利於底物的識別和結合。

氨醯tRNA合成酶的應用

AaRS 在基礎研究和生物技術中都有許多實際應用。

• 一個重要的應用是建立將非天然氨基酸摻入蛋白質的人工遺傳系統。

• 透過改造 aaRS 以識別和連線新的氨基酸，研究人員能夠擴充套件遺傳密碼並創造出具有新特性和功能的新型蛋白質。

• aaRS 的另一個應用是開發針對細菌 aaRS 的抗生素，抑制蛋白質合成並殺死細菌。

• 最後，aaRS 也用於生產用於治療和診斷目的的合成肽和蛋白質。

結論

總之，氨醯tRNA合成酶是蛋白質合成中的關鍵酶，可確保氨基酸準確連線到 tRNA。透過它們的進化和多樣化的結構，aaRS 使遺傳密碼能夠被讀取並翻譯成所有生物體中的功能性蛋白質。它們在研究和生物技術中的應用突出了了解這些酶及其機制的重要性，以便操縱和利用它們的潛力。

常見問題

Q1. 人類有多少種氨醯tRNA合成酶？

A1. 人類有 20 種不同的 aaRS，每種都針對 20 種氨基酸中的一種。

Q2. 氨醯tRNA合成酶會出錯嗎？

A2. 是的，aaRS 會出錯並將錯誤的氨基酸連線到 tRNA，導致氨基酸的錯誤摻入並可能產生有害影響。

Q3. 靶向 aaRS 的抗生素是如何起作用的？

A3. 四環素和大環內酯等抗生素會結合到細菌 aaRS 上並抑制其活性，從而阻止氨基酸與 tRNA 的連線並阻斷蛋白質合成。

Q4. aaRS 可以用來創造具有新功能的蛋白質嗎？

A4. 是的，透過改造 aaRS 以識別和連線新的氨基酸，研究人員可以創造出具有新特性和功能的新型蛋白質。

Q5. aaRS 對所有生物體都至關重要嗎？

A5. 是的，aaRS 對所有利用遺傳密碼合成蛋白質的生物體都至關重要。