胺酰tRNA合成酶

氨酰tRNA合成酶^[1][2]（aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS，ARS）又称氨酰tRNA连接酶（aminoacyl-tRNA ligase^[3][4]），全称胺酰基转运核糖核酸合成酶，是一类催化特定胺基酸或其前体与对应tRNA发生酯化反应而形成氨酰tRNA的酶。此酶先将一种氨基酸连接到腺苷一磷酸（AMP）生成相应氨酰腺苷酸（aminoacyl adenylate^[5][6]），然后共价连接到tRNA3′端生成氨酰tRNA；属于一种催化氨基酸激活偶联反应的酶。

tRNA反密码子结合结构域
嗜热栖热菌（英语：Thermus thermophilus）的亮氨酰-tRNA合成酶与转移后编辑受质相似物（post-transfer editing substrate analogue）所结合成的复合体
鉴定
标志	Anticodon_2
Pfam	PF08264（旧版）
InterPro（英语：InterPro）	IPR013155
SCOP（英语：Structural Classification of Proteins）	1ivs / SUPFAM
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum（英语：PDBsum） 结构概要

DALR反密码子结合结构域1
嗜热栖热菌的精氨酰-tRNA合成酶
鉴定
标志	DALR_1
Pfam	PF05746（旧版）
Pfam宗系	CL0258（旧版）
InterPro（英语：InterPro）	IPR008909
SCOP（英语：Structural Classification of Proteins）	1bs2 / SUPFAM
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum（英语：PDBsum） 结构概要

DALR反密码子结合结构域2
半胱胺酰tRNA合成酶与半胱胺酸tRNA（tRNACys）复合体的晶体结构
鉴定
标志	DALR_2
Pfam	PF09190（旧版）
Pfam宗系	CL0258（旧版）
InterPro（英语：InterPro）	IPR015273
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum（英语：PDBsum） 结构概要

某种氨酰tRNA合成酶仅识别一种特定的氨基酸，因此每一种的胺基酸与tRNA的连接都需要专一性的氨酰tRNA合成酶来催化。氨酰tRNA合成酶的种类与标准胺基酸的数量一样都为20种。氨酰tRNA合成酶也是自然界中最古老的蛋白质之一^[7]。

功能

在翻译过程中，每种tRNA分子都需要与相应的胺基酸结合，然后将这些胺基酸运送到核糖体进行蛋白质合成。这种结合是在一系列氨酰tRNA合成酶的作用下完成的，这些酶通过酯化反应将正确的胺基酸与对应的tRNA分子相连接。连接反应的第一步是在合成酶作用下，ATP分子和对应的胺基酸（或其前体）结合形成氨酰AMP（腺苷酸），并释放出无机焦磷酸（PP_i）。然后，酶与氨酰AMP复合物再与正确的tRNA分子结合，催化胺基酸从氨酰AMP转移到tRNA的3'端最后一个碱基的2'-或3'-羟基上。一些合成酶还具有校对功能以确保tRNA结合的正确性：如果tRNA被发现与错误的胺基酸相连接，那么所形成的氨酰tRNA会通过水解重新被打开。^[8]

反应式

氨酰tRNA合成酶所催化反应的反应式如下：^[8]

1. 胺基酸 + ATP → 氨酰AMP + PPi
2. 氨酰AMP + tRNA → 氨酰tRNA + AMP

总反应式：胺基酸 + tRNA + ATP → 氨酰tRNA + AMP + PPi

胺基酸是通过其羧基（-COOH）与腺苷上的羟基（-OH）连接。因此，连接反应是一个酯化反应。

分类

根据序列和活性位点的结构的不同，氨酰tRNA合成酶可以被分为两大类：^[8][9]

• 类型I含有两个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上腺苷的2'-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为单体或二聚体。
  • 包括GluRS、GlnRS、ArgRS、CysRS、MetRS、ValRS、IleRS、LeuRS、TyrRS和TrpRS，其中CysRS、MetRS、TyrRS和TrpRS为同源二聚体，其余为单体
• 类型II含有三个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上同一个腺苷的3'-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为二聚体或四聚体。例外的是苯丙氨酰tRNA合成酶，虽然被归类于类型II，它催化的氨酰化发生2'-羟基上。
  • 包括GlyRS、AlaRS、ProRS、SerRS、ThrRS、HisRS、AspRS、AsnRS、LysRS和PheRS，其中AlaRS为同源四聚体，GlyRS和PheRS异源四聚体，其余为同源二聚体

无论氨酰基开始被连接到腺苷上的哪一个羟基上，最终都会连接到3'羟基上，因为2'-O-氨酰tRNA会通过酯交换反应（transesterification）转移到3'羟基上。

结构

两类氨酰tRNA合成酶都是多结构域蛋白质。典型的情况下，一个氨酰tRNA合成酶是由一个催化结构域（以上反应发生的区域）和一个反密码子结合结构域（与tRNA上的反密码子作用的区域，来保证胺基酸结合到正确的tRNA分子上）。一些氨酰tRNA合成酶还具有RNA结合结构域和“编辑”结构域，负责将不正确连接的氨酰tRNA重新打开。^[10]

同一类型中所有的氨酰tRNA合成酶的催化结构域都是同源的，但两个类型（类型I和II）之间却没有同源关系。类型I的氨酰tRNA合成酶普遍具有罗斯曼折叠和反平行的β折叠结构，而类型II的酶则具有不同的由反平行的β折叠所形成的结构。

进化

同一专一性中多数氨酰tRNA合成酶在进化上的相关性比而不同专一性之间要高得多。然而，天冬酰氨酰tRNA合成酶（AsnRS）和谷氨酰氨酰tRNA合成酶（GlnRS）则分别相似于天冬氨酰tRNA合成酶（AspRS）和谷氨酰tRNA合成酶（GluRS）。大多数氨酰tRNA合成酶属于类型I或II，而赖氨酰tRNA合成酶（LysRS）则具有两个版本：一个属于类型I，另一个属于类型II。^[11]

多数氨酰tRNA合成酶的每一种都具有典型的进化分布规律，即可以古菌、细菌和真核生物来分组，相应组别中的酶进化关系接近。