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結構生物化學/核酸/RNA/轉運RNA (tRNA)

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概述

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轉運RNA (tRNA) 具有初級、二級和三級（L 形）結構。tRNA 與活化的氨基酸結合，並將它們轉移到核糖體。一旦到達核糖體，起始 tRNA 將氨基酸與核糖體結合以啟動翻譯。它攜帶氨基酸並與信使RNA (mRNA) 結合形成蛋白質。

tRNA 的結構包含氨基酸附著位點和模板識別位點。模板識別位點稱為反密碼子，包含三個鹼基的序列，與 mRNA 上的密碼子互補。tRNA 從細胞的核到達細胞質。每個 tRNA 可以重複使用以從核中的 DNA 轉錄。

有 61 個不同的反密碼子序列，它們編碼 20 個氨基酸。然而，大多數原核細胞只有 30-40 個不同的 tRNA，真核細胞大約有 50 個不同的 tRNA。這是密碼子的第三個核苷酸，也稱為擺動鹼基，允許反密碼子與密碼子的擺動配對。

酵母苯丙氨酸 tRNA 的晶體結構示例。

蛋白質合成中的作用

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在蛋白質合成中，tRNA 分子將特定的活化氨基酸帶到該位點。氨基酸與 tRNA 末端腺苷酸的 3' 或 2' 羥基酯化。這種 tRNA 和氨基酸的結合形成氨醯-tRNA，並由一種叫做氨醯-tRNA 合成酶 (aaRS) 的特異性酶催化。每種氨基酸有 20 種氨醯-tRNA 合成酶。類似地，每種 tRNA 都有一個特定的 aaRS。酯化反應也稱為 tRNA 的充電，由 ATP 提供動力。

蛋白質合成過程從帶電 tRNA（附著有氨基酸的 tRNA）、mRNA 以及小核糖體亞基和大核糖體亞基聚集在一起並形成起始 c 複合物開始，起始 c 複合物包含一個肽醯結合位點 (P 位點) 和一個氨醯結合位點 (A 位點)。第一個 tRNA，也稱為起始 RNA，與 mRNA 起始密碼子 AUG 結合；因此，鏈中的第一個氨基酸是甲硫氨酸。為了將額外的氨基酸新增到多肽鏈中，第二個帶電 tRNA 必須進入，並且其反密碼子必須與空閒 A 位點中的下一個 mRNA 密碼子結合。P 位點和 A 位點非常接近，因此允許透過使 P 位點中的氨基酸的羧基末端與 A 位點中的 tRNA 上的氨基酸的氨基末端反應來形成穩定的肽鍵。該反應由肽醯轉移酶催化。複合物沿著 RNA 移動，這個過程稱為易位，導致 P 位點中的 tRNA 被取代。然後，A 位點中的 tRNA 移動到 P 位點，以便另一個帶電 tRNA 可以移動到 A 位點。該過程持續進行，直到遇到終止密碼子，多肽鏈從核糖體釋放。

1. 氨基酸 + ATP --> 氨醯-AMP + PPi 2. 氨醯-AMP + tRNA --> 氨醯-tRNA + AMP

[1]

tRNA 結構

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tRNA
tRNA

2. 二級結構

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由於四個鹼基配對的莖（也稱為臂），二級結構形成類似三葉草的結構。三葉草包含三個非鹼基配對的環：D 環、反密碼子環和 TpsiC 環。末端 CCA 沒有鹼基配對。它與 5' 段和 3' 段雙鏈。

受體莖不是環，是氨醯-tRNA 合成酶附著氨基酸的位點。它位於與讀取 mRNA 的反密碼子臂相對的位置。

有不同型別的環。在 D 環中，D 臂結束。反密碼子臂以反密碼子環結束。在圖中，它顯示了環結構內部存在的氫鍵。氫鍵穩定了結構。

3. 三級結構

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對於三級結構，可以將其描述為 L 形的緊湊結構。它是三維的。該結構透過鹼基配對和鹼基堆積結合並穩定。D 環和 TΨC 環中核苷酸之間的鹼基對。在 L 形的末端是稱為反密碼子的三個鹼基序列。

反密碼子

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轉運RNA 的反密碼子區域是三個鹼基的序列。它們與信使RNA 中的密碼子互補。在翻譯中，其反密碼子與信使密碼子的配對使核糖體靠近。氨基酸在其 3' 端附著。它將是肽鍵。在原核細胞中，大約有 35 個具有不同反密碼子的 tRNA。在真核細胞中，有 50 個具有反密碼子的 tRNA。具有反密碼子 CCC 的 tRNA 與反密碼子 GGG 互補。反密碼子 AAA 與反密碼子 UUU 互補。由於每種型別的 tRNA 都有一個不同的反密碼子，因此 tRNA 的反密碼子能夠很好地識別其他 tRNA。

tRNA 氨醯化

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氨醯-tRNA 是 tRNA 的氨基酸酯。可以稱為帶電 tRNA。當 tRNA 的反密碼子形成多肽鏈時，反應在熱力學上是不利的。所以，氨醯-tRNA 用於啟用形成。在 tRNA 分子的氨醯化中，氨基酸被酯化到包含相應反密碼子的 tRNA 的 3' 端。結果，氨醯-tRNA 將氨基酸連線到 tRNA。這些氨基酸和 tRNA 的配對定義了遺傳密碼。氨醯-tRNA 合成酶 (AARSs) 催化 tRNA 的氨醯化。在此過程中，遺傳資訊從基因的核苷酸序列傳遞到蛋白質的氨基酸序列，此過程起著重要作用。當發生錯誤時，氨醯-tRNA 合成酶會透過結構進行編輯機制。此外，它可以防止錯誤合成並釋放不應放置的氨醯化 tRNA。

氨醯-tRNA 合成酶 (AARSs)

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AARSs 是一種酶，它催化特定氨基酸與 tRNA 的酯化反應，形成氨醯-tRNA。AARSs 在蛋白質合成過程中的翻譯中起著重要作用。在最近的研究中，科學家發現 AARSs 還在翻譯外起作用。

AARSs 在翻譯中的作用

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蛋白質翻譯的準確性取決於氨醯-tRNA合成酶 (AARSs) 對需活化的氨基酸和相應 tRNA 分子的識別準確性。這是翻譯保真度中至關重要的一步。所有 AARSs 都執行相同的兩步反應。

步驟 1：AARSs 將 ATP 與氨基酸結合，誘導形成一個氨醯腺苷酸中間體，其中 ATP 的 5'-磷酸與氨基酸的羧基末端形成共價連線。[2][3] 接下來，AARSs 利用 ATP 水解產生的能量來活化氨基酸，從而形成氨醯-AMP，作為能量儲存。[4]


步驟 2：氨基酸被轉移到相應的 tRNA，並共價結合到 tRNA 3' 末端腺苷的 2'OH 或 3'OH 上。氨醯-AMP 中儲存的能量被用於將氨基酸轉移到 tRNA，形成氨醯-tRNA。


AARSs 在翻譯外的作用

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最近的研究證實，AARSs 的修飾版本和天然片段在翻譯後的功能中發揮作用。AARSs 的相互作用似乎處於控制血管生成、炎症、代謝和腫瘤發生的穩態機制的核心。[5] 透過一些最近的實驗，發現 AARSs 的翻譯後功能是人 TrpRS 和 TyrRS 的天然細胞外片段在血管生成中的相互作用。發現 TyrRS 具有一個核定位訊號，該訊號受其相應 tRNA（稱為 tRNA-Tyr）控制，因此 tRNA-Tyr 水平的降低將增加 AARSs 的核輸入水平，從而誘導對許多基因調控機制的影響。相反，tRNA-Tyr 水平的升高將降低 TyrRS 的水平。因此，TyrRS 的亞細胞分佈直接受蛋白質合成的需求控制，這種控制是平衡翻譯和翻譯後功能的穩態機制的一個例子。[6]。

然而，最近的研究也表明，AARSs 的翻譯後功能受到調節，這與上面的討論形成對比。這種調節被認為是一種自動平衡過程，其中一個天然片段控制其自身原始蛋白質的活性。因此，需要進一步的研究來確認 AARSs 在翻譯後功能中的具體作用。

與核糖體的結合

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tRNA 的功能是在翻譯過程中將氨基酸帶到核糖體。

tRNA 將結合到核糖體的 A、P 和 E 位點。A 位點將結合到氨醯-tRNA，該氨醯-tRNA 受與該位點結合的密碼子的訊號控制。密碼子也將指示肽鏈中下一個正確的氨基酸。但 A 位點只有在 P 位點與氨醯-tRNA 相連時才會起作用。P 位點實際上被一個稱為肽醯-tRNA 的包含幾個氨基酸的鏈佔據。它攜帶合成的氨基酸鏈。最後，E 位點攜帶空的 tRNA。

tRNA 的三維影像。

顏色

橙色：CCA 尾巴

紫色：受體莖

紅色：D 臂

藍色：反密碼子臂

黑色：反密碼子

綠色：T 臂

由線粒體 tRNA 基因突變引起的疾病

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線粒體是細胞中的一個細胞器，它包含 22 個 tRNA。tRNA 的基因突變會導致嚴重的疾病。由線粒體 tRNA 基因突變引起的基因病有七種。

基底神經節鈣化、小腦萎縮、乳酸升高；一位被診斷為 MELAS 的患者的 CT 影像。

1- 與 MELAS（線粒體腦肌病、乳酸酸中毒和中風樣發作）相關的 np5601 G->A 和 np3243 A->G 基因突變。大多數患者在 40 歲之前出現癲癇和乳酸酸中毒。有些人會在 20-30 歲期間死亡。

2- 與 MERRF（肌陣攣性癲癇伴有紅碎纖維）相關的 np8363 G->A、np8356 T->C 和 np8344 A->G 基因突變。MERRF 影響中樞神經系統，導致癲癇、痴呆和脊柱後凸。

MELAS 綜合徵中“紅碎纖維”的例子。

3- 與 LIMM（致死性嬰兒線粒體肌病）相關的 np4274 T->C 基因突變。大多數患者是新生兒，出現神經缺陷和乳酸酸中毒，並在一個月內死亡。

4- 與亞急性壞死性腦脊髓病 (SNE) 相關的 np1644 G->T 基因突變。該病是家族性常染色體隱性遺傳，發生在新生兒身上。

5- 與橫紋肌溶解症相關的 np606 A->G 基因突變。肌肉細胞產生的毒素是導致橫紋肌溶解症的主要原因。

6- 與脾淋巴瘤相關的 np4500 G->A 基因突變。脾淋巴瘤是發生在脾臟上的常見惡性腫瘤。通常，脾淋巴瘤是由晚期淋巴瘤轉移引起的。

7- 與帕金森病和阿爾茨海默病相關的 np4336 A->G、np15927 和 np15928 基因突變。帕金森病是中樞神經系統的退行性疾病。

參考資料

1. 線粒體疾病的遺傳：http://wenku.baidu.com/view/fe5a99ea172ded630b1cb69b.html

2. 人線粒體 tRNA 的疾病：http://wenku.baidu.com/view/95fabd1fa300a6c30c229f93.html

3.http://baike.baidu.com/view/1120527.html

4.http://baike.baidu.com/view/2219175.html

5.https://wikibook.tw/wiki/Structural_Biochemistry/Nucleic_Acid/Translation

6. https://wikibook.tw/wiki/Structural_Biochemistry/Nucleic_Acid/RNA/Messenger_RNA_(mRNA)

7. http://www.wiley.com/college/boyer/0470003790/structure/tRNA/trna_intro.htm

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  1. ↑ http://www.wiley.com/college/boyer/0470003790/structure/tRNA/trna_intro.htm
  2. ↑ Desogus, Gianluigi; Flavia Todone; Peter Brick; and Silvia Onesti. "Active Site of Lysyl-tRNA Synthetase: Structural Sudies of the Adenylation Reaction. Biochemistry, 2000 vol 39, 8418-8425.
  3. ↑ Klug, William, and Michael Cummings. Concepts of Genetics.5th Edition. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1997.
  4. ↑ Hartweel, Leland; Leroy Hodd; Michael Goldberg; Ann Reynolds; Lee Silver; and Ruth Veres. Genetics: From Genes to Genomes. Boston: Mgraw-Hill, 1999.
  5. ↑ Guo, Min, and Paul Schimmel. "ScienceDirect.com - Trends in Biochemical Sciences - Homeostatic mechanisms by alternative forms of tRNA synthetases." ScienceDirect.com | Search through over 11 million science, health, medical journal full text articles and books.. N.p., n.d. Web. 7 Dec. 2012. <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000412001077>.
  6. ↑ G. Fu et al. tRNA-controlled nuclear import of a human tRNA synthetase J. Biol. Chem., 287 (2012), pp. 9330–9334
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