Proteinsynthese: Kapitel I-3. Der Translationsapparat

1. Proteinsynthese: Kapitel I-3. Der Translationsapparat F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes 1. Das Aminoacyl-tRNA 01 2. Aktivation der Aminosäuren durch Adenylierung: chemische Vorgänge und 02 Energiebilanz 3. Aminoacylt-tRNA-Synthetasen und die Aminosäureaktivierung 03 4. Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase steigert die Genauigkeit der Proteinsynthese 04 5. Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase findet statt ohne dass das Aminoacyl- tRNA sich von der Synthetase lösen muss 05 6. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen die Anticodonschleife und den Akzeptorstamm der tRNA-Moleküle 06 7. Wechselwirkungen mit der Anticodonschleife und den Akzeptorstamm der tRNA-Moleküle der Glutaminyl-tRNA-Synthetase 07 8. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen werden in zwei Klassen eingeteilt: Klasse I 08 9. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen der Klasse II 09

2. 1 Proteinsynthese: Kapitel I-3. Der Translationsapparat F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 1. Das Aminoacyl-tRNA: • Die Kopplung der richtigen Aminosäure an eine bestimmte tRNA ist von entscheidender Bedeutung und zwar aus zwei Gründen: • Erstens wird durch die Anheftung einer bestimmten Aminosäure an eine spezifische tRNA der genetische Code umgesetzt: eine mit einer tRNA verbundene Aminosäure wird in die wachsende Polypeptidkette an der Position eingebaut, die durch das Anticodon der tRNA determiniert wird. • Zweitens ist das Zustandekommen einer Peptidbindung zwischen freien Aminosäuren thermodynamisch ungünstig. Die Aminosäure muss zunächst aktiviert werden. • Die aktivierten Zwischenprodukte in der Proteinsynthese sind Aminosäureester, bei denen die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der 2'- oder 3'-Hydroxylgruppe der Ribose am 3'-Ende der tRNA verknüpft ist. • Einen solchen Aminosäureester der tRNA bezeichnet man als Aminoacyl-tRNA oder manchmal als beladene tRNA.

3. 2 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 2. Aktivation der Aminosäuren durch Adenylierung: chemische Vorgänge und Energiebilanz: Die Aktivierungsreaktion wird durch Spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetasen katalysiert. Zuerst wird aus einer Aminosäure und ATP Schritt ein Aminoacyladenylatgebildet. Dieses aktivierte Molekul wird auch Aminoacyl-AMP genannt. Dann wird die Aminoacylgruppe vom Aminoacyl-AMP auf ein bestimmtes tRNA-Molekül, übertragen, sodass die Aminoacyl-tRNA entsteht. Aminoacyl-AMP + tRNA ↔ Aminoacyl-t-RNA + AMP Die Summe dieser Aktivierungs- und Übertragungsschritte lautet Aminosäure + ATP +tRNA ↔ Aminoacyl-tRNA + AMP + PPi Die Reaktion wird durch die Hydrolyse von Pyrophosphatangetrieben und irreversibel gemacht: Aminosäure + 2 ATP +tRNA + H20 → Aminoacyl-tRNA + AMP + 2 Pi Bei den drei Reaktionen der Synthese jedes Moleküls Aminoacyl-tRNA wird also das Äquivalent von zwei ATP-Molekülen verbraucht.

4. 3 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 3. Aminoacylt-tRNA-Synthetasen und die Aminosäureaktivierung: Jede Aminoacyl-tRNA-Synthetase ist sehr spezifisch für eine ganz bestimmte Aminosäure. Nur in einer unter 104 bis 105 katalysierten Reaktionen wird eine falsche Aminosäure aufgenommen. Um diese hohen Spezifität zu erreichen, nutzen die einzelnen Aminoacyl-tRNA-Synthetasen jeweils die Eigenschaften ihres Aminosäuresubstrats. Betrachten wir die Threonyl-tRNA-Synthetase als Beispiel. Threonin ähnelt stark Valin und Serin. Bei Valin steht jedoch eine Methyl- and der Stelle einer Hydroxylgruppe. Serin trägt eine Hydroxylgruppe, ihm fehlt aber die Methylgruppe. Wie vermeidet es die Threonyl-tRNA-Synthetase, diese falschen Aminosäuren in die Threonyl-tRNA einzubauen ? • Die Struktur der Aminosäurebindungsstelle in der Threonyl-tRNA-Synthetase zeigt wie Valin ausgeschlossen wird. • An dasEnzym ist über zwei Histidine und ein Cystein ein Zinkion gebunden. • DasThreonin geht über seine Aminogruppe und die Hydroxylgruppe in seiner Seitenkette koordinative Bindungen mit dem Zinkion ein. • Die Hydroxylgruppe in der Seitenkette wird außerdem von einem Aspartatrest erkannt, der sich über Wasserstoffbrücken mit ihr verbindet. • Die Methylgruppe, die im Valin anstelle der Hydroxylgruppe steht, ist nicht zu diesen Wechselwirkungen fähig. • Wichtig ist, dass die Carboxylatgruppe der Aminosäure für den Angriff durch das a-Phosphat des ATP zugänglich ist und so das Aminoacyladenylat bilden kann.

5. 4 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 4. Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase steigert die Genauigkeit der Proteinsynthese : Für die Unterscheidung vom Serin eignet sich das aktive Zentrum mit dem Zink weniger gut, denn diese Aminosäure besitzt ebenfalls eine Hydroxylgruppe, die sich mit dem lon verbinden kann. Stünde nur dieser Mechanismus zur Verfügung, würde die Threonyl-tRNA-Synthetase nur mit einer Häufigkeit von 10-2 bis 10-3 fälschlich Serin statt Threonin an die Threonyl-tRNA koppeln. Wie wird die notwendige höhere Spezifität erreicht? Man kann die Threonyl-tRNA-Synthetase mit einer tRNAThr inkubieren, die kovalent mit Serin verknüpft würde (Ser-tRNAThr); die tRNA würde also ,,falschbeladen". Durch Hydrolyse der Aminoacyl-tRNA entstehen sofort Serin und die freie tRNA. Findet die Inkubation dagegen mit der richtig beladenen Thr-tRNAThr statt, bieibt diese Reaktion aus. Die Threonyl-tRNA-Synthetase enthält also ein weiteres funktionelles Zentrum, das Ser-tRNAThr hydrolysiert, Thr-tRNAThr aber nicht. Diese Korrekturlesestelle bietet der Synthetase die Möglichkeit, Fehler auszubessern und die Genauigkeit auf weniger als einen Fehler unter 104 Reaktionen zu steigern. Die Korrekturlesestelle ist mehr als 2 nm von der Aktivierungsstelle entfernt. Sie nimmt die Ser-tRNAThr bereitwillig auf und spaltet sie. Thr-tRNAThr  wird dagegen nicht gespalten, da das aktives Zentrum, das zur Struktur des Serins passt, Threonin aus sterischen Gründen ausschließt, weil es eine zusätzliche Methylgruppe enthält.

6. 5 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 5. Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase findet statt ohne dass das Aminoacyl-tRNA sich von der Synthetase lösen muss : Die meisten Aminoacyl-tRNA-Synthetasen enthalten neben der Acylierungs - auch eine Korrekturlesestelle. Diese paarweise angeordneten aktiven Zentren ergänzen einander und wirken ais doppelter Filter, der für eine sehr hohe Translationsgenauigkeit sorgt. An der Struktur des Komplexes zwischen der Threonyl-tRNA-Synthetase und ihrem Substrat wird deutlich, dass das aminoacylierte CCA aus der Aktivierungsstelle heraus und in die Korrekturstelle hinein klappen kann. Die Aminoacyl-tRNA kann also verändert werden, ohne dass sie sich von der Synthetase lösen muss. In beiden Fällen lässt eine Korrektur ohne vorherige Dissoziation die Kopiergenauigkeit bei sehr bescheidenem Zeit- und Energieaufwand deutlich ansteigen. Einige Synthetasen erreichen auch ohne Korrekturen eine sehr hohe Genauigkeit. Die Tyrosyl-tRNA-Synthetase zum Beispiel unterscheidet ohne Schwierigkeiten zwischen Tyrosin und Phenylalanin. Die Hydroxylgruppe des Tyrosins sorgt dafür, dass diese Aminosäure um den Faktor 104 stärker an das Enzym bindet als Phenylalanin. Die Korrekturlesefunktion hat sich in der Evolution nur dann herausgebildet, wenn die Genauigkeit grösser sein muss, als es durch die Wechselwirkungen bei der anfänglichen Bindung zu erreichen ist.

7. 6 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 6. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen die Anticodonschleife und den Akzeptorstamm der tRNA-Moleküle : Wie wählt eine Synthetase ihre zugehörige tRNA aus? Mit diesem außerordentlich wichtigen Schritt findet die eigentliche ,,Übersetzung" statt - er stellt die Verbindung zwischen Aminosäure- und Nucleinsäurewelt her. In einem gewissen Sinn sind die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen in der gesamten Biologie die einzigen Moleküle, die den genetischen Code ,,kennen". Dass sie die jeweilige tRNA genau erkennen, ist für eine exakte Proteinsynthese ebenso wichtig wie die korrekte Auswahl der Aminosäure. • Die meisten Synthetasen erkennen ihren tRNA-Partner vorwiegend anhand des Anti-codons, häufig sprechen sie aber außerdem auch auf andere Strukturmerkmale der tRNA an : • Der CCA-Arm der tRNAThr ragt in das zinkhaltige Aktivierungszentrum der Threonyl-tRNA-Synthetase, wo er sich in der richtigen Position befindet, um das Threonin vom Threonyladenylat zu übernehmen. • Dabei tritt das Enzym in großem Umfang nicht nur mit dem Akzeptorstamm der tRNA in Wechselwirkung, sondern auch mit der Anticodonschleife. • Die Wechselwirkungen mit der Anticodonschleife sind dabei besonders aufschlussreich. Die Basen in der CGU-Sequenz des Anticodons verbinden sich jeweils über Wasserstoffbrücken mit dem Enzym. Dabei scheinen die von G und U ausgehenden Wechselwirkungen wichtiger zu sein, denn das C kann man gegen G oder U austauschen, ohne dass die Acylierung mit geringerer Effizienz erfolgt.

8. 7 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 7. Wechselwirkungen mit der Anticodonschleife und den Akzeptorstamm der tRNA-Moleküle der Glutaminyl-tRNA-Synthetase : Umfangreiche Wechselwirkungen sowohl mit der Anticodonschleife als auch mit dem Akzeptorstamm gibt es auch in dem Komplex zwischen der Glutaminyl-tRNA und der Glutaminyl-tRNA-Synthetase. Hier werden zusätzlich Kontakte nähe dem ,,Ellenbogen" des tRNA-Moleküls geknüpft, insbesondere mit dem Basenpaar, das von dem G in Position 10 und dem C in Position 25 gebildet wird. Weitere Anhaltspunkte im Zusammenhang mit der Spezifität für die tRNA liefern Mutagenesestudien. Die tRNACys unterscheidet sich beispielsweise bei E. coli von der tRNAAla in 40 Positionen und außerdem enthält sie in der Position 3:70 ein CG-Basenpaar. Tauscht man dieses Basenpaar gegen die nicht den Watson-Crick-Regeln entsprechende Kombination GU aus, wird die tRNACys von der Alanyl-tRNA-Synthetase erkannt, als würde es sich um eine tRNAAla handeln. Dieser Befund warf die Frage auf, ob ein Bruchstück der tRNA ausreicht, damit die Alanyl-tRNA-Synthetase die Aminoacylierung ausführt. Tatsächlich wird eine ,,Mikrohelix", die nur 24 der 76 Nucleotide der ursprünglichen tRNA enthält, von der Alanyl-tRNA-Synthetase spezifisch aminoacyliert. Diese Mikrohelix besteht nur aus dem Akzeptorstamm und einer Haarnadelschleife. Manche Synthetasen sind also selbst dann zu einer spezifischen Aminoacylierung fähig, wenn die Anticodonschleife völlig fehlt.

9. 8 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 8. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen werden in zwei Klassen eingeteilt: Klasse I. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen lassen sich in zwei Gruppen einteilen, die als Klasse I und Klasse II bezeichnet werden. Jede davon umfasst Enzyme, die für zehn der zwanzig Aminosäuren spezifisch sind. Die Enzyme der beiden Klassen binden ATP in unterschiedlichen Konformationen. Bei den Enzymen der Klasse I befindet sich in der Aktivierungsdomäne eine Rossmann-Falte. Der CCA-Arm der tRNA nimmt im Rahmen der Wechselwirkungen mit dem Enzym einer Haarnadelkonformation an. Die enzyme acylieren in der tRNA die 2'-Hydroxylgruppe des endständigen Adenosins. Die meisten sind Monomere.

10. 9 F. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und das Lesen des genetischen Codes: 9. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen der Klasse II : In der Klasse II besteht die Aktivierungsdomäne vorwiegend aus b-Strängen. Der CCA-Arm der tRNA nimmt im Rahmen der Wechselwirkungen mit dem Enzym eine Helixkonformation an, die man auch bei freier tRNA beobachtet. Die enzyme acylieren in der tRNA die 3’-Hydroxylgruppe. Die meisten sind Dimere.