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Lexikon der Biologie: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, Enzyme, durch welche die Bindung der 20 proteinogenen Aminosäuren an tRNA (transfer-RNA) zu Aminoacyl-tRNA katalysiert wird. Als Energiequelle für diese als Aminosäureaktivierung bekannte Reaktion dient ATP (Adenosintriphosphat), das in AMP (Adenosinmonophosphat) und Pyrophosphat gespalten wird, wobei Aminoacyl-Adenylsäuren als Zwischenstufen durchlaufen werden. Für jede der 20 Aminosäuren existiert eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Umgekehrt ist jede Aminoacyl-tRNA-Synthetase spezifisch für nur eine der 20 Aminosäuren, kann diese jedoch meist auf mehrere tRNAs (sog. Isoakzeptoren) übertragen. Durch die hohe Spezifität der Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bezüglich der einzelnen Aminosäuren und tRNA-Spezies, die unter der katalytischen Wirkung der Aminoacyl-tRNA-Synthetasen aneinandergekoppelt werden, wird letztlich die korrekte Translation von mRNA (messenger-RNA) in Aminosäuresequenzen gewährleistet. Die Translationssysteme der Zellorganellen (Mitochondrien und Chloroplasten) besitzen jeweils einen eigenen Satz von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, der sich von den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen des Cytoplasmas in vielen Eigenschaften – jedoch nicht in den Spezifitäten für die Aminosäuren und tRNAs – unterscheidet. Nach ihrer Aminosäuresequenz und Untersuchungen zur räumlichen Struktur mittels Röntgenstrukturanalyse können die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen in zwei Klassen eingeteilt werden. Die 10 vorwiegend als Monomere vorliegenden Synthetasen der Klasse I mit dem aktiven Zentrum in der sog. Rossmann-Falte katalysieren die Amino-Acylierung der tRNA an der 2´-OH-Gruppe. Die 10 Synthetasen der Klasse II sind vorwiegend Homodimere, nur zwei (für Glycin und Phenylalanin) sind Heterodimere; sie haben im aktiven Zentrum eine antiparallele β-Falte und katalysieren die tRNA-Aminoacylierung an der 3´-OH-Gruppe. Von Interesse ist die Frage nach der Entwicklung der Aminoacyl-tRNA-Synthetasen in der Evolution. Gegenwärtig werden zwei Hypothesen kontrovers diskutiert: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen könnten zusammen mit dem genetischen Code im Rahmen einer Coevolution entstanden sein oder erst nach der Etablierung des genetischen Codes, indem sie Vorläufermoleküle mit entsprechender Funktion, beispielsweise Ribozyme, nach und nach abgelöst haben.

H.K./M.B.

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