Aminoacil RNAt Sintetasas (aaRs)

Aminoacil RNAt Sintetasas (aaRs)

2. Objetivos
3. Introducción
4. Estructura de las AARS
5. Aminoacil RNAT sintetasas, clase I
6. Dominio del sitio activo de las AARS clase I
7. Dominio obligatorio del RNAT de las AARS clase I
8. Aminoacil RNAT sintetasas, clase II
9. Dominio del sitio activo y dominio obligatorio del RNAT de las AARS de la clase II
10. Función de las AARS durante la traducción
11. Conclusiones
12. Bibliografía

OBJETIVOS

• Conocer las estructuras de las distintas clases de aminoacil RNAt sintetasas, estableciendo sus diferencias.
• Entender el funcionamiento de estas enzimas indispensables para la síntesis proteica.

INTRODUCCIÓN

Fig.1 Una aminoacil RNAt sintetasa, unida a un RNAt (Grijalva, N. et al. 2000.)

La síntesis proteica es uno de los procesos bioquímicos de mayor importancia y complejidad que ocurren en el interior de la célula (1), el cual no tendría lugar sin la presencia de las aminoacil RNAt sintetasas (Fig.1), enzimas que constituyen la vía de conexión entre un determinado amino ácido con su respectivo RNAt (2), jugando un papel importantísimo en la unión de estas dos estructuras.

Este proceso de activación del aminoácido al RNAt, es llevado a cabo por estas enzimas en dos pasos fundamentales, activados ambos por ATP (3).

Hasta hace poco tiempo, era aceptada extensamente la idea de que cada aminoácido tenía una y solamente una aaRs, como lo planteara en 1958 Francis Crick con su hipótesis del adaptador que describía la síntesis proteica, sin embargo, modernos métodos de investigación han probado que no cada célula contiene un sistema completo de 20 aaRs, pues han demostrado los mecanismos con los que actúan algunas de estas enzimas para cargar y emparejar más de un aminoácido (4).

ESTRUCTURA DE LAS aaRs

Aunque las funciones de estas enzimas es constante a través de diversas especies, su estructura es bastante diversa. Su tamaño puede variar a partir de 334 residuos (TrpRs) a 1112 (PheRs) (5), sus subunidades, individualmente pueden variar entre 40 y 110 kDa, presentando la posibilidad de ser monoméricas, diméricas y tetraméricas, en cuanto su estructura cuaternaria; siendo raras las homologías entre ellas (6).

Se han descrito, entonces, dos dominios de las aaRs, el de la activación del aminoácido llamado también dominio catalítico, o dominio del sitio activo; y el dominio obligatorio del RNAt.

El dominio catalítico de las aaRs comprende los sitios a los cuales se unirá el ATP y el respectivo aminoácido que reconozca la enzima, se lo puede reconocer como una región amplia, que se ve interrumpida por la inserción del dominio obligatorio del RNAt(7). Estos dominios del sitio activo, son los que le confieren dos tipos de especifiçidad a las aaRs, los cuales son cruciales, pues es su tarea el reconocer tanto al RNAt y al aminoácido correctos que van a enlazar (8).

Las aminoacil RNAt sintetasas han sido clasificadas en base a datos que emergieron de un estudio giratorio que comparaba las secuencias de varias de ellas, extraídas de diversas fuentes, distinguiéndose de esta manera dos clases, cada una de las cuales posee diez miembros.

Esta clasificación se basa en la estructura (motifs) y la localización del sitio activo donde el ATP será ligado al aminoácido (aminoacilación) , que puede ser en el OH 2’ o el OH 3’ de la ribosa terminal del RNAt. Es de esta manera como se han agrupado, en base a sus características físico-químicas, a las distintas aaRs en dos clases, denominadas I y II, que a su vez contienen a otras tres subclases, cada una (9).

Las aaRs de la Clase I, tienen su sitio activo en el lado izquierdo de la misma, mientras que las pertenecientes a la Clase II tienen el suyo al lado derecho. Podemos apreciar con mayor detalle las diferencias de los sitios entre las aaRs de cada una de estas clases en la Tabla 1. Cada una de las clases tiene mutuamente motifs exclusivos en las regiones obligatorias del ATP, estos no comparten una homología en la secuencia en cualquiera de las dos clases (en el mejor de los casos solamente comparten un 30% es esta); encontrándose una conservación terminante en los residuos críticos a la función y regulación de estas enzimas (10).

Las fuerzas que estabilizan estos dominios descritos, en ambas clases están estrechamente vinculados a puentes de hidrógeno, interacciones de Van Der Waals e interacciones de ion/ion. Poseen, además iones de Mg2+ los cuales se encuentran presentes en los sitios activos, que entre otras funciones, estabilizan la conformación de ATP (11).

Tabla 1. Diferencias importantes entre los sitios activos de las aaRs pertenecientes a la clase I y II (Grijalva, N. et al. 2000.).

AMINOACIL RNAt SINTETASAS, CLASE I

Fig. 2 Glutaminil RNAt sintetasa, perteneciente a la clase I (Grijalva, N. et al. 2000.).

Los aaRSs de la clase I (Fig. 2) incluyen 10 enzimas que tienen dos regiones conservadas de residuos de aminoácidos, conocidas como HIGH y KMSKS, donde el aminoácido es activado mediante una ligación con ATP. Esta clase une el aminoácido activado en el OH 2’ de la ribosa del final del aceptor del RNAt. Ambos procesos se realizan en el dominio activo del sitio, situado en un "bolsillo abierto" profundo en el terminal amino de la enzima. Los aminoácidos activados por estas aaRs son más complejos que los activados por los de la clase II, esto por cuanto este "bolsillo" es más abierto que el de estas últimas.

Seis de estas sintetasas presentan sus estructuras tridimensionales mediante dímeros alfa, mientras que las cuatro restantes la presentan con dímeros alfa2 (12). A continuación, podemos apreciar las tres subclases de aaRs de la clase I (Tabla 2.):

Tabla 2. Subclasificación de las aaRs Clase I (Grijalva, N. et al. 2000.).

DOMINIO DEL SITIO ACTIVO DE LAS aaRs CLASE I

El dominio del sitio activo de las aaRs de la clase I, contiene alrededor de 170 residuos y se construye alrededor de 5 o 6 filamentos beta paralelos rodeados por hélices alfa. Este comienza con la región HIGH y termina con la región KMSKS, esta estructura es conocida como el doblez clásico de Rossman (Fig. 3), la cual consiste en dos mitades simétricas, una conteniendo a la región HIGH, que agrupa a tres filamentos beta con entretejidos de hélices; y la otra mitad conteniendo la región KMSKS, constituida esta por dos filamentos beta y dos hélices alfa(13).

Fig. 3 Doblez clásico de Rossman, distinguimos las regiones HIGH y KMSKS (Grijalva, N. et al. 2000.).

La conservación de estas dos regiones no es muy evidente, pues en el caso del tetrepéptido HIGH, solamente la primera histidina, y los residuos de glicina demuestran la una conservación terminante; en el caso de la región KMSKS la conservación terminante se restringe aún más al coincidir tan solo en la segunda lisina(14).

En la distancia que separa las regiones HIGH y KMSKS, hay dos regiones no conservadas conocidas como péptidos conectivos 1 y 2. El primero de estos está situado entre el final de la primera mitad del doblez de Rossmann y el filamento D, y el segundo se encuentra entre el filamento D y el principio de la segunda mitad del doblez de Rossmann. La longitud de los péptidos conectivos 1 y 2 varía grandemente entre aaRSs, y por lo tanto, estas dos regiones contribuyen a las diversas estructuras terciarias encontradas entre las enzimas. En algunos aaRSs de la clase I, los iones del cinc encontrados en estos péptidos conectivos estabiliza la estructura terciaria además de servir un papel funcional(15).

DOMINIO OBLIGATORIO DEL RNAt DE LAS aaRs CLASE I

En las sintetasas de la clase I, los aminoácido activados se unen al extremo aceptor del RNAt en el OH 2’ de la ribosa. Este grupo de aaRs acerca al extremo aceptor del RNAt al lado menor del surco. En la unión del extremo CCA del RNAt, están implicadas dos regiones de la sintetasa, la primera de ellas está situada downstream de la primera mitad del doblez de Rossmann en el péptido conectivo 1, la cual proporciona a la unión un papel puramente estructural, que consiste en la complementariedad a la conformación de la horquilla del extremo aceptor CCA del RNAt. El extremo aceptor se une propiamente, a la segunda región, localizada después de la segunda mitad del doblez de Rossmann(16).

La ubicación del sitio activo de las aaRs de la clase I (a su lado izquierdo), obliga la deformación del extremo aceptor CCA del RNAt, doblándose al revés, haciendo que una horquilla de vuelta para alcanzar el sitio activo(17).

AMINOACIL RNAt SINTETASAS, CLASE II

Fig. 4 Complejo Aspartil RNAt sintetasa + Asp + RNAtAsp + ATP (Grijalva, N. et al. 2000.).

Las sintetasas de la clase II (Fig. 4) incluyen 10 enzimas que comparten por lo menos 2 o tres motifs conservados, en los cuales se encuentran el aminoácido activado, y el ATP necesario para su activación. A excepción de PheRs, los miembros de esta clase se unen al aminoácido activado en el OH 3’ de la ribosa final del extremo aceptor del RNAt. El dominio del sitio activo está situado en un "bolsillo" profundamente enterrado del terminal carboxilo de la enzima, y es debido a esta profundidad, que los aminoácidos activados por esta clase de sintetasas sean más pequeños que los activados por la primera, y que por lo general son polares(18).

En cuanto a su estructura tridimensional, las aaRs miembros de esta clase, siete presentan dímeros alfa 2 y tres son tetrámeros. (dos alfa 2/beta2 y el restante alfa 4). Tabla 3.

Tabla 3. Subclasificación de las aaRs Clase II (Grijalva, N. et al. 2000.).

DOMINIO DEL SITIO ACTIVO Y DOMINIO OBLIGATORIO DEL RNAt DE LAS aaRs DE LA CLASE II

Tres son los motifs que forman los dominios obligatorio del RNAt y del sitio activo en las sintetasas pertenecientes a este grupo. Juntos, estos tres motifs contienen cerca de 250 residuos, y se construyen sobre un filamento beta paralelo, 6 contra paralelos rodeados en su conjunto por 4 hélices alfa (Fig. 5).

Fig. 5 Dispoción de los tres motifs que conforman los dominios de las sintetasas de la clase II

"Como con los aaRs de la clase I, solamente se conservan los residuos limitados"(19)

El motif 1 siempre se localiza cerca de 50 residuos upstream a partir del motif 2, siendo el motif 3 más variable, en un rango desde 150 a 250 residuos lejos del motif 2, o cerca del terminal carboxilo. Esta distancia nos da a entender un no tan conservado dominio, lo cual contribuye a las diferentes estructuras encontradas en las sintetasas de la clase II. Encontramos conservación terminante en la prolina del motif 1, en la arginina de los motifs 2 y 3 (20).

En las sintetasas de la clase dos, los aminoácidos activados son unidos al extremo aceptor del RNAt en el OH 3’ de su ribosa. Los motifs 1 y 2 participan en el posicionamiento del extremo aceptor del RNAt, mientras que el motif 2 esta relacionado más directamente con el dominio obligatorio del RNAt(21).

El sitio activo de estas enzimas, se localiza al lado derecho de las mismas, lo que le provee al extremo aceptor CCA del RNAt un fácil acceso al aminoácido, por lo cual nunca se ve deformada esta estructura, como sucede en el caso de las aaRs de la clase I, manteniéndose, por ende, la normal estructura helicoidal del RNAt(22).

FUNCIÓN DE LAS aaRs DURANTE LA TRADUCCIÓN

La exactitud de la traducción de la proteína depende de la fidelidad con la cual los aminoácidos correctos son esterificados a sus moléculas cognadas del tRNA por las aminoacil RNAt sintetasas. A pesar de las diferencias estructurales entre la clase I y clase II, todos las aaRs realizan la misma reacción de dos etapas(23) (Fig. 6).

Fig.6 Pasos de la aminoacilación (Grijalva, N. et al. 2000)

Paso 1

En el primer paso, la enzima une el ATP y el aminoácido, y cataliza la formación de un intermedio el aminoacil-AMP (o llamado también aminoacil-adenilato), en el cual un acoplamiento covalente se forma entre el grupo 5'-fosfato de ATP y el extremo carboxilo del aminoácido. El aminoacil RNAt sintetasa utiliza la energía generada por la hidrólisis de ATP para activar el aminoácido, formando el aminoacil-AMP.

Paso 2

En el segundo paso, el aminoácido se transfiere al RNAt apropiado y se enlaza de manera covalente al OH 2’ o a OH 3’ del terminal invariante de la adenosina 3' de la molécula del RNAt. La energía en el aminoacil-AMP se utiliza para transferir el aminoácido al RNAt que forma amioacil-RNAt(24).

CONCLUSIONES

• Las aminoacil RNAt sintetasas constituyen enzimas especializadas, sin las cuales sería imposible la síntesis proteica, por cuanto en imprescindible su presencia como un medio de conexión entre un aminoácido y su respectivo RNAt.
• A pesar de la aparente diferencia estructural entre las aaRs, la conservación terminante de ciertos aminoácidos en su conformación, así como de las pequeñas homologías que comparten, nos brindas las bases para afirmar que el origen de estas enzimas es monofilético, es decir que provienen de un ancestro en común.

BIBLIOGRAFÍA

BOYER, R. 2000. Conceptos de Bioquímica. International Thomson Editores, S.A. México.

GRIJALVA, N. PATILLO, D. HOFF, C. 2000. Overview and Structure of Aminoacyl-tRNA Synthetases. St. Edward’s University. Austin – Texas – E.E.U.U. http//: www.cs.stedwards.edu/chem/Chemistry/CHEM43/CHEM43/tRNA/

JUNQUEIRA, L. CARNEIRO, J. 2000. Biología Celular y Molecular. Ed. McGRAW HILL INTERAMERICANA HEALTH CARE GROUP. 6ta Ed. México D.F. – México.

LEWIN, B. 2001. Genes VII. Ed MARBÁN LIBROS, S.L. Madrid – España.

Mauricio Martín Moreno Zambrano

Estudiante de Tercer Nivel de la Facultad de Ciencias Aplicadas, Escuela de Ingeniería en Biotecnología de la ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO (ESPE) Sangolquí – Ecuador

Fecha de Realización: Abril 2005

CATEGORÍA: Biología