Amino acid activation (also known as aminoacylation or tRNA charging) refers to the attachment of an amino acid to its respective transfer RNA (tRNA). The reaction occurs in the cell cytosol and consists of two steps: first, the enzyme aminoacyl tRNA synthetase catalyzes the binding of adenosine triphosphate (ATP) to a corresponding amino acid, forming a reactive aminoacyl adenylate intermediate (AMP-amino acid) and releasing inorganic pyrophosphate (PPi). Subsequently, aminoacyl tRNA synthetase binds the AMP-amino acid to a tRNA molecule, releasing AMP and attaching the amino acid to the tRNA. The resulting aminoacyl-tRNA is said to be charged. 

Amino acid activation is a prerequisite to the initiation of translation and protein synthesis. Peptide bond formation is an endergonic, thermodynamically unfavorable process, so amino acids must be activated by covalent linkage to tRNA molecules. The energy stored within the aminoacyl-tRNA bond is used to drive peptide bond formation. Activation thus enhances the reactivity of the amino acid and drives peptide bond synthesis. Moreover, the inorganic pyrophosphate released during the activation process is rapidly hydrolyzed in a highly exergonic reaction. The energy released by this hydrolysis helps drive the otherwise energetically unfavorable reaction forward. It's the hydrolyzation of the ATP that makes peptide bond formation a favorable reaction because of the inorganic phosphate acting as a leaving group, resulting in a high negative free energy.

Following activation, the aminoacylated tRNA is ready to proceed to the initiation stage of translation, in which the aminoacyl-tRNA and mRNA transcript bind to the ribosome.

Mechanism

Reaction Steps 
During amino acid activation, each amino acid (aa) is attached to its corresponding tRNA molecule. The coupling reaction is catalyzed by a group of enzymes called aminoacyl-tRNA synthetases (named after the reaction product aminoacyl-tRNA or aa-tRNA). The coupling reaction proceeds in two steps:

First, the carboxyl group of the backbone of the amino acid is covalently linked to the α-phosphate of the ATP molecule, releasing inorganic pyrophosphate (PPi) and creating a 5’ aminoacyl adenylate intermediate (aa-AMP).

1.    aa + ATP ⟶ aa-AMP + PPi

Second, the aminoacyl adenylate intermediate undergoes nucleophilic attack, attaching an aminoacyl group to the tRNA at the 3’-OH, and freeing an AMP molecule.

2.    aa-AMP + tRNA ⟶ aa-tRNA + AMP

There are two classes of aminoacyl t-RNA synthetases: class I and class II. Class I enzymes catalyze transfer of the aminoacyl group to the 2’-OH of the tRNA molecule, and a subsequent transesterification reaction moves the aminoacyl group to the 3’-OH of the tRNA. Class II enzymes catalyze transfer of the aminoacyl group directly to the 3’-OH of the tRNA in a single step. The resulting aminoacyl-tRNA molecule is identical regardless of the enzyme class.

The net reaction is:

aa + ATP + tRNA ⟶ aa-tRNA + AMP + PPi

The amino acid is coupled to the terminal nucleotide at the 3’-end of the tRNA (the A in the sequence CCA) via an ester bond. The formation of the ester bond conserves a considerable part of the energy from the activation reaction. This stored energy provides the majority of the energy needed for peptide bond formation during translation.

Aminoacyl-tRNA synthetase 
Each of the 20 amino acids are recognized by its specific aminoacyl-tRNA synthetase. The synthetases are usually composed of one to four protein subunits. The enzymes vary considerably in structure although they all perform the same type of reaction by binding ATP, one specific amino acid and its corresponding tRNA.

The most important activity of the aminoacyl-tRNA synthetase is to attach an amino acid to a tRNA, that can then interact with codons that identify its amino acid. Taking both similar acetylation function and amino acid motifs into consideration, 2 separate classes of aminoacyl-tRNA synthetases could be differentiated. Class I enzyme is normally monomeric and binds the tRNA acceptor stem from the minor groove. It adds amino acid to 2’-OH of the adenylate residue, moving it into the 3’-OH position. Meanwhile, Class II aminoacyl-tRNA synthetase is oligomeric and binds the tRNA acceptor stem from the major groove. The enzyme proceeds to add amino acid to the 3’-OH position directly.

The aminoacyl-tRNA synthetases can distinguish between different tRNAs and this recognition doesn't follow the same pattern. An aminoacyl-tRNA synthetase recognizes a set of sequentinal elements and binds tRNA with the respective amino acid. Examples of these elements vary: 1 base in the anticodon, 1 of 3 base pairs in the acceptor stem and others.

However, depending on the chirality of the amino acid, an aminoacyl-tRNA-synthase can actually disrupt the ester bond between D-amino acids and tRNA. This can happen if there is an editing domain that's lacking in the active site of that aminoacyl-tRNA-synthase.

Transfer RNA 
During activation, the tRNA functions as an adaptor molecule, as posited by Francis Crick’s adaptor hypothesis. That is, the tRNA binds at one end to the specific amino acid of interest, and at the other end to the mRNA codon sequence. The tRNA molecule effectively acts as an intermediary between the two, enabling translation of the genetic code to an amino acid sequence.

Editing and Proofreading 
The specificity of the amino acid activation is as critical for the translational accuracy as the correct matching of the codon with the anticodon. The reason is that the ribosome only sees the anticodon of the tRNA during translation. Thus, the ribosome will not be able to discriminate between tRNAs with the same anticodon but linked to different amino acids. By attaching the correct amino acid to its associated tRNA molecule, activation ensures both specificity and fidelity of translation. 

Editing mechanisms occur when there is a misactivation of amino acids, where an amino acid is attached to the wrong tRNA molecule. The aminoacyl-tRNA synthetase can hydrolyze the amino acid before it attaches to the wrong tRNA molecule (pre-transfer editing) or deacylate the mischarged tRNA after attachment (post-transfer editing).

The error frequency of the amino acid activation reaction is approximately 1 in 10,000 despite the small structural differences between some of the amino acids.

History 
Amino acid activation was first characterized by Mahlon Hoagland, who found that amino acids could be activated by certain enzymes to form an aminoacyl adenylate intermediate compound. The enzymes were discovered to be aminoacyl t-RNA synthetases, responsible for catalyzing the linkage of an amino acid to a small RNA molecule. Hoagland and his collaborator, Paul Zamecnik, later discovered that the small RNA molecule was a tRNA, and they identified it as a key facilitator of translation.

Amino acid activation is a key reaction in many biochemical and metabolic processes. In particular, leucine natural killer treatment of interleukin-18 activated cells triggers the mTORC1 metabolic sensor, which indicates that mTORC1 causes amino acid-driven activation due to a high expression in amino acid transporters.

The Inhibition of CD98/LAT1 amino acid transporters abroad mTORC1 activation driven by leucine, decreased the activity of the NK cell-effector.

References

Further reading 

 

Acidic amino acids
아미노산 활성화()는 아미노산이 각각 운반 RNA(tRNA)에 부착되는 것을 지칭한다. 아미노아실화(), tRNA 하전()이라고도 한다. 반응은 세포질에서 일어나며 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계로 아미노아실-tRNA 합성효소는 상응하는 아미노산과 아데노신 삼인산(ATP)의 결합을 촉매하여 반응성 아미노아실 아데닐산 중간생성물(아미노아실-AMP)를 생성하고 무기 피로인산(PPi)을 방출한다. 두 번째 단계로 아미노아실-tRNA 합성효소는 아미노아실-AMP를 tRNA 분자와 결합시켜 AMP를 방출하고 아미노산을 tRNA에 결합시킨다. 생성된 아미노아실-tRNA는 하전되었다고 표현한다.

아미노산 활성화는 번역 및 단백질 합성 개시의 전제 조건이다. 펩타이드 결합의 형성은 에너지 흡수적이며, 열역학적으로 불리한 과정이기 때문에 아미노산은 tRNA 분자와의 공유결합에 의해 활성화되어야 한다. 아미노아실-tRNA 결합 내에 저장된 에너지는 펩타이드 결합의 형성을 유도하는 데 사용된다. 따라서 활성화는 아미노산의 반응성을 향상시키고 펩타이드 결합의 형성을 유도한다. 또한 활성화 과정에서 방출된 무기 피로인산은 고도의 에너지 방출반응에서 빠르게 가수분해된다. 이 가수분해에 의해 방출되는 에너지는 에너지적으로 불리한 반응을 진행시키는 데 도움을 준다. 활성화 후 아미노아실화된 tRNA는 아미노아실-tRNA와 mRNA 전사체가 리보솜에 결합하는 번역 개시 단계로 진행할 준비를 하게 된다.

메커니즘

반응 단계 
아미노산 활성화 동안 각각의 아미노산은 대응하는 tRNA 분자에 부착된다. 커플링 반응은 아미노아실-tRNA 합성효소(반응 생성물인 아미노아실-tRNA의 이름을 따서 명명됨)라고 하는 효소 부류에 의해 촉매된다. 커플링 반응은 다음과 같이 두 단계로 진행된다.

첫 번째 단계에서 아미노산 골격의 카복실기가 ATP 분자의 α 인산에 공유결합되어 무기 피로인산(PPi)을 방출하고 5'-아미노아실 아데닐산 중간생성물(아미노아실-AMP)을 생성한다.

1. 아미노산 + ATP → 아미노아실-AMP + PPi

두 번째 단계에서 아미노아실 아데닐산 중간생성물(아미노아실-AMP)은 친핵성 공격을 받아 3'-하이드록실기에서 tRNA에 아미노아실기를 부착하고 AMP를 유리시킨다.

2. 아미노아실-AMP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP

아미노아실-tRNA 합성효소에는 클래스 I과 클래스 II의 두 가지 클래스가 있다. 클래스 I 효소는 아미노아실기를 tRNA 분자의 2'-하이드록실기로의 전이를 촉매하고 후속 에스터 교환 반응은 아미노아실기를 tRNA의 3'-하이드록실기로 이동시킨다. 클래스 II 효소는 단일 단계에서 아미노아실기를 tRNA의 3'-하이드록실기로 직접적으로 전이하는 것을 촉매한다. 생성된 아미노아실-tRNA 분자는 효소 부류에 관계없이 동일하다.

순반응은 다음과 같다.

 아미노산 + ATP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP + PPi

아미노산은 에스터 결합을 통해 tRNA의 3' 말단에 있는 말단 뉴클레오타이드(서열 CCA의 A)에 연결된다. 에스터 결합의 형성은 활성화 반응으로부터 에너지의 상당 부분을 보존한다. 이 저장된 에너지는 번역 동안 펩타이드 결합 형성에 필요한 대부분의 에너지를 제공한다.

아미노아실-tRNA 합성효소 
단백질 합성에 관여하는 20가지의 아미노산 각각은 특정 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 인식된다. 아미노아실-tRNA 합성효소는 일반적으로 1~4개의 단백질 소단위체로 구성된다. 아미노아실-tRNA 합성효소는 모두 ATP, 하나의 특정 아미노산 및 해당하는 tRNA와 결합하여 동일한 유형의 반응을 수행하지만 구조가 상당히 다양하다.

운반 RNA (tRNA) 
활성화 동안 tRNA는 프랜시스 크릭의 어댑터 가설에 의해 제시된 바와 같이 어댑터 분자로 기능한다. 즉 tRNA의 한쪽 끝은 특정 아미노산과 결합하고 다른쪽 끝은 mRNA 코돈 서열과 결합한다. tRNA 분자는 둘 사이의 효과적인 매개체 역할을 하여 유전 부호를 아미노산 서열로 번역할 수 있게 한다.

편집 및 교정 
아미노산 활성화의 특이성은 코돈과 안티코돈의 정확한 매칭만큼 번역의 정확도를 확보하는 데 중요하다. 그 이유는 리보솜이 번역 중에 tRNA의 안티코돈만 보기 때문이다. 따라서 리보솜은 동일한 안티코돈을 가지고 있지만 다른 아미노산이 연결된 tRNA를 구별할 수 없다. 관련 tRNA 분자에 올바른 아미노산을 부착함으로써 아미노산 활성화는 번역의 특이성과 충실도를 모두 보장한다.

편집 메커니즘은 아미노산이 잘못된 tRNA 분자에 부착되는 아미노산의 잘못된 활성화가 있을 때 일어난다. 아미노아실-tRNA 합성효소는 아미노산이 잘못된 tRNA 분자에 부착되기 전에 아미노산을 가수분해하거나(전이 전 편집) 부착 후 잘못 하전된 tRNA를 탈아실화(전이 후 편집)할 수 있다.

아미노산 활성화 반응의 오류 빈도는 일부 아미노산들 간의 작은 구조적 차이에도 불구하고 약 10,000분의 1이다.

역사 
아미노산 활성화는 아미노산이 특정 효소에 의해 활성화되어 아미노아실 아데닐산 중간생성물을 형성할 수 있다는 것을 발견한 말론 호글랜드에 의해 처음으로 특성화되었다. 효소는 아미노산을 작은 RNA 분자에 연결하는 것을 촉매하는 아미노아실-tRNA 합성효소인 것으로 밝혀졌다. 호글랜드와 그의 동료인 폴 자메닉은 나중에 작은 RNA 분자가 tRNA라는 것을 발견하고 이것이 번역의 핵심적인 촉진자임을 확인했다.

아미노산 활성화는 많은 생화학적 과정 및 대사 과정에서 핵심적인 반응이다. 특히 인터류킨-18 활성화 세포에 대한 류신 자연살해 처리는 mTORC1 대사 센서를 유발하는 데, 이는 mTORC1이 아미노산 수송체의 높은 발현으로 인해 아미노산 유도 활성화를 유발함을 나타낸다.

류신에 의해 구동되는 mTORC1 활성화의 CD98/LAT1 아미노산 수송체의 억제는 NK 세포 효과기의 활성을 감소시켰다.

같이 보기 
 아미노아실-tRNA
 아미노아실-tRNA 합성효소
 tRNA
 아미노산

각주

더 읽을거리 

 

산성 아미노산
단백질 생합성
분자생물학