氨基酸-tRNA是由氨基酸-tRNA合成酶催化产生的。这种酶需要三种底物即氨基酸,tRNA和ATP。ATP提供了活化氨基酸所需要的能量。氨基酸首先活化成氨基酸腺苷酸(这一中间产物与酶相结合),然后再与tRNA生成氨基酸-tRNA：
aa +ATP ←→ aa-AMP + ppi
aa-AMP + tRNA ←→ aa-tRNA + AMP
总反应： aa + tRNA + ATP ←→ aa-tRNA + AMP + ppi
细胞内有20种氨基酸,有40种以上的tRNA,氨基酸tRNA合成酶是如何选择正确的氨基酸和tRNA的呢? 人们至今尚未弄清其详细作用机制。按照一般原理,酶和底物的正确结合是由二者相嵌的几何形状所决定的。只有适合的氨基酸和适合的tRNA进入合成酶的相应位点,才能合成正确的氨酰基-tRNA。现在已经知道合成酶与L形tRNA的内侧面结合,结合点包括接受臂,DHU臂和反密码子臂。在这几个位点上的tRNA突变则妨碍正确的氨基酸接载。
副密码子 乍看起来,反密码子似乎应该与氨基酸的正确荷载有关,对于某些tRNA也确实如此。然而对于大多数tRNA来说,情况并非如此。人们早就知道,来源于少数tRNA的抑制tRNA,尽管它们的反密码子已经改变(识别无义密码子),但它们携带氨基酸的性质并没有改变。1986年,Normanly等人将亮氨酸tRNA分子中置换了12个核苷酸(反密码子未动),则变成了携带丝氨酸的tRNA。1988年,侯雅明和Schimmel做了十分出色的试验:将丙氨酸抑制tRNA(tRNAAla/CUA)分子突变了许多位点,组成了28种突变体(14种在接受臂上)。结果发现,许多突变体都不改变接载丙氨酸的性质,而只有改变G3:U70这一碱基对的突变体才表现出明显的突变效应(不能抑制trpA基因中第234个amber无义突变)。另外两种amber抑制tRNA(tRNACys/CUA,tRNAPhe/CUA)虽然对于trpA基因中的无义突变能够抑制,但都不能恢复TrpA+表现型,因为半脱氨酸或苯丙氨酸的插人都不能形成有活性的α亚基。尽管这两个抑制tRNA分别有38个和31个核苷酸不同于tRNAAla/CUA,但是如果将它们的C3:U70改变为G3:U70,均能为丙氨酸tRNA合成酶所识别。这就说明,G3:U70是丙氨酸tRNA分子决定其本质(携带丙氨酸)的主要因素。tRNA分子上决定其携带氨基酸的区域被称为副密码子(paracodon)。
特征 由上所述,可以看出,一种氨基酸tRNA合成酶可以识别一组同功tRNA(最多达6个),这说明它们具有共同特征。例如丙氨酸tRNA合成酶识别G3:U70,在已发现的三种丙氨酸tRNA(tRNAAla/CUA,tRNAAla/GGC,tRNAAla/UGC)都具有G3:U70副密码子。但还没有充足的证据说明其他氨酰基tRNA合成酶在其同功tRNA组中也是识别相同的副密码子。其次,副密码子并没有固定的位置,亦可能并不止一个碱基对。例如上述的tRNACys/CUA和tRNAPhe/CUA都具有C3:G70,显然它们的副密码子不在C3:G70或者不完全在C3:G70,因为它们携带两种不同的氨基酸。第三,尽管副密子不是单独与氨基酸发生作用,但是副密码子可能与氨基酸的侧链基团有某种相应性。tRNA分子对错误接载的氨基酸具有校对功能,可能就是来源于这种相应性。副密码子可能是从立体化学上决定相应氨基酸的"原始副密码子"(protoparacodon)进化而来。人们早就推测,tRNA分子起源于能够携带氨基酸的寡聚核苷酸。这种识别氨基酸的特异性在某种程度上保留下来,而反密码子是在tRNA分子进化过程中后来才出现的。这就是说,副密码子比密码子和反密码子更为古老。
关于氨基酸-tRNA合成酶和tRNA参与校对的分子细节还不清楚。该系统可以通过多级的校对功能排除错误的接载。其中主要有动力学校对(Kinetic proofreading),构象校对(conformational proofreading)和化学校对(chemical proofreading)。动力学校对是基于合成酶对于错误氨基酸形状的识别,即使生成氨基酸腺苷酸形式,也会将它水解。构象校对是在氨酰基腺苷酸生成以后,由于tRNA的进入引起酶构象的改变,使得已生成的氨酰基腺苷酸不符合进一步连接成氨基酸-tRNA的要求,从而水解之。化学校对是指错误的氨基酸已接载到tRNA上之后,被合成酶的tRNA结合位点所发现,然后水解之。虽然说不少人倾向于最后一步机制,但都缺少令人信服的证据。
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