Aminoacyl-ARNt synthétase

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Aminoacyl-ARNt synthétase de classe I complexée avec son ARNt

Les aminoacyl-ARNt synthétases sont une famille d'enzymes (EC 6.1.1.x) qui catalysent l'estérification des acides aminés sur l'extrémité 3' des ARN de transfert. Cette étape est essentielle à la traduction du message génétique en protéines, les acides aminés ainsi ajoutés à l'extrémité des ARNt étant incorporés par le ribosome dans la chaîne polypeptidique en cours de synthèse. Ce sont des protéines essentielles, conservées chez tous les organismes vivants.

Chez la plupart des organismes vivants, il existe une aminoacyl-ARNt synthétase pour chacun des 20 acides aminés présents dans les protéines (la sélénocystéine, 21e acide aminé, est incorporée par un mécanisme différent et n'a pas d'aminoacyl-ARNt synthétase associée). Chacune de ces enzymes reconnaît un acide aminé et un ou plusieurs ARNt isoaccepteurs. Leur fonction est essentielle à la fidélité de la traduction du code génétique, car c'est elles qui garantissent que l'acide aminé qui est ainsi estérifié à l'extrémité de l'ARNt correspond bien au bon anticodon. Aucune vérification n'est ensuite effectuée au niveau du ribosome.

Mécanisme[modifier | modifier le code]

Les aminoacyl-ARNt synthétases catalysent la réaction d'aminoacylation en deux étapes[1], elles activent d'abord l'acide aminé en formant un aminoacyl-adénylate avec l'ATP, avec libération de pyrophosphate. L'acide aminé ainsi activé reste lié à l'enzyme et est transféré sur la fonction 2'-OH ou 3'-OH du ribose de l'adénosine située à l'extrémité 3' de l'ARNt :

  1. Acide aminé + ATP → Aminoacyl-AMP + PPi
  2. Aminoacyl-AMP + ARNt → Aminoacyl-ARNt + AMP

La plupart des aminoacyl-ARNt synthétases peuvent réaliser la première de ces deux réactions en absence de l'ARNt, mais la glutamyl-ARNt synthétase (GluRS), la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS), l'arginyl-ARNt synthétase (ArgRS) et la lysyl-ARNt synthétase II (LysRSII), en sont incapables si l'ARNt est absent. On dit que l'activation de ces acides aminés (Glutamate, Glutamine, Lysine, Arginine) est ARNt-dépendante.

Sur le plan de la nomenclature des enzymes, les aminoacyl-ARNt synthétases sont des ligases et sont classées dans la catégorie EC 6.1.x. Elles se déclinent suivant la nature de l'acide aminé dont elles sont spécifiques : alanyl-ARNt synthétase, méthionyl-ARNt synthétase...

Chez Escherichia coli (bactérie) et chez la levure Saccharomyces cerevisiae (eucaryote), il existe bien 20 aminoacyl-ARNt synthétases, une pour chaque acide aminé (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/329894).

Enzyme Nom usuel Acide aminé ARNt correspondant Produit de la reaction
Alanyl-ARNt synthétase AlaRS ou ARS Alanine (Ala, ou A) ARNt(Ala) Ala-ARNt(Ala)
Arginyl-ARNt synthétase ArgRS ou RRS Arginine (Arg ou R) ARNt(Arg) Arg-ARNt(Arg)
Asparaginyl-ARNt synthétase AsnRS ou NRS Asparagine (Asn ou N) ARNt(Asn) Asn-ARNt(Asn)
Aspartyl-ARNt synthétase AspRS ou DRS Acide aspartique (Aspartate) (Asp ou D) ARNt(Asp) Asp-ARNt(Asp)
Cystéinyl-ARNt synthétase CysRS ou CRS Cystéine (Cys ou C) ARNt(Cys) Cys-ARNt(Cys)
Glutamyl-ARNt synthétase GluRS ou ERS Acide glutamique (ou glutamate) (Glu ou E) ARNt(Glu) Glu-ARNt(Glu)
Glutaminyl-ARNt synthétase GlnRS ou QRS Glutamine (Gln ou Q) ARNt(Gln) Gln-ARNt(Gln)
Glycyl-ARNt synthétase GlyRS ou GRS Glycine (Gly ou G) ARNt(Gly) Gly-ARNt(Gly)
Histidyl-ARNt synthétase HisRS ou HRS Histidine (His ou H) ARNt(His) His-ARNt(His)
Isoleucyl-ARNt synthétase IleRS ou IRS Isoleucine (Ile, ou I) ARNt(Ile) Ile-ARNt(Ile)
Leucyl-ARNt synthétase LeuRS ou LRS Leucine (Leu, L) ARNt(Leu) Leu-ARNt(Leu)
Lysyl-ARNt synthétase (I ou II) LysRS (I ou II) ou KRS (I ou II) Lysine (Lyds ou K) ARNt(Lys) Lys-ARNt(Lys)
Methionyl-ARNt synthétase MetRS ou MRS Methionine (Met ou M) ARNt(Met) initiateur et ARNt(Met) élongateur Met-ARNt(Met)i et Met-ARNt(Met)e
Phénylalanyl-ARNt synthétase PheRS ou PRS Phénylalanine (Phe ou P) ARNt(Phe) Phe-ARNt(Phe)
Prolyl-ARNt synthétase ProRS ou PRS Proline (Pro ou P) ARNt(Pro) Pro-ARNt(Pro)
Séryl-ARNt synthétase SerRS ou SRS Sérine (Ser ou S) ARNt(Ser) Ser-ARNt(Ser)
Thréonyl-ARNt synthétase ThrRS ou TRS Thréonine (Thr ou T) ARNt(Thr) Thr-ARNt(Thr)
Tryptophanyl-ARNt synthétase TrpRS ou WRS) Tryptophane (Trp ou W) ARNt(Trp) Trp-ARNt(Trp)
Tyrosyl-ARNt synthétase TyrRS ou YRS Tyrosine (Tyr ou Y) ARNt(Tyr) Tyr-ARNt(Tyr)
Valyl-ARNt synthétase ValRS ou VRS Valine (Val ou V) ARNt(Val) Val-ARNt(Val)


Bien que ces organismes modèles possèdent toutes les aminoacyl-ARNt synthétases, ce n'est pas le cas de tous les organismes. En effet, il n'est pas rare du tout que la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS) soit absente, notamment chez 90 % des bactéries, et chez toutes les archées. Récemment, il a même été mis en évidence que les mitochondries sont également dépourvues de cette enzyme. Dans tous les cas, les organismes utilisent une voie alternative, qui implique deux étapes enzymatiques successives (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18252769).

Classes d'aminoacyl-ARNt synthétases[modifier | modifier le code]

Il existe deux classes d'aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS), appelées classe I et classe II, de propriétés structurales et fonctionnelles très distinctes. Les aminoacyl-ARNt synthétases de classe I estérifient l'acide aminé sur le 2'-OH de l'adénosine terminale de l'ARNt, et se lient à ce dernier par le petit sillon du bras accepteur. Leur structure est organisée autour d'un domaine constitué d'un feuillet bêta parallèle, entouré d'hélices alpha appelé repliement de Rossmann (Rossmann fold (en)) et commun à de nombreuses enzymes utilisant un cofacteur nucléotidique (ATP, NAD+). Les aminoacyl-ARNt synthétases de classe II estérifient l'acide aminé sur le 3'-OH de l'adénosine terminale de l'ARNt et se lient par le grand sillon de son bras accepteur. Elles possèdent une structure construite autour d'un feuillet bêta antiparallèle [2],[3],[4].

À l'exception de la lysyl-ARNt synthétase, pour laquelle il existe des formes de classe I ou de classe II, suivant les espèces, pour tous les autres acides aminés, on ne trouve systématiquement qu'une forme d'enzyme, soit de classe I, soit de classe II. Ces deux classes d'enzymes structurellement distinctes semblent être le résultat d'un processus d'évolution convergente.

Parmi les enzymes de classe I, on trouve la leucyl-ARNt synthétase (LeuRS), l'isoleucyl-ARNt synthétase (IleRS), la valyl-ARNt synthétase (ValRS), la cystéinyl-ARNt synthétase (CysRS), la méthionyl-ARNt synthétase (MetRS), l'arginyl-ARNt synthétase (ArgRS), la glutamyl-ARNt synthétase (GluRS), laglutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS), la lysyl-ARNt synthétase de type I (LysRSI), la tyrosyl-ARNt synthétase (TyrRS) et la tryptophanyl-ARNt synthétase (TrpRS).

Les enzymes de classe II comprennent les séryl-ARNt synthétase (SerRS), thréonyl-ARNt synthétase (ThrRS), histidyl-ARNt synthétase (HisRS), prolyl-ARNt synthétase (ProRS), glycyl-ARNt synthétase (GlyRS), alanyl-ARNt synthétase (AlaRS), aspartyl-ARNt synthétase (AspRS), asparaginyl-ARNt synthétase (AsnRS), lysyl-ARNt synthétase de type II (LysRSII), phénylalanyl-ARNt synthétase (PheRS), pyrrolysyl-ARNt synthétase (PylRS), phosphoséryl-ARNt synthétase (SepRS).

Relecture[modifier | modifier le code]

Certaines aminoacyl-ARNt synthétases ont à discriminer des acides aminés structurellement très proches, comme par exemple l'isoleucyl-ARNt synthétase qui doit distinguer la isoleucine de la valine, qui ne diffèrent que d'un groupe méthyle (-CH3). La différence d'affinité entre le substrat correct, l'isoleucine, et le substrat incorrect, la valine, est insuffisante pour éviter que parfois la valine ne soit estérifiée sur l'ARNt isoleucine par cette enzyme. Si cet évènement se produisait trop fréquemment, cela conduirait à l'incorporation fréquente de valine à la place d'isoleucine au niveau du ribosome et donc à la synthèse de protéines anormales.

Ces aminocyl-ARNt-synthétases possèdent donc en général un mécanisme de relecture (en anglais : editing), qui permet à l'enzyme de vérifier après la réaction que l'acide aminé estérifié à l'extrémité de l'ARNt est bien l'acide aminé correct. Il existe sur l'enzyme un deuxième site de contrôle de l'acide aminé estérifié à l'ARNt. Si une erreur a été commise, la liaison ester formée est hydrolysée, ce qui permet d'effectuer une correction[5].

C'est un mécanisme qui permet d'augmenter la fidélité de la traduction du message génétique.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) P. Berg et E.J. Offengand, « An Enzymatic Mechanism for Linking Amino Acids to RNA », Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 44,‎ 1958, p. 78-86 (lien PubMed?)
  2. (en) Richard Giégé, « The early history of tRNA recognition by aminoacyl-tRNA synthetases », J. Biosci., vol. 31,‎ 2006, p. 477-488 (lien PubMed?)
  3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14665676
  4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10966471
  5. (en) M. Ibba et D. Söll, « Aminoacyl-tRNA synthesis », Annu. Rev. Biochem., vol. 69,‎ 2000, p. 617-650 (lien PubMed?)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]