Aminoacil tRNA sintetasa

Qué es la aminoacil-ARNt sintetasa

Se ha dicho, con razón, que estas enzimas encarnan un «segundo código genético». La tabla de correspondencias entre codones y aminoácidos solo tiene sentido si una maquinaria enzimática previa ha unido el aminoácido correcto al ARNt correcto; de lo contrario, el ribosoma insertaría en la cadena polipeptídica cualquier aminoácido que le llegase, sin posibilidad de verificarlo por sí mismo.

El nombre resulta descriptivo una vez que se descompone: aminoacil (residuo derivado de un aminoácido), ARNt (la molécula aceptora) y sintetasa (enzima que forma un enlace nuevo con gasto de ATP). La nomenclatura oficial del Comité IUBMB las clasifica como ligasas del grupo 6.1.1, y el nombre sistemático es «aminoácido-ARNt ligasa», pero tanto en la literatura de investigación como en los textos clínicos se emplea casi siempre la forma abreviada aaRS.

La reacción transcurre en dos etapas dentro del mismo sitio catalítico. Primero, el aminoácido reacciona con ATP para generar un aminoacil-adenilato (aminoácido-AMP), liberando pirofosfato. Después, el grupo aminoacilo se transfiere al extremo 3' del ARNt, concretamente al hidroxilo de la ribosa del adenosín terminal de la secuencia CCA, y el AMP queda libre. El producto final es el aminoacil-ARNt.

Clase I y clase II: dos familias sin parentesco

En 1990, un trabajo de Eriani, Delarue, Gangloff, Moras y colaboradores demostró que las veinte sintetasas se reparten en dos clases cuya arquitectura no guarda relación evolutiva entre sí. Las de clase I comparten un plegamiento de tipo Rossmann, con una hoja beta paralela en el centro del dominio catalítico, y la mayoría funcionan como monómeros o dímeros. Cargan el aminoácido primero en la posición 2'-OH de la ribosa terminal; el grupo aminoacilo migra después al 3'-OH, que es donde el ribosoma lo necesita.

Las de clase II se organizan en torno a una hoja beta antiparalela y tienden a formar dímeros o tetrámeros. Esterifican directamente en el 3'-OH. Un detalle cristalográfico que pasó desapercibido durante años, hasta que las resoluciones mejoraron lo suficiente: las de clase I acceden al ARNt por el surco menor del brazo aceptor, mientras que las de clase II lo hacen por el surco mayor.

Hay una excepción que los bioquímicos mencionan con frecuencia: la fenilalanil-ARNt sintetasa pertenece a la clase II por su dominio catalítico, pero aminoacila en el 2'-OH, como si no terminara de encajar en ninguna de las dos familias.

Corrección de errores: el sitio de edición

Distinguir aminoácidos estructuralmente parecidos no siempre es sencillo para una sola cavidad de unión. La isoleucil-ARNt sintetasa, por ejemplo, debe separar isoleucina de valina, y la diferencia entre ambas se reduce a un grupo metilo. El sitio de activación rechaza la mayoría de las valinas, pero no todas; las que escapan y llegan a esterificarse al ARNt son destruidas en un segundo sitio, el sitio de edición, antes de que el aminoacil-ARNt defectuoso abandone la enzima.

Ese doble tamiz mantiene la tasa global de error por debajo de un aminoácido incorrecto por cada diez mil incorporados. No todas las sintetasas lo necesitan. La triptofanil-ARNt sintetasa, que trabaja con el más voluminoso de los veinte aminoácidos proteicos, rara vez se equivoca en el paso de activación y carece de sitio de edición detectable.

Funciones no canónicas

Desde los años noventa se han ido descubriendo funciones de las aaRS que nada tienen que ver con la aminoacilación. Algunas, al ser escindidas proteolíticamente, generan fragmentos con actividad semejante a la de las citocinas: la tirosil-ARNt sintetasa humana, por ejemplo, libera un dominio N-terminal que actúa como quimioatrayente de células inmunitarias. Otras participan en la señalización a través de mTOR o en la regulación de la angiogénesis (es el caso del fragmento C-terminal de la triptofanil-ARNt sintetasa, identificado como inhibidor antiangiogénico).

En mamíferos, nueve sintetasas citosólicas se asocian entre sí y con tres proteínas auxiliares para formar un gran complejo multienzimático denominado MSC (por multi-synthetase complex). La función exacta de ese ensamblaje sigue siendo objeto de debate; una hipótesis propone que canaliza los aminoácidos directamente desde las sintetasas al ribosoma sin que se diluyan en el citoplasma.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre sintetasa y sintasa?

En la nomenclatura enzimática, una sintetasa forma un enlace nuevo con gasto de ATP (o de otro nucleósido trifosfato), mientras que una sintasa lo hace sin consumirlo. La aminoacil-ARNt sintetasa hidroliza ATP hasta AMP y pirofosfato, lo que la clasifica como ligasa.

¿Hay una sintetasa por cada aminoácido?

En eucariotas, sí: veinte citosólicas y un juego paralelo de sintetasas mitocondriales. En ciertas bacterias la situación es menos ordenada; algunos organismos carecen de la sintetasa específica para glutamina y recurren a una vía indirecta: cargan ácido glutámico en el ARNt de glutamina y una segunda enzima convierte el glutamato en glutamina una vez esterificado. Es una solución primitiva que probablemente refleja el estado ancestral de la maquinaria de traducción.

¿Existen enfermedades asociadas a mutaciones en estas enzimas?

Sí, y el espectro clínico resulta llamativamente amplio. Mutaciones en sintetasas mitocondriales causan leucoencefalopatías y miopatías hereditarias. En el lado citosólico, variantes en la glicil-ARNt sintetasa se han vinculado a la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth tipo 2D, una neuropatía hereditaria que afecta preferentemente a las extremidades distales. Variantes en la alanil-ARNt sintetasa se han asociado a formas de degeneración cerebelosa en modelos experimentales, y cada pocos años aparecen nuevas correlaciones genotipo-fenotipo en la literatura.

¿Tienen aplicación en biología sintética?

Considerable. Mutando la cavidad de unión al aminoácido de ciertas sintetasas se consigue que acepten aminoácidos no naturales, sintetizados en el laboratorio. Esa expansión del código genético permite incorporar aminoácidos artificiales en posiciones concretas de una proteína de interés, una herramienta que ya se utiliza para estudiar la estructura de proteínas, fabricar bioconjugados y diseñar fármacos.

Referencias

1. MedlinePlus Genetics. ¿Qué son las proteínas y qué es lo que hacen?.
2. National Human Genome Research Institute (NHGRI). ARN de transferencia (ARNt).
3. Manual MSD (versión para público general). Genes y cromosomas.
4. Cooper GM. Translation of mRNA. The Cell: A Molecular Approach, 2.ª ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2000.