氨基酸-tRNA合成酶(aaRS)存在于所有的生物体,定位于细胞浆.已从许多生物组织中提纯,其分子量从2.27×104－2.7×105不等,有的由单一肽链组成,有的由几个亚基组成,通常称为α和/或β亚基.单个肽链的大小差别较大,从嗜热杆菌(Bacillusstearothermophilus)的TrpRS含327个氨基酸残基到E.coliIleRS含939个氨基酸残基不等.来源于不同生物的同种aaRS其序列保守性亦不同,如酵母和细菌的同种aaRS比较,其同源性约在20%—50%范围.
aaRS的活性中心一般含有一个或几个-SH基,对该巯基进行化学修饰通常会导致酶失活,从而认为些巯基在催化中发挥作用.例如,aa-AMP能够与巯基反应形成巯酯键,然后再与tRNA反应.E.coliGlyRS由α2β2四个亚基构成,当用N-甲基缩苹果酰胺(N-methy1-maleimide)去处理酶的-SH基,会导致GlyRS失活.已证明N-甲基缩苹果酰胺灭活该酶的靶位置是β亚基的Cys395,以致阻止了aa-AMP与tRNA反应,但不抑制Gly-AMP复合物的形成.然而,并不是所有的半胱氨酸对酶的活性都有关键性作用.如GlyRS的β链含Cys98,Cys395和Cys450三个半胱氨酸,将这些Cys用Ala取代而形成的突变子,在体内、外均有活性.因为Ala取代几乎不影响活性.人们认为N-甲基缩苹果酰胺的作用基础最可能是空间障碍所致.支持这一论点的证据是:Csy395→Gln395突变后,GlyRS的催化活性可下降10倍.
aaRS的两个活性(形成aa-AMP复合物和aa-tRNA复合物)在肽链内具有较明确的结构域.aaRS的N端序列具有使aa-AMP复合物形成的活性,称为aaRS的aa-AMP合成结构域,毗邻aa-AMP合成结构域C端的部分序列具有识别特异tRNA的活性,称为aaRS的aa-tRNA合成结构域.例如,E.coliAlaRS含四个α亚基,每条肽链含875个氨基酸残基.分析表明,第1-461位氨基酸残基组成的肽段具有使tRNAAla氨基酰化作用.其中,第1-368位残基序列属aa-AMP合成结构域,第369-461位残基序列是结合tRNAAla的关键部位.第699-808位氨基酸残基段对形成AlaRS四聚体(α4)是重要的.亦有一些研究显示,aaRS结合tRNA的部位跨越在不同亚基间.据上述,aaRS具有高度的特异性,它至少有两识别位点,既能识别特异的氨基酸,又能识别携带该种氨基酸的特异tRNA分子.在体内,每种aaRS都能从20种氨基酸中精确选择与其相对应的,并识别出与此氨基酸相适应的特异tRNA,即一种氨基酸可被数种不同的同工tRNA携带.换言之,aaRS对氨基酸有严格的特异性,而对与此氨基酸相适应的数种同工tRNA则无严格的特异性.
