氨醯

大多數細胞可產生二十種不同的氨醯-tRNA合成酶，每一種酶負責一種氨基酸。它們各不相同，各負其責，使一種氨基酸與其相應的一套tRNA分子結合。如圖所示，天冬氨醯-tRNA合成酶（用藍色和綠色表示，兩個tRNA分子以紅色表示）是一個由兩個相同亞基構成的二聚體，其他的酶是或大或小的單體，或是二聚體。有的甚至是一種或多種不同亞基構成的四聚體。某些酶具有相當奇特的構造，例如，絲氨醯-tRNA合成酶（蛋白質編號1SET）。幾乎所有氨醯-tRNA合成酶的結構都可以在蛋白質立體結構資料庫中找到。

正如人們所預料的，這其中的許多酶識別tRNA分子的反密碼子。但在某些情況下有所不同。以絲氨酸為例，它有六種不同的密碼子，所以絲氨醯-tRNA合成酶必須能識別帶有六種不同反密碼子的tRNA分子，包括完全不同的“AGA”、“GCU”。於是，酶不得不辨別tRNA分子上的氨基酸接受臂和其他部位的鹼基，尤其是在tRNA序列編號為73的鹼基，似乎在很多情況下起著極其重要的作用，因此被稱為區別鹼基。但有時，它可以完全被忽略。應注意的一點是，每個酶在正確識別tRNA分子的同時，必須阻止錯誤組合。因此，每一個tRNA分子都有一套促進與正確的酶結合的積極因子，也有一套抑制不適當結合的消極因子。例如，天冬氨醯-tRNA合成酶，如圖所示（蛋白質編號1ASZ）能識別tRNA分子的區別鹼基和反密碼子周圍的四個鹼基，而另一個鹼基，鳥嘌呤37，不用於識別，但必須通過甲基化保證tRNA分子不會與精氨醯-tRNA合成酶錯誤結合。

近來，對整個基因組分析的結果，讓人們非常吃驚：有些有機體並不存在全部編碼這二十種氨醯-tRNA合成酶的基因。但它們確實是用這二十種氨基酸去構建蛋白質的。有機體對這個矛盾的解決表明，有更複雜的機制存在。這種現象經常出現。例如，某些細菌不存在將谷氨醯胺裝載到相應tRNA上的合成酶。但它可以用一種酶將谷氨酸加到所有的谷氨酸tRNA分子上和所有的谷氨醯胺tRNA分子上，然後，另一種酶作用於谷氨醯胺tRNA分子，將谷氨酸轉變為谷氨醯胺，從而形成正確的配對組合。

了五種氨醯-tRNA合成酶與其tRNA分子的複合體。tRNA分子（以紅色表示）以相同的方向排列。注意，不同的酶是從不同的角度接近tRNA分子的。作用於異亮氨酸（蛋白質編號1FFY）、纈氨酸（蛋白質編號1GAX）和谷氨醯胺（蛋白質編號1EUQ）的合成酶像是tRNA分子的搖籃，抓住反密碼子環（在tRNA分子底部），並將氨基酸接受臂（在tRNA分子右部頂端）置於它的活性部位。這些酶有相似的蛋白質結構，類似的作用方式，並且都將氨基酸加在tRNA分子末端核糖的2'-羥基上，被稱為“類型Ⅰ”酶。而作用與苯丙氨酸（蛋白質編號1EIY）和蘇氨酸（蛋白質編號1QF6）的酶屬於“類型Ⅱ”，它們從另一側接近tRNA，並將氨基酸加到tRNA末端核糖的3'-羥基上。

氨醯-tRNA合成酶執行其功能時，必須有很高的準確性。它們如果犯了錯誤，將會導致氨基酸在蛋白質合成中的錯誤定位。這些的出錯率為萬分之一。對於絕大多數氨基酸，這個準確率不難達到。因為，各個氨基酸之間有很大的不同。而且，前面曾提到過，不同tRNA分子的許多部位都可用於正確識別。但是，在某些情況下，酶難於選擇正確的氨基酸而必須求助於特殊機制。

異亮氨酸正是這樣一個例子。在酶中，有一個能識別異亮氨酸的小洞，這個洞太小，而不宜讓像甲硫氨酸和苯丙氨酸這樣的大分子進入，並且，這個洞是疏水的，帶有極性側鏈的氨基酸，也被阻擋在外。但是比異亮氨酸稍小的纈氨酸，由於僅比它少了一個甲基，剛好能進入這個口袋。纈氨酸代替異亮氨酸的幾率為一百五十分之一。這個錯誤率太高了。於是必須有校正機制出馬。異亮氨酸合成酶（蛋白質編號1FFY）用有校正作用的另一個活性部位來解決這個難題。錯誤的纈氨酸，而不是異亮氨酸能靠近這個活性部位。這樣，纈氨酸被水解掉，留下tRNA分子，等待正確的異亮氨酸。這個校正步驟將總的錯誤率降到三千分之一。

這些酶作用於tRNA分子時並不十分溫柔。谷氨醯-tRNA合成酶作用於它的tRNA分子（蛋白質編號1GTR）時的結構就是一個很好的例證。該酶緊緊的抓住反密碼子，為了更好的辨認，將這三個鹼基盡量分開，在tRNA分子的另一端，酶解開最初的一個鹼基對（圖上所示向上彎曲），並將鏈的長長的接受臂扭成一個較緊的發卡（圖上所示向下彎曲）。這樣，使得最後一個核苷酸的2'羥基處於酶的活性部位。此時，ATP和氨基酸（在此結構中未顯示）也正處於該部位。