Die Kurzform tRNA steht für transfer-RNA. Transfer-RNAs sind kurze Ribonukleinsäurestränge (RNA), die in jeder Zelle bei der Bildung von Proteinen (Proteinbiosynthese) eine wichtige Rolle spielen, indem sie einzelne Aminosäuremoleküle transferieren. Die Länge reifer tRNA-Stränge liegt in der Regel zwischen 73 und 95 Nukleotiden. Über das Basentriplett ihres Anticodons vermitteln sie passend zu einem Codon auf der mRNA bei der Translation am Ribosom jeweils die richtige Aminosäure entsprechend dem genetischen Code.
Struktur mini|hochkant=1.2|Allgemeines Schema einer transfer-RNA. Die dargestellte Sekundärstruktur enthält semikonservative und konservative Basen an bestimmten Positionen. Pu: Purinbase Py: Pyrimdinbase T: Thymidin Ψ: Pseudouridin mini|hochkant=1.2|Bänder-/Stäbchenmodell der Phenylalanin-tRNA der Hefe nach PDB . Unten rechts im Bild ist die Kleeblattstruktur zum Vergleich angegeben. CCA-Sequenz am 3'-Ende in gelb, Akzeptorstamm in violett, Variable Schleife in orange, Dihydrouridin-Arm in rot, Anticodonarm in blau mit dem Anticodon in schwarz, TΨC-Arm in grün.
In der Regel bestehen tRNA-Moleküle aus 73 bis 95 Nukleotiden eines einzelnen RNA-Stranges. Neben den vier Grundbausteinen der RNA (Adenosin, Uridin, Cytidin und Guanosin) enthält tRNA eine Reihe unterschiedlich modifizierter Standardbasen. So hat man beispielsweise die Nukleoside Dihydrouridin (D), Inosin (I), 2-Thiouridin (s2U)R. K. Kumar, D. R. Davis: Synthesis and studies on the effect of 2-thiouridine and 4-thiouridine on sugar conformation and RNA duplex stability. In: Nucleic Acids Research. Band 25, Nummer 6, März 1997, S. 1272–1280. PMID 9092639, ., 4-Thiouridin (s4U),Yuchen Liu et al.: Biosynthesis of 4-Thiouridine in tRNA in the Methanogenic Archaeon Methanococcus maripaludis. In: The Journal of Biological Chemistry, 287, 17. August 2012, S. 36683–36692, doi:10.1074/jbc.M112.405688 Pseudouridin (Ψ), N4-Acetylcytidin (ac4C) und 5-Methyl-Uridin (Thymidin) (T) identifiziert.
In jedem tRNA-Molekül treten Paarungen konjugierender Nukleinbasen auf, sie bilden so doppelsträngige Bereiche aus. In einer zweidimensionalen Darstellung hat tRNA eine kleeblattartige Sekundärstruktur. An dieser Struktur lassen sich ein Stamm und drei Schleifen unterscheiden: eine Dihydrouridin-, eine TΨC- und eine Anticodonschleife (siehe Abbildung).
D-Arm (Dihydrouridin-Arm): Die sogenannte Dihydrouridin-Schleife am Ende des D-Arms verdankt ihren Namen den häufig in ihr enthaltenen Dihydrouracilresten. In Abbildungen wird sie in der Regel links dargestellt. Jedoch enthält nicht in jedem Fall ein Dihydrouridin-Arm auch die namensgebenden Dihydrouracilreste.H. Grosjean, R. Gupta, E. S. Maxwell: Modified nucleotides in archaeal RNAs. In: P. Blum (Hrsg.): Archaea: new models for prokaryotic biology. Caister Academic Press, Norfolk, UK 2008, S. 171–196. Die Dihydrouridin-Schleife dient vor allem der Erkennung der tRNA durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase.
Anticodonarm: Auf der Anticodonschleife befindet sich ein spezifisches Basentriplett, das sogenannte Anticodon. Die Schleife besteht immer aus fünf konjugierenden Paaren und sieben ungepaarten Basen, von denen drei das Anticodon bilden. Dieses interagiert mit dem komplementären Codon der abzulesenden mRNA (vgl. Abschnitt Funktion).
T-Schleife (TΨC-Schleife): Die in Abbildungen rechts dargestellte TΨC-Schleife enthält sieben ungepaarte Basen, von denen drei die namensgebenden Sequenz TΨC bilden. Dabei steht T für (Ribo-)Thymidin, Ψ für Pseudouridin und C für Cytidin.
Variable Schleife: Zwischen dem TΨC-Arm und dem Anticodonarm liegt die sogenannte variable Schleife; je nach tRNA ist diese unterschiedlich lang.
Akzeptorstamm: Der Akzeptorstamm ist an seinem 5’-Ende phosphoryliert. Sein 3’-Ende zeigt immer die Sequenz CCA-3’. Das Adenosin (A) am 3’-Ende präsentiert seine Ribose, was eine wichtige Rolle spielt. Denn an diesem Ende, der 3’-OH-Gruppe der Ribose, wird die Carboxygruppe einer korrespondierenden Aminosäure verestert und damit an die tRNA gebunden (vgl. Abschnitt Funktion).
Am häufigsten findet man die modifizierten Basen unter den nicht konjugierten Basen der Kleeblattstruktur. Die tatsächliche dreidimensionale Tertiärstruktur ähnelt eher einer „L“-Form, deren zwei vorkragenden Abschnitte von dem Aminosäuren-Akzeptorstamm und der Anticodonschleife gebildet werden. Diese funktionell wichtigen Regionen liegen also so weit wie möglich voneinander entfernt. Die dreidimensionale Struktur von tRNA aus Hefe wurde bereits 1974 in einer Auflösung von 300 pm (3 Å) unabhängig von zwei Gruppen um Rich und Klug aufgeklärt.S. H. Kim et al.: Three-dimensional tertiary structure of yeast phenylalanine transfer RNA. In: Science, 185(149), 1974, S. 435–440. PMID 4601792; doi:10.1126/science.185.4149.435.J. D. Robertus et al.: Structure of yeast phenylalanine tRNA at 3 Å resolution. In: Nature. 250(467), 1974, S. 546–551. PMID 4602655; doi:10.1038/250546a0. 2000 wurde eine Struktur mit einer verbesserten Auflösung von 1,93 Å publiziert.H. Shi, P. B. Moore: The crystal structure of yeast phenylalanine tRNA at 1.93 Å resolution: a classic structure revisited. In: RNA, 6(8), 2000, S. 1091–1105. PMID 10943889; .
Funktion Bei der Translation in der Proteinbiosynthese muss im Ribosom entsprechend dem genetischen Code zu jedem Basentriplett auf der mRNA die passende Aminosäure an die Peptidkette angehängt werden. Diese Aufgabe wird durch die tRNA vermittelt. Dazu gibt es für jede Aminosäure mindestens eine, häufig aber auch mehrere verschiedene tRNAs.
Beladung der tRNA mit einer Aminosäure Unter ATP-Verbrauch werden tRNAs abhängig von ihrer Sequenz durch die jeweilige Aminoacyl-tRNA-Synthetase am 3’-Ende spezifisch mit der zugehörigen Aminosäure beladen. Dazu wird an die 3’-Hydroxygruppe der Ribose des Adenosins die Carboxygruppe der Aminosäure in Esterbindung angehängt, so dass eine Aminoacylgruppe entsteht. Häufig erkennt die Aminoacyl-tRNA-Synthetase dazu das Anticodon auf der tRNA. Es können aber auch andere Strukturelemente bei der Erkennung eine Rolle spielen, hauptsächlich der Akzeptorstamm.
Ein besonderer Fall sind die tRNAs, die mit Alanin beladen werden (tRNAAla). Unabhängig vom Organismus weist die tRNAAla ein G–U-Basenpaar an den Positionen 3 bzw. 70 im Akzeptorstamm auf.Reginald Garrett, Charles M. Grisham: Biochemistry. (International Student Edition). 4. Auflage. Cengage Learning Services, 2009, ISBN 978-0-495-11464-2, S. 958. Wird eine dieser beiden Basen mit einer anderen durch (zielgerichtete) Mutagenese ausgetauscht, kann die resultierende tRNA nicht mehr durch die Alanyl-tRNAAla-Synthetase mit Alanin beladen werden.
Zunächst wurde angenommen, dass in allen Organismen für jede Aminosäure genau eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase existiert, die alle zur entsprechenden Aminosäure gehörenden tRNAs beladen kann. Später wurde aber entdeckt, dass einigen Organismen eine oder mehrere Aminoacyl-tRNA-Synthetasen fehlen, diese aber dennoch die entsprechenden Aminosäuren in ihre Proteine einbauen können und auch die nötigen tRNAs besitzen. Diese müssen also einen anderen Mechanismus zur Beladung dieser tRNAs besitzen. So fehlt in vielen Archaea, Bakterien, Chloroplasten und Mitochondrien eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase für Glutamin. Stattdessen bindet die Aminoacyl-tRNA-Synthetase für Glutamat dieses sowohl an tRNA für Glutamat als auch an tRNA für Glutamin. Das „fehlerhaft“ an die tRNA für Glutamin gebundene Glutamat wird anschließend durch eine Transamidase (Glu-tRNAGln-Amidotransferase)K. Horiuchi, M. Harpel, L. Shen, Y. Luo, K. Rogers, R. Copeland: Mechanistic Studies of Reaction Coupling in Glu-tRNAGln Amidotransferase. In: Biochemistry. Band 40, Nr. 21, Mai 2001, S. 6450–6457, doi:10.1021/bi002599l. in Glutamin umgewandelt.Katharina Munk (Hrsg.): Taschenlehrbuch Biologie: Genetik. 1. Auflage. Thieme Verlag, 2010, ISBN 978-3-13-144871-2, S. 188.
Einbau von Aminosäuren in die entstehende Kette mini|hochkant=1.2|Modell der Translation Die aminoacylierten tRNAs werden von den Ribosomen für die Proteinbiosynthese genutzt. Passt das Anticodon zum entsprechenden Basencodon der Boten-RNA (mRNA), so kann sich die tRNA dort anlagern, und die herantransportierte Aminosäure an das entstehende Protein anknüpfen.
Entsprechend dem genetischen Code müsste für jedes Basentriplett, das eine Aminosäure codiert und kein Stopcodon darstellt, eine tRNA existieren – in der Regel also 61.Peter Karlson, Detlef Doenecke, Jan Koolman, Georg Fuchs, Wolfgang Gerok: Karlsons Biochemie und Pathobiochemie. 15. Auflage. Thieme, 2005, S. 142. Es wurde aber festgestellt, dass die Zahl der tRNA davon deutlich nach unten abweicht. Die genaue Anzahl unterscheidet sich in den Organismen, jedoch sind es nicht weniger als 31 und nicht mehr als 41.H. Lodish et al.: Molecular Biology of the Cell. 5. Auflage. WH Freeman, New York 2004, ISBN 0-7167-3136-3. (Excerpt) (englisch) Harvey Lodish et al.: Molekulare Zellbiologie. Spektrum Akademischer Verlag, 2001, ISBN 3-8274-1077-0. Dennoch werden in allen Organismen alle Basentripletts zur Proteincodierung verwendet. Diese Abweichung wird durch die Wobble-Theorie erklärt.
+ Möglichkeiten der Basenpaarung an der dritten Position des Codons (vereinfacht) Base des Anticodons (tRNA) Base des Codons (mRNA) C G A U G U oder C I U, C oder A U A oder G; in Chloroplasten und Mitochondrienauch U oder CA. Ambrogelly et al.: Natural expansion of the genetic code. In: Nature Chemical Biology. 3 (1), 2007, S. 29–35. PMID 17173027; doi:10.1038/nchembio847. mini|hochkant|links|Codon-Anticodon-Paarung einer tRNAAla und einer mRNA, die für ein Alanin codiert. Die Darstellung des Anticodonstammes der tRNA ist im Vergleich zu den anderen Darstellungen in diesem Artikel gespiegelt (3' zu 5'). Diese auf Francis Crick zurückgehende Theorie besagt, dass die ersten beiden Basen des Codons und die letzten beiden Basen des Anticodons nach „klassischer“ Watson-Crick-Basenpaarung Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden; G paart damit immer mit C bzw. A mit U.Reginald Garrett, Charles M. Grisham: Biochemistry. (International Student Edition). 4. Auflage. Cengage Learning Services, 2009, ISBN 978-0-495-11464-2, S. 959. Nach Cricks Untersuchungen kann die Möglichkeit der Basenpaarung zwischen der dritten Base des Codons und der ersten Base des Anticodons erweitert werden und folgt nicht dieser strengen Regel. Man spricht auch von der „Wobble-Position“.
Wenn beispielsweise die erste Base des Anticodons ein U ist, kann diese ein A oder G des Codons erkennen. Manchmal ist diese erste Base auch ein Inosin, es vermag sowohl mit U, C als auch A des Codons zu interagieren. Die Ergebnisse sind in rechts stehender Tabelle zusammengefasst.
Häufig ist die erste Base des Anticodons modifiziert. Dies wirkt sich auf die Erkennung der korrespondierenden dritten Base des Codons aus. Ist beispielsweise die erste Base des Anticodons ein Lysidin (k2C), wird diese in Bakterien nur von einem A erkannt. In Mitochondrien mancher Eukaryoten basenpaart 5-Formylcytidin (f5C) mit A oder G. In Stachelhäutern und den Mitochondrien von Tintenfischen hat man entdeckt, dass 7-Methylguanosin (m7G) mit allen vier Standardbasen interagieren kann.
Demnach sind durch die Tatsache, dass der genetische Code ein degenerierter Code ist, bei dem mehrere Basentripletts für die gleiche Aminosäure codieren können, häufig nur zwei Basen für die Erkennung nötig, da sich Basentripletts für die gleiche Aminosäure oft nur in einer Base unterscheiden.
Initiator-tRNAs