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  在翻译过程中,每种tRNA分子都需要与相应的氨基酸结合,然后将这些氨基酸运送到核糖体进行蛋白质合成。这种结合是在一系列胺酰tRNA合成酶的作用下完成的,这些酶通过酯化反应将正确的氨基酸与对应的tRNA分子相连接。连接反应的第一步是在合成酶作用下,ATP分子和对应的氨基酸(或其前体)结合形成胺酰-AMP(腺苷酸),并释放出无机焦磷酸(PP)。然后,酶与胺酰-AMP复合物再与正确的tRNA分子结合,催化氨基酸从胺酰-AMP转移到tRNA的3'端最后一个碱基的2'-或3'-羟基上。一些合成酶还具有校对功能以确保tRNA结合的正确性:如果tRNA被发现与错误的氨基酸相连接,那么所形成胺酰tRNA会通过水解重新被打开。

  胺酰tRNA合成酶所催化反应的反应式如下:  总反应式:氨基酸 + tRNA + ATP → 胺酰-tRNA + AMP + PPi  氨基酸是通过它们的羧基(-COOH)与腺苷上的羟基(-OH)连接。因此,连接反应是一个酯化反应。

  根据序列和活性位点的结构的不同,胺酰tRNA合成酶可以被分为两大类:  无论胺酰基开始被连接到腺苷上的哪一个羟基上,最终都会连接到3'羟基上,因为2'-O-胺酰-tRNA会通过酯交换反应(transesterification)转移到3'羟基上。

  两类胺酰tRNA合成酶都是多结构域蛋白质。典型的情况下,一个胺酰tRNA合成酶是由一个催化结构域(以上反应发生的区域)和一个反密码子结合结构域(与tRNA上的反密码子作用的区域,来保证氨基酸结合到正确的tRNA分子上)。一些胺酰tRNA合成酶还具有RNA结合结构域和“编辑”结构域,负责将不正确连接的胺酰tRNA重新打开。  同一类型中所有的胺酰tRNA合成酶的催化结构域都是同源的,但两个类型(类型I和II)之间却没有同源关系。类型I的胺酰tRNA合成酶普遍具有Rossmann折叠和反平行的β折叠结构,而类型II的酶则具有不同的由反平行的β折叠所形成的结构。

  同一专一性中多数胺酰tRNA合成酶在进化上的相关性比而不同专一性之间要高得多。然而,天冬酰胺酰tRNA合成酶(AsnRS)和谷胺酰胺酰tRNA合成酶(GlnRS)则分别相似于天冬胺酰tRNA合成酶(AspRS)和谷胺酰tRNA合成酶(GluRS)。大多数胺酰tRNA合成酶属于类型I或II,而赖胺酰tRNA合成酶(LysRS)则具有两个版本:一个属于类型I,另一个属于类型II。  多数胺酰tRNA合成酶的每一种都具有典型的进化分布规律,即可以古菌、细菌和真核生物来分组,相应组别中的酶进化关系接近。
胺酰-tRNA合成酶(aminoacyl tRNA synthetase,通常简写为aaRS)是一类催化特定氨基酸或其前体与对应tRNA发生酯化反应而形成胺酰tRNA的酶。由于每一种的氨基酸与tRNA的连接都需要专一性的胺酰tRNA合成酶来催化,因此胺酰tRNA合成酶的种类与标准氨基酸的数量一样都为20种。