Biosíntesis
Proceso mediante el cual los sustratos se convierten en productos más complejos en los organismos vivos.

La biosíntesis , es decir, la síntesis química que ocurre en contextos biológicos, es un término que se refiere con mayor frecuencia a procesos de múltiples pasos catalizados por enzimas donde las sustancias químicas absorbidas como nutrientes (o previamente convertidas a través de la biosíntesis) sirven como sustratos enzimáticos , y el organismo vivo las convierte en productos más simples o más complejos . Los ejemplos de vías biosintéticas incluyen aquellas para la producción de aminoácidos , componentes de la membrana lipídica y nucleótidos , pero también para la producción de todas las clases de macromoléculas biológicas y de acetil-coenzima A , trifosfato de adenosina , dinucleótido de nicotinamida y adenina y otras moléculas intermedias y transaccionales clave necesarias para el metabolismo . Por lo tanto, en la biosíntesis, cualquiera de una serie de compuestos , desde simples hasta complejos, se convierte en otros compuestos, por lo que incluye tanto el catabolismo como el anabolismo (formación y descomposición) de moléculas complejas (incluidas las macromoléculas ). Los procesos biosintéticos a menudo se representan mediante diagramas de vías metabólicas . Una vía biosintética particular puede estar ubicada dentro de un solo orgánulo celular (por ejemplo, las vías de síntesis de ácidos grasos mitocondriales), mientras que otras involucran enzimas que se encuentran en una variedad de orgánulos y estructuras celulares (por ejemplo, la biosíntesis de proteínas de superficie celular glicosiladas).

Elementos de la biosíntesis

Los elementos de la biosíntesis incluyen: compuestos precursores , energía química (p. ej. , ATP ) y enzimas catalíticas que pueden necesitar coenzimas (p. ej. , NADH , NADPH ). Estos elementos crean monómeros , los bloques de construcción de las macromoléculas. Algunas macromoléculas biológicas importantes incluyen: proteínas , que se componen de monómeros de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos , y moléculas de ADN , que se componen de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster .

Propiedades de las reacciones químicas

La biosíntesis se produce debido a una serie de reacciones químicas. Para que estas reacciones se lleven a cabo son necesarios los siguientes elementos: [1]

En el sentido más simple, las reacciones que ocurren en la biosíntesis tienen el siguiente formato: [2]

Reactant → e n z y m e Product {\displaystyle {\ce {Reactant ->[][enzyme] Product}}}

Algunas variaciones de esta ecuación básica que se discutirán más detalladamente más adelante son: [3]

  1. Compuestos simples que se convierten en otros compuestos, generalmente como parte de una vía de reacción de varios pasos. Dos ejemplos de este tipo de reacción ocurren durante la formación de ácidos nucleicos y la carga del ARNt antes de la traducción . Para algunos de estos pasos se requiere energía química:
    Precursor   molecule + ATP ↽ − − ⇀ product   AMP + PP i {\displaystyle {\ce {{Precursor~molecule}+ATP<=>{product~AMP}+PP_{i}}}}
  2. Compuestos simples que se convierten en otros compuestos con la ayuda de cofactores. Por ejemplo, la síntesis de fosfolípidos requiere acetil CoA, mientras que la síntesis de otro componente de la membrana, los esfingolípidos , requiere NADH y FADH para la formación de la cadena principal de esfingosina . La ecuación general para estos ejemplos es:
    Precursor   molecule + Cofactor → e n z y m e macromolecule {\displaystyle {\ce {{Precursor~molecule}+Cofactor->[][enzyme]macromolecule}}}
  3. Compuestos simples que se unen para formar una macromolécula. Por ejemplo, los ácidos grasos se unen para formar fosfolípidos. A su vez, los fosfolípidos y el colesterol interactúan de forma no covalente para formar la bicapa lipídica . Esta reacción se puede representar de la siguiente manera:
    Molecule   1 + Molecule   2 ⟶ macromolecule {\displaystyle {\ce {{Molecule~1}+Molecule~2->macromolecule}}}

Lípido

Bicapa de membrana lipídica

Muchas macromoléculas complejas se sintetizan en un patrón de estructuras simples y repetidas. [4] Por ejemplo, las estructuras más simples de los lípidos son los ácidos grasos . Los ácidos grasos son derivados de hidrocarburos ; contienen una "cabeza" de grupo carboxilo y una "cola" de cadena de hidrocarburos. [4] Estos ácidos grasos crean componentes más grandes, que a su vez incorporan interacciones no covalentes para formar la bicapa lipídica. [4] Las cadenas de ácidos grasos se encuentran en dos componentes principales de los lípidos de membrana: fosfolípidos y esfingolípidos . Un tercer componente principal de la membrana, el colesterol , no contiene estas unidades de ácidos grasos. [5]

Fosfolípidos eucariotas

La base de todas las biomembranas consiste en una estructura de bicapa de fosfolípidos. [6] La molécula de fosfolípido es anfipática ; contiene una cabeza polar hidrófila y una cola no polar hidrófoba . [4] Las cabezas de fosfolípidos interactúan entre sí y con el medio acuoso, mientras que las colas de hidrocarburos se orientan en el centro, lejos del agua. [7] Estas últimas interacciones impulsan la estructura de bicapa que actúa como barrera para iones y moléculas. [8]

Existen varios tipos de fosfolípidos, por lo que sus vías de síntesis difieren. Sin embargo, el primer paso en la síntesis de fosfolípidos implica la formación de fosfatidato o diacilglicerol 3-fosfato en el retículo endoplasmático y la membrana mitocondrial externa . [7] La ​​vía de síntesis se encuentra a continuación:

Síntesis de ácido fosfatídico
Síntesis de ácido fosfatídico

La vía comienza con el glicerol 3-fosfato, que se convierte en lisofosfatidato mediante la adición de una cadena de ácido graso proporcionada por la acil coenzima A. [ 9] Luego, el lisofosfatidato se convierte en fosfatidato mediante la adición de otra cadena de ácido graso aportada por una segunda acil CoA; todos estos pasos son catalizados por la enzima glicerol fosfato aciltransferasa . [9] La síntesis de fosfolípidos continúa en el retículo endoplásmico y la vía de biosíntesis diverge dependiendo de los componentes del fosfolípido en particular. [9]

Esfingolípidos

Al igual que los fosfolípidos, estos derivados de ácidos grasos tienen una cabeza polar y colas no polares. [5] A diferencia de los fosfolípidos, los esfingolípidos tienen una estructura principal de esfingosina . [10] Los esfingolípidos existen en las células eucariotas y son particularmente abundantes en el sistema nervioso central . [7] Por ejemplo, la esfingomielina es parte de la vaina de mielina de las fibras nerviosas. [11]

Los esfingolípidos se forman a partir de ceramidas que consisten en una cadena de ácidos grasos unida al grupo amino de una cadena principal de esfingosina. Estas ceramidas se sintetizan a partir de la acilación de la esfingosina. [11] La vía biosintética de la esfingosina se encuentra a continuación:

Síntesis de esfingosina
Síntesis de esfingosina

Como lo indica la imagen, durante la síntesis de esfingosina, el palmitoil CoA y la serina experimentan una reacción de condensación que da como resultado la formación de 3-deshidroesfinganina. [7] Este producto luego se reduce para formar dihidroesfingosina, que se convierte en esfingosina a través de la reacción de oxidación por FAD . [7]

Colesterol

Este lípido pertenece a una clase de moléculas llamadas esteroles . [5] Los esteroles tienen cuatro anillos fusionados y un grupo hidroxilo . [5] El colesterol es una molécula particularmente importante. No solo sirve como componente de las membranas lipídicas, sino que también es un precursor de varias hormonas esteroides , entre ellas el cortisol , la testosterona y el estrógeno . [12]

El colesterol se sintetiza a partir de acetil CoA . [12] La vía se muestra a continuación:

Vía de síntesis del colesterol
Vía de síntesis del colesterol

De manera más general, esta síntesis ocurre en tres etapas, la primera en el citoplasma y la segunda y tercera en el retículo endoplasmático. [9] Las etapas son las siguientes: [12]

1. La síntesis del pirofosfato de isopentenilo , el «bloque constructor» del colesterol
2. La formación de escualeno mediante la condensación de seis moléculas de fosfato de isopentenilo.
3. La conversión de escualeno en colesterol a través de varias reacciones enzimáticas.

Nucleótidos

La biosíntesis de nucleótidos implica reacciones catalizadas por enzimas que convierten los sustratos en productos más complejos. [1] Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN y el ARN . Los nucleótidos están compuestos por un anillo de cinco miembros formado por el azúcar ribosa en el ARN y el azúcar desoxirribosa en el ADN; estos azúcares están unidos a una base de purina o pirimidina con un enlace glucosídico y un grupo fosfato en la posición 5' del azúcar. [13]

Nucleótidos de purina

La síntesis de IMP .

Los nucleótidos de ADN adenosina y guanosina consisten en una base de purina unida a un azúcar ribosa con un enlace glucosídico. En el caso de los nucleótidos de ARN desoxiadenosina y desoxiguanosina , las bases de purina están unidas a un azúcar desoxirribosa con un enlace glucosídico. Las bases de purina en los nucleótidos de ADN y ARN se sintetizan en un mecanismo de reacción de doce pasos presente en la mayoría de los organismos unicelulares. Los eucariotas superiores emplean un mecanismo de reacción similar en diez pasos de reacción. Las bases de purina se sintetizan convirtiendo el pirofosfato de fosforribosil (PRPP) en monofosfato de inosina (IMP), que es el primer intermediario clave en la biosíntesis de bases de purina. [14] Una modificación enzimática adicional del IMP produce las bases de adenosina y guanosina de los nucleótidos.

  1. El primer paso en la biosíntesis de purinas es una reacción de condensación , realizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa . Esta enzima transfiere el grupo amino de la glutamina a la PRPP, formando 5-fosforribosilamina . El siguiente paso requiere la activación de la glicina mediante la adición de un grupo fosfato del ATP .
  2. La sintetasa GAR [15] realiza la condensación de la glicina activada sobre PRPP, formando ribonucleótido de glicinamida (GAR).
  3. La transformilasa GAR agrega un grupo formilo al grupo amino de GAR, formando ribonucleótido de formilglicinamida (FGAR).
  4. La amidotransferasa FGAR [16] cataliza la adición de un grupo nitrógeno a FGAR, formando ribonucleótido de formilglicinamidina (FGAM).
  5. La ciclasa FGAM cataliza el cierre del anillo, que implica la eliminación de una molécula de agua, formando el anillo de imidazol de 5 miembros , el ribonucleótido de 5-aminoimidazol (AIR).
  6. La sintetasa N5-CAIR transfiere un grupo carboxilo , formando el ribonucleótido intermedio N5-carboxiaminoimidazol (N5-CAIR). [17]
  7. La mutasa N5-CAIR reorganiza el grupo funcional carboxilo y lo transfiere al anillo de imidazol, formando el ribonucleótido carboxiamino-imidazol (CAIR). El mecanismo de dos pasos de la formación de CAIR a partir de AIR se encuentra principalmente en organismos unicelulares. Los eucariotas superiores contienen la enzima AIR carboxilasa, [18] que transfiere un grupo carboxilo directamente al anillo de imidazol de AIR, formando CAIR.
  8. La sintetasa SAICAR forma un enlace peptídico entre el aspartato y el grupo carboxilo añadido del anillo de imidazol, formando el ribonucleótido N-succinil-5-aminoimidazol-4-carboxamida (SAICAR).
  9. La liasa SAICAR elimina el esqueleto de carbono del aspartato añadido, dejando el grupo amino y formando ribonucleótido 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR).
  10. La transformilasa AICAR transfiere un grupo carbonilo a AICAR, formando ribonucleótido N-formilaminoimidazol-4-carboxamida (FAICAR).
  11. El paso final involucra a la enzima IMP sintasa , que realiza el cierre del anillo de purina y forma el intermediario monofosfato de inosina. [5]

Nucleótidos de pirimidina

Biosíntesis de monofosfato de uridina (UMP)

Otras bases de nucleótidos del ADN y ARN que están unidas al azúcar ribosa a través de un enlace glucosídico son la timina , la citosina y el uracilo (que solo se encuentra en el ARN). La biosíntesis de monofosfato de uridina involucra una enzima que se encuentra en la membrana interna mitocondrial y enzimas multifuncionales que se encuentran en el citosol . [19]

  1. El primer paso implica que la enzima carbamoil fosfato sintasa combine glutamina con CO2 en una reacción dependiente de ATP para formar carbamoil fosfato .
  2. La aspartato carbamoiltransferasa condensa el fosfato de carbamoilo con aspartato para formar uridosuccinato.
  3. La dihidroorotasa realiza el cierre del anillo , una reacción que pierde agua, para formar dihidroorotato .
  4. La dihidroorotato deshidrogenasa , ubicada dentro de la membrana interna mitocondrial, [19] oxida el dihidroorotato a orotato .
  5. La orotato fosforribosil hidrolasa (OMP pirofosforilasa) condensa el orotato con PRPP para formar orotidina-5'-fosfato .
  6. La descarboxilasa OMP cataliza la conversión de orotidina-5'-fosfato a UMP . [20]

Después de sintetizar la base nucleotídica uridina, se sintetizan las otras bases, citosina y timina. La biosíntesis de citosina es una reacción de dos pasos que implica la conversión de UMP a UTP . La adición de fosfato a UMP es catalizada por una enzima quinasa . La enzima CTP sintasa cataliza el siguiente paso de la reacción: la conversión de UTP a CTP mediante la transferencia de un grupo amino de la glutamina a la uridina; esto forma la base citosina de CTP. [21] El mecanismo, que representa la reacción UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato, se muestra a continuación:

Reacción de la timidilato sintasa: dUMP + 5,10-metilentetrahidrofolato ⇔ dTMP + dihidrofolato
Reacción de la timidilato sintasa: dUMP + 5,10-metilentetrahidrofolato ⇔ dTMP + dihidrofolato
Mecanismo de la CTP sintasa: UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato
Mecanismo de la CTP sintasa: UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato

La citosina es un nucleótido que está presente tanto en el ADN como en el ARN. Sin embargo, el uracilo solo se encuentra en el ARN. Por lo tanto, después de sintetizar el UTP, debe convertirse en una forma desoxi para incorporarse al ADN. Esta conversión involucra a la enzima ribonucleósido trifosfato reductasa . Esta reacción que elimina el 2'-OH del azúcar ribosa para generar desoxirribosa no se ve afectada por las bases unidas al azúcar. Esta falta de especificidad permite que la ribonucleósido trifosfato reductasa convierta todos los nucleótidos trifosfato en desoxirribonucleótidos mediante un mecanismo similar. [21]

A diferencia del uracilo, las bases de timina se encuentran principalmente en el ADN, no en el ARN. Las células normalmente no contienen bases de timina que estén unidas a los azúcares ribosa en el ARN, lo que indica que las células solo sintetizan timina unida a la desoxirribosa. La enzima timidilato sintetasa es responsable de sintetizar residuos de timina de dUMP a dTMP . Esta reacción transfiere un grupo metilo a la base de uracilo de dUMP para generar dTMP. [21] La reacción de la timidilato sintetasa, dUMP + 5,10-metilentetrahidrofolato ⇔ dTMP + dihidrofolato, se muestra a la derecha.

ADN

A medida que la ADN polimerasa se mueve en una dirección de 3' a 5' a lo largo de la cadena molde, sintetiza una nueva cadena en la dirección de 5' a 3'.

Aunque existen diferencias entre la síntesis de ADN eucariota y procariota , la siguiente sección denota características clave de la replicación del ADN compartidas por ambos organismos.

El ADN está compuesto de nucleótidos que están unidos por enlaces fosfodiéster . [4] La síntesis de ADN , que tiene lugar en el núcleo , es un proceso semiconservativo , lo que significa que la molécula de ADN resultante contiene una cadena original de la estructura parental y una nueva cadena. [22] La síntesis de ADN es catalizada por una familia de ADN polimerasas que requieren cuatro desoxinucleósidos trifosfatos, una cadena molde y un cebador con un 3'OH libre en el que incorporar nucleótidos. [23]

Para que se produzca la replicación del ADN, se crea una horquilla de replicación mediante enzimas llamadas helicasas que desenrollan la hélice del ADN. [23] Las topoisomerasas en la horquilla de replicación eliminan las superenrollaciones causadas por el desenrollado del ADN, y las proteínas de unión al ADN monocatenario mantienen las dos plantillas de ADN monocatenario estabilizadas antes de la replicación. [13]

La síntesis de ADN es iniciada por la ARN polimerasa primasa , que produce un cebador de ARN con un 3'OH libre. [23] Este cebador se une a la plantilla de ADN monocatenario, y la ADN polimerasa alarga la cadena incorporando nucleótidos; la ADN polimerasa también corrige la cadena de ADN recién sintetizada. [23]

Durante la reacción de polimerización catalizada por la ADN polimerasa, se produce un ataque nucleofílico por parte del 3'OH de la cadena en crecimiento sobre el átomo de fósforo más interno de un desoxinucleósido trifosfato; esto produce la formación de un puente fosfodiéster que une un nuevo nucleótido y libera pirofosfato . [9]

Durante la replicación se crean simultáneamente dos tipos de hebras: la hebra líder , que se sintetiza de forma continua y crece hacia la horquilla de replicación, y la hebra rezagada , que se produce de forma discontinua en fragmentos de Okazaki y crece alejándose de la horquilla de replicación. [22] Los fragmentos de Okazaki se unen covalentemente mediante la ADN ligasa para formar una hebra continua. [22] Luego, para completar la replicación del ADN, se eliminan los cebadores de ARN y los huecos resultantes se reemplazan con ADN y se unen mediante la ADN ligasa. [22]

Aminoácidos

Una proteína es un polímero que se compone de aminoácidos que están unidos por enlaces peptídicos . Hay más de 300 aminoácidos que se encuentran en la naturaleza, de los cuales solo veintidós, conocidos como aminoácidos proteinogénicos , son los bloques de construcción de las proteínas. [24] Solo las plantas verdes y la mayoría de los microbios pueden sintetizar los 20 aminoácidos estándar que necesitan todas las especies vivas. Los mamíferos solo pueden sintetizar diez de los veinte aminoácidos estándar. Los otros aminoácidos, valina , metionina , leucina , isoleucina , fenilalanina , lisina , treonina y triptófano para los adultos y la histidina y arginina para los bebés se obtienen a través de la dieta. [25]

Estructura básica de los aminoácidos

L-aminoácido

La estructura general de los aminoácidos estándar incluye un grupo amino primario , un grupo carboxilo y el grupo funcional unido al carbono α . Los diferentes aminoácidos se identifican por el grupo funcional. Como resultado de los tres grupos diferentes unidos al carbono α, los aminoácidos son moléculas asimétricas . Para todos los aminoácidos estándar, excepto la glicina , el carbono α es un centro quiral . En el caso de la glicina, el carbono α tiene dos átomos de hidrógeno, lo que añade simetría a esta molécula. Con la excepción de la prolina , todos los aminoácidos que se encuentran en la vida tienen la conformación de isoforma L. La prolina tiene un grupo funcional en el carbono α que forma un anillo con el grupo amino. [24]

Glutamina oxoglutarato aminotransferasa y glutamina sintetasa
Glutamina oxoglutarato aminotransferasa y glutamina sintetasa

Fuente de nitrógeno

Un paso importante en la biosíntesis de aminoácidos implica la incorporación de un grupo de nitrógeno al carbono α. En las células, existen dos vías principales de incorporación de grupos de nitrógeno. Una vía implica la enzima glutamina oxoglutarato aminotransferasa (GOGAT), que elimina el grupo amino amida de la glutamina y lo transfiere al 2-oxoglutarato , produciendo dos moléculas de glutamato . En esta reacción de catálisis, la glutamina sirve como fuente de nitrógeno. A la derecha se encuentra una imagen que ilustra esta reacción.

La otra vía para incorporar nitrógeno al carbono α de los aminoácidos implica la enzima glutamato deshidrogenasa (GDH). La GDH es capaz de transferir amoníaco al 2-oxoglutarato y formar glutamato. Además, la enzima glutamina sintetasa (GS) es capaz de transferir amoníaco al glutamato y sintetizar glutamina, reponiendo la glutamina. [26]

La familia de aminoácidos del glutamato

La familia de aminoácidos glutamato incluye los aminoácidos que se derivan del aminoácido glutamato. Esta familia incluye: glutamato, glutamina , prolina y arginina . Esta familia también incluye el aminoácido lisina , que se deriva del α-cetoglutarato . [27]

La biosíntesis de glutamato y glutamina es un paso clave en la asimilación de nitrógeno que se ha comentado anteriormente. Las enzimas GOGAT y GDH catalizan las reacciones de asimilación de nitrógeno .

En las bacterias, la enzima glutamato 5-quinasa inicia la biosíntesis de prolina transfiriendo un grupo fosfato del ATP al glutamato. La siguiente reacción es catalizada por la enzima pirrolina-5-carboxilato sintasa (P5CS), que cataliza la reducción del grupo ϒ-carboxilo del L-glutamato 5-fosfato. Esto da como resultado la formación de glutamato semialdehído, que se cicla espontáneamente a pirrolina-5-carboxilato. La pirrolina-5-carboxilato se reduce aún más por la enzima pirrolina-5-carboxilato reductasa (P5CR) para producir un aminoácido prolina. [28]

En el primer paso de la biosíntesis de arginina en bacterias, el glutamato se acetila transfiriendo el grupo acetilo del acetil-CoA en la posición N-α; esto evita la ciclización espontánea. La enzima N-acetilglutamato sintasa (glutamato N-acetiltransferasa) es responsable de catalizar el paso de acetilación. Los pasos posteriores son catalizados por las enzimas N-acetilglutamato quinasa , N-acetil-gamma-glutamil-fosfato reductasa y acetilornitina/succinildiamino pimelato aminotransferasa y producen la N-acetil-L-ornitina. El grupo acetilo de la acetilornitina es eliminado por la enzima acetilornitinasa (AO) u ornitina acetiltransferasa (OAT), y esto produce ornitina . Luego, las enzimas citrulina y argininosuccinato convierten la ornitina en arginina. [29]

La vía del ácido diaminopimélico

Existen dos vías biosintéticas distintas para la biosíntesis de la lisina: la vía del ácido diaminopimélico y la vía del α-aminoadipato . La más común de las dos vías sintéticas es la vía del ácido diaminopimélico, que consiste en varias reacciones enzimáticas que añaden grupos de carbono al aspartato para producir lisina: [30]

  1. La aspartato quinasa inicia la vía del ácido diaminopimélico fosforilando aspartato y produciendo fosfato de aspartilo.
  2. La aspartato semialdehído deshidrogenasa cataliza la reducción dependiente de NADPH del fosfato de aspartilo para producir aspartato semialdehído.
  3. La 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinato sintasa añade un grupo piruvato al β-aspartil-4-semialdehído y elimina una molécula de agua. Esto provoca la ciclización y da lugar al (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato.
  4. La 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinato reductasa cataliza la reducción de (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato por NADPH para producir Δ'-piperideína-2,6-dicarboxilato (2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato) y H 2 O.
  5. La tetrahidrodipicolinato aciltransferasa cataliza la reacción de acetilación que da como resultado la apertura del anillo y produce N-acetil α-amino-ε-cetopimelato.
  6. La aminotransaminasa N-succinil-α-amino-ε-cetopimelato-glutamato cataliza la reacción de transaminación que elimina el grupo ceto del N-acetil α-amino-ε-cetopimelato y lo reemplaza con un grupo amino para producir N-succinil-L-diaminopimelato. [31]
  7. La N-acildiaminopimelato desacilasa cataliza la desacilación de N-succinil-L-diaminopimelato para producir L,L-diaminopimelato. [32]
  8. La epimerasa DAP cataliza la conversión de L,L-diaminopimelato a la forma meso de L,L-diaminopimelato. [33]
  9. La DAP descarboxilasa cataliza la eliminación del grupo carboxilo, produciendo L-lisina.

La familia de aminoácidos serina

La familia de aminoácidos de la serina incluye: serina, cisteína y glicina . La mayoría de los microorganismos y plantas obtienen el azufre para sintetizar metionina a partir del aminoácido cisteína. Además, la conversión de serina en glicina proporciona los carbonos necesarios para la biosíntesis de la metionina y la histidina . [27]

Durante la biosíntesis de serina, [34] la enzima fosfoglicerato deshidrogenasa cataliza la reacción inicial que oxida el 3-fosfo-D-glicerato para producir 3-fosfonooxipiruvato . [35] La siguiente reacción es catalizada por la enzima fosfoserina aminotransferasa , que transfiere un grupo amino del glutamato al 3-fosfonooxipiruvato para producir L-fosfoserina . [36] El paso final es catalizado por la enzima fosfoserina fosfatasa , que desfosforila la L-fosfoserina para producir L-serina . [37]

Existen dos vías conocidas para la biosíntesis de la glicina. Los organismos que utilizan etanol y acetato como fuente principal de carbono utilizan la vía gluconeogénica para sintetizar glicina . La otra vía de biosíntesis de glicina se conoce como vía glucolítica . Esta vía convierte la serina sintetizada a partir de los intermediarios de la glucólisis en glicina. En la vía glucolítica, la enzima serina hidroximetiltransferasa cataliza la escisión de la serina para producir glicina y transfiere el grupo de carbono escindido de la serina al tetrahidrofolato , formando 5,10-metilen-tetrahidrofolato . [38]

La biosíntesis de cisteína es una reacción de dos pasos que implica la incorporación de azufre inorgánico . En microorganismos y plantas, la enzima serina acetiltransferasa cataliza la transferencia del grupo acetilo de acetil-CoA a L-serina para producir O-acetil-L-serina . [39] El siguiente paso de reacción, catalizado por la enzima O-acetilserina (tiol) liasa , reemplaza el grupo acetilo de O-acetil-L-serina con sulfuro para producir cisteína. [40]

La familia de aminoácidos aspartato

La familia de aminoácidos aspartato incluye: treonina , lisina , metionina , isoleucina y aspartato. La lisina y la isoleucina se consideran parte de la familia aspartato a pesar de que parte de su esqueleto carbonado se deriva del piruvato . En el caso de la metionina, el carbono metilo se deriva de la serina y el grupo azufre, pero en la mayoría de los organismos, se deriva de la cisteína. [27]

La biosíntesis del aspartato es una reacción de un solo paso catalizada por una sola enzima. La enzima aspartato aminotransferasa cataliza la transferencia de un grupo amino del aspartato al α-cetoglutarato para producir glutamato y oxaloacetato . [41] La asparagina se sintetiza mediante la adición dependiente de ATP de un grupo amino al aspartato; la asparagina sintetasa cataliza la adición de nitrógeno de glutamina o amoníaco soluble al aspartato para producir asparagina. [42]

La vía biosintética de la lisina del ácido diaminopimélico

La vía biosintética del ácido diaminopimélico de la lisina pertenece a la familia de aminoácidos del aspartato. Esta vía implica nueve reacciones catalizadas por enzimas que convierten el aspartato en lisina. [43]

  1. La aspartato quinasa cataliza el paso inicial en la vía del ácido diaminopimélico al transferir un fosforilo del ATP al grupo carboxilato del aspartato, lo que produce aspartil-β-fosfato. [44]
  2. La aspartato-semialdehído deshidrogenasa cataliza la reacción de reducción por desfosforilación del aspartil-β-fosfato para producir aspartato-β-semialdehído. [45]
  3. La dihidrodipicolinato sintasa cataliza la reacción de condensación del aspartato-β-semialdehído con piruvato para producir ácido dihidrodipicolínico. [46]
  4. La 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinato reductasa cataliza la reducción del ácido dihidrodipicolínico para producir ácido tetrahidrodipicolínico. [47]
  5. La tetrahidrodipicolinato N-succiniltransferasa cataliza la transferencia de un grupo succinilo desde succinil-CoA al ácido tetrahidrodipicolínico para producir N-succinil-L-2,6-diaminoheptanodioato. [48]
  6. La aminotransferasa N-succinildiaminopimelato cataliza la transferencia de un grupo amino del glutamato al N-succinil-L-2,6-diaminoheptanodioato para producir ácido N-succinil-L,L-diaminopimélico. [49]
  7. La succinil-diaminopimelato desuccinilasa cataliza la eliminación del grupo acilo del ácido N-succinil-L,L-diaminopimélico para producir ácido L,L-diaminopimélico. [50]
  8. La epimerasa diaminopimelato cataliza la inversión del carbono α del ácido L,L-diaminopimélico para producir ácido meso-diaminopimélico . [51]
  9. La siaminopimelato descarboxilasa cataliza el paso final en la biosíntesis de lisina que elimina el grupo de dióxido de carbono del ácido meso-diaminopimélico para producir L-lisina. [52]

Proteínas

El anticodón del ARNt interactúa con el codón del ARNm para unir un aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento.
El proceso de carga del ARNt

La síntesis de proteínas ocurre a través de un proceso llamado traducción . [53] Durante la traducción, el material genético llamado ARNm es leído por los ribosomas para generar una cadena polipeptídica de proteína. [53] Este proceso requiere ARN de transferencia (ARNt) que sirve como adaptador al unir aminoácidos en un extremo e interactuar con el ARNm en el otro extremo; el último emparejamiento entre el ARNt y el ARNm asegura que se agregue el aminoácido correcto a la cadena. [53] La síntesis de proteínas ocurre en tres fases: iniciación, elongación y terminación. [13] La traducción procariota ( arqueal y bacteriana ) difiere de la traducción eucariota ; sin embargo, esta sección se centrará principalmente en los puntos en común entre los dos organismos.

Antecedentes adicionales

Antes de que pueda comenzar la traducción, debe producirse el proceso de unión de un aminoácido específico a su ARNt correspondiente. Esta reacción, llamada carga del ARNt, es catalizada por la aminoacil-ARNt sintetasa . [54] Una ARNt sintetasa específica es responsable de reconocer y cargar un aminoácido en particular. [54] Además, esta enzima tiene regiones discriminadoras especiales para asegurar la unión correcta entre el ARNt y su aminoácido cognado. [54] El primer paso para unir un aminoácido a su ARNt correspondiente es la formación de aminoacil-AMP: [54]

Amino   acid + ATP ↽ − − ⇀ aminoacyl − AMP + PP i {\displaystyle {\ce {{Amino~acid}+ATP<=>{aminoacyl-AMP}+PP_{i}}}}

A continuación se produce la transferencia del grupo aminoacilo del aminoacil-AMP a una molécula de ARNt. La molécula resultante es el aminoacil-ARNt : [54]

Aminoacyl − AMP + tRNA ↽ − − ⇀ aminoacyl − tRNA + AMP {\displaystyle {\ce {{Aminoacyl-AMP}+ tRNA <=> {aminoacyl-tRNA}+ AMP}}}

La combinación de estos dos pasos, ambos catalizados por la aminoacil ARNt sintetasa, produce un ARNt cargado que está listo para agregar aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento.

Además de unirse a un aminoácido, el ARNt tiene una unidad de tres nucleótidos llamada anticodón que se aparea con tripletes de nucleótidos específicos en el ARNm llamados codones ; los codones codifican un aminoácido específico. [55] Esta interacción es posible gracias al ribosoma, que sirve como sitio para la síntesis de proteínas. El ribosoma posee tres sitios de unión del ARNt: el sitio aminoacilo (sitio A), el sitio peptidilo (sitio P) y el sitio de salida (sitio E). [56]

Hay numerosos codones dentro de una transcripción de ARNm, y es muy común que un aminoácido sea especificado por más de un codón; este fenómeno se llama degeneración . [57] En total, hay 64 codones, 61 de cada uno codifican para uno de los 20 aminoácidos, mientras que los codones restantes especifican la terminación de la cadena. [57]

Traducción en pasos

Como se mencionó anteriormente, la traducción ocurre en tres fases: iniciación, elongación y terminación.

Traducción

Paso 1: Iniciación

La finalización de la fase de iniciación depende de los tres eventos siguientes: [13]

1. El reclutamiento del ribosoma al ARNm

2. La unión de un ARNt iniciador cargado en el sitio P del ribosoma.

3. La alineación adecuada del ribosoma con el codón de inicio del ARNm.

Paso 2: Alargamiento

Tras la iniciación, la cadena polipeptídica se extiende mediante interacciones anticodón:codón, y el ribosoma añade aminoácidos a la cadena polipeptídica de uno en uno. Para garantizar la correcta adición de aminoácidos, deben realizarse los siguientes pasos: [58]

1. La unión del ARNt correcto en el sitio A del ribosoma.

2. La formación de un enlace peptídico entre el ARNt en el sitio A y la cadena polipeptídica unida al ARNt en el sitio P

3. Translocación o avance del complejo ARNt-ARNm por tres nucleótidos

La translocación "activa" el ARNt en el sitio E y lo desplaza del sitio A al sitio P, dejando el sitio A libre para que un ARNt entrante agregue otro aminoácido.

Paso 3: Terminación

La última etapa de la traducción ocurre cuando un codón de parada ingresa al sitio A. [1] Luego, ocurren los siguientes pasos:

1. El reconocimiento de codones por factores de liberación , lo que provoca la hidrólisis de la cadena polipeptídica a partir del ARNt ubicado en el sitio P [1]

2. La liberación de la cadena polipeptídica [57]

3. La disociación y el “reciclaje” del ribosoma para futuros procesos de traducción [57]

A continuación se presenta un cuadro resumen de los actores clave en el ámbito de la traducción:

Actores clave en la traducciónEtapa de traducciónObjetivo
ARNt sintetasaantes de la iniciaciónResponsable de la carga del ARNt
ARNminiciación, elongación, terminaciónPlantilla para la síntesis de proteínas; contiene regiones llamadas codones que codifican aminoácidos.
ARNtiniciación, elongación, terminaciónSe une a los sitios A, P, E de los ribosomas; los pares de bases del anticodón se combinan con el codón del ARNm para garantizar que se incorpore el aminoácido correcto a la cadena polipeptídica en crecimiento.
ribosomainiciación, elongación, terminaciónDirige la síntesis de proteínas y cataliza la formación del enlace peptídico.

Enfermedades asociadas a deficiencia de macromoléculas

La hipercolesterolemia familiar provoca depósitos de colesterol

Los errores en las vías biosintéticas pueden tener consecuencias perjudiciales, como la malformación de macromoléculas o la producción insuficiente de moléculas funcionales. A continuación se presentan ejemplos que ilustran las alteraciones que se producen debido a estas ineficiencias.

Véase también

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