Biossíntese -Biosynthesis

A biossíntese é um processo de várias etapas, catalisado por enzimas , onde os substratos são convertidos em produtos mais complexos em organismos vivos. Na biossíntese, compostos simples são modificados, convertidos em outros compostos ou unidos para formar macromoléculas . Esse processo geralmente consiste em vias metabólicas . Algumas dessas vias biossintéticas estão localizadas em uma única organela celular , enquanto outras envolvem enzimas localizadas em várias organelas celulares. Exemplos dessas vias biossintéticas incluem a produção de componentes de membrana lipídica e nucleotídeos. Biossíntese é geralmente sinônimo de anabolismo .

Os elementos pré-requisitos para a biossíntese incluem: compostos precursores , energia química (por exemplo , ATP ) e enzimas catalíticas que podem requerer coenzimas (por exemplo , NADH , NADPH ). Esses elementos criam monômeros , os blocos de construção das macromoléculas. Algumas macromoléculas biológicas importantes incluem: proteínas , que são compostas por monômeros de aminoácidos unidos por ligações peptídicas , e moléculas de DNA , que são compostas por nucleotídeos unidos por ligações fosfodiéster .

Propriedades das reações químicas

A biossíntese ocorre devido a uma série de reações químicas. Para que essas reações ocorram, são necessários os seguintes elementos:

  • Compostos precursores : estes compostos são as moléculas de partida ou substratos em uma reação. Estes também podem ser vistos como os reagentes em um determinado processo químico.
  • Energia química: a energia química pode ser encontrada na forma de moléculas de alta energia. Essas moléculas são necessárias para reações energeticamente desfavoráveis. Além disso, a hidrólise desses compostos impulsiona uma reação. Moléculas de alta energia, como o ATP , têm três fosfatos . Muitas vezes, o fosfato terminal é separado durante a hidrólise e transferido para outra molécula.
  • Enzimas catalíticas : essas moléculas são proteínas especiais que catalisam uma reação aumentando a velocidade da reação e diminuindo a energia de ativação .
  • Coenzimas ou cofatores : cofatores são moléculas que auxiliam nas reações químicas. Estes podem ser íons metálicos , derivados de vitaminas, como NADH e acetil CoA , ou derivados não vitamínicos, como ATP. No caso do NADH, a molécula transfere um hidrogênio, enquanto a acetil CoA transfere um grupo acetil e o ATP transfere um fosfato.

No sentido mais simples, as reações que ocorrem na biossíntese têm o seguinte formato:

Algumas variações desta equação básica que serão discutidas mais tarde com mais detalhes são:

  1. Compostos simples que são convertidos em outros compostos, geralmente como parte de uma via de reação de várias etapas. Dois exemplos desse tipo de reação ocorrem durante a formação de ácidos nucléicos e a carga do tRNA antes da tradução . Para algumas dessas etapas, a energia química é necessária:
  2. Compostos simples que são convertidos em outros compostos com a ajuda de cofatores. Por exemplo, a síntese de fosfolipídios requer acetil-CoA, enquanto a síntese de outro componente da membrana, esfingolipídios , requer NADH e FADH para a formação do esqueleto da esfingosina . A equação geral para esses exemplos é:
  3. Compostos simples que se unem para criar uma macromolécula. Por exemplo, os ácidos graxos se unem para formar fosfolipídios. Por sua vez, fosfolipídios e colesterol interagem de forma não covalente para formar a bicamada lipídica . Essa reação pode ser representada da seguinte forma:

Lipídeo

Bicamada de membrana lipídica

Muitas macromoléculas complexas são sintetizadas em um padrão de estruturas simples e repetidas. Por exemplo, as estruturas mais simples dos lipídios são os ácidos graxos . Os ácidos graxos são derivados de hidrocarbonetos ; eles contêm um grupo carboxila "cabeça" e uma "cauda" de cadeia de hidrocarboneto. Esses ácidos graxos criam componentes maiores, que por sua vez incorporam interações não covalentes para formar a bicamada lipídica. As cadeias de ácidos graxos são encontradas em dois componentes principais dos lipídios da membrana: fosfolipídios e esfingolipídios . Um terceiro componente principal da membrana, o colesterol , não contém essas unidades de ácidos graxos.

Fosfolipídios

A base de todas as biomembranas consiste em uma estrutura de bicamada de fosfolipídios. A molécula fosfolipídica é anfipática ; contém uma cabeça polar hidrofílica e uma cauda apolar hidrofóbica . As cabeças de fosfolipídios interagem entre si e com o meio aquoso, enquanto as caudas de hidrocarbonetos se orientam no centro, longe da água. Essas últimas interações conduzem a estrutura de bicamada que atua como uma barreira para íons e moléculas.

Existem vários tipos de fosfolipídios; consequentemente, suas vias de síntese diferem. No entanto, o primeiro passo na síntese de fosfolipídios envolve a formação de fosfatidato ou diacilglicerol 3-fosfato no retículo endoplasmático e na membrana mitocondrial externa . A via de síntese é encontrada abaixo:

Síntese de ácido fosfatídico

A via começa com o glicerol 3-fosfato, que é convertido em lisofosfatidato pela adição de uma cadeia de ácidos graxos fornecida pela acil coenzima A . Então, lisofosfatidato é convertido em fosfatidato através da adição de outra cadeia de ácido graxo contribuída por um segundo acil-CoA; todas essas etapas são catalisadas pela enzima glicerol fosfato aciltransferase . A síntese de fosfolipídios continua no retículo endoplasmático e a via de biossíntese diverge dependendo dos componentes do fosfolipídio específico.

Esfingolipídeos

Como os fosfolipídios, esses derivados de ácidos graxos têm uma cabeça polar e caudas apolares. Ao contrário dos fosfolipídios, os esfingolipídios têm uma espinha dorsal de esfingosina . Os esfingolipídeos existem nas células eucarióticas e são particularmente abundantes no sistema nervoso central . Por exemplo, a esfingomielina faz parte da bainha de mielina das fibras nervosas.

Os esfingolipídeos são formados a partir de ceramidas que consistem em uma cadeia de ácidos graxos ligada ao grupo amino de um esqueleto de esfingosina. Essas ceramidas são sintetizadas a partir da acilação da esfingosina. A via biossintética para a esfingosina é encontrada abaixo:

Síntese de esfingosina

Como a imagem indica, durante a síntese de esfingosina, palmitoil CoA e serina sofrem uma reação de condensação que resulta na formação de desidroesfingosina. Este produto é então reduzido para formar di-hidrospingosina, que é convertida em esfingosina através da reação de oxidação por FAD .

Colesterol

Este lipídio pertence a uma classe de moléculas chamadas esteróis . Os esteróis têm quatro anéis fundidos e um grupo hidroxila . O colesterol é uma molécula particularmente importante. Não só serve como um componente das membranas lipídicas, mas também é um precursor de vários hormônios esteróides , incluindo cortisol , testosterona e estrogênio .

O colesterol é sintetizado a partir de acetil CoA . O caminho é mostrado abaixo:

Via de síntese de colesterol

De maneira mais geral, essa síntese ocorre em três estágios, com o primeiro estágio ocorrendo no citoplasma e o segundo e terceiro estágios ocorrendo no retículo endoplasmático. As etapas são as seguintes:

1. A síntese de pirofosfato de isopentenil , o "bloco de construção" do colesterol
2. A formação de esqualeno através da condensação de seis moléculas de fosfato de isopentenila
3. A conversão de esqualeno em colesterol através de várias reações enzimáticas

Nucleotídeos

A biossíntese de nucleotídeos envolve reações catalisadas por enzimas que convertem substratos em produtos mais complexos. Os nucleotídeos são os blocos de construção do DNA e do RNA . Os nucleotídeos são compostos de um anel de cinco membros formado a partir de açúcar ribose no RNA e açúcar desoxirribose no DNA; esses açúcares estão ligados a uma base purina ou pirimidina com uma ligação glicosídica e um grupo fosfato na posição 5' do açúcar.

Nucleotídeos de purina

A síntese de IMP .

Os nucleotídeos de DNA adenosina e guanosina consistem em uma base purina ligada a um açúcar ribose com uma ligação glicosídica. No caso dos nucleotídeos de RNA desoxiadenosina e desoxiguanosina , as bases purinas estão ligadas a um açúcar desoxirribose com uma ligação glicosídica. As bases de purina nos nucleotídeos de DNA e RNA são sintetizadas em um mecanismo de reação de doze etapas presente na maioria dos organismos unicelulares. Eucariotos superiores empregam um mecanismo de reação semelhante em dez etapas de reação. As bases de purina são sintetizadas pela conversão de fosforribosil pirofosfato (PRPP) em monofosfato de inosina (IMP), que é o primeiro intermediário chave na biossíntese de base de purina. A modificação enzimática adicional de IMP produz as bases de adenosina e guanosina de nucleotídeos.

  1. O primeiro passo na biossíntese de purinas é uma reação de condensação , realizada pela glutamina-PRPP amidotransferase . Essa enzima transfere o grupo amino da glutamina para o PRPP, formando a 5-fosforribosilamina . A etapa seguinte requer a ativação da glicina pela adição de um grupo fosfato do ATP .
  2. A GAR sintetase realiza a condensação da glicina ativada no PRPP, formando o ribonucleotídeo de glicineamida (GAR).
  3. A GAR transformilase adiciona um grupo formil ao grupo amino de GAR, formando o ribonucleotídeo formilglicinamida (FGAR).
  4. O FGAR amidotransferase catalisa a adição de um grupo nitrogênio ao FGAR, formando o ribonucleotídeo formilglicinamidina (FGAM).
  5. A FGAM ciclase catalisa o fechamento do anel, que envolve a remoção de uma molécula de água, formando o anel imidazol de 5 membros ribonucleotídeo 5 -aminoimidazol (AIR).
  6. A N5-CAIR sintetase transfere um grupo carboxila , formando o intermediário N5-carboxiaminoimidazol ribonucleotídeo (N5-CAIR).
  7. A mutase N5-CAIR reorganiza o grupo funcional carboxila e o transfere para o anel imidazol, formando o ribonucleotídeo carboxiaminoimidazol (CAIR). O mecanismo de duas etapas da formação de CAIR a partir do AIR é encontrado principalmente em organismos unicelulares. Eucariotos superiores contêm a enzima AIR carboxilase, que transfere um grupo carboxila diretamente para o anel AIR imidazol, formando CAIR.
  8. A SAICAR sintetase forma uma ligação peptídica entre o aspartato e o grupo carboxila adicionado ao anel imidazol, formando o ribonucleotídeo N-succinil-5-aminoimidazol-4-carboxamida (SAICAR).
  9. A SAICAR liase remove o esqueleto de carbono do aspartato adicionado, deixando o grupo amino e formando o ribonucleotídeo 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR).
  10. A transformilase de AICAR transfere um grupo carbonila para AICAR, formando o ribonucleotídeo N-formilaminoimidazol-4-carboxamida (FAICAR).
  11. A etapa final envolve a enzima IMP sintase , que realiza o fechamento do anel de purina e forma o intermediário inosina monofosfato.

Nucleotídeos de pirimidina

Biossíntese de monofosfato de uridina (UMP)

Outras bases nucleotídicas de DNA e RNA que estão ligadas ao açúcar ribose por meio de uma ligação glicosídica são timina , citosina e uracila (que é encontrada apenas no RNA). A biossíntese do monofosfato de uridina envolve uma enzima localizada na membrana interna mitocondrial e enzimas multifuncionais localizadas no citosol .

  1. O primeiro passo envolve a enzima carbamoil fosfato sintase combinando glutamina com CO 2 em uma reação dependente de ATP para formar carbamoil fosfato .
  2. A aspartato carbamoiltransferase condensa o carbamoil fosfato com aspartato para formar o uridosuccinato.
  3. A diidroorotase realiza o fechamento do anel , uma reação que perde água, para formar diidroorotato .
  4. A diidroorotato desidrogenase , localizada dentro da membrana mitocondrial interna, oxida o diidroorotato em orotato .
  5. Orotato fosforribosil hidrolase (OMP pirofosforilase) condensa orotato com PRPP para formar orotidina-5'-fosfato .
  6. A OMP descarboxilase catalisa a conversão de orotidina-5'-fosfato em UMP .

Depois que a base do nucleotídeo de uridina é sintetizada, as outras bases, citosina e timina, são sintetizadas. A biossíntese de citosina é uma reação de duas etapas que envolve a conversão de UMP em UTP . A adição de fosfato à UMP é catalisada por uma enzima quinase . A enzima CTP sintase catalisa a próxima etapa da reação: a conversão de UTP em CTP pela transferência de um grupo amino de glutamina para uridina; isto forma a base de citosina de CTP. O mecanismo, que retrata a reação UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato, está abaixo:

'Reação de timidilato sintase: dUMP + 5,10-metilenotetraidrofolato ⇔ dTMP + diidrofolato
Mecanismo da Ctp sintase: UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato

A citosina é um nucleotídeo que está presente tanto no DNA quanto no RNA. No entanto, o uracil é encontrado apenas no RNA. Portanto, depois que o UTP é sintetizado, ele deve ser convertido em uma forma desoxi para ser incorporado ao DNA. Essa conversão envolve a enzima ribonucleosídeo trifosfato redutase . Essa reação que remove o 2'-OH do açúcar ribose para gerar a desoxirribose não é afetada pelas bases ligadas ao açúcar. Essa não especificidade permite que a ribonucleosídeo trifosfato redutase converta todos os trifosfatos de nucleotídeos em desoxirribonucleotídeos por um mecanismo semelhante.

Em contraste com a uracila, as bases timina são encontradas principalmente no DNA, não no RNA. As células normalmente não contêm bases de timina que estão ligadas a açúcares ribose no RNA, indicando assim que as células sintetizam apenas timina ligada à desoxirribose. A enzima timidilato sintetase é responsável pela síntese de resíduos de timina de dUMP para dTMP . Esta reação transfere um grupo metil para a base uracila de dUMP para gerar dTMP. A reação da timidilato sintase, dUMP + 5,10-metilenotetraidrofolato ⇔ dTMP + diidrofolato, é mostrada à direita.

ADN

À medida que a DNA polimerase se move na direção 3' para 5' ao longo da fita molde, ela sintetiza uma nova fita na direção 5' para 3'

Embora existam diferenças entre a síntese de DNA eucariótico e procariótico , a seção a seguir denota as principais características da replicação do DNA compartilhada por ambos os organismos.

O DNA é composto de nucleotídeos que são unidos por ligações fosfodiéster . A síntese de DNA , que ocorre no núcleo , é um processo semiconservativo , o que significa que a molécula de DNA resultante contém uma fita original da estrutura original e uma nova fita. A síntese de DNA é catalisada por uma família de DNA polimerases que requerem quatro desoxinucleosídeos trifosfatos, uma fita molde e um primer com um 3'OH livre para incorporar os nucleotídeos.

Para que a replicação do DNA ocorra, uma forquilha de replicação é criada por enzimas chamadas helicases que desenrolam a hélice do DNA. As topoisomerases na forquilha de replicação removem as superespiras causadas pelo desenrolamento do DNA e as proteínas de ligação ao DNA de fita simples mantêm os dois moldes de DNA de fita simples estabilizados antes da replicação.

A síntese de DNA é iniciada pela RNA polimerase primase , que faz um primer de RNA com um 3'OH livre. Este primer é ligado ao molde de DNA de fita simples, e a DNA polimerase alonga a cadeia incorporando nucleotídeos; A DNA polimerase também revisa a fita de DNA recém-sintetizada.

Durante a reação de polimerização catalisada pela DNA polimerase, ocorre um ataque nucleofílico pelo 3'OH da cadeia em crescimento no átomo de fósforo mais interno de um desoxinucleosídeo trifosfato; isso produz a formação de uma ponte fosfodiéster que liga um novo nucleotídeo e libera pirofosfato .

Dois tipos de fitas são criados simultaneamente durante a replicação: a fita líder , que é sintetizada continuamente e cresce em direção à forquilha de replicação, e a fita atrasada , que é feita de forma descontínua em fragmentos de Okazaki e cresce para longe da forquilha de replicação. Os fragmentos de Okazaki são unidos covalentemente pela DNA ligase para formar uma fita contínua. Então, para completar a replicação do DNA, os primers de RNA são removidos e as lacunas resultantes são substituídas por DNA e unidas via DNA ligase.

Aminoácidos

Uma proteína é um polímero que é composto de aminoácidos que estão ligados por ligações peptídicas . Existem mais de 300 aminoácidos encontrados na natureza, dos quais apenas vinte, conhecidos como aminoácidos padrão , são os blocos de construção das proteínas. Somente as plantas verdes e a maioria dos micróbios são capazes de sintetizar todos os 20 aminoácidos padrão necessários a todas as espécies vivas. Os mamíferos só podem sintetizar dez dos vinte aminoácidos padrão. Os demais aminoácidos, valina , metionina , leucina , isoleucina , fenilalanina , lisina , treonina e triptofano para adultos e histidina , e arginina para bebês, são obtidos através da dieta.

Estrutura básica de aminoácidos

L-aminoácido

A estrutura geral dos aminoácidos padrão inclui um grupo amino primário , um grupo carboxila e o grupo funcional ligado ao carbono α . Os diferentes aminoácidos são identificados pelo grupo funcional. Como resultado dos três grupos diferentes ligados ao carbono α, os aminoácidos são moléculas assimétricas . Para todos os aminoácidos padrão, exceto a glicina , o carbono α é um centro quiral . No caso da glicina, o carbono α possui dois átomos de hidrogênio, adicionando assim simetria a essa molécula. Com exceção da prolina , todos os aminoácidos encontrados na vida têm a conformação L-isoforma . A prolina tem um grupo funcional no carbono α que forma um anel com o grupo amino.

Glutamina oxoglutarato aminotransferase e glutamina sintetase

Fonte de nitrogênio

Um passo importante na biossíntese de aminoácidos envolve a incorporação de um grupo nitrogênio no carbono α. Nas células, existem duas vias principais de incorporação de grupos de nitrogênio. Uma via envolve a enzima glutamina oxoglutarato aminotransferase (GOGAT), que remove o grupo amida amino da glutamina e o transfere para o 2-oxoglutarato , produzindo duas moléculas de glutamato . Nesta reação de catálise, a glutamina serve como fonte de nitrogênio. Uma imagem que ilustra essa reação é encontrada à direita.

A outra via para incorporar nitrogênio no carbono α dos aminoácidos envolve a enzima glutamato desidrogenase (GDH). GDH é capaz de transferir amônia para 2-oxoglutarato e formar glutamato. Além disso, a enzima glutamina sintetase (GS) é capaz de transferir amônia para o glutamato e sintetizar glutamina, repondo a glutamina.

A família glutamato de aminoácidos

A família de aminoácidos do glutamato inclui os aminoácidos que derivam do aminoácido glutamato. Esta família inclui: glutamato, glutamina , prolina e arginina . Esta família também inclui o aminoácido lisina , que é derivado do α-cetoglutarato .

A biossíntese de glutamato e glutamina é uma etapa chave na assimilação de nitrogênio discutida acima. As enzimas GOGAT e GDH catalisam as reações de assimilação de nitrogênio .

Nas bactérias, a enzima glutamato 5-quinase inicia a biossíntese da prolina transferindo um grupo fosfato do ATP para o glutamato. A próxima reação é catalisada pela enzima pirrolina-5-carboxilato sintase (P5CS), que catalisa a redução do grupo ϒ-carboxila do L-glutamato 5-fosfato. Isso resulta na formação de semialdeído glutamato, que se cicla espontaneamente em pirrolina-5-carboxilato. Pirrolina-5-carboxilato é ainda reduzido pela enzima pirrolina-5-carboxilato redutase (P5CR) para produzir um aminoácido prolina.

Na primeira etapa da biossíntese de arginina em bactérias, o glutamato é acetilado pela transferência do grupo acetil do acetil-CoA na posição N-α; isto previne a ciclização espontânea. A enzima N-acetilglutamato sintase (glutamato N-acetiltransferase) é responsável por catalisar a etapa de acetilação. As etapas subsequentes são catalisadas pelas enzimas N-acetilglutamato quinase , N-acetil-gama-glutamil-fosfato redutase e acetilornitina/succinildiamino pimelato aminotransferase e produzem a N-acetil-L-ornitina. O grupo acetil da acetilornitina é removido pela enzima acetilornitinase (AO) ou ornitina acetiltransferase (OAT), e isso produz ornitina . Em seguida, as enzimas citrulina e argininosuccinato convertem a ornitina em arginina.

A via do ácido diaminopimélico

Existem duas vias biossintéticas distintas da lisina: a via do ácido diaminopimélico e a via do α-aminoadipato . A mais comum das duas vias sintéticas é a via do ácido diaminopimélico; consiste em várias reações enzimáticas que adicionam grupos de carbono ao aspartato para produzir lisina:

  1. A aspartato quinase inicia a via do ácido diaminopimélico fosforilando o aspartato e produzindo aspartil fosfato.
  2. Aspartato semialdeído desidrogenase catalisa a redução dependente de NADPH do aspartil fosfato para produzir aspartato semialdeído.
  3. A sintase de 4-hidroxi-tetra-hidrodipicolinato adiciona um grupo piruvato ao β-aspartil-4-semialdeído e uma molécula de água é removida. Isso causa ciclização e dá origem ao (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetra-hidrodipicolinato.
  4. 4-hidroxi-tetra-hidrodipicolinato redutase catalisa a redução de (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetra-hidrodipicolinato por NADPH para produzir Δ'-piperideína-2,6-dicarboxilato (2,3,4, 5-tetra-hidrodipicolinato) e H 2 O.
  5. A tetrahidrodipicolinato aciltransferase catalisa a reação de acetilação que resulta na abertura do anel e produz N-acetil α-amino-ε-cetopimelato.
  6. N-succinil-α-amino-ε-cetopimelato-glutamato aminotransaminase catalisa a reação de transaminação que remove o grupo ceto de N-acetil α-amino-ε-cetopimelato e o substitui por um grupo amino para produzir N-succinil-L-diaminopimelato .
  7. A N-acildiaminopimelato desacilase catalisa a desacilação de N-succinil-L-diaminopimelato para produzir L,L-diaminopimelato.
  8. A DAP epimerase catalisa a conversão de L,L-diaminopimelato na forma meso de L,L-diaminopimelato.
  9. A DAP descarboxilase catalisa a remoção do grupo carboxila, produzindo L-lisina.

A família serina de aminoácidos

A família de aminoácidos da serina inclui: serina , cisteína e glicina . A maioria dos microrganismos e plantas obtém o enxofre para sintetizar a metionina a partir do aminoácido cisteína. Além disso, a conversão de serina em glicina fornece os carbonos necessários para a biossíntese da metionina e histidina .

Durante a biossíntese da serina, a enzima fosfoglicerato desidrogenase catalisa a reação inicial que oxida o 3-fosfo-D-glicerato para produzir 3-fosfonooxipiruvato . A reação a seguir é catalisada pela enzima fosfoserina aminotransferase , que transfere um grupo amino do glutamato para o 3-fosfonooxipiruvato para produzir L-fosfoserina . A etapa final é catalisada pela enzima fosfoserina fosfatase , que desfosforila a L-fosfoserina para produzir L-serina .

Existem duas vias conhecidas para a biossíntese de glicina. Organismos que usam etanol e acetato como a principal fonte de carbono utilizam a via gliconeogênica para sintetizar glicina . A outra via de biossíntese de glicina é conhecida como via glicolítica . Essa via converte a serina sintetizada a partir dos intermediários da glicólise em glicina. Na via glicolítica, a enzima serina hidroximetiltransferase catalisa a clivagem da serina para produzir glicina e transfere o grupo de carbono clivado da serina para o tetraidrofolato , formando 5,10-metileno-tetraidrofolato .

A biossíntese de cisteína é uma reação de duas etapas que envolve a incorporação de enxofre inorgânico . Em microrganismos e plantas, a enzima serina acetiltransferase catalisa a transferência do grupo acetil de acetil-CoA para L-serina para produzir O-acetil-L-serina . A etapa de reação a seguir, catalisada pela enzima O-acetil serina (tiol) liase , substitui o grupo acetil de O-acetil-L-serina por sulfeto para produzir cisteína.

A família de aminoácidos aspartato

A família de aminoácidos do aspartato inclui: treonina , lisina , metionina , isoleucina e aspartato. A lisina e a isoleucina são consideradas parte da família dos aspartatos, embora parte de seu esqueleto de carbono seja derivado do piruvato . No caso da metionina, o carbono metil é derivado da serina e do grupo enxofre, mas na maioria dos organismos é derivado da cisteína.

A biossíntese do aspartato é uma reação de uma etapa que é catalisada por uma única enzima. A enzima aspartato aminotransferase catalisa a transferência de um grupo amino do aspartato para o α-cetoglutarato para produzir glutamato e oxaloacetato . A asparagina é sintetizada por uma adição dependente de ATP de um grupo amino ao aspartato; a asparagina sintetase catalisa a adição de nitrogênio da glutamina ou amônia solúvel ao aspartato para produzir asparagina.

A via biossintética da lisina do ácido diaminopimélico

A via biossintética do ácido diaminopimélico da lisina pertence à família de aminoácidos aspartato. Essa via envolve nove reações catalisadas por enzimas que convertem aspartato em lisina.

  1. A aspartato quinase catalisa a etapa inicial da via do ácido diaminopimélico transferindo um fosforil do ATP para o grupo carboxilato do aspartato, que produz aspartil-β-fosfato.
  2. A aspartato-seminaldeído desidrogenase catalisa a reação de redução pela desfosforilação do aspartil-β-fosfato para produzir aspartato-β-seialdeído.
  3. A dihidrodipicolinato sintase catalisa a reação de condensação do aspartato-β-seialdeído com piruvato para produzir ácido dihidrodipicolínico.
  4. A redutase de 4-hidroxi-tetra-hidrodipicolinato catalisa a redução do ácido di-hidrodipicolínico para produzir ácido tetra-hidrodipicolínico.
  5. A N-succiniltransferase de tetra-hidrodipicolinato catalisa a transferência de um grupo succinil de succinil-CoA para ácido tetra-hidrodipicolínico para produzir N-succinil-L-2,6-diaminoheptanodioato.
  6. N-succinildiaminopimelato aminotransferase catalisa a transferência de um grupo amino de glutamato para N-succinil-L-2,6-diaminoheptanodioato para produzir ácido N-succinil-L,L-diaminopimélico.
  7. A succinil-diaminopimelato desuccinilase catalisa a remoção do grupo acil do ácido N-succinil-L,L-diaminopimélico para produzir ácido L,L-diaminopimélico.
  8. A diaminopimelato epimerase catalisa a inversão do carbono α do ácido L,L-diaminopimélico para produzir ácido meso-diaminopimélico .
  9. A siaminopimelato descarboxilase catalisa a etapa final da biossíntese de lisina que remove o grupo dióxido de carbono do ácido meso-diaminopimélico para produzir L-lisina.

Proteínas

O anticódon do tRNA interage com o códon do mRNA para ligar um aminoácido à cadeia polipeptídica em crescimento.
O processo de carregamento de tRNA

A síntese de proteínas ocorre por meio de um processo chamado tradução . Durante a tradução, o material genético chamado mRNA é lido pelos ribossomos para gerar uma cadeia polipeptídica proteica. Este processo requer RNA de transferência (tRNA) que serve como um adaptador ligando aminoácidos em uma extremidade e interagindo com o mRNA na outra extremidade; o último emparelhamento entre o tRNA e o mRNA garante que o aminoácido correto seja adicionado à cadeia. A síntese de proteínas ocorre em três fases: iniciação, alongamento e terminação. A tradução procariótica ( arqueal e bacteriana ) difere da tradução eucariótica ; no entanto, esta seção se concentrará principalmente nas semelhanças entre os dois organismos.

Plano de fundo adicional

Antes que a tradução possa começar, o processo de ligação de um aminoácido específico ao seu tRNA correspondente deve ocorrer. Essa reação, chamada de carga de tRNA, é catalisada pela aminoacil tRNA sintetase . Uma tRNA sintetase específica é responsável por reconhecer e carregar um determinado aminoácido. Além disso, essa enzima possui regiões discriminadoras especiais para garantir a ligação correta entre o tRNA e seu aminoácido cognato. O primeiro passo para unir um aminoácido ao seu tRNA correspondente é a formação do aminoacil-AMP:

Isto é seguido pela transferência do grupo aminoacil do aminoacil-AMP para uma molécula de tRNA. A molécula resultante é aminoacil-tRNA :

A combinação dessas duas etapas, ambas catalisadas pela aminoacil tRNA sintetase, produz um tRNA carregado que está pronto para adicionar aminoácidos à cadeia polipeptídica em crescimento.

Além de se ligar a um aminoácido, o tRNA tem uma unidade de três nucleotídeos chamada anticódon que faz pares de bases com trigêmeos de nucleotídeos específicos no mRNA chamados códons ; códons codificam um aminoácido específico. Essa interação é possível graças ao ribossomo, que serve como local para a síntese de proteínas. O ribossomo possui três sítios de ligação ao tRNA: o sítio aminoacil (sítio A), o sítio peptidil (sítio P) e o sítio de saída (sítio E).

Existem numerosos códons dentro de um transcrito de mRNA, e é muito comum que um aminoácido seja especificado por mais de um códon; esse fenômeno é chamado de degeneração . Ao todo, existem 64 códons, 61 de cada código para um dos 20 aminoácidos, enquanto os códons restantes especificam a terminação da cadeia.

Tradução em etapas

Como mencionado anteriormente, a tradução ocorre em três fases: iniciação, alongamento e término.

Tradução

Passo 1: Iniciação

A conclusão da fase de iniciação depende dos três eventos a seguir:

1. O recrutamento do ribossomo para mRNA

2. A ligação de um tRNA iniciador carregado no sítio P do ribossomo

3. O alinhamento adequado do ribossomo com o códon de início do mRNA

Passo 2: Alongamento

Após a iniciação, a cadeia polipeptídica é estendida por meio de interações anticódon:códon, com o ribossomo adicionando aminoácidos à cadeia polipeptídica um de cada vez. As seguintes etapas devem ocorrer para garantir a adição correta de aminoácidos:

1. A ligação do tRNA correto no sítio A do ribossomo

2. A formação de uma ligação peptídica entre o tRNA no sítio A e a cadeia polipeptídica ligada ao tRNA no sítio P

3. Translocação ou avanço do complexo tRNA-mRNA por três nucleotídeos

A translocação "inicia" o tRNA no sítio E e desloca o tRNA do sítio A para o sítio P, deixando o sítio A livre para que um tRNA de entrada adicione outro aminoácido.

Etapa 3: Rescisão

O último estágio da tradução ocorre quando um códon de parada entra no sítio A. Em seguida, ocorrem as seguintes etapas:

1. O reconhecimento de códons por fatores de liberação , o que causa a hidrólise da cadeia polipeptídica do tRNA localizado no sítio P

2. A liberação da cadeia polipeptídica

3. A dissociação e "reciclagem" do ribossomo para futuros processos de tradução

Uma tabela de resumo dos principais atores na tradução é encontrada abaixo:

Atores-chave na tradução Etapa de tradução Propósito
tRNA sintetase antes da iniciação Responsável pelo carregamento de tRNA
mRNA iniciação, alongamento, terminação Modelo para síntese de proteínas; contém regiões denominadas códons que codificam aminoácidos
tRNA iniciação, alongamento, terminação Liga-se aos sítios ribossomos A, P, E; pares de bases anticódon com códon de mRNA para garantir que o aminoácido correto seja incorporado na cadeia polipeptídica em crescimento
ribossomo iniciação, alongamento, terminação Direciona a síntese de proteínas e catalisa a formação da ligação peptídica

Doenças associadas à deficiência de macromoléculas

A hipercolesterolemia familiar causa depósitos de colesterol

Erros nas vias biossintéticas podem ter consequências deletérias, incluindo a malformação de macromoléculas ou a subprodução de moléculas funcionais. Abaixo estão exemplos que ilustram as interrupções que ocorrem devido a essas ineficiências.

  • Hipercolesterolemia familiar : esse distúrbio é caracterizado pela ausência de receptores funcionais para LDL . Deficiências na formação de receptores de LDL podem causar receptores defeituosos que interrompem a via endocítica , inibindo a entrada de LDL no fígado e outras células. Isso causa um acúmulo de LDL no plasma sanguíneo, o que resulta em placas ateroscleróticas que estreitam as artérias e aumentam o risco de ataques cardíacos.
  • Síndrome de Lesch-Nyhan : esta doença genética é caracterizada por automutilação , deficiência mental e gota . É causada pela ausência de hipoxantina-guanina fosforibosiltransferase , que é uma enzima necessária para a formação de nucleotídeos de purina. A falta de enzima reduz o nível de nucleotídeos necessários e provoca o acúmulo de intermediários de biossíntese , o que resulta no comportamento incomum acima mencionado.
  • Imunodeficiência combinada grave (SCID) : SCID é caracterizada por uma perda de células T. A carência desses componentes do sistema imunológico aumenta a suscetibilidade a agentes infecciosos porque os indivíduos afetados não podem desenvolver memória imunológica . Esse distúrbio imunológico resulta de uma deficiência na atividade da adenosina deanimase , que causa um acúmulo de dATP . Essas moléculas de dATP então inibem a ribonucleotídeo redutase, o que impede a síntese de DNA.
  • Doença de Huntington : esta doença neurológica é causada por erros que ocorrem durante a síntese do DNA. Esses erros ou mutações levam à expressão de uma proteína mutante huntingtina , que contém resíduos repetitivos de glutamina que são codificados por repetições de trinucleotídeos CAG em expansão no gene. A doença de Huntington é caracterizada por perda neuronal e gliose . Os sintomas da doença incluem: distúrbio do movimento, declínio cognitivo e distúrbio comportamental.

Veja também

Referências