Biosíntesis

En biología molecular, la biosíntesis es un proceso de varios pasos catalizado por enzimas en el que los sustratos se convierten en productos más complejos en los organismos vivos. En la biosíntesis, los compuestos simples se modifican, se convierten en otros compuestos o se unen para formar macromoléculas. Este proceso a menudo consta de vías metabólicas. Algunas de estas vías biosintéticas se encuentran dentro de un solo orgánulo celular, mientras que otras involucran enzimas que se encuentran dentro de múltiples orgánulos celulares. Ejemplos de estas vías biosintéticas incluyen la producción de nucleótidos y componentes de membrana lipídica. La biosíntesis suele ser sinónimo de anabolismo.

Los elementos previos para la biosíntesis incluyen: compuestos precursores, energía química (por ejemplo, ATP) y enzimas catalíticas que pueden necesitar coenzimas (por ejemplo, NADH, NADPH). Estos elementos crean monómeros, los componentes básicos de las macromoléculas. Algunas macromoléculas biológicas importantes incluyen: proteínas, que están compuestas de monómeros de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos, y moléculas de ADN, que están compuestas de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster.

Propiedades de las reacciones químicas

La biosíntesis ocurre debido a una serie de reacciones químicas. Para que estas reacciones se produzcan son necesarios los siguientes elementos:

• Compuestos precursores: estos compuestos son las moléculas iniciales o sustratos en una reacción. Estos también pueden ser vistos como los reaccionarios en un proceso químico dado.
• Energía química: la energía química se puede encontrar en forma de moléculas de alta energía. Estas moléculas son necesarias para reacciones energéticamente desfavorables. Además, la hidrólisis de estos compuestos impulsa una reacción hacia adelante. Las moléculas de alta energía, como ATP, tienen tres fosfatos. A menudo, el fosfato terminal se divide durante la hidrólisis y se transfiere a otra molécula.
• Catalysts: estos pueden ser, por ejemplo, iones metálicos o coenzimas y catalizan una reacción aumentando la velocidad de la reacción y bajando la energía de activación.

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

${displaystyle {ce {Reactant - título[enzyme] Producto}}$

Algunas variaciones de esta ecuación básica que se analizarán más adelante con más detalle son:

1. Compuestos simples que se convierten en otros compuestos, generalmente como parte de una vía de reacción paso múltiple. Dos ejemplos de este tipo de reacción ocurren durante la formación de ácidos nucleicos y la carga de tRNA antes de la traducción. Para algunos de estos pasos, se requiere energía química:

   ${fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft}\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {{Precursor~molecule}+ATP = {product~AMP}+PP_{i}}$

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 membrana, esfingolípidos, requiere NADH y FADH para la formación de la columna vertebral esfingosina. La ecuación general de estos ejemplos es:

   ${displaystyle {ce {{Precursor~molecule}+Cofactor-conferencia[] [enzyme]macromolecule]$

3. Compuestos simples que se unen para crear una macromolécula. Por ejemplo, los ácidos grasos se unen para formar fosfolípidos. A su vez, los fosfolípidos y el colesterol interactúan incovalentemente con el fin de formar el lípido. Esta reacción puede describirse como sigue:

   ${displaystyle {ce {{Molecule~1}+Molecule~2-Conmolecule}}}$

Lípido

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

Fosfolípidos

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

Existen varios tipos de fosfolípidos; en consecuencia, 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 endoplásmico y la membrana mitocondrial externa. La ruta de síntesis se encuentra a continuación:

La vía comienza con glicerol 3-fosfato, que se convierte en lisofosfatidato mediante la adición de una cadena de ácido graso proporcionada por la acil coenzima A. 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 están catalizados por la enzima glicerol fosfato aciltransferasa. La síntesis de fosfolípidos continúa en el retículo endoplásmico y la vía de biosíntesis diverge según los componentes del fosfolípido en particular.

Esfingolípidos

Al igual que los fosfolípidos, estos derivados de ácidos grasos tienen una cabeza polar y colas apolares. A diferencia de los fosfolípidos, los esfingolípidos tienen una columna vertebral de esfingosina. Los esfingolípidos existen en las células eucariotas y son particularmente abundantes en el sistema nervioso central. Por ejemplo, la esfingomielina forma parte de la vaina de mielina de las fibras nerviosas.

Los esfingolípidos se forman a partir de ceramidas que consisten en una cadena de ácido graso unida al grupo amino de la columna vertebral de la esfingosina. Estas ceramidas se sintetizan a partir de la acilación de esfingosina. La vía biosintética de la esfingosina se encuentra a continuación:

Como 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. Luego, este producto se reduce para formar dihidroespingosina, que se convierte en esfingosina mediante la reacción de oxidación de FAD.

Colesterol

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

El colesterol se sintetiza a partir del acetil CoA. El camino se muestra a continuación:

De manera más general, esta síntesis ocurre en tres etapas: la primera etapa tiene lugar en el citoplasma y la segunda y tercera etapas ocurren en el retículo endoplásmico. Las etapas son las siguientes:

1. La síntesis del isopentenilo pirofosfato, el "bloque de construcción" del colesterol

2. La formación de escualeno mediante la condensación de seis moléculas de isopentenilo fosfato

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. Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN y el ARN. Los nucleótidos están compuestos por un anillo de cinco miembros formado a partir del azúcar ribosa en el ARN y del azúcar desoxirribosa en el ADN; estos azúcares están unidos a una base purina o pirimidina con un enlace glicosídico y un grupo fosfato en el extremo 5' Ubicación del azúcar.

Nuclétidos de purina

Los nucleótidos del ADN, adenosina y guanosina, consisten en una base purina unida a un azúcar ribosa con un enlace glicosídico. En el caso de los nucleótidos de ARN desoxiadenosina y desoxiguanosina, las bases purínicas están unidas a un azúcar desoxirribosa con un enlace glicosídico. Las bases purínicas de 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 purínicas se sintetizan mediante la conversión de pirofosfato de fosforribosil (PRPP) en monofosfato de inosina (IMP), que es el primer intermediario clave en la biosíntesis de bases purínicas. Una modificación enzimática adicional de IMP produce las bases de adenosina y guanosina de los nucleótidos.

1. El primer paso en la biosíntesis de purina es una reacción de condensación, realizada por glutamina-PRPP amidotransferase. Esta enzima transfiere el grupo amino de glutamina a PRPP, formando 5-fosforibosylamina. El siguiente paso requiere la activación de la glicina mediante la adición de un grupo fosfato de ATP.
2. GAR synthetase realiza la condensación de glicina activada en PRPP, formando ribonucleótido gliccineamida (GAR).
3. GAR transformylase añade un grupo de formailo en el grupo amino de GAR, formando formaylglycinamide ribonucleotide (FGAR).
4. FGAR amidotransferase cataliza la adición de un grupo de nitrógeno a FGAR, formando ribonucleótido formylglycinamidine (FGAM).
5. FGAM cyclase catalyzes anillo cierre, que implica la eliminación de una molécula de agua, formando el anillo imidazol 5-aminoimidazol 5-aminoimidazol ribonucleótido (AIR).
6. N5-CAIR synthetase transfers a carboxyl group, formation the intermediate N5-carboxyaminoimidazole ribonucleotide (N5-CAIR).
7. N5-CAIR mutase reorganiza el grupo funcional de carboxilo y lo transfiere al anillo imidazole, formando carboxyamino- imidazole ribonucleotide (CAIR). El mecanismo de dos pasos de formación de CAIR de AIR se encuentra principalmente en organismos celulares únicos. Los eucariotas superiores contienen la enzima AIR carboxylase, que transfiere un grupo de carboxilo directamente al anillo de imidazol AIR, formando CAIR.
8. SAICAR synthetase forms a peptide bond between aspartate and the added carboxyl group of the imidazole ring, formation N-succinyl-5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide (SAICAR).
9. La lisa SAICAR elimina el esqueleto de carbono del aspartado añadido, dejando el grupo amino y formando 5-aminoimidazole-4-carboxamida ribonucleótido (AICAR).
10. AICAR transformaylase transfiere un grupo de carbono a AICAR, formando N-formylaminoimidazole- 4-carboxamida ribonucleotide (FAICAR).
11. El paso final implica la sintesis de la enzima IMP, que realiza el cierre del anillo de purina y forma el intermedio del monofosfato inosino.

Nuclétidos de pirimidina

Otras bases de nucleótidos de ADN y ARN que están unidas al azúcar ribosa mediante un enlace glicosídico son la timina, la citosina y el uracilo (que solo se encuentra en el ARN). La biosíntesis de monofosfato de uridina implica una enzima que se encuentra en la membrana interna mitocondrial y enzimas multifuncionales que se encuentran en el citosol.

1. El primer paso consiste en la enzima carbamoil fosfato sinthasa que combina glutamina con CO2 en una reacción dependiente de ATP para formar fosfato de carbamoilo.
2. Aspartate carbamoyltransferase condensa carbamoyl phosphate con aspartate para formar uridosuccinate.
3. Dihidroorotasa realiza el cierre del anillo, una reacción que pierde agua, para formar dihidroorotate.
4. Dihidroorotate dehidrogenasa, ubicada dentro de la membrana interna mitocondrial, oxida dihidroorotate a orotate.
5. Orotate fosforibosil hydrolase (OMP pyrophosphorylase) condensa orotate con PRPP para formar orotidine-5'-phosphate.
6. OMP decarboxilasa cataliza la conversión de orotidine-5'-fosfato a UMP.

Después de sintetizar la base nucleotídica de 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 la UMP está catalizada por una enzima quinasa. La enzima CTP sintasa cataliza el siguiente paso de reacción: la conversión de UTP en CTP transfiriendo un grupo amino de glutamina a uridina; esto forma la base de citosina de CTP. El mecanismo que representa la reacción UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato se muestra a continuación:

La citosina es un nucleótido que está presente tanto en el ADN como en el ARN. Sin embargo, el uracilo sólo se encuentra en el ARN. Por lo tanto, una vez sintetizado el UTP, debe convertirse en una forma desoxi para incorporarlo al ADN. Esta conversión involucra 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 no especificidad permite que la ribonucleósido trifosfato reductasa convierta todos los nucleótidos trifosfato en desoxirribonucleótido mediante un mecanismo similar.

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 están unidas a azúcares ribosa en el ARN, lo que indica que las células solo sintetizan timina unida a 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. La reacción de la timidilato sintasa, dUMP + 5,10-metilentetrahidrofolato ⇔ dTMP + dihidrofolato, se muestra a la derecha.

ADN

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

El ADN está compuesto de nucleótidos que están unidos por enlaces fosfodiéster. 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 original y una nueva cadena. La síntesis de ADN está catalizada por una familia de ADN polimerasas que requieren cuatro desoxinucleósidos trifosfato, una cadena plantilla y un cebador con un 3'OH libre al que incorporar los nucleótidos.

Para que se produzca la replicación del ADN, se crea una bifurcación de replicación mediante enzimas llamadas helicasas que desenrollan la hélice del ADN. Las topoisomerasas en la horquilla de replicación eliminan los superenrollamientos causados por el desenrollamiento del ADN, y las proteínas de unión al ADN monocatenario mantienen las dos plantillas de ADN monocatenario estabilizadas antes de la replicación.

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

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 en 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.

Durante la replicación se crean simultáneamente dos tipos de cadenas: la cadena líder, que se sintetiza continuamente y crece hacia la bifurcación de replicación, y la cadena rezagada, que se forma de manera discontinua en fragmentos de Okazaki y crece alejándose de la bifurcación de replicación. Los fragmentos de Okazaki se unen covalentemente mediante ADN ligasa para formar una cadena continua. Luego, para completar la replicación del ADN, se eliminan los cebadores de ARN y los espacios resultantes se reemplazan con ADN y se unen mediante la ADN ligasa.

Aminoácidos

Una proteína es un polímero que está compuesto de aminoácidos que están unidos por enlaces peptídicos. En la naturaleza se encuentran más de 300 aminoácidos, de los cuales sólo veinte, conocidos como aminoácidos estándar, son los componentes básicos de las proteínas. Sólo las plantas verdes y la mayoría de los microbios son capaces de sintetizar los 20 aminoácidos estándar que necesitan todas las especies vivas. Los mamíferos sólo pueden sintetizar diez de los veinte aminoácidos estándar. Los demás aminoácidos, valina, metionina, leucina, isoleucina, fenilalanina, lisina, treonina y triptófano para los adultos y histidina y arginina para los bebés, se obtienen a través de la dieta.

Estructura básica de los aminoácidos

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.

Fuente de nitrógeno

Un paso importante en la biosíntesis de aminoácidos implica incorporar un grupo nitrógeno en el carbono α. En las células, existen dos vías principales para incorporar grupos 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 puede 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.

La familia de aminoácidos glutamato

La familia de aminoácidos del 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.

La biosíntesis de glutamato y glutamina es un paso clave en la asimilación de nitrógeno discutida 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 enzima pirrolina-5-carboxilato reductasa (P5CR) reduce aún más el pirrolina-5-carboxilato para producir un aminoácido prolina.

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 ciclación 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.

Existen dos vías biosintéticas distintas 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; Consta de varias reacciones enzimáticas que añaden grupos de carbono al aspartato para producir lisina:

1. Aspartate kinase inicia la ruta del ácido diaminopímelico por fosforilar aspartato y produciendo fosfato aspartito.
2. Aspartate semialdehyde dehydrogenase catalyzes la reducción dependiente de NADPH del fosfato aspartida para producir semialdehído aspartato.
3. 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinate synthase adds a pyruvate group to the β-aspartyl-4-semialdehyde, and a water molecule is removed. Esto causa la ciclización y da lugar a (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato.
4. 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinate reductase cataliza la reducción de (2S,4S)-4-hidroxi-2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato por NADPH para producir Δ'-piperideina-2,6-dicarboxilato (2,3,4,5-tetrahidrodipicolinato) y H₂O.
5. Tetrahydrodipicolinate acyltransferase cataliza la reacción de acetilación que resulta en la apertura de anillos y produce N-acetyl α-amino-ε-ketopimelate.
6. N-succinyl-α-amino-ε-ketopimelate-glutamate aminotransaminase cataliza la reacción de transamination que elimina el grupo keto de N-acetyl α-amino-ε-ketopimelate y lo reemplaza con un grupo amino para producir N-succinyl-L-diaminopimelate.
7. N-acyldiaminopimelate deacylase cataliza la deacylation de N-succinyl-L-diaminopimelate para producir L,L-diaminopimelate.
8. La epimerasa DAP cataliza la conversión de L, L-diaminopímelato a la forma meso de L,L-diaminopímelato.
9. DAP decarboxylase cataliza la eliminación del grupo de carboxilo, produciendo L-lysine.

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 metionina e histidina.

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

Existen dos vías conocidas para la biosíntesis de la glicina. Los organismos que utilizan etanol y acetato como principal fuente 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-metilentetrahidrofolato.

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. El siguiente paso de reacción, catalizado por la enzima O-acetil serina (tiol) liasa, reemplaza el grupo acetilo de la O-acetil-L-serina con sulfuro para producir cisteína.

La familia de aminoácidos aspartato

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

La biosíntesis de 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. 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 la glutamina o del amoníaco soluble al aspartato para producir asparagina.

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.

1. Aspartate kinase cataliza el paso inicial en la ruta del ácido diaminopímelico transfiriendo un fosforil de ATP al grupo carboxilato de aspartato, que produce aspartyl-β-fosfato.
2. Aspartate-semialdehyde dehydrogenase cataliza la reacción de reducción por defosforilación de aspartato-β-fosfato para producir aspartato-β-semialdehído.
3. Dihydrodipicolinate synthase catalyzes the condensation reaction of aspartate-β-semialdehyde with pyruvate to yield dihidrodipicolinic acid.
4. 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinate reductasa cataliza la reducción del ácido dihidrodipicolínico para producir ácido tetrahidrodipicolínico.
5. Tetrahidrodipicolinate N-succinyltransferase cataliza la transferencia de un grupo de succinilo de succinyl-CoA a ácido tetrahidrodipicolinico para producir N-succinyl-L-2,6-diaminoheptanedionato.
6. N-succinyldiaminopimelate aminotransferase catalyzes the transfer of an amino group from glutamate onto N-succinyl-L-2,6-diaminoheptanedioate to yield N-succinyl-L,L-diaminopimelic acid.
7. Succinyl-diaminopimelate desuccinylase cataliza la eliminación del grupo acyl de N-succinyl-L, L-diaminopimelic acid para producir L,L-diaminopimelic acid.
8. La epimerasa diaminopímelato cataliza la inversión del α-carbono de L, L-diminopímelico ácido para producir ácido meso-diaminopímelico.
9. Siaminopimelate decarboxylase cataliza el paso final en la biosíntesis de lisina que elimina el grupo de dióxido de carbono del ácido meso-diaminopímelico para producir lisina L.

Proteínas

La síntesis de proteínas se produce mediante un proceso llamado traducción. Durante la traducción, los ribosomas leen el material genético llamado ARNm para generar una cadena polipeptídica de proteína. Este proceso requiere ARN de transferencia (ARNt) que sirve como adaptador uniendo aminoácidos en un extremo e interactuando con ARNm en el otro extremo; el último emparejamiento entre el ARNt y el ARNm garantiza que se agregue el aminoácido correcto a la cadena. La síntesis de proteínas se produce en tres fases: iniciación, elongación y terminación. La traducción procariótica (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 ocurrir el proceso de unión de un aminoácido específico a su ARNt correspondiente. Esta reacción, llamada carga de ARNt, está catalizada por la aminoacilARNt sintetasa. Una ARNt sintetasa específica es responsable de reconocer y cargar un aminoácido en particular. Además, esta enzima tiene regiones discriminadoras especiales para garantizar la unión correcta entre el ARNt y su aminoácido afín. El primer paso para unir un aminoácido a su correspondiente ARNt es la formación de aminoacil-AMP:

${fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft}\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {{Amino~acid}+ATP = {aminoacyl-AMP}+PP_{i}}}$

A esto le sigue la transferencia del grupo aminoacilo del aminoacil-AMP a una molécula de ARNt. La molécula resultante es aminoacil-tRNA:

${fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft}\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft}\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {{Aminoacyl-AMP}+ tRNA {aminoacyl-tRNA}+ AMP}$

La combinación de estos dos pasos, ambos catalizados por la aminoacil tRNA sintetasa, produce un tRNA 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 empareja con tripletes de nucleótidos específicos en el ARNm llamados codones; Los codones codifican un aminoácido específico. Esta interacción es posible gracias al ribosoma, que sirve como sitio para la síntesis de proteínas. El ribosoma posee tres sitios de unión de ARNt: el sitio aminoacilo (sitio A), el sitio peptidilo (sitio P) y el sitio de salida (sitio E).

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

Traducción en pasos

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

Paso 1: Iniciación

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

1. El reclutamiento del ribosoma al ARNm.

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

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

Paso 2: Alargamiento

Después del inicio, la cadena polipeptídica se extiende mediante interacciones anticodón:codón, y el ribosoma agrega aminoácidos a la cadena polipeptídica uno a la vez. Deben realizarse los siguientes pasos para garantizar la correcta adición de aminoácidos:

1. La unión del ARNt correcto al 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 "comienza" el ARNt en el sitio E y desplaza el ARNt 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. Luego, ocurren los siguientes pasos:

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

2. La liberación de la cadena polipeptídica.

3. La disociación y el "reciclaje" del ribosoma para futuros procesos de traducción

A continuación se incluye una tabla resumen de los actores clave en la traducción:

Enfermedades asociadas a la deficiencia de macromoléculas

Los errores en las vías biosintéticas pueden tener consecuencias nocivas, incluida la malformación de macromoléculas o la producción insuficiente de moléculas funcionales. A continuación se muestran ejemplos que ilustran las interrupciones que ocurren debido a estas ineficiencias.

• Hipercolesterolemia familiar: este trastorno se caracteriza por la ausencia de receptores funcionales para LDL. Las deficiencias en la formación de los receptores de LDL pueden causar receptores defectuosos que interrumpen la vía endocética, inhibiendo la entrada de LDL en el hígado y otras células. Esto causa una acumulación de LDL en el plasma sanguíneo, que resulta en placas ateroscleróticas que estrechan las arterias y aumentan el riesgo de ataques cardíacos.
• Síndrome de Lesch-Nyhan: esta enfermedad genética se caracteriza por la mutilación, deficiencia mental y gota. Es causada por la ausencia de hipoxanthine-guanine fosforibosyltransferase, que es una enzima necesaria para la formación de nucleótido purino. La falta de enzima reduce el nivel de los nucleótidos necesarios y causa la acumulación de intermediarios de biosíntesis, lo que resulta en el comportamiento inusual mencionado anteriormente.
• Inmunodeficiencia combinada severa (SCID): SCID se caracteriza por una pérdida de células T. La escasez de estos componentes del sistema inmunitario aumenta la susceptibilidad a los agentes infecciosos porque los individuos afectados no pueden desarrollar la memoria inmunológica. Este trastorno inmunológico resulta de una deficiencia en la actividad deaminasa adenosina, que causa una acumulación de dATP. Estas moléculas dATP inhiben la reductasa de ribonucleótido, lo que evita la síntesis del ADN.
• Enfermedad de Huntington: esta enfermedad neurológica es causada por errores que ocurren durante la síntesis del ADN. Estos errores o mutaciones conducen a la expresión de una proteína mutante de caza, que contiene residuos de glutamina repetitivos que se codifican al expandir la trinucleótido de CAG repite en el gen. La enfermedad de Huntington se caracteriza por pérdida neuronal y gliosis. Los síntomas de la enfermedad incluyen: trastorno del movimiento, declive cognitivo y trastorno conductual.