Biosíntesis

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 hidrofílica y una cola no polar hidrofóbica . ^{[ 4 ]} Las cabezas de fosfolípidos interactúan entre sí y con el medio acuoso, mientras que las colas de hidrocarburos se orientan hacia el centro, alejadas del agua. ^{[ 7 ]} Estas últimas interacciones impulsan la estructura de bicapa que actúa como barrera para iones y moléculas. ^{[ 8 ]}

Existen diversos tipos de fosfolípidos; por consiguiente, 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 muestra a continuación:

La vía comienza con el glicerol 3-fosfato, que se convierte en lisofosfatidato mediante la adición de una cadena de ácidos grasos proporcionada por la acil coenzima A. [ ^{9 ] Luego} , el lisofosfatidato se convierte en fosfatidato mediante la adición de otra cadena de ácidos grasos 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 endoplasmático, y la vía de biosíntesis diverge dependiendo de los componentes del fosfolípido en particular. ^{[ 9 ]}

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 de esfingosina . ^{[ 10 ]} Los esfingolípidos existen en las células eucariotas y son particularmente abundantes en el sistema nervioso central . ^{[ 7 ]} Por ejemplo, la esfingomielina forma 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 molécula de esfingosina. Estas ceramidas se sintetizan mediante la acilación de la esfingosina. ^{[ 11 ]} La ruta biosintética de la esfingosina se muestra a continuación:

Como se muestra en 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 se reduce posteriormente para formar dihidroesfingosina, que se convierte en esfingosina mediante la reacción de oxidación por FAD . ^{[ 7 ]}

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 , incluyendo el cortisol , la testosterona y el estrógeno . ^{[ 12 ]}

El colesterol se sintetiza a partir de acetil CoA . ^{[ 12 ]} La ruta se muestra a continuación:

En términos más generales, esta síntesis ocurre en tres etapas, la primera de las cuales tiene lugar en el citoplasma y la segunda y tercera en el retículo endoplasmático. ^{[ 9 ]} Las etapas son las siguientes: ^{[ 12 ]}

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

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

3. La conversión de escualeno en colesterol mediante varias reacciones enzimáticas.

Los nucleótidos de ADN adenosina y guanosina consisten en una base púrica unida a un azúcar ribosa mediante un enlace glucosídico. En el caso de los nucleótidos de ARN desoxiadenosina y desoxiguanosina , las bases púricas están unidas a un azúcar desoxirribosa mediante un enlace glucosídico. Las bases púricas 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. Las bases púricas se sintetizan mediante la conversión de fosforribosil pirofosfato (PRPP) en inosina monofosfato (IMP), que es el primer intermediario clave en la biosíntesis de bases púricas. ^{[ 14 ]} La modificación enzimática posterior del IMP produce las bases adenosina y guanosina de los nucleótidos.

1. El primer paso en la biosíntesis de purinas es una reacción de condensación , catalizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa . Esta enzima transfiere el grupo amino de la glutamina al PRPP, formando 5-fosforribosilamina . El siguiente paso requiere la activación de la glicina mediante la adición de un grupo fosfato proveniente del ATP .
2. La GAR sintetasa ^{[ 15 ]} realiza la condensación de glicina activada sobre PRPP, formando ribonucleótido de glicinamida (GAR).
3. La GAR transformilasa añade un grupo formilo al grupo amino del GAR, formando así el ribonucleótido de formilglicinamida (FGAR).
4. La FGAR amidotransferasa ^{[ 16 ]} cataliza la adición de un grupo nitrógeno a la FGAR, formando el ribonucleótido de formilglicinamidina (FGAM).
5. La enzima FGAM ciclasa cataliza el cierre del anillo, que implica la eliminación de una molécula de agua, formando el anillo de imidazol de 5 miembros, el 5-aminoimidazol ribonucleótido (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 para 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 así el 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 el ribonucleótido de 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR).
10. La transformilasa AICAR transfiere un grupo carbonilo al AICAR, formando N-formilaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido (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 ]}

Otras bases nucleotídicas del ADN y el ARN que se unen al azúcar ribosa mediante un enlace glucosídico son la timina , la citosina y el uracilo (que solo se encuentra en el ARN). La biosíntesis del monofosfato de uridina implica una enzima ubicada en la membrana interna mitocondrial y enzimas multifuncionales ubicadas en el citosol . ^{[ 19 ]}

1. El primer paso implica que la enzima carbamoil fosfato sintasa combine la glutamina con CO ₂ en una reacción dependiente de ATP para formar carbamoil fosfato .
2. La aspartato carbamoiltransferasa condensa el carbamoilfosfato con el aspartato para formar uridosuccinato.
3. La dihidroorotasa realiza un cierre de 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 OMP descarboxilasa cataliza la conversión de orotidina-5'-fosfato a UMP . ^{[ 20 ]}

Tras la síntesis de 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 al 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 del CTP. ^{[ 21 ]} El mecanismo, que representa la reacción UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato, se muestra a continuación:

La citosina es un nucleótido presente tanto en el ADN como en el ARN. Sin embargo, el uracilo solo se encuentra en el ARN. Por lo tanto, después de sintetizarse el UTP, debe convertirse en una forma desoxigenada para incorporarse al ADN. Esta conversión involucra la enzima ribonucleósido trifosfato reductasa . Esta reacción, que elimina el grupo 2'-OH del azúcar ribosa para generar desoxirribosa, no se ve afectada por las bases unidas al azúcar. Esta inespecificidad 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 unidas a azúcares de 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 a partir de dUMP a dTMP . Esta reacción transfiere un grupo metilo a la base de uracilo del dUMP para generar dTMP. ^{[ 21 ]} La reacción de la timidilato sintetasa, dUMP + 5,10-metilentetrahidrofolato ⇔ dTMP + dihidrofolato, se muestra a la derecha.

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 ]}

Un paso fundamental en la biosíntesis de aminoácidos consiste en la incorporación de un grupo nitrógeno al carbono α. En las células, existen dos vías principales para la incorporación de grupos nitrógeno. Una de ellas involucra 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 catalítica, la glutamina actúa como fuente de nitrógeno. A la derecha se muestra 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 así la glutamina. ^{[ 26 ]}

La familia de aminoácidos del glutamato incluye los aminoácidos que derivan del glutamato. Esta familia incluye: glutamato, glutamina , prolina y arginina . 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 descrita 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 π-carboxilo del L-glutamato 5-fosfato. Esto da como resultado la formación de semialdehído de glutamato, que se cicla espontáneamente a pirrolina-5-carboxilato. El 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 mediante la transferencia del 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 subsiguientes son catalizados por las enzimas N-acetilglutamato quinasa , N-acetil-γ-glutamil-fosfato reductasa y acetilornitina/succinildiamino pimelato aminotransferasa , y producen 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 ]}

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 del ácido diaminopimélico; 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 el aspartato y produciendo fosfato de aspartilo.
2. La aspartato semialdehído deshidrogenasa cataliza la reducción dependiente de NADPH del aspartil fosfato para producir aspartato semialdehído.
3. La 4-hidroxi-tetrahidrodipicolinato sintasa añade un grupo piruvato al β-aspartil-4-semialdehído y se elimina una molécula de agua. Esto provoca la ciclación 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 N-succinil-α-amino-ε-cetopimelato-glutamato aminotransferasa 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 deacilasa cataliza la desacilación del 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 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 a glicina proporciona los carbonos necesarios para la biosíntesis de metionina e 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 glicina. Los organismos que utilizan etanol y acetato como principal fuente de carbono emplean 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 . ^{[ 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 del acetil-CoA a la 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 la O-acetil-L-serina con sulfuro para producir cisteína. ^{[ 40 ]}

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

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 oxalacetato . ^{[ 41 ]} La asparagina se sintetiza mediante la adición de un grupo amino al aspartato, dependiente de ATP; la asparagina sintetasa cataliza la adición de nitrógeno de la glutamina o del amoníaco soluble al aspartato para producir asparagina. ^{[ 42 ]}

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 transfiriendo 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 mediante la 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 del succinil-CoA al ácido tetrahidrodipicolínico para producir N-succinil-L-2,6-diaminoheptanodioato. ^{[ 48 ]}
6. La N-succinildiaminopimelato aminotransferasa 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 diaminopimelato epimerasa 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 dióxido de carbono del ácido meso-diaminopimélico para producir L-lisina. ^{[ 52 ]}

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, 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 ]}

${\displaystyle {\ce {{Amino\ acid}+ATP<=>{aminoacyl-AMP}+PP_{i}}}}$

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 ]}

${\displaystyle {\ce {{Aminoacyl-AMP}+ tRNA <=> {aminoacyl-tRNA}+ AMP}}}$

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 posee una unidad de tres nucleótidos llamada anticodón que se aparea con tripletes de nucleótidos específicos en el ARNm, denominados codones ; los codones codifican un aminoácido específico. ^{[ 55 ]} Esta interacción es posible gracias al ribosoma, que actúa como el sitio de síntesis de proteínas. El ribosoma posee tres sitios de unión para el 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 denomina degeneración . ^{[ 57 ]} 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. ^{[ 57 ]}

Como ya se ha mencionado, la traducción se produce en tres fases: iniciación, elongación y terminación.