Biossíntese
Biossíntese é um fenômeno, um processo de múltiplos passos, em que são produzidos compostos químicos complexos nos organismos vivos, como proteínas, lipídios e ácidos nucleicos a partir de reagentes mais simples, geralmente catalisados por enzimas, na qual os sustratos se convertem em produtos mais complexos.
A biossíntese se produz devido a uma série de reações químicas. Para que estas reações tenham lugar, são necessários os seguintes elementos: No sentido mais simples, as reações que ocorrem na biossíntese tem o seguinte formato: Algumas variações desta equação básica que serão discutidas mais tarde com mais detalhes são:
Muitas macromoléculas intrincadas são sintetizadas em um padrão de estruturas simples e repetidas. Por exemplo, as estruturas mais simples de lipídios são os ácidos graxos. Os ácidos graxos são derivados de hidrocarbonetos ; contém uma "cabeça" de grupo carboxilo 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: o fosfolipídios e os esfingolipídios. Um terceiro componente principal da membrana, colesterol, não contém essas unidades de ácido graxo.
Fosfolipídios
A base de todas as biomembranas consiste em uma estrutura bicamada de fosfolipídios. A molécula de fosfolipídio é anfipática; contém uma cabeça polar hidrofílica e uma cauda não polar hidrofóbica. As cabeças de fosfolipídios interagem entre si e com o meio aquoso, enquanto as caudas de hidrocarbonetos são orientadas ao centro, longe da água. Essas últimas interações conduzem a estrutura de duas camadas que atua como uma barreira para íons e moléculas. Existem vários tipos de fosfolipídios; consequentemente, suas vias de síntese diferem. No entanto, a primeira etapa na síntese de fosfolipídios envolve a formação de fosfatidato ou diacilglicerol 3-fosfato no retículo endoplásmico e membrana mitocondrial externa. A rota de síntese é apresentada abaixo:
Esfingolipídios
Como os fosfolipídios, esses derivados de ácidos graxos têm cabeça polar e cauda apolar. Ao contrário dos fosfolipídios, os esfingolipídios têm um esqueleto de esfingosina. Os esfingolípidos existem nas células eucariotas e são particularmente abundantes no sistema nervoso central. Por exemplo, a esfingomielina é parte da bainha de mielina das fibras nervosas. Os esfingolipídios são formados a partir de ceramidas que consistem em uma cadeia de ácido graxo ligada ao grupo amino de uma estrutura esfingosina. Essas ceramidas são sintetizadas a partir da acilação da esfingosina. A via biossintética da esfingosina é apresentada abaixo: Como a imagem indica, durante a síntese da esfingosina, palmitoil-CoA e serina sofrem uma reação de condensação que tem como resultado a formação de desidrosfingosina. Este produto se reduz então para formar diidrospingosina, que se converte na esfingosina através da reação de oxidação mediante FAD.
Colesterol
Este lipídio pertence a uma classe de moléculas chamadas esteróis. O esteróis tem quatro anéis fundidos e um grupo hidroxilo. O colesterol é uma molécula particularmente importante. Não serve apenas como um componente das membranas lipídicas, mas também é um precursor de vários hormônios esteróides , como o cortisol, a testosterona e o estrogênio. O colesterol é sintetizado a partir de acetil CoA. O caminho é mostrado abaixo: De maneira mais geral, esta síntese ocorre em três etapas, a primera etapa tem lugar no citoplasma e a segunda e terceira etapas ocorrem no retículo endoplasmático. As etapas são as seguintes:
A biosíntese de nucleotídeos implica reações catalisadas por enzimas que convertem os substratos em produtos mais complexos. Os nucleotídeos são os componentes básicos do ADN e o ARN. Os nucleotídeos são compostos por um anel de cinco membros formado por açúcar de ribose no ARN e açúcar de desoxirribose no ADN; estes açúcares estão vinculados a uma base de purina ou pirimidina com uma ligação glicosídica e um grupo fosfato na posição 5 ' do açúcar.
Nucleotídeos de purina
Os nucleotídeos de ADN adenosina e guanosina consistem em uma base de purina ligada a um açúcar ribose com uma ligação glicosídica. No caso dos nucleotídeos de RNA desoxiadenosina e desoxiguanosina, as bases de purina se unem a um açúcar de desoxirribose com uma ligação glicosídica. As bases purinas nos nucleotídeos de ADN e ARN são sintetizadas em um mecanismo de reação de doze passos presente na maioria dos organismos unicelulares. Os eucariotas superiores empregam um mecanismo de reação similar em dez passos de reação. As bases purina são sintetizadas convertendo o pirofosfato de fosforibosilo (PRPP) em monofosfato de inosina (IMP), que é o primeiro intermediário chave na biossíntese da base purina. A modificação enzimática adicional de IMP produz as bases de adenosina e guanosina de nucleotídeo.
Nucleotídeos de pirimidina
Outras bases de nucleotídeos de ADN e ARN que estão vinculadas ao açúcar da ribose através de um ligação glicosídica são a timina, a citosina e o uracilo (que só se encontra no ARN). A biosíntese de monofosfato de uridina implica uma enzima que se encontra na membrana mitocondrial interna e enzimas multifuncionais que se encontram no citosol. Depois que a base do nucleotídeo da uridina é sintetizada, as outras bases, citosina e timina, são sintetizadas. A biossíntese de citosina é uma reação em duas etapas envolvendo a conversão de UMP em UTP. A adição de fosfato a UMP é catalisada por uma enzima quinase. A enzima CTP sintase catalisa a seguinte etapa de reação: a conversão de UTP em CTP mediante a transferência de um grupo amino de glutamina a uridina; Este forma a base de citosina de CTP. O mecanismo, que descreve a reação UTP + ATP + glutamina ⇔ CTP + ADP + glutamato, é apresentado a seguir:
Embora existam diferenças entre a síntese de ADN eucarióticos e procarióticos , a seção a seguir denota as principais características da replicação do ADN compartilhada por ambos organismos. O ADN é composto de nucleotídeos que são unidos por ligações fosfodiéster. A síntese de ADN, que tem lugar no núcleo, é um processo semiconservativo, o que significa que a molécula de ADN resultante contém uma cadeia original da estrutura principal e uma nova cadeia. A síntese de ADN é catalisada por uma família de ADN polimerases que requerem quatro trifosfatos de desoxinucleosídeos, uma cadeia de modelo e um iniciador com um 3'OH livre no qual se incorporam nucleotídeos. Para que a replicação do DNA ocorra, se cria uma bifurcação de replicação mediante enzimas chamadas helicases que desenrolam a hélice do ADN. As topoisomerases na bifurcação de replicação, eliminem os ADN superenrolamentos causados pelo desenrolamento de DNA, e as proteínas de ligação a ADN de fita simples mantém os dois modelos de ADN de fita simples estabilizados antes da replicação.
Uma proteína é um polímero feito de aminoácidos que estão unidos por ligações peptídicas . Há mais de 300 aminoácidos encontrados na natureza dos quais somente vinte, conhecidos como os aminoácidos essenciais, são os componentes básicos das proteínas. Somente as plantas verdes e a maioria dos micróbios são capazes de sintetizar todos os 20 aminoácidos essenciais que são necessários para todas as espécies vivas. Os mamíferos só podem sintetizar dez dos vinte aminoácidos essenciais. Os outros 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 do aminoácido
A estrutura geral dos aminoácidos essenciais inclui um grupo amino primário, um grupo carboxilo e o grupo funcional unido ao carbono α. Os diferentes aminoácidos se identificam pelo grupo funcional. Como resultado dos três grupos diferentes unidos ao carbono α, os aminoácidos são moléculas assimétricas. Para todos os aminoácidos essenciais, exceto a glicina, o carbono α é um centro quiral. No caso da glicina, o carbono α tem dois átomos de hidrogênio, o que agrega simetria a esta molécula. Com a exceção da prolina, todos los aminoácidos encontrados na vida tem a conformação L-isoforma. A prolina tem um grupo funcional no carbono α que forma um anel com o grupo amino.
Fontes de nitrogênio
Uma etapa importante na biossíntese de aminoácidos é incorporar um grupo de nitrogênio no carbono α. Nas células, existem duas maneiras principais de incorporar grupos de nitrogênio. Uma via envolve a enzima glutamina oxoglutarato aminotransferase (GOGAT) que elimina o grupo amino amida da glutamina e a transfere a 2-oxoglutarato , produzindo dos moléculas de glutamato. Nesta reação de catálise, a glutamina serve como fonte de nitrogênio. Uma imagem que ilustra esta reação se encontra à direita. A outra forma de incorporar nitrogênio no carbono α dos aminoácidos é a enzima glutamato desidrogenase (GDH). GDH pode transferir amônia a 2-oxoglutarato e formar glutamato. Além disso, a enzima glutamina sintase (GS) é capaz de transferir amônia a glutamato e sintetizar glutamina, que repõe glutamina.
A família do glutamato de aminoácidos
A família de aminoácidos do glutamato inclui os aminoácidos que se derivam do aminoácido glutamato. Esta familia inclui: glutamato, glutamina, prolina e arginina. Esta família também inclui o aminoácido lisina, que deriva de α-cetoglutarato. A biossíntese de glutamato à glutamina é uma etapa chave na assimilação do nitrogênio discutida anteriormente. As enzimas GOGAT e GDH catalisam as reações de assimilação do nitrogênio. Nas bactérias, a enzima glutamato 5-quinase inicia a biossíntese da prolina pela transferência de um grupo fosfato do ATP para o glutamato. A seguinte reação é catalisada pela enzima pirrolina-5-carboxilato sintase (P5CS), que catalisa a redução do grupo ϒ-carboxilo de L-glutamato 5-fosfato. Isto resulta na formação de glutamato semialdeído, que cicla espontaneamente a pirrolina-5-carboxilato. A pirrolina-5-carboxilato se reduz adicionalmente pela enzima pirrolina-5-carboxilato redutase (P5CR) para produzir um aminoácido prolina.
A família serina dos aminoácidos.
A família serina de aminoácidos inclui: serina, cisteína e glicina. A maioria dos microorganismos e plantas obtêm 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 de metionina e da histidina. Durante a biossíntese de serina, a enzima fosfoglicerato desidrogenase catalisa a reação inicial que oxida o 3-fosfo-D-glicerato para produzir 3-fosfonooxipiruvato . A próxima reação é catalisada pela enzima fosfoserina aminotransferase, que transfere um grupo amino do glutamato para 3-fosfonooxipiruvato para produzir L-fosfoserina. A etapa final é catalisada pela enzima fosfoserina fosfatase, que desfosforila L-fosfoserina para produzir L-serina.
A família de aminoácidos do aspartato
A família de aminoácidos de aspartato inclui: treonina, lisina, metionina, isoleucina e aspartato. A lisina e a isoleucina são consideradas parte da família do aspartato, ainda que parte de sua estrutura carbonada é derivada do piruvato. No caso da metionina, o carbono metílico é derivada da serina e o grupo de enxofre, mas, na maioria dos organismos, é derivado da cisteína. A biossíntese de 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 de aspartato a α-cetoglutarato para produzir glutamato e oxaloacetato. A asparagina é sintetizada pela adição dependente de ATP de um grupo amino ao aspartato; a asparagina sintetase catalisa a adição de nitrogênio da glutamina ou amônia solúvel em aspartato para produzir asparagina.
A síntese de proteínas se produz através de um processo chamado tradução. Durante a tradução, os ribossomas leem o material genético chamado ARNm para gerar uma cadeia polipeptídica de proteínas. Este processo requer a transferência de ARN (ARNt) que serve como adaptador ao unir os aminoácidos em um extremo e interagir com o ARNm no outro extremo; o último o emparelhamento entre tRNA e mRNA garante que o aminoácido correto seja adicionado à cadeia. A síntese de proteínas ocorre em três fases: iniciação, alongamento e término. A tradução procariótica (arqueal e bacterial) se diferencia da tradução eucariótica; entretanto, esta seção se concentrará principalmente nas semelhanças entre os dois organismos.
Fundo adicional
Antes que a tradução possa começar, o processo de ligação de um aminoácido específico ao seu ARNt correspondente deve ocorrer. Esta reação, chamada de carregamento de ARNt, é catalisada por aminoacil-tRNA sintetase. Uma tARN sintetase específica é responsável de reconhecer e carregar um aminoácido em particular. Além disso, esta enzima tem regiões discriminatórias especiais para garantir a ligação correta entre o tARN e seu aminoácido relacionado. O primeiro passo para unir um aminoácido a seu ARNt correspondente é a formação de aminoacil-AMP: Isso é seguido pela transferência do grupo aminoacilo de aminoacil-AMP a uma molécula de ARNt. A molécula resultante é aminoacil-ARNt:
Tradução em passos
Como mencionado anteriormente, a tradução ocorre em três fases: iniciação, alongamento e terminação. A finalização da fase de iniciação depende dos três eventos a seguir: 2. A união de um ARNt iniciador carregado no sítio P do ribossomo 3. Alinhamento correto do ribossomo com o códon inicial do ARNm Após a iniciação, a cadeia polipeptídica é estendida através das interações anticódon: códon, e o ribossomo adiciona aminoácidos à cadeia polipeptídica um a um. As seguintes etapas devem ser realizadas para garantir a adição correta de aminoácidos: 1. A união do ARNt correto no sítio A do ribossoma 2. A formação de um ligação peptídica entre o ARNt no sítio A e a cadeia polipeptídica unida ao ARNt no sítio P
Erros nas vias biossintéticas podem ter consequências prejudiciais, como malformação de macromoléculas ou produção insuficiente de moléculas funcionais. Abaixo estão alguns exemplos que ilustram as interrupções que ocorrem devido a essas ineficiências.
