Ir al contenido

Biosíntesis

De Wikipedia, la enciclopedia libre

La biosíntesis es un proceso de múltiples pasos, catalizado por enzimas, en el que los sustratos se convierten en productos más complejos en los organismos vivos.[1] En la biosíntesis, los compuestos simples se modifican, se convierten en otros compuestos o se unen para formar macromoléculas. Este proceso a menudo consiste en vías metabólicas.[2] Algunas de estas vías biosintéticas se ubican dentro de un solo orgánulo celular, mientras que otras involucran enzimas que se ubican dentro de múltiples orgánulos celulares.[3] Ejemplos de estas rutas biosintéticas incluyen la producción de componentes de membrana lipídica y nucleótidos. La biosíntesis suele ser sinónimo de anabolismo.[4]

Los elementos necesarios para la biosíntesis incluyen: compuestos precursores, energía química (por ejemplo, ATP), y enzimas catalíticas que pueden requerir coenzimas (por ejemplo, NADH, NADPH).[1] Estos elementos crean monómeros, los bloques de construcción para macromoléculas. Algunas macromoléculas biológicas importantes incluyen: proteínas, que están compuestas por monómeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, y moléculas de ADN, que están compuestas por nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster.[3]

Propiedades de las reacciones químicas

[editar]

La biosíntesis se produce debido a una serie de reacciones químicas. Para que estas reacciones tengan lugar, son necesarios los siguientes elementos:[3][2]

  • Compuestos precursores: estos compuestos son las moléculas o sustratos de partida en una reacción. Estos también pueden ser vistos como los reactivos 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 desfavorables energéticamente. Además, la hidrólisis de estos compuestos impulsa una reacción hacia adelante. Las moléculas de alta energía, como el ATP, tienen tres fosfatos. A menudo, el fosfato terminal se separa durante la hidrólisis y se transfiere a otra molécula.[1]
  • Enzimas catalíticas: estas moléculas son proteínas especiales que catalizan una reacción al aumentar la velocidad de la reacción y disminuir la energía de activación.[1]
  • Coenzimas o cofactores: los cofactores son moléculas que ayudan en las reacciones químicas. Estos pueden ser iones metálicos, derivados vitamínicos como NADH y acetil CoA, o derivados no vitamínicos como ATP. En el caso de NADH, la molécula transfiere un hidrógeno, mientras que la acetil CoA transfiere un grupo acetilo, y el ATP transfiere un fosfato.[4]

En el sentido más simple, las reacciones que ocurren en la biosíntesis tienen el siguiente formato:[5]

Algunas variaciones de esta ecuación básica que se discutirán más adelante con más detalle son:[4]

  1. Compuestos simples que se convierten en otros compuestos, generalmente como parte de una vía de reacción de pasos múltiples. Dos ejemplos de este tipo de reacción ocurren durante la formación de ácidos nucleicos y la carga de ARNt antes de la traducción. Para algunos de estos pasos, se requiere energía química:
  2. Compuestos simples que se convierten en otros compuestos con la ayuda de cofactores. Por ejemplo, la síntesis de fosfolípidos requiere acetil CoA, mientras que la síntesis de otro componente de la membrana, los esfingolípidos, requiere NADH y FADH para la formación del esqueleto de la esfingosina. La ecuación general para estos ejemplos es:
  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 de manera no covalente para formar la bicapa lipídica. Esta reacción se puede describir de la siguiente manera:

Lípidos

[editar]
Membrana lipídica bicapa

Muchas macromoléculas intrincadas se sintetizan en un patrón de estructuras simples y repetidas.[6] Por ejemplo, las estructuras más simples de los lípidos son los ácidos grasos. Los ácidos grasos son derivados de hidrocarburos; contienen una "cabeza" de grupo carboxilo y una "cola" de cadena de hidrocarburo.[6] Estos ácidos grasos crean componentes más grandes que, a su vez, incorporan interacciones no covalentes para formar la bicapa lipídica.[6] Las cadenas de ácidos grasos se encuentran en dos componentes principales de los lípidos de membrana: los fosfolípidos y los esfingolípidos. Un tercer componente principal de la membrana, el colesterol, no contiene estas unidades de ácidos grasos.[2]

Fosfolípidos

[editar]

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

Hay 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 endoplasmático y la membrana mitocondrial externa.[7] La ruta de síntesis se encuentra a continuación:

Síntesis de ácido fosfatídico
Síntesis de ácido fosfatídico

La ruta comienza con glicerol 3-fosfato, que se convierte en lisofosfatidato a través de la adición de una cadena de ácido graso proporcionada por la acil coenzima A.[1] Luego, el lisofosfatidato se convierte en fosfatidato a través de la adición de otra cadena de ácido graso contribuida por un segundo acil CoA; todos estos pasos son catalizados por la enzima glicerol fosfato aciltransferasa.[1] La síntesis de fosfolípidos continúa en el retículo endoplásmico, y la vía de biosíntesis difiere dependiendo de los componentes del fosfolípido particular.[7]

Esfingolípidos

[editar]

Al igual que los fosfolípidos, estos derivados de ácidos grasos tienen una cabeza polar y colas no polares.[2] A diferencia de los fosfolípidos, los esfingolípidos tienen un esqueleto de esfingosina.[8] Los esfingolípidos existen en las células eucariotas y son particularmente abundantes en el sistema nervioso central.[7] Por ejemplo, la esfingomielina es parte de la vaina de mielina de las fibras nerviosas.[9]

Los esfingolípidos se forman a partir de ceramidas que consisten en una cadena de ácido graso unida al grupo amino de un esqueleto de esfingosina. Estas ceramidas se sintetizan a partir de la acilación de la esfingosina.[9] La vía biosintética para la esfingosina se encuentra a continuación:

Síntesis de esfingosina
Síntesis de esfingosina

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

Colesterol

[editar]

Este lípido pertenece a una clase de moléculas llamadas esteroles.[2] Los esteroles tienen cuatro anillos fusionados y un grupo hidroxilo.[2] El colesterol es una molécula particularmente importante. No solo sirve como un componente de las membranas lipídicas, sino que también es un precursor de varias hormonas esteroides, como el cortisol, la testosterona y el estrógeno.[10]

El colesterol se sintetiza a partir de acetil CoA.[10] El camino se muestra a continuación:

Vía de síntesis del colesterol
Vía de síntesis del colesterol

De manera más general, esta síntesis ocurre en tres etapas. La primera etapa tiene lugar en el citoplasma y la segunda y tercera etapas se producen en el retículo endoplásmico.[1] Las etapas son las siguientes:[10]

  1. La síntesis de pirofosfato de isopentenilo, el "bloque de construcción" del colesterol.
  2. La formación de escualeno a través de la condensación de seis moléculas de pirofosfato de isopentenilo.
  3. La conversión de escualeno en colesterol a través de varias reacciones enzimáticas.

Nucleótidos

[editar]

La biosíntesis de nucleótidos implica reacciones catalizadas por enzimas que convierten los sustratos en productos más complejos.[3] Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN y el ARN. Los nucleótidos están compuestos por un anillo de cinco miembros formado por azúcar de ribosa en el ARN y azúcar de desoxirribosa en el ADN; estos azúcares están vinculados a una base de purina o pirimidina con un enlace glucosídico y un grupo fosfato en la ubicación 5' del azúcar.[11]

Nucleótidos de purina

[editar]
La síntesis de IMP

Los nucleótidos de ADN adenosina y guanosina consisten en una base de purina unida a un azúcar ribosa con un enlace glicosídico. En el caso de los nucleótidos de ARN desoxiadenosina y desoxiguanosina, las bases de purina se unen a un azúcar de desoxirribosa con un enlace glicosídico. Las bases de purina en los nucleótidos de ADN y ARN se sintetizan en un mecanismo de reacción de doce pasos presente en la mayoría de los organismos unicelulares. Los eucariotas superiores emplean un mecanismo de reacción similar en diez pasos. Las bases de purina se sintetizan convirtiendo el pirofosfato de fosforibosilo (PRPP) en monofosfato de inosina (IMP), que es el primer intermediario clave en la biosíntesis de la base de purina.[12] La modificación enzimática adicional de IMP produce las bases de adenosina y guanosina de nucleótidos.[2]

El proceso de síntesis de IMP implica los siguientes pasos:[1][2]

  1. El primer paso en la biosíntesis de purinas es una reacción de condensación, realizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa. Esta enzima transfiere el grupo amino de la glutamina a la PRPP, formando 5-fosforribosilamina.
  2. GAR sintetasa realiza la condensación de glicina activada en PRPP, formando ribonucleótido de glicinamida (GAR).[13]
  3. GAR transformilasa agrega un grupo formilo al grupo amino de GAR, formando ribonucleótido formilglicinamida (FGAR).
  4. La amidotransferasa FGAR cataliza la adición de un grupo de nitrógeno a FGAR, formando ribonucleótido formilglicinamidina (FGAM).[14]
  5. La FGAM ciclasa cataliza el cierre del anillo, formando el anillo de imidazol de 5 miembros 5-aminoimidazol ribonucleótido (AIR).
  6. La N5-CAIR sintetasa transfiere un grupo carboxilo, formando el intermedio N5-carboxiaminoimidazol ribonucleótido (N5-CAIR).[15]
  7. La mutasa N5-CAIR reorganiza el grupo funcional carboxilo y lo transfiere al anillo de imidazol, formando ribonucleótido carboxiaminoimidazol (CAIR).
  8. La SAICAR sintetasa forma un enlace peptídico entre el aspartato y el grupo carboxilo del anillo de imidazol, formando N-succinil-5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido (SAICAR).
  9. La SAICAR liasa elimina el esqueleto de carbono del aspartato agregado, dejando el grupo amino y formando ribonucleótido 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR).
  10. La AICAR transformilasa transfiere un grupo carbonilo a AICAR, formando N-formilaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido (FAICAR).
  11. El último paso consiste en la enzima IMP sintasa, que realiza el cierre del anillo de purina y forma el intermedio monofosfato de inosina.[2]

Nucleótidos de pirimidina

[editar]
Biosíntesis de monofosfato de uridina (UMP)

Otras bases de nucleótidos de ADN y ARN que están vinculadas al azúcar de la ribosa a través de un enlace glicosídico son la timina, la citosina y el uracilo (que solo se encuentra en el ARN). La biosíntesis de monofosfato de uridina (UMP) implica una enzima que se encuentra en la membrana mitocondrial interna y enzimas multifuncionales que se encuentran en el citosol.[16]

La biosíntesis de UMP ocurre en los siguientes pasos:[1][2]

  1. El primer paso implica la enzima carbamoil fosfato sintetasa que combina glutamina con CO2 en una reacción dependiente de ATP para formar fosfato de carbamoílo.
  2. La aspartato carbamoiltransferasa condensa el carbamoilfosfato con el aspartato para formar uridosuccinato.
  3. La dihidroorotasa realiza el cierre del anillo para formar dihidroorotato.
  4. La dihidroorotato deshidrogenasa, ubicada dentro de la membrana interna mitocondrial,[16] 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 en UMP.[17]

Después de que se sintetiza la base de nucleótidos de uridina, se sintetizan las otras bases: citosina y timina. La biosíntesis de la citosina es una reacción de dos pasos que implica la conversión de UMP a UTP mediante la enzima quinasa. La enzima CTP sintasa cataliza la siguiente etapa: la conversión de UTP en CTP mediante la transferencia de un grupo amino de glutamina a la uridina.[18]

Para la formación de timina, la enzima ribonucleósido trifosfato reductasa convierte UTP en su forma desoxi. La enzima timidilato sintasa es responsable de sintetizar los residuos de timina de dUMP a dTMP.[18]

Aminoácidos

[editar]

Una proteína es un polímero que se compone de aminoácidos que están unidos por enlaces peptídicos. Hay más de 300 aminoácidos encontrados en la naturaleza, de los cuales solo veinte, conocidos como los aminoácidos estándar, son los componentes básicos de la proteína.[19] Solo las plantas verdes y la mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizar todos los 20 aminoácidos estándar que son necesarios para todas las especies vivas. Los mamíferos solo pueden sintetizar diez de los veinte aminoácidos estándar. Los otros aminoácidos, valina, metionina, leucina, isoleucina, fenilalanina, lisina, treonina y triptófano para adultos e histidina y arginina para bebés, se obtienen a través de la dieta.[20]

Estructura básica del aminoácido

[editar]
Estructura general de un L-aminoácido

La estructura general de los aminoácidos estándar incluye un grupo amino primario, un grupo carboxilo y un grupo funcional (cadena lateral R) unido al carbono α. Los diferentes aminoácidos se identifican por su grupo funcional o cadena lateral. 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 agrega simetría a esta molécula. Con la excepción de la prolina, todos los aminoácidos encontrados en los seres vivos tienen la conformación L-isoforma. La prolina tiene un grupo funcional en el carbono α que forma un anillo con el grupo amino.[19]

Fuentes de nitrógeno

[editar]

Un paso importante en la biosíntesis de aminoácidos consiste en incorporar un grupo de nitrógeno en el carbono α. En las células, hay dos vías principales para incorporar grupos de nitrógeno. Una vía involucra la enzima glutamina oxoglutarato aminotransferasa (GOGAT), que elimina el grupo amino amida de la glutamina y la transfiere a 2-oxoglutarato, produciendo dos moléculas de glutamato.[21] La otra vía utiliza la enzima glutamato deshidrogenasa (GDH), que puede transferir amoníaco a 2-oxoglutarato para formar glutamato. Además, la enzima glutamina sintetasa (GS) puede transferir amoníaco a glutamato para sintetizar glutamina, reponiendo así el suministro de glutamina.[21]

Proteínas

[editar]

La síntesis de proteínas se produce a través de un proceso llamado traducción.[22] Durante la traducción, los ribosomas leen el material genético llamado ARNm para generar una cadena polipeptídica.[22] Este proceso requiere el ARN de transferencia (ARNt), que sirve como adaptador al unir los aminoácidos en un extremo e interactuar con el ARNm en el otro extremo; el emparejamiento entre el ARNt y el ARNm asegura que se agregue el aminoácido correcto a la cadena.[22] La síntesis de proteínas se produce en tres fases: iniciación, elongación y terminación.[11]

Carga de ARNt

[editar]

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 (aminoacilación), es catalizada por la aminoacil ARNt sintetasa.[23] Una ARNt sintetasa específica es responsable de reconocer y cargar un aminoácido en particular. El primer paso para unir un aminoácido a su ARNt correspondiente es la formación de aminoacil-AMP:[1]

A esto le sigue la transferencia del grupo aminoácilo de aminoacil-AMP a una molécula de ARNt, formando aminoacil-ARNt:[1]

Véase también

[editar]

Referencias

[editar]
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Gatto, Gregory J.; Stryer, Lubert (2019). «Chapter 6: Basic Concepts of Enzyme Action». Biochemistry (9.ª edición). New York: W. H. Freeman. pp. 127-150. ISBN 978-1-319-11467-1.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nelson, David L.; Cox, Michael M. (2017). «Chapter 15: Principles of Metabolic Regulation». Lehninger Principles of Biochemistry (7.ª edición). New York: W. H. Freeman. pp. 567-592. ISBN 978-1-4641-2611-6.
  3. 1 2 3 4 Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Morgan, David; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2015). «Chapter 2: Chemical Components of Cells». Molecular Biology of the Cell (6.ª edición). New York: Garland Science. pp. 62-68. ISBN 978-0-8153-4432-2.
  4. 1 2 3 Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (2016). «Chapter 17: Metabolism: An Overview». Biochemistry (5.ª edición). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. pp. 820-835. ISBN 978-1-118-91840-1.
  5. ↑ Zumdahl, Steven S.; Zumdahl, Susan A. (2014). «Chapter 14: Chemical Kinetics». Chemistry (9.ª edición). Stamford, CT: Cengage Learning. pp. 526-530. ISBN 9781285415383.
  6. 1 2 3 4 5 Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Kaiser, Chris A.; Krieger, Monty; Bretscher, Anthony; Ploegh, Hidde; Amon, Angelika; Scott, Matthew P. (2016). «Chapter 12: Lipids and Membranes». Molecular Cell Biology (8.ª edición). New York: W. H. Freeman. pp. 459-485. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 Vance, Dennis E.; Vance, Jean E. (2008). «Chapter 7: Phospholipid Biosynthesis». Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Membranes (5.ª edición). Amsterdam: Elsevier. pp. 213-244. ISBN 978-0-444-53219-0.
  8. ↑ Gault, Christopher R.; Obeid, Lina M.; Hannun, Yusuf A. (2010). «An Overview of Sphingolipid Metabolism: From Synthesis to Breakdown». Sphingolipids as Signaling and Regulatory Molecules. Advances in Experimental Medicine and Biology 688. Springer. pp. 1-23. ISBN 978-1-4419-6740-4. PMID 20919643. doi:10.1007/978-1-4419-6741-1_1.
  9. 1 2 Siegel, George J. (2006). «Chapter 6: Lipids». Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects (7.ª edición). Philadelphia: Lippincott-Raven. pp. 75-88. ISBN 978-0-397-51820-3.
  10. 1 2 3 Harris, J. Robin (2010). «Introduction to Cholesterol and Its Biosynthesis». Cholesterol Binding and Cholesterol Transport Proteins. Subcellular Biochemistry 51. Springer. pp. 1-27. ISBN 978-90-481-8621-1. PMID 20213538. doi:10.1007/978-90-481-8622-8_1.
  11. 1 2 Watson, James D.; Baker, Tania A.; Bell, Stephen P.; Gann, Alexander; Levine, Michael; Loscik, Richard (2014). «Chapter 4: Nucleic Acids». Molecular Biology of the Gene (7.ª edición). San Francisco: Benjamin Cummings. pp. 84-98. ISBN 978-0-321-90537-6.
  12. ↑ Kappock, T. J.; Ealick, S. E.; Stubbe, J. (October 2000). «Modular evolution of the purine biosynthetic pathway». Current Opinion in Chemical Biology 4 (5): 567-572. PMID 11006546. doi:10.1016/S1367-5931(00)00133-2.
  13. ↑ Sampei, G.; Baba, S.; Kanagawa, M.; Yanai, H.; Ishii, T.; Kawai, H.; Fukai, Y.; Ebihara, A. et al. (October 2010). «Crystal structures of glycinamide ribonucleotide synthetase, PurD, from thermophilic eubacteria». Journal of Biochemistry 148 (4): 429-438. PMID 20716513. doi:10.1093/jb/mvq088.
  14. ↑ Hoskins, A. A.; Anand, R.; Ealick, S. E.; Stubbe, J. (2004). «The formylglycinamide ribonucleotide amidotransferase complex from Bacillus subtilis: metabolite-mediated complex formation». Biochemistry 43 (32): 10314-10327. PMID 15301530. doi:10.1021/bi049127h.
  15. ↑ Mueller, E. J.; Meyer, E.; Rudolph, J.; Davisson, V. J.; Stubbe, J. (1994). «N5-carboxyaminoimidazole ribonucleotide: evidence for a new intermediate and two new enzymatic activities in the de novo purine biosynthetic pathway of Escherichia coli». Biochemistry 33 (8): 2269-2278. PMID 8117684. doi:10.1021/bi00174a038.
  16. 1 2 Srere, P. A. (1987). «Complexes of sequential metabolic enzymes». Annual Review of Biochemistry 56: 89-124. PMID 2441660. doi:10.1146/annurev.bi.56.070187.000513.
  17. ↑ Broach, James R.; Strathern, Jeffrey N.; Jones, Elizabeth W. (1981). «Chapter 13: Nucleotide Metabolism». The Molecular Biology of the Yeast Saccharomyces. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory. pp. 445-470. ISBN 978-0-87969-139-4.
  18. 1 2 O'Donovan, G. A.; Neuhard, J. (1970). «Pyrimidine metabolism in microorganisms». Bacteriological Reviews 34 (3): 278-343. PMC 378357. PMID 4919542. doi:10.1128/br.34.3.278-343.1970.
  19. 1 2 Wu, G. (2009). «Amino acids: metabolism, functions, and nutrition». Amino Acids 37 (1): 1-17. PMID 19301095. S2CID 37063593. doi:10.1007/s00726-009-0269-0.
  20. ↑ Mousdale, D. M.; Coggins, J. R. (1991). «Chapter 2: Overview of Amino Acid Biosynthesis». Amino Acid Biosynthesis. Springer. pp. 29-56. ISBN 978-1-4899-2435-3. PMID 1774033. doi:10.1007/978-1-4899-2433-9_2.
  21. 1 2 Miflin, B. J.; Lea, P. J. (1977). «Amino Acid Metabolism». Annual Review of Plant Physiology 28: 299-329. doi:10.1146/annurev.pp.28.060177.001503.
  22. 1 2 3 Weaver, Robert F. (2012). «Chapter 14: Translation». Molecular Biology (5.ª edición). New York: McGraw-Hill. pp. 367-395. ISBN 978-0-07-352532-7.
  23. ↑ Cooper, Geoffrey M. (2000). «Chapter 7: Translation». The Cell: A Molecular Approach (2.ª edición). Washington, DC: ASM Press. pp. 182-195. ISBN 978-0-87893-106-4.

Bibliografía adicional

[editar]
  • Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2015). Biochemistry (8.ª edición). W. H. Freeman. ISBN 978-1-4641-2610-9. 
  • Nelson, David L.; Cox, Michael M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7.ª edición). W. H. Freeman. ISBN 978-1-4641-2611-6. 
  • Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (2016). Biochemistry (5.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-91840-1. 
Obtenido de «https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Biosíntesis&oldid=173743172»