Biosyntese -Biosynthesis

Biosyntese er en flertrins, enzymkatalyseret proces , hvor substrater omdannes til mere komplekse produkter i levende organismer. I biosyntese modificeres simple forbindelser , omdannes til andre forbindelser eller forbindes for at danne makromolekyler . Denne proces består ofte af metaboliske veje . Nogle af disse biosyntetiske veje er placeret i en enkelt cellulær organel , mens andre involverer enzymer, der er placeret i flere cellulære organeller. Eksempler på disse biosyntetiske veje omfatter produktionen af ​​lipidmembrankomponenter og nukleotider. Biosyntese er normalt synonymt med anabolisme .

Forudsætningselementerne for biosyntese omfatter: precursorforbindelser , kemisk energi (f.eks . ATP ) og katalytiske enzymer, som kan kræve coenzymer (f.eks . NADH , NADPH ). Disse elementer skaber monomerer , byggestenene til makromolekyler. Nogle vigtige biologiske makromolekyler omfatter: proteiner , som er sammensat af aminosyremonomerer forbundet via peptidbindinger , og DNA- molekyler, som er sammensat af nukleotider forbundet via phosphodiesterbindinger .

Egenskaber ved kemiske reaktioner

Biosyntese opstår på grund af en række kemiske reaktioner. For at disse reaktioner kan finde sted, er følgende elementer nødvendige:

I den enkleste forstand har reaktionerne, der forekommer i biosyntese, følgende format:

Nogle variationer af denne grundlæggende ligning, som vil blive diskuteret mere detaljeret senere er:

  1. Simple forbindelser, der omdannes til andre forbindelser, normalt som en del af en flertrins reaktionsvej. To eksempler på denne type reaktion forekommer under dannelsen af ​​nukleinsyrer og opladningen af ​​tRNA før translation . For nogle af disse trin kræves kemisk energi:
  2. Simple forbindelser, der omdannes til andre forbindelser ved hjælp af cofaktorer. For eksempel kræver syntesen af ​​phospholipider acetyl CoA, mens syntesen af ​​en anden membrankomponent, sphingolipider , kræver NADH og FADH til dannelsen af ​​sphingosin -rygraden. Den generelle ligning for disse eksempler er:
  3. Simple forbindelser, der går sammen for at skabe et makromolekyle. Fedtsyrer slutter sig for eksempel til phospholipider. Til gengæld interagerer fosfolipider og kolesterol ikke- kovalent for at danne lipid-dobbeltlaget . Denne reaktion kan afbildes som følger:

Lipid

Lipidmembran dobbeltlag

Mange indviklede makromolekyler syntetiseres i et mønster af simple, gentagne strukturer. For eksempel er de enkleste strukturer af lipider fedtsyrer . Fedtsyrer er kulbrintederivater ; de indeholder en carboxylgruppe "hoved" og en carbonhydridkæde "hale". Disse fedtsyrer skaber større komponenter, som igen inkorporerer ikke-kovalente interaktioner for at danne lipid-dobbeltlaget. Fedtsyrekæder findes i to hovedkomponenter af membranlipider: fosfolipider og sphingolipider . En tredje hovedmembrankomponent, kolesterol , indeholder ikke disse fedtsyreenheder.

Fosfolipider

Grundlaget for alle biomembraner består af en dobbeltlagsstruktur af fosfolipider. Fosfolipidmolekylet er amfipatisk ; den indeholder et hydrofilt polært hoved og en hydrofob ikke- polær hale. Fosfolipidhovederne interagerer med hinanden og vandige medier, mens kulbrintehalerne orienterer sig i midten, væk fra vand. Disse sidstnævnte interaktioner driver dobbeltlagsstrukturen, der fungerer som en barriere for ioner og molekyler.

Der findes forskellige typer fosfolipider; følgelig er deres synteseveje forskellige. Imidlertid involverer det første trin i phospholipidsyntese dannelsen af ​​phosphatidat eller diacylglycerol-3-phosphat ved det endoplasmatiske retikulum og den ydre mitokondrielle membran . Syntesevejen findes nedenfor:

Fosfatidinsyresyntese

Vejen starter med glycerol 3-phosphat, som bliver omdannet til lysophosphatidat via tilsætning af en fedtsyrekæde, der leveres af acylcoenzym A. Derefter omdannes lysophosphatidat til phosphatidat via tilsætning af en anden fedtsyrekæde bidraget med en anden acyl CoA; alle disse trin katalyseres af glycerolphosphat- acyltransferase -enzymet. Fosfolipidsyntese fortsætter i det endoplasmatiske retikulum, og biosyntesevejen divergerer afhængigt af komponenterne i det særlige fosfolipid.

Sphingolipider

Ligesom fosfolipider har disse fedtsyrederivater et polært hoved og upolære haler. I modsætning til fosfolipider har sphingolipider en sphingosin -rygrad. Sphingolipider findes i eukaryote celler og er særligt mange i centralnervesystemet . For eksempel er sphingomyelin en del af myelinskeden af ​​nervefibre.

Sphingolipider er dannet af ceramider , der består af en fedtsyrekæde, der er knyttet til aminogruppen i en sphingosin-rygrad. Disse ceramider syntetiseres fra acylering af sphingosin. Den biosyntetiske vej for sphingosin findes nedenfor:

Sphingosin syntese

Som billedet angiver, gennemgår palmitoyl CoA og serin under sphingosinsyntesen en kondensationsreaktion, som resulterer i dannelsen af ​​dehydrosphingosin. Dette produkt reduceres derefter til dihydrospingosin, som omdannes til sphingosin via oxidationsreaktionen ved FAD .

Kolesterol

Dette lipid tilhører en klasse af molekyler kaldet steroler . Steroler har fire fusionerede ringe og en hydroxylgruppe . Kolesterol er et særligt vigtigt molekyle. Ikke kun tjener det som en komponent i lipidmembraner, det er også en forløber for adskillige steroidhormoner , herunder kortisol , testosteron og østrogen .

Kolesterol syntetiseres ud fra acetyl CoA . Vejen er vist nedenfor:

Kolesterolsyntesevej

Mere generelt sker denne syntese i tre trin, hvor det første trin finder sted i cytoplasmaet , og det andet og tredje trin forekommer i det endoplasmatiske retikulum. Etaperne er som følger:

1. Syntesen af ​​isopentenylpyrophosphat , "byggestenen" af kolesterol
2. Dannelsen af ​​squalen via kondensation af seks molekyler isopentenylphosphat
3. Omdannelsen af ​​squalen til kolesterol via flere enzymatiske reaktioner

Nukleotider

Biosyntesen af ​​nukleotider involverer enzymkatalyserede reaktioner, der omdanner substrater til mere komplekse produkter. Nukleotider er byggestenene i DNA og RNA . Nukleotider er sammensat af en femleddet ring dannet af ribosesukker i RNA og deoxyribosesukker i DNA; disse sukkerarter er bundet til en purin- eller pyrimidinbase med en glykosidbinding og en fosfatgruppe ved 5'-stedet af sukkeret.

Purin nukleotider

Syntesen af ​​IMP .

DNA-nukleotiderne adenosin og guanosin består af en purinbase knyttet til et ribosesukker med en glykosidbinding. I tilfælde af RNA-nukleotider deoxyadenosin og deoxyguanosin er purinbaserne knyttet til et deoxyribosesukker med en glykosidbinding. Purinbaserne på DNA- og RNA-nukleotider syntetiseres i en 12-trins reaktionsmekanisme, der findes i de fleste encellede organismer. Højere eukaryoter anvender en lignende reaktionsmekanisme i ti reaktionstrin. Purinbaser syntetiseres ved at omdanne phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) til inosinmonophosphat (IMP), som er det første nøglemellemprodukt i purinbasebiosyntesen. Yderligere enzymatisk modifikation af IMP producerer nukleotidernes adenosin- og guanosinbaser.

  1. Det første trin i purinbiosyntese er en kondensationsreaktion , udført af glutamin-PRPP amidotransferase . Dette enzym overfører aminogruppen fra glutamin til PRPP og danner 5-phosphoribosylamin . Det følgende trin kræver aktivering af glycin ved tilsætning af en fosfatgruppe fra ATP .
  2. GAR-syntetase udfører kondenseringen af ​​aktiveret glycin til PRPP, og danner glycinamidribonukleotid (GAR).
  3. GAR-transformylase tilføjer en formylgruppe til aminogruppen i GAR og danner formylglycinamid-ribonukleotid (FGAR).
  4. FGAR amidotransferase katalyserer tilføjelsen af ​​en nitrogengruppe til FGAR, og danner formylglycinamidin ribonukleotid (FGAM).
  5. FGAM cyclase katalyserer ringlukning , hvilket involverer fjernelse af et vandmolekyle, der danner den 5-leddede imidazolring 5-aminoimidazolribonukleotid (AIR).
  6. N5-CAIR-syntetase overfører en carboxylgruppe , der danner mellemproduktet N5-carboxyaminoimidazol-ribonukleotid (N5-CAIR).
  7. N5-CAIR mutase omarrangerer den funktionelle carboxylgruppe og overfører den til imidazolringen og danner carboxyamino-imidazolribonukleotid (CAIR). Totrinsmekanismen for CAIR-dannelse fra AIR findes for det meste i enkeltcellede organismer. Højere eukaryoter indeholder enzymet AIR-carboxylase, som overfører en carboxylgruppe direkte til AIR-imidazolringen og danner CAIR.
  8. SAICAR-syntetase danner en peptidbinding mellem aspartat og den tilføjede carboxylgruppe i imidazolringen og danner N-succinyl-5-aminoimidazol-4-carboxamidribonukleotid (SAICAR).
  9. SAICAR-lyase fjerner kulstofskelettet af det tilsatte aspartat, efterlader aminogruppen og danner 5-aminoimidazol-4-carboxamid-ribonukleotid (AICAR).
  10. AICAR-transformylase overfører en carbonylgruppe til AICAR og danner N-formylaminoimidazol-4-carboxamid-ribonukleotid (FAICAR).
  11. Det sidste trin involverer enzymet IMP-syntase , som udfører purinringlukningen og danner inosinmonophosphat-mellemproduktet.

Pyrimidinnukleotider

Uridinmonofosfat (UMP) biosyntese

Andre DNA- og RNA-nukleotidbaser, der er knyttet til ribosesukkeret via en glykosidbinding, er thymin , cytosin og uracil (som kun findes i RNA). Uridinmonofosfatbiosyntese involverer et enzym, der er lokaliseret i mitokondriernes indre membran og multifunktionelle enzymer, der er placeret i cytosolen .

  1. Det første trin involverer enzymet carbamoylphosphatsyntase, der kombinerer glutamin med CO 2 i en ATP-afhængig reaktion for at danne carbamoylphosphat .
  2. Aspartatcarbamoyltransferase kondenserer carbamoylphosphat med aspartat til dannelse af uridosuccinat.
  3. Dihydroorotase udfører ringlukning , en reaktion, der taber vand, for at danne dihydroorotat .
  4. Dihydroorotat dehydrogenase , placeret inden i mitokondrernes indre membran, oxiderer dihydroorotat til orotat .
  5. Orotat-phosphoribosylhydrolase (OMP-pyrophosphorylase) kondenserer orotat med PRPP til dannelse af orotidin-5'-phosphat .
  6. OMP-decarboxylase katalyserer omdannelsen af ​​orotidin-5'-phosphat til UMP .

Efter at uridinnukleotidbasen er syntetiseret, syntetiseres de andre baser, cytosin og thymin. Cytosinbiosyntese er en to-trins reaktion, som involverer omdannelsen af ​​UMP til UTP . Fosfattilsætning til UMP katalyseres af et kinaseenzym . Enzymet CTP-syntase katalyserer det næste reaktionstrin: omdannelsen af ​​UTP til CTP ved at overføre en aminogruppe fra glutamin til uridin; dette danner cytosinbasen af ​​CTP. Mekanismen, som afbilder reaktionen UTP + ATP + glutamin ⇔ CTP + ADP + glutamat, er nedenfor:

'Thymidylatsyntasereaktion: dUMP + 5,10-methylentetrahydrofolat ⇔ dTMP + dihydrofolat
Ctp-syntasemekanisme: UTP + ATP + glutamin ⇔ CTP + ADP + glutamat

Cytosin er et nukleotid, der er til stede i både DNA og RNA. Uracil findes dog kun i RNA. Derfor, efter at UTP er syntetiseret, skal det omdannes til en deoxyform for at blive inkorporeret i DNA. Denne omdannelse involverer enzymet ribonukleosidtriphosphatreduktase . Denne reaktion, der fjerner 2'-OH fra ribosesukkeret for at generere deoxyribose, påvirkes ikke af baserne knyttet til sukkeret. Denne ikke-specificitet gør det muligt for ribonukleosidtriphosphatreduktase at omdanne alle nukleotidtriphosphater til deoxyribonukleotid ved en lignende mekanisme.

I modsætning til uracil findes thyminbaser for det meste i DNA, ikke RNA. Celler indeholder normalt ikke thyminbaser, der er knyttet til ribosesukkere i RNA, hvilket indikerer, at celler kun syntetiserer deoxyribose-bundet thymin. Enzymet thymidylatsyntetase er ansvarlig for syntetisering af thyminrester fra dUMP til dTMP . Denne reaktion overfører en methylgruppe til uracilbasen af ​​dUMP for at generere dTMP. Thymidylatsyntasereaktionen, dUMP + 5,10-methylentetrahydrofolat ⇔ dTMP + dihydrofolat, er vist til højre.

DNA

Da DNA-polymerase bevæger sig i en 3'- til 5'-retning langs skabelonstrengen, syntetiserer den en ny streng i 5'- til 3'-retningen

Selvom der er forskelle mellem eukaryotisk og prokaryot DNA-syntese, angiver det følgende afsnit nøglekarakteristika ved DNA-replikation, der deles af begge organismer.

DNA er sammensat af nukleotider , der er forbundet med fosfodiesterbindinger . DNA-syntese , som finder sted i kernen , er en semikonservativ proces, hvilket betyder, at det resulterende DNA-molekyle indeholder en original streng fra moderstrukturen og en ny streng. DNA-syntese katalyseres af en familie af DNA-polymeraser , der kræver fire deoxynukleosidtrifosfater, en skabelonstreng og en primer med en fri 3'OH, hvori nukleotider kan inkorporeres.

For at DNA-replikation kan forekomme, er en replikationsgaffel skabt af enzymer kaldet helikaser , som afvikler DNA-spiralen. Topoisomeraser ved replikationsgaflen fjerner supercoils forårsaget af DNA-afvikling, og enkeltstrengede DNA-bindende proteiner bibeholder de to enkeltstrengede DNA-skabeloner stabiliseret før replikation.

DNA-syntese initieres af RNA-polymerase primase , som danner en RNA-primer med en fri 3'OH. Denne primer er knyttet til den enkeltstrengede DNA-template, og DNA-polymerase forlænger kæden ved at inkorporere nukleotider; DNA-polymerase korrekturlæser også den nyligt syntetiserede DNA-streng.

Under polymerisationsreaktionen katalyseret af DNA-polymerase sker der et nukleofilt angreb af 3'OH i den voksende kæde på det inderste phosphoratom i et deoxynukleosidtrifosfat; dette giver dannelsen af ​​en fosfodiesterbro, der binder et nyt nukleotid og frigiver pyrophosphat .

To typer strenge skabes samtidigt under replikation: den ledende streng , som syntetiseres kontinuerligt og vokser mod replikationsgaflen, og den lagging streng , som er lavet diskontinuerligt i Okazaki-fragmenter og vokser væk fra replikationsgaflen. Okazaki-fragmenter er kovalent forbundet af DNA-ligase for at danne en kontinuerlig streng. Derefter, for at fuldføre DNA-replikation, fjernes RNA-primere, og de resulterende huller erstattes med DNA og forbindes via DNA-ligase.

Aminosyrer

Et protein er en polymer, der er sammensat af aminosyrer, der er forbundet med peptidbindinger . Der findes mere end 300 aminosyrer i naturen, hvoraf kun tyve, kendt som standard aminosyrer , er byggestenene til protein. Kun grønne planter og de fleste mikrober er i stand til at syntetisere alle de 20 standard aminosyrer, der er nødvendige for alle levende arter. Pattedyr kan kun syntetisere ti af de tyve standardaminosyrer. De andre aminosyrer, valin , methionin , leucin , isoleucin , phenylalanin , lysin , threonin og tryptophan til voksne og histidin og arginin til babyer opnås gennem kosten.

Aminosyre grundstruktur

L-aminosyre

Den generelle struktur af standardaminosyrerne omfatter en primær aminogruppe , en carboxylgruppe og den funktionelle gruppe knyttet til α-carbonet . De forskellige aminosyrer identificeres ved den funktionelle gruppe. Som et resultat af de tre forskellige grupper knyttet til α-carbonet, er aminosyrer asymmetriske molekyler . For alle standard aminosyrer, undtagen glycin , er α-carbonet et chiralt center . I tilfælde af glycin har α-carbonet to hydrogenatomer, hvilket tilføjer symmetri til dette molekyle. Med undtagelse af prolin har alle de aminosyrer, der findes i livet, L-isoform- konformationen. Prolin har en funktionel gruppe på α-carbonet, der danner en ring med aminogruppen.

Glutaminoxoglutarataminotransferase og glutaminsyntetase

Nitrogenkilde

Et vigtigt trin i aminosyrebiosyntesen involverer inkorporering af en nitrogengruppe på a-carbonet. I celler er der to hovedveje til inkorporering af nitrogengrupper. En vej involverer enzymet glutaminoxoglutarataminotransferase (GOGAT), som fjerner amidaminogruppen af ​​glutamin og overfører den til 2-oxoglutarat , hvilket producerer to glutamatmolekyler . I denne katalysereaktion tjener glutamin som nitrogenkilden. Et billede, der illustrerer denne reaktion, findes til højre.

Den anden vej til inkorporering af nitrogen på aminosyrernes a-carbon involverer enzymet glutamatdehydrogenase (GDH). GDH er i stand til at overføre ammoniak til 2-oxoglutarat og danne glutamat. Ydermere er enzymet glutaminsyntetase (GS) i stand til at overføre ammoniak til glutamat og syntetisere glutamin, hvilket genopbygger glutamin.

Glutamatfamilien af ​​aminosyrer

Glutamatfamilien af ​​aminosyrer omfatter de aminosyrer, der stammer fra aminosyren glutamat . Denne familie inkluderer: glutamat, glutamin , prolin og arginin . Denne familie omfatter også aminosyren lysin , som er afledt af α-ketoglutarat .

Biosyntesen af ​​glutamat og glutamin er et nøgletrin i nitrogenassimileringen diskuteret ovenfor. Enzymerne GOGAT og GDH katalyserer nitrogenassimileringsreaktionerne .

Hos bakterier initierer enzymet glutamat 5-kinase biosyntesen af ​​prolin ved at overføre en fosfatgruppe fra ATP til glutamat. Den næste reaktion katalyseres af enzymet pyrrolin-5-carboxylatsyntase (P5CS), som katalyserer reduktionen af ​​ϒ-carboxylgruppen i L-glutamat 5-phosphat. Dette resulterer i dannelsen af ​​glutamat semialdehyd, som spontant cykliserer til pyrrolin-5-carboxylat. Pyrrolin-5-carboxylat reduceres yderligere af enzymet pyrrolin-5-carboxylatreduktase (P5CR) for at give en prolinaminosyre.

I det første trin af argininbiosyntese i bakterier acetyleres glutamat ved at overføre acetylgruppen fra acetyl-CoA i N-a-positionen; dette forhindrer spontan cyklisering. Enzymet N-acetylglutamatsyntase (glutamat N-acetyltransferase) er ansvarlig for at katalysere acetyleringstrinnet. Efterfølgende trin katalyseres af enzymerne N-acetylglutamatkinase , N-acetyl-gamma-glutamyl-phosphatreduktase og acetylornithin/succinyldiaminopimelataminotransferase og giver N-acetyl-L-ornithinen. Acetylgruppen i acetylornithin fjernes af enzymet acetylornithinase (AO) eller ornithinacetyltransferase (OAT), og dette giver ornithin . Derefter omdanner enzymerne citrullin og argininosuccinat ornithin til arginin.

Diaminopimelinsyrevejen

Der er to forskellige lysinbiosynteseveje: diaminopimelinsyrevejen og α-aminoadipatvejen . Den mest almindelige af de to syntetiske veje er diaminopimelinsyre-vejen; det består af flere enzymatiske reaktioner, der tilføjer kulstofgrupper til aspartat for at give lysin:

  1. Aspartatkinase initierer diaminopimelinsyrevejen ved at fosforylere aspartat og producere aspartylfosfat.
  2. Aspartat semialdehyddehydrogenase katalyserer den NADPH - afhængige reduktion af aspartylfosfat for at give aspartat semialdehyd.
  3. 4-hydroxy-tetrahydrodipicolinatsyntase tilføjer en pyruvatgruppe til β-aspartyl-4-semialdehydet, og et vandmolekyle fjernes. Dette forårsager ringslutning og giver anledning til (2S,4S)-4-hydroxy-2,3,4,5-tetrahydrodipicolinat.
  4. 4-hydroxy-tetrahydrodipicolinatreduktase katalyserer reduktionen af ​​(2S,4S)-4-hydroxy-2,3,4,5-tetrahydrodipicolinat med NADPH for at give Δ'-piperidein-2,6-dicarboxylat (2,3,4, 5-tetrahydrodipicolinat) og H2O .
  5. Tetrahydrodipicolinate acyltransferase katalyserer acetyleringsreaktionen, der resulterer i ringåbning og giver N-acetyl α-amino-ε-ketopimelat.
  6. N-succinyl-α-amino-ε-ketopimelat-glutamat-aminotransaminase katalyserer transamineringsreaktionen, der fjerner ketogruppen af ​​N-acetyl-α-amino-ε-ketopimelat og erstatter den med en aminogruppe for at give N-succinyl-L-diaminopimelat .
  7. N-acyldiaminopimelatdeacylase katalyserer deacyleringen af ​​N-succinyl-L-diaminopimelat for at give L,L-diaminopimelat.
  8. DAP-epimerase katalyserer omdannelsen af ​​L,L-diaminopimelat til mesoformen af ​​L,L-diaminopimelat.
  9. DAP-decarboxylase katalyserer fjernelsen af ​​carboxylgruppen, hvilket giver L-lysin.

Serinfamilien af ​​aminosyrer

Serinfamilien af ​​aminosyrer inkluderer: serin , cystein og glycin . De fleste mikroorganismer og planter opnår svovl til syntetisering af methionin fra aminosyren cystein. Endvidere tilvejebringer omdannelsen af ​​serin til glycin de kulstoffer, der er nødvendige for biosyntesen af ​​methionin og histidin .

Under serinbiosyntese katalyserer enzymet phosphoglycerat dehydrogenase den indledende reaktion, der oxiderer 3-phospho-D-glycerat til at give 3-phosphonooxypyruvat . Den følgende reaktion katalyseres af enzymet phosphoserinaminotransferase , som overfører en aminogruppe fra glutamat til 3-phosphonooxypyruvat for at give L-phosphoserin . Det sidste trin katalyseres af enzymet phosphoserin phosphatase , som dephosphorylerer L-phosphoserin til at give L-serin .

Der er to kendte veje til biosyntese af glycin. Organismer, der bruger ethanol og acetat som den vigtigste kulstofkilde, bruger den glyconeogene vej til at syntetisere glycin . Den anden vej til glycinbiosyntese er kendt som den glykolytiske vej. Denne vej konverterer serin syntetiseret fra mellemprodukterne af glycolysen til glycin. I den glykolytiske vej katalyserer enzymet serinhydroxymethyltransferase spaltningen af ​​serin for at give glycin og overfører den spaltede carbongruppe i serin til tetrahydrofolat , hvorved der dannes 5,10-methylentetrahydrofolat .

Cysteinbiosyntese er en to-trins reaktion, der involverer inkorporering af uorganisk svovl . I mikroorganismer og planter katalyserer enzymet serinacetyltransferase overførslen af ​​acetylgruppe fra acetyl-CoA til L-serin for at give O-acetyl-L-serin . Det følgende reaktionstrin, katalyseret af enzymet O-acetyl serin (thiol) lyase , erstatter acetylgruppen i O-acetyl-L-serin med sulfid for at give cystein.

Aspartatfamilien af ​​aminosyrer

Aspartatfamilien af ​​aminosyrer inkluderer: threonin , lysin , methionin , isoleucin og aspartat. Lysin og isoleucin betragtes som en del af aspartatfamilien, selvom en del af deres kulstofskelet stammer fra pyruvat . I tilfælde af methionin er methylcarbonet afledt af serin og svovlgruppen, men i de fleste organismer er det afledt af cystein.

Biosyntesen af ​​aspartat er en ettrinsreaktion, der katalyseres af et enkelt enzym. Enzymet aspartataminotransferase katalyserer overførslen af ​​en aminogruppe fra aspartat til α-ketoglutarat for at give glutamat og oxaloacetat . Asparagin syntetiseres ved en ATP-afhængig tilføjelse af en aminogruppe til aspartat; asparaginsyntetase katalyserer tilsætningen af ​​nitrogen fra glutamin eller opløselig ammoniak til aspartat for at give asparagin.

Den diaminopimelinsyre lysin biosyntesevej

Lysins biosyntesevej for diaminopimelinsyre tilhører aspartatfamilien af ​​aminosyrer. Denne vej involverer ni enzymkatalyserede reaktioner, der omdanner aspartat til lysin.

  1. Aspartatkinase katalyserer det indledende trin i diaminopimelinsyrevejen ved at overføre en phosphoryl fra ATP til carboxylatgruppen af ​​aspartat, hvilket giver aspartyl-β-phosphat.
  2. Aspartat-semialdehyd-dehydrogenase katalyserer reduktionsreaktionen ved dephosphorylering af aspartyl-β-phosphat for at give aspartat-β-semialdehyd.
  3. Dihydrodipicolinatsyntase katalyserer kondensationsreaktionen af ​​aspartat-β-semialdehyd med pyruvat for at give dihydrodipicolinsyre.
  4. 4-hydroxy-tetrahydrodipicolinatreduktase katalyserer reduktionen af ​​dihydrodipicolinsyre for at give tetrahydrodipicolinsyre.
  5. Tetrahydrodipicolinat N-succinyltransferase katalyserer overførslen af ​​en succinylgruppe fra succinyl-CoA til tetrahydrodipicolinsyre for at give N-succinyl-L-2,6-diaminoheptandioat.
  6. N-succinyldiaminopimelat-aminotransferase katalyserer overførslen af ​​en aminogruppe fra glutamat til N-succinyl-L-2,6-diaminoheptandioat for at give N-succinyl-L,L-diaminopimelinsyre.
  7. Succinyl-diaminopimelat desuccinylase katalyserer fjernelsen af ​​acylgruppen fra N-succinyl-L,L-diaminopimelinsyre for at give L,L-diaminopimelinsyre.
  8. Diaminopimelat-epimerase katalyserer inversionen af ​​α-carbonet i L,L-diaminopimelinsyre for at give meso-diaminopimelinsyre .
  9. Siaminopimelat decarboxylase katalyserer det sidste trin i lysinbiosyntese, der fjerner carbondioxidgruppen fra meso-diaminopimelinsyre for at give L-lysin.

Proteiner

tRNA-antikodonet interagerer med mRNA-kodonet for at binde en aminosyre til voksende polypeptidkæde.
Processen med tRNA-opladning

Proteinsyntese sker via en proces kaldet translation . Under translation læses genetisk materiale kaldet mRNA af ribosomer for at generere en proteinpolypeptidkæde . Denne proces kræver overførsels-RNA (tRNA), som tjener som en adapter ved at binde aminosyrer i den ene ende og interagere med mRNA i den anden ende; sidstnævnte parring mellem tRNA og mRNA sikrer, at den korrekte aminosyre tilføjes til kæden. Proteinsyntese sker i tre faser: initiering, forlængelse og terminering. Prokaryot ( arkæal og bakteriel ) translation adskiller sig fra eukaryot translation ; dog vil dette afsnit for det meste fokusere på fællestræk mellem de to organismer.

Yderligere baggrund

Før translation kan begynde, skal processen med at binde en specifik aminosyre til dens tilsvarende tRNA finde sted. Denne reaktion, kaldet tRNA-opladning, katalyseres af aminoacyl-tRNA-syntetase . En specifik tRNA-syntetase er ansvarlig for at genkende og oplade en bestemt aminosyre. Ydermere har dette enzym specielle diskriminatorområder for at sikre den korrekte binding mellem tRNA og dets beslægtede aminosyre. Det første trin for at forbinde en aminosyre til dens tilsvarende tRNA er dannelsen af ​​aminoacyl-AMP:

Dette efterfølges af overførslen af ​​aminoacylgruppen fra aminoacyl-AMP til et tRNA-molekyle. Det resulterende molekyle er aminoacyl-tRNA :

Kombinationen af ​​disse to trin, som begge katalyseres af aminoacyl-tRNA-syntetase, producerer et ladet tRNA, der er klar til at tilføje aminosyrer til den voksende polypeptidkæde.

Ud over at binde en aminosyre har tRNA en tre nukleotiderenhed kaldet en anticodon , som baseparres med specifikke nukleotidtripletter på det mRNA kaldet codons ; kodoner koder for en specifik aminosyre. Denne interaktion er mulig takket være ribosomet, der fungerer som stedet for proteinsyntese. Ribosomet har tre tRNA-bindingssteder: aminoacylstedet (A-stedet), peptidylstedet (P-stedet) og udgangsstedet (E-stedet).

Der er talrige kodoner i et mRNA-transkript, og det er meget almindeligt, at en aminosyre er specificeret af mere end én kodon; dette fænomen kaldes degeneration . I alt er der 64 kodoner, 61 af hver koder for en af ​​de 20 aminosyrer, mens de resterende kodoner angiver kædeterminering.

Oversættelse i trin

Som tidligere nævnt sker translation i tre faser: initiering, forlængelse og afslutning.

Oversættelse

Trin 1: Indledning

Afslutningen af ​​initieringsfasen er afhængig af følgende tre begivenheder:

1. Rekrutteringen af ​​ribosomet til mRNA

2. Bindingen af ​​et ladet initiator-tRNA til P-stedet i ribosomet

3. Den korrekte justering af ribosomet med mRNA's startkodon

Trin 2: Forlængelse

Efter initiering forlænges polypeptidkæden via anticodon:codon-interaktioner, hvor ribosomet tilføjer aminosyrer til polypeptidkæden én ad gangen. Følgende trin skal udføres for at sikre den korrekte tilsætning af aminosyrer:

1. Bindingen af ​​det korrekte tRNA til A-stedet i ribosomet

2. Dannelsen af ​​en peptidbinding mellem tRNA'et i A-stedet og polypeptidkæden knyttet til tRNA'et i P-stedet

3. Translokation eller fremrykning af tRNA-mRNA-komplekset med tre nukleotider

Translokation "starter" tRNA'et ved E-stedet og flytter tRNA'et fra A-stedet til P-stedet, hvilket efterlader A-stedet frit for et indkommende tRNA for at tilføje en anden aminosyre.

Trin 3: Opsigelse

Det sidste trin af translation opstår, når et stopkodon kommer ind i A-stedet. Derefter sker følgende trin:

1. Genkendelsen af ​​kodoner ved frigivelsesfaktorer , som forårsager hydrolysen af ​​polypeptidkæden fra tRNA'et placeret i P-stedet

2. Frigivelsen af ​​polypeptidkæden

3. Dissociationen og "genanvendelsen" af ribosomet til fremtidige translationsprocesser

En oversigtstabel over nøgleaktørerne i oversættelse findes nedenfor:

Nøglespillere i oversættelse Oversættelsesstadiet Formål
tRNA syntetase før igangsættelse Ansvarlig for tRNA opladning
mRNA initiering, forlængelse, afslutning Skabelon til proteinsyntese; indeholder regioner navngivne kodoner, som koder for aminosyrer
tRNA initiering, forlængelse, afslutning Binder ribosomer steder A, P, E; anticodon basepar med mRNA codon for at sikre, at den korrekte aminosyre er inkorporeret i den voksende polypeptidkæde
ribosom initiering, forlængelse, afslutning Styrer proteinsyntesen og katalyserer dannelsen af ​​peptidbindingen

Sygdomme forbundet med makromolekyle mangel

Familiær hyperkolesterolæmi forårsager kolesterolaflejringer

Fejl i biosynteseveje kan have skadelige konsekvenser, herunder misdannelse af makromolekyler eller underproduktion af funktionelle molekyler. Nedenfor er eksempler, der illustrerer de forstyrrelser, der opstår på grund af disse ineffektiviteter.

  • Familiær hyperkolesterolæmi : denne lidelse er karakteriseret ved fravær af funktionelle receptorer for LDL . Mangler i dannelsen af ​​LDL-receptorer kan forårsage defekte receptorer, som forstyrrer den endocytiske vej, hvilket hæmmer indtrængen af ​​LDL i leveren og andre celler. Dette forårsager en ophobning af LDL i blodplasmaet, hvilket resulterer i aterosklerotiske plaques , der indsnævrer arterierne og øger risikoen for hjerteanfald.
  • Lesch-Nyhan syndrom : denne genetiske sygdom er karakteriseret ved selvlemlæstelse , mental mangel og gigt . Det er forårsaget af fraværet af hypoxanthin-guanin-phosphoribosyltransferase , som er et nødvendigt enzym til purin-nukleotiddannelse. Manglen på enzym reducerer niveauet af nødvendige nukleotider og forårsager akkumulering af biosyntesemellemprodukter , hvilket resulterer i den førnævnte usædvanlige adfærd.
  • Svær kombineret immundefekt (SCID) : SCID er karakteriseret ved tab af T-celler . Mangel på disse immunsystemkomponenter øger modtageligheden over for smitsomme stoffer, fordi de berørte individer ikke kan udvikle immunologisk hukommelse . Denne immunologiske lidelse skyldes en mangel i adenosindeanimase- aktivitet, som forårsager en opbygning af dATP . Disse dATP-molekyler hæmmer derefter ribonukleotidreduktase, som forhindrer DNA-syntese.
  • Huntingtons sygdom : denne neurologiske sygdom er forårsaget af fejl, der opstår under DNA-syntese. Disse fejl eller mutationer fører til ekspression af et mutant huntingtin -protein, som indeholder gentagne glutaminrester , der kodes af ekspanderende CAG-trinukleotid-gentagelser i genet. Huntingtons sygdom er karakteriseret ved neuronalt tab og gliose . Symptomer på sygdommen omfatter: bevægelsesforstyrrelse, kognitiv tilbagegang og adfærdsforstyrrelse.

Se også

Referencer