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.Brian K. Hubbard, Christopher T. Walsh: Der Aufbau von Vancomycin: so macht es die Natur. In: Angewandte Chemie. Bd. 115, Nr. 7, 2003, S. 752–789,
Ao contrário da síntese química, a biossíntese ocorre normalmente dentro dos organismos vivos e é uma parte vital do metabolismo. No entanto, a biotecnologia permite a realização de biossíntese in vitro.
A biossíntese relaciona-se com processos anabólicos.
Na biossíntese, os compostos simples se modificam, se convertem em outros compostos ou se unem para formar macromoléculas. Este processo geralmente consiste em vias metabólicas. Algumas dessas vias biossintéticas estão localizadas dentro de uma única organela celular, enquanto outras envolvem enzimas que estão localizadas dentro de múltiplas organelas celulares. Exemplos dessas vias biossintéticas incluem a produção de componentes de membrana lipídica e nucleotídeos. Assim, a biossíntese geralmente é sinônimo de anabolismo.
Os elementos necessários para a biossíntese incluem: compostos precursores, energia química (por exemplo, ATP), e enzimas catalíticas que podem requerer coenzimas (por exemplo, NADH, NADPH). Estes elementos criam monômeros, os blocos de construção para macromoléculas. Algumas macromoléculas biológicas importantes incluem: proteínas, que são compostas por monômeros de aminoácidos unidos por ligações peptídicas, e moléculas de ADN, que são compostas por nucleótidos unidos por ligações fosfodiéster.
Propriedades das reações químicas
A biossíntese se produz devido a uma série de reações químicas. Para que estas reações tenham lugar, são necessários os seguintes elementos:
Compostos precursores: estes compostos são as moléculas ou substratos de partida em uma reação. Estes também podem ser vistos como os reativos em um dado processo químico. Energia química: a energia química pode ser encontrada na forma de moléculas de alta energia. Essas moléculas são necessárias para reações energeticamente desfavoráveis. Além da hidrólise desses compostos leva a uma reação direta. Moléculas de alta energia, como o ATP, têm três fosfatos. Frequentemente, o fosfato terminal é removido durante a hidrólise e transferido para outra molécula. Enzimas catalíticas: estas moléculas são proteínas especiais que catalisam uma reação ao aumentar a velocidade da reação e diminuir a energia de ativação. Coenzimas ou cofatores: os cofatores são moléculas que ajudam nas reações químicas. Estes podem ser íons metálicos, derivados vitamínicos como NADH e acetil CoA, ou derivados não vitamínicos como ATP. No caso de NADH, a molécula transfere um hidrogênio, enquanto que a acetil CoA transfere um grupo acetilo, e o ATP transfere um fosfato.
No sentido mais simples, as reações que ocorrem na biossíntese tem o seguinte formato:
Reactante ->[][enzima] Produto
Algumas variações desta equação básica que serão discutidas mais tarde com mais detalhes são:
Compostos simples que são convertidos em outros compostos, geralmente como parte de uma via de reação em várias etapas. Dois exemplos desse tipo de reação ocorrem durante a formação de ácidos nucleicos e a carga de ARNt antes da tradução. Para algumas dessas etapas, é necessária energia química: {Mol\acute{e}cula ~precursora} + ATP <=> {producto~AMP} + PP_i Compostos simples que são convertidos em outros compostos com a ajuda de cofatores. Por exemplo, a síntese de fosfolípidos requer acetil CoA, enquanto que a síntese de outro componente da membrana, os esfingolípidos, requer NADH e FADH para a formação do esqueleto da esfingosina. A equação geral para estes exemplos é: {Mol\acute{e}cula ~precursora} + Cofactor ->[][enzima] macromol\acute{e}cula Compostos simples que se unem para criar uma macromolécula. Por exemplo, os ácidos graxos se unem para formar fosfolípidos. Por sua vez, os fosfolípidos e o colesterol interatuam de maneira não covalente para formar a bicapa lipídica. Esta reação pode ser descrita como segue: {Mol\acute{e}cula~1} + Mol\acute{e}cula~2 -> macromol\acute{e}cula
Lipídios
esquerda|thumb|260x260px| Membrana lipídica bicamada
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:
centro|663x663px|Síntese de ácido fosfatídico.
A via começa com o glicerol 3-fosfato, que é convertido em lisofosfatidato por meio da adição de uma cadeia de ácido graxo fornecida pela acil coenzima A. O lisofosfatidato é então convertido em fosfatidato por meio da adição de outra cadeia de ácido graxo fornecida por um segundo acil CoA; Todas essas etapas são catalisadas pela enzima glicerol fosfato aciltransferase. A síntese de fosfolipídios continua no retículo endoplasmático, e a via de biossíntese difere dependendo dos componentes do fosfolipídio particular.
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:
centro|760x760px| Síntese de esfingosina
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:
centro|729x729px| Via de síntese do colesterol
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 síntese de pirofosfato de isopentenilo, o "bloco de construção" do colesterol A formação de esqualeno através da condensação de seis moléculas de fosfato de isopentenilo. A conversão de esqualeno em colesterol através de várias reações enzimáticas.
Nucleotídeos
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
380x380px|thumb| Síntese de IMP .
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.
O primeiro passo na biossíntese de purinas é uma reação de condensação, realizada pela glutamina-PRPP amidotransferase. Esta enzima transfere o grupo amino da glutamina à PRPP, formando 5-fosforribosilamina. A próxima etapa requer a ativação da glicina mediante a adição de um grupo fosfato de ATP. GAR sintetase realiza a condensação de glicina ativada en PRPP, formando ribonucleotídeo de glicinamida (GAR). GAR transformilase agrega um grupo formilo ao grupo amino de GAR, formando ribonucleotídeo formilglicinamida (FGAR). A amidotransferase FGAR catalisa a adição de um grupo de nitrogênio a FGAR, formando ribonucleotídeo formilglicinamidina (FGAM). A FGAM ciclase catalisa o fechamento do anel, o que implica na eliminação de uma molécula de água, formando o anel de imidazol de 5 membros 5-aminoimidazol ribotida (AIR). A N5-CAIR sintetase transfere um grupo carboxilo, formando o intermediário N5-carboxiaminoimidazol ribonucleótido (N5-CAIR). A N5-CAIR mutase reorganiza o grupo funcional carboxilo e o transfere o anel de imidazol, formando ribonucleotídeo carboxiaminoimidazol (CAIR). O mecanismo de dois passos da formação de CAIR a partir do AIRE se encontra principalmente em organismos unicelulares. Os eucariotas superiores possuem a enzima AIR carboxilase, que transfere um grupo carboxilo diretamente ao anel de imidazol de AIR, formando CAIR. A SAICAR sintetase forma uma ligação peptídica entre o aspartato e o grupo carboxilo agregado do anel imidazol, formando N-succinil-5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleotídeo (SAICAR). SAICAR liase elimina o esqueleto de carbono do aspartato agregado, deixando o grupo amino e formando ribonucleótido 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR). AICAR transformilase transfere um grupo carbonilo a AICAR, formando N-formilaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleotídeo (FAICAR). O último passo consiste na enzima IMP sintase, que realiza o fechamento do anel de purina e forma o intermediário monofosfato de inosina.
Nucleotídeos de pirimidina
direita|thumb|526x526px| Biosíntese de monofosfato de uridina (UMP)