La síntesis de aminoácidos es el conjunto de procesos bioquímicos ( vías metabólicas ) mediante los cuales se producen los aminoácidos . Los sustratos para estos procesos son diversos compuestos de la dieta o los medios de crecimiento del organismo . No todos los organismos son capaces de sintetizar todos los aminoácidos. Por ejemplo, los humanos pueden sintetizar 11 de los 20 aminoácidos estándar. Estos 11 se llaman aminoácidos no esenciales ). [1]
La mayoría de los aminoácidos se sintetizan a partir de α- cetoácidos y luego se transaminan a partir de otro aminoácido, generalmente glutamato . La enzima implicada en esta reacción es una aminotransferasa .
El glutamato en sí se forma por aminación del α-cetoglutarato :
La familia de síntesis de aminoácidos del α-cetoglutarato (síntesis de glutamato, glutamina, prolina y arginina) comienza con el α-cetoglutarato, un intermediario en el ciclo del ácido cítrico. La concentración de α-cetoglutarato depende de la actividad y el metabolismo dentro de la célula junto con la regulación de la actividad enzimática. En la citrato sintasa de E. coli , la enzima involucrada en la reacción de condensación que inicia el ciclo del ácido cítrico está fuertemente inhibida por la inhibición por retroalimentación del α-cetoglutarato y puede ser inhibida por la DPNH y también por altas concentraciones de ATP. [2] Esta es una de las regulaciones iniciales de la familia de síntesis de aminoácidos del α-cetoglutarato.
La regulación de la síntesis de glutamato a partir de α-cetoglutarato está sujeta al control regulatorio del ciclo del ácido cítrico, así como a una acción masiva que depende de las concentraciones de los reactivos involucrados debido a la naturaleza reversible de las reacciones de transaminación y glutamato deshidrogenasa. [2]
La conversión de glutamato en glutamina está regulada por la glutamina sintetasa (GS) y es un paso clave en el metabolismo del nitrógeno. [2] Esta enzima está regulada por al menos cuatro mecanismos diferentes: 1. Represión y depresión debido a los niveles de nitrógeno ; 2. Activación e inactivación por formas enzimáticas (tensas y relajadas); 3. Inhibición de retroalimentación acumulativa a través de metabolitos del producto final; y 4. Alteraciones de la enzima por adenilación y deadenilación . [2] En medios ricos en nitrógeno o condiciones de crecimiento que contienen altas cantidades de amoníaco hay un nivel bajo de GS, mientras que en cantidades limitadas de amoníaco la actividad específica de la enzima es 20 veces mayor. [2] La confirmación de la enzima juega un papel en la regulación dependiendo de si GS está en forma tensa o relajada. La forma tensa de GS es completamente activa, pero la eliminación del manganeso convierte la enzima al estado relajado. El estado conformacional específico se produce en función de la unión de cationes divalentes específicos y también está relacionado con la adenilación. [2] La inhibición por retroalimentación de GS se debe a una retroalimentación acumulativa debida a varios metabolitos que incluyen L-triptófano, L-histidina, AMP, CTP, glucosamina-6-fosfato y carbamilfosfato, alanina y glicina. [2] Un exceso de cualquier producto no inhibe individualmente la enzima, pero una combinación o acumulación de todos los productos finales tiene un fuerte efecto inhibidor sobre la síntesis de glutamina . [2] La actividad de la glutamina sintasa también se inhibe mediante la adenilación. La actividad de adenilación está catalizada por la enzima bifuncional adenililtransferasa/eliminación de adenililo (AT/AR). La glutamina y una proteína reguladora llamada PII actúan juntas para estimular la adenilación. [3]
La regulación de la biosíntesis de prolina puede depender del paso de control inicial mediante la inhibición por retroalimentación negativa. [4] En E. coli , la prolina inhibe alostéricamente la glutamato 5-quinasa, que cataliza la reacción del L-glutamato a un intermedio inestable L-γ-glutamil fosfato. [4]
La síntesis de arginina también utiliza retroalimentación negativa y represión a través de un represor codificado por el gen argR . El producto genético de argR , ArgR como aporrepresor y arginina como correpresor afectan el operón de la biosíntesis de arginina. El grado de represión está determinado por las concentraciones de la proteína represora y el nivel del correpresor. [5]
La fenilalanina , la tirosina y el triptófano , los aminoácidos aromáticos , surgen del corismato . El primer paso, la condensación del 7-fosfato del ácido 3-desoxi-D-arabino-heptulosónico (DAHP) a partir de PEP/E4P, utiliza tres isoenzimas AroF, AroG y AroH. Cada uno de estos tiene su síntesis regulada a partir de tirosina, fenilalanina y triptófano, respectivamente. El resto de enzimas de la vía común (conversión de DAHP en corismato) parecen sintetizarse de forma constitutiva, excepto la shikimato quinasa , que puede ser inhibida por el shikimato mediante una inhibición lineal de tipo mixto.
La tirosina y la fenilalanina se biosintetizan a partir de prefenato , que se convierte en un intermediario específico de aminoácido. Este proceso está mediado por una corismato mutasa-prefenato deshidrogenasa específica de fenilalanina (PheA) o tirosina (TyrA). PheA usa una deshidrogenasa simple para convertir prefenato en fenilpiruvato , mientras que TyrA usa una deshidrogenasa dependiente de NAD para producir 4-hidroxilfenilpiruvato. Tanto PheA como TyrA son inhibidas por retroalimentación por sus respectivos aminoácidos. La tirosina también puede ser inhibida a nivel transcripcional por el represor TyrR. TyrR se une a las cajas TyrR del operón cerca del promotor del gen que quiere reprimir.
La biosíntesis de triptófano implica la conversión de corismato en antranilato utilizando antranilato sintasa . Esta enzima requiere glutamina como donante del grupo amino o amoníaco mismo. La antranilato sintasa está regulada por los productos genéticos de trpE y trpG. trpE codifica la primera subunidad, que se une al corismato y mueve el grupo amino del donante al corismato. trpG codifica la segunda subunidad, que facilita la transferencia del grupo amino de la glutamina. La antranilato sintasa también está regulada por inhibición por retroalimentación: el triptófano es un correpresor del represor TrpR.
La familia de aminoácidos oxaloacetato/aspartato está compuesta de lisina , asparagina , metionina , treonina e isoleucina . El aspartato se puede convertir en lisina, asparagina, metionina y treonina. La treonina también da lugar a la isoleucina .
Las enzimas asociadas están sujetas a regulación mediante inhibición y/o represión por retroalimentación a nivel genético. Como es típico en las vías metabólicas altamente ramificadas, existe una regulación adicional en cada punto de ramificación de la vía. Este tipo de esquema regulador permite controlar el flujo total de la vía del aspartato además del flujo total de aminoácidos individuales. La vía del aspartato utiliza ácido L-aspártico como precursor para la biosíntesis de una cuarta parte de los aminoácidos básicos.
La biosíntesis de aspartato implica frecuentemente la transaminación de oxaloacetato.
La enzima aspartoquinasa , que cataliza la fosforilación del aspartato e inicia su conversión en otros aminoácidos, se puede dividir en 3 isoenzimas, AK-I, II y III. AK-I es inhibida por retroalimentación por treonina , mientras que AK-II y III son inhibidas por lisina . Como nota al margen, AK-III cataliza la fosforilación del ácido aspártico , que es el paso comprometido en esta vía biosintética. La aspartato quinasa se regula negativamente por la presencia de treonina o lisina .
La lisina se sintetiza a partir de aspartato mediante la vía del diaminopimelato (DAP). Las dos etapas iniciales de la vía DAP están catalizadas por la aspartoquinasa y la aspartato semialdehído deshidrogenasa. Estas enzimas desempeñan un papel clave en la biosíntesis de lisina , treonina y metionina . Hay dos aspartoquinasas/homoserina deshidrogenasas bifuncionales, ThrA y MetL, además de una aspartoquinasa monofuncional, LysC . La transcripción de los genes de la aspartocinasa está regulada por las concentraciones de los aminoácidos producidos posteriormente: lisina, treonina y metionina. Cuanto mayores son las concentraciones de estos aminoácidos, menos se transcribe el gen. ThrA y LysC también son inhibidos por retroalimentación por treonina y lisina. Finalmente, la DAP descarboxilasa LysA media el último paso de la síntesis de lisina y es común para todas las especies bacterianas estudiadas. La formación de aspartato quinasa (AK), que cataliza la fosforilación del aspartato e inicia su conversión en otros aminoácidos, también es inhibida tanto por la lisina como por la treonina , lo que previene la formación de los aminoácidos derivados del aspartato. Además, las altas concentraciones de lisina inhiben la actividad de la dihidrodipicolinato sintasa (DHPS). Así, además de inhibir la primera enzima de la ruta biosintética de las familias de aspartato, la lisina también inhibe la actividad de la primera enzima después del punto de ramificación, es decir, la enzima específica para la propia síntesis de lisina.
La biosíntesis de asparagina se origina con aspartato utilizando una enzima transaminasa . La enzima asparagina sintetasa produce asparagina, AMP , glutamato y pirofosfato a partir de aspartato, glutamina y ATP . En la reacción de la asparagina sintetasa, el ATP se utiliza para activar el aspartato, formando β-aspartil-AMP. La glutamina dona un grupo amonio, que reacciona con β-aspartil-AMP para formar asparagina y AMP libre.
En las bacterias se encuentran dos asparagina sintetasas . Ambas se conocen como proteína AsnC . Están codificados por los genes AsnA y AsnB. AsnC está regulado de forma autógena, que es donde el producto de un gen estructural regula la expresión del operón en el que residen los genes. El efecto estimulante de AsnC sobre la transcripción de AsnA está regulado negativamente por la asparagina. Sin embargo, la autorregulación de AsnC no se ve afectada por la asparagina.
La biosíntesis por la vía de transsulfuración comienza con el ácido aspártico. Las enzimas relevantes incluyen aspartocinasa , aspartato-semialdehído deshidrogenasa , homoserina deshidrogenasa , homoserina O-transsuccinilasa , cistationina-γ-sintasa , cistationina-β-liasa (en mamíferos, este paso lo realiza la homocisteína metiltransferasa o la betaína-homocisteína S-metiltransferasa ).
La biosíntesis de metionina está sujeta a una estricta regulación. La proteína represora MetJ, en cooperación con la proteína correpresora S-adenosil-metionina, media en la represión de la biosíntesis de metionina. El regulador MetR es necesario para la expresión de los genes MetE y MetH y funciona como un transactivador de la transcripción de estos genes . La actividad transcripcional de MetR está regulada por la homocisteína, que es el precursor metabólico de la metionina . También se sabe que la vitamina B12 puede reprimir la expresión del gen MetE, que está mediada por la holoenzima MetH.
En plantas y microorganismos, la treonina se sintetiza a partir del ácido aspártico mediante α-aspartil-semialdehído y homoserina . La homoserina sufre O -fosforilación; este éster de fosfato sufre hidrólisis concomitante con la reubicación del grupo OH. [6] Las enzimas involucradas en una biosíntesis típica de treonina incluyen aspartoquinasa , β-aspartato semialdehído deshidrogenasa , homoserina deshidrogenasa , homoserina quinasa , treonina sintasa .
La biosíntesis de treonina se regula mediante la regulación alostérica de su precursora, la homoserina , alterando estructuralmente la enzima homoserina deshidrogenasa. Esta reacción ocurre en un punto clave de la vía, con el sustrato homoserina sirviendo como precursor para la biosíntesis de lisina, metionina, treonina e isoleucina. Los niveles altos de treonina dan como resultado niveles bajos de síntesis de homoserina. La síntesis de aspartato quinasa (AK), que cataliza la fosforilación del aspartato e inicia su conversión en otros aminoácidos, es inhibida por retroalimentación por la lisina , la isoleucina y la treonina , lo que impide la síntesis de los aminoácidos derivados del aspartato. Así, además de inhibir la primera enzima de la vía biosintética de las familias de aspartato, la treonina también inhibe la actividad de la primera enzima después del punto de ramificación, es decir, la enzima específica para la propia síntesis de treonina.
En plantas y microorganismos, la isoleucina se biosintetiza a partir de ácido pirúvico y alfa-cetoglutarato . Las enzimas involucradas en esta biosíntesis incluyen acetolactato sintasa (también conocida como acetohidroxiácido sintasa), acetohidroxiácido isomeroreductasa, dihidroxiácido deshidratasa y valina aminotransferasa . [7]
En términos de regulación, las enzimas treonina desaminasa, dihidroxiácido deshidrasa y transaminasa están controladas por la regulación del producto final. es decir, la presencia de isoleucina regulará negativamente la biosíntesis de treonina. Las altas concentraciones de isoleucina también dan como resultado la regulación negativa de la conversión de aspartato en el intermediario aspartil-fosfato, deteniendo así una mayor biosíntesis de lisina , metionina , treonina e isoleucina .
En E. coli , la biosíntesis comienza con la fosforilación del 5-fosforribosil-pirofosfato (PRPP), catalizada por la ATP-fosforribosil transferasa . El fosforribosil-ATP se convierte en fosforribosil-AMP (PRAMP). Luego, His4 cataliza la formación de fosforibulosilformimino-AICAR-fosfato, que luego se convierte en fosforibulosilformimino-AICAR-P mediante el producto del gen His6. [8] His7 divide el fosforibulosilformimino-AICAR-P para formar D -eritroimidazol-glicerol-fosfato. Después, His3 forma imidazol acetol-fosfato liberando agua. His5 luego produce L -histidinol-fosfato, que luego es hidrolizado por His2 produciendo histidinol. His4 cataliza la oxidación de L -histidinol para formar L -histidinal, un amino aldehído. En el último paso, el L -histidina se convierte en L -histidina. [8] [9]
En general, la biosíntesis de histidina es muy similar en plantas y microorganismos. [10] [11]
HisG → HisE/HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE/I y HisB son enzimas bifuncionales)
Las enzimas están codificadas en el operón His. Este operón tiene un bloque distinto de la secuencia líder, llamado bloque 1:
Met-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-Su-Su-Su-Su-Su-Su-Su-Su-Pro-Asp
Esta secuencia líder es importante para la regulación de la histidina en E. coli . El operón His opera bajo un sistema de regulación coordinada donde todos los productos genéticos serán reprimidos o deprimidos por igual. El factor principal en la represión o desrepresión de la síntesis de histidina es la concentración de ARNt cargados de histidina. La regulación de la histidina es en realidad bastante simple considerando la complejidad de su vía de biosíntesis y se parece mucho a la regulación del triptófano . En este sistema, la secuencia líder completa tiene 4 bloques de hebras complementarias que pueden formar estructuras en forma de horquilla. [11] El bloque uno, que se muestra arriba, es la clave de la regulación. Cuando los niveles de ARNt cargados de histidina son bajos en la célula, el ribosoma se detendrá en la cadena de residuos de His en el bloque 1. Este estancamiento del ribosoma permitirá que las hebras complementarias 2 y 3 formen un bucle en forma de horquilla. El bucle formado por las hebras 2 y 3 forma un antiterminador y la traducción de los genes his continuará y se producirá histidina. Sin embargo, cuando los niveles de ARNt cargados de histidina son altos, el ribosoma no se detendrá en el bloque 1, lo que no permitirá que las hebras 2 y 3 formen una horquilla. En cambio, las hebras 3 y 4 formarán un bucle en forma de horquilla más abajo del ribosoma. El bucle de horquilla formado por las hebras 3 y 4 es un bucle terminal, cuando el ribosoma entra en contacto con el bucle, será "eliminado" de la transcripción. Cuando se elimina el ribosoma, los genes His no se traducirán y la célula no producirá histidina. [12]
La familia de aminoácidos 3-fosfoglicerato incluye serina, glicina y cisteína.
La serina es el primer aminoácido de esta familia que se produce; luego se modifica para producir tanto glicina como cisteína (y muchas otras moléculas biológicamente importantes). La serina se forma a partir de 3-fosfoglicerato mediante la siguiente vía:
3-fosfoglicerato → fosfohidroxil-piruvato → fosfoserina → serina
La conversión de 3-fosfoglicerato a fosfohidroxil-piruvato se logra mediante la enzima fosfoglicerato deshidrogenasa . Esta enzima es el paso regulador clave en esta vía. La fosfoglicerato deshidrogenasa está regulada por la concentración de serina en la célula . En concentraciones elevadas, esta enzima estará inactiva y no se producirá serina. En concentraciones bajas de serina, la enzima estará completamente activa y la bacteria producirá serina . [13] Dado que la serina es el primer aminoácido producido en esta familia, tanto la glicina como la cisteína estarán reguladas por la concentración disponible de serina en la célula. [14]
La glicina se biosintetiza a partir de serina, catalizada por la serina hidroximetiltransferasa (SHMT). La enzima reemplaza efectivamente un grupo hidroximetilo con un átomo de hidrógeno.
SHMT está codificado por el gen glyA . La regulación de glyA es compleja y se sabe que incorpora serina, glicina, metionina, purinas, timina y folatos. El mecanismo completo aún no se ha dilucidado. [15] Se sabe que el producto del gen de la metionina MetR y la homocisteína intermedia de la metionina regulan positivamente la glyA. La homocisteína es un coactivador de glyA y debe actuar en conjunto con MetR. [15] [16] Por otro lado, se sabe que PurR, una proteína que desempeña un papel en la síntesis de purinas, y S-adenosilmetionina, regulan negativamente la glyA . PurR se une directamente a la región de control de glyA y desactiva efectivamente el gen para que la bacteria no produzca glicina.
Los genes necesarios para la síntesis de cisteína están codificados en el regulón cys . La integración de azufre está regulada positivamente por CysB. Los inductores eficaces de este regulón son la N-acetilserina (NAS) y cantidades muy pequeñas de azufre reducido. CysB funciona uniéndose a los medios sitios del ADN en el regulón cys . Estos medios sitios difieren en cantidad y disposición según el promotor de interés. Sin embargo, se conserva la mitad del sitio. Se encuentra justo aguas arriba del sitio -35 del promotor. También existen múltiples sitios accesorios según el promotor. En ausencia del inductor, NAS, CysB se unirá al ADN y cubrirá muchos de los semisitios accesorios. Sin los medios sitios accesorios, el regulón no se puede transcribir y no se producirá cisteína. Se cree que la presencia de NAS hace que CysB sufra un cambio conformacional. Este cambio conformacional permite que CysB se una adecuadamente a todos los medios sitios y provoca el reclutamiento de la ARN polimerasa. Luego, la ARN polimerasa transcribirá el regulón cys y se producirá cisteína.
Sin embargo, se requiere una mayor regulación para esta vía. CysB puede regular negativamente su propia transcripción uniéndose a su propia secuencia de ADN y bloqueando la ARN polimerasa. En este caso, NAS actuará para impedir la unión de CysB a su propia secuencia de ADN. OAS es un precursor de NAS; la propia cisteína puede inhibir CysE, que funciona para crear OAS. Sin el OAS necesario, no se producirá NAS y no se producirá cisteína. Hay otros dos reguladores negativos de la cisteína. Estas son las moléculas de sulfuro y tiosulfato , actúan para unirse a CysB y compiten con NAS por la unión de CysB. [17]
El piruvato, resultado de la glucólisis , puede alimentar tanto el ciclo del TCA como los procesos de fermentación . Las reacciones que comienzan con una o dos moléculas de piruvato conducen a la síntesis de alanina, valina y leucina. La inhibición por retroalimentación de los productos finales es el principal método de inhibición y, en E. coli , el operón ilvEDA también desempeña un papel en esta regulación.
La alanina se produce mediante la transaminación de una molécula de piruvato mediante dos pasos alternativos: 1) conversión de glutamato en α-cetoglutarato utilizando una transaminasa glutamato-alanina y 2) conversión de valina en α-cetoisovalerato mediante la transaminasa C.
No se sabe mucho sobre la regulación de la síntesis de alanina. El único método definitivo es la capacidad de la bacteria para reprimir la actividad de la transaminasa C mediante valina o leucina (ver operón ilvEDA ). Aparte de eso, la biosíntesis de alanina no parece estar regulada. [18]
La valina se produce mediante una vía de cuatro enzimas. Comienza con la condensación de dos equivalentes de piruvato catalizada por la acetohidroxiácido sintasa produciendo α-acetolactato. El segundo paso implica la reducción dependiente de NADPH + del α-acetolactato y la migración de grupos metilo para producir α,β-dihidroxiisovalerato. Esto es catalizado por la acetohidroxi isomerorreductasa. El tercer paso es la deshidratación de α, β-dihidroxiisovalerato catalizada por la dihidroxiácido deshidrasa. En el cuarto y último paso, el α-cetoisovalerato resultante se somete a una transaminación catalizada por una transaminasa de alanina-valina o una transaminasa de glutamato-valina. La biosíntesis de valina está sujeta a inhibición por retroalimentación en la producción de acetohidroxiácido sintasa. [18]
La vía de síntesis de leucina diverge de la vía de valina comenzando con el α-cetoisovalerato. La α-isopropilmalato sintasa cataliza esta condensación con acetil CoA para producir α-isopropilmalato. Una isomerasa convierte el α-isopropilmalato en β-isopropilmalato. El tercer paso es la oxidación dependiente de NAD + del β-isopropilmalato catalizada por una deshidrogenasa. El paso final es la transaminación del α-cetoisocaproato por la acción de una transaminasa glutamato-leucina.
La leucina, al igual que la valina, regula el primer paso de su vía inhibiendo la acción de la α-isopropilmalato sintasa. [18] Debido a que la leucina se sintetiza mediante una desviación de la vía sintética de la valina, la inhibición por retroalimentación de la valina en su vía también puede inhibir la síntesis de leucina.
Los genes que codifican tanto la dihidroxiácido deshidrasa utilizada en la creación de α-cetoisovalerato como la transaminasa E, así como otras enzimas, están codificados en el operón ilvEDA. Este operón está unido e inactivado por valina , leucina e isoleucina . (La isoleucina no es un derivado directo del piruvato, pero se produce mediante el uso de muchas de las mismas enzimas utilizadas para producir valina e, indirectamente, leucina). Cuando uno de estos aminoácidos está limitado, el gen más alejado del aminoácido se puede transcribir el sitio de unión de este operón. Cuando un segundo de estos aminoácidos es limitado, se puede transcribir el siguiente gen más cercano al sitio de unión, y así sucesivamente. [18]
La producción comercial de aminoácidos suele depender de bacterias mutantes que producen en exceso aminoácidos individuales utilizando glucosa como fuente de carbono. Algunos aminoácidos se producen mediante conversiones enzimáticas de intermediarios sintéticos. El ácido 2-aminotiazolina-4-carboxílico es un intermediario en la síntesis industrial de L- cisteína, por ejemplo. El ácido aspártico se produce mediante la adición de amoníaco al fumarato utilizando una liasa. [19]