Síntese de aminoácidos - Amino acid synthesis

Visão geral da biossíntese de aminoácidos. As moléculas desenhadas estão em suas formas neutras e não correspondem totalmente aos nomes apresentados. Os humanos não conseguem sintetizar todos esses aminoácidos.

A síntese de aminoácidos é o conjunto de processos bioquímicos ( vias metabólicas ) pelos quais os aminoácidos são produzidos. Os substratos para esses processos são vários compostos da dieta ou do meio de crescimento do organismo . Nem todos os organismos são capazes de sintetizar todos os aminoácidos. Por exemplo, os humanos só podem sintetizar 11 dos 20 aminoácidos padrão (também conhecido como aminoácido não essencial ) e, em tempos de crescimento acelerado, a histidina pode ser considerada um aminoácido essencial .

De intermediários do ciclo do ácido cítrico e outras vias

Do conjunto básico de vinte aminoácidos (sem contar a selenocisteína ), os humanos não podem sintetizar oito. Além disso, os aminoácidos arginina , cisteína , glicina , glutamina , histidina , prolina , serina e tirosina são considerados condicionalmente essenciais , o que significa que não são normalmente necessários na dieta, mas devem ser fornecidos exogenamente a populações específicas que não os sintetizam em quantidades adequadas. Por exemplo, arginina suficiente é sintetizada pelo ciclo da ureia para atender às necessidades de um adulto, mas talvez não às de uma criança em crescimento. Os aminoácidos que devem ser obtidos da dieta são chamados de aminoácidos essenciais . Aminoácidos não essenciais são produzidos no corpo. As vias para a síntese de aminoácidos não essenciais são bastante simples. A glutamato desidrogenase catalisa a aminação redutora do α-cetoglutarato em glutamato. Uma reação de transaminação ocorre na síntese da maioria dos aminoácidos. Nesta etapa, a quiralidade do aminoácido é estabelecida. Alanina e aspartato são sintetizados pela transaminação de piruvato e oxaloacetato , respectivamente. A glutamina é sintetizada a partir de NH4 + e glutamato, e a asparagina é sintetizada de forma semelhante. A prolina e a arginina são derivadas do glutamato. A serina , formada a partir do 3-fosfoglicerato, é o precursor da glicina e da cisteína . A tirosina é sintetizada pela hidroxilação da fenilalanina , um aminoácido essencial. As vias de biossíntese de aminoácidos essenciais são muito mais complexas do que as não essenciais.

O cortisol inibe a síntese de proteínas.

α-cetoglutaratos: glutamato, glutamina, prolina, arginina

A maioria dos aminoácidos é sintetizada a partir de α- cetoácidos e, posteriormente, transaminada de outro aminoácido, geralmente o glutamato . A enzima envolvida nesta reação é uma aminotransferase .

α-cetoácido + glutamato ⇄ aminoácido + α-cetoglutarato

O próprio glutamato é formado pela aminação de α-cetoglutarato :

α-cetoglutarato + NH +
4
⇄ glutamato

A família de α-cetoglutarato de síntese de aminoácidos (síntese de glutamato, glutamina, prolina e arginina) começa com α-cetoglutarato, um intermediário no ciclo do ácido cítrico. A concentração de α-cetoglutarato depende da atividade e do metabolismo dentro da célula, juntamente com a regulação da atividade enzimática. Na citrato sintase de E. coli , a enzima envolvida na reação de condensação que inicia o ciclo do ácido cítrico é fortemente inibida pela inibição do feedback α-cetoglutarato e pode ser inibida por DPNH, bem como por altas concentrações de ATP. Este é um dos regulamentos iniciais da família α-cetoglutarato de síntese de aminoácidos.

A regulação da síntese do glutamato a partir do α-cetoglutarato está sujeita ao controle regulatório do Ciclo do Ácido Cítrico e também à ação da massa dependente das concentrações dos reagentes envolvidos devido à natureza reversível das reações de transaminação e glutamato desidrogenase.

A conversão de glutamato em glutamina é regulada pela glutamina sintetase (GS) e é uma etapa chave no metabolismo do nitrogênio. Esta enzima é regulada por pelo menos quatro mecanismos diferentes: 1. Repressão e depressão devido aos níveis de nitrogênio ; 2. Ativação e inativação por formas enzimáticas (tensas e relaxadas); 3. Inibição de feedback cumulativo por meio de metabólitos do produto final; e 4. Alterações da enzima devido a adenilação e deadenylation . Em meios ricos em nitrogênio ou condições de crescimento contendo grandes quantidades de amônia, há um baixo nível de GS, ao passo que em quantidades limitadas de amônia a atividade específica da enzima é 20 vezes maior. A confirmação da enzima desempenha um papel na regulação dependendo se GS está na forma tensa ou relaxada. A forma tensa do GS é totalmente ativa, mas a remoção do manganês converte a enzima ao estado relaxado. O estado conformacional específico ocorre com base na ligação de cátions divalentes específicos e também está relacionado à adenilação. A inibição de feedback de GS é devido a um feedback cumulativo devido a vários metabólitos, incluindo L-triptofano, L-histidina, AMP, CTP, glucosamina-6-fosfato e fosfato de carbamil, alanina e glicina. Um excesso de qualquer produto não inibe individualmente a enzima, mas uma combinação ou acúmulo de todos os produtos finais tem um forte efeito inibitório na síntese de glutamina . A atividade da glutamina sintase também é inibida por meio da adenilação. A atividade de adenilação é catalisada pela enzima bifuncional adenililtransferase / remoção de adenilil (AT / AR). A glutamina e uma proteína reguladora chamada PII agem juntas para estimular a adenilação.

A regulação da biossíntese de prolina pode depender da etapa de controle inicial por meio da inibição por feedback negativo. Em E. coli , a prolina inibe alostericamente o Glutamato 5-quinase, que catalisa a reação do L-glutamato a um intermediário instável L-γ-Glutamil fosfato.

A síntese de arginina também utiliza feedback negativo, bem como repressão por meio de um repressor codificado pelo gene argR . O produto do gene argR , ArgR um aorepressor e arginina como um corepressor afetam o operon da biossíntese de arginina. O grau de repressão é determinado pelas concentrações da proteína repressora e pelo nível do corepressor.

4-fosfato de eritrose e fosfoenolpiruvato: fenilalanina, tirosina e triptofano

Fenilalanina , tirosina e triptofano , os aminoácidos aromáticos , surgem do corismato . A primeira etapa, a condensação do 7-fosfato do ácido 3-desoxi-D-arabino-heptulosônico (DAHP) de PEP / E4P, usa três isoenzimas AroF, AroG e AroH. Cada um deles tem sua síntese regulada a partir de tirosina, fenilalanina e triptofano, respectivamente. O resto das enzimas na via comum (conversão de DAHP em corismato) parecem ser sintetizadas constitutivamente, exceto para a shiquimato quinase , que pode ser inibida pelo shiquimato por meio da inibição linear do tipo misto.

A tirosina e a fenilalanina são biossintetizadas a partir do pré - fenato , que é convertido em um intermediário específico de aminoácido. Este processo é mediado por uma mutase-pré-fenato desidrogenase específica de fenilalanina (PheA) ou tirosina (TyrA). PheA usa uma desidrogenase simples para converter pré-fenil em fenilpiruvato , enquanto TyrA usa uma desidrogenase dependente de NAD para fazer 4-hidroxilfenilpiruvato. Ambos PheA e TyrA são inibidos por retroalimentação por seus respectivos aminoácidos. A tirosina também pode ser inibida no nível transcricional pelo repressor TyrR. TyrR se liga às caixas TyrR no operon perto do promotor do gene que deseja reprimir.

A biossíntese de triptofano envolve a conversão de corismato em antranilato usando antranilato sintase . Essa enzima requer a glutamina como doador do grupo amino ou a própria amônia. A antranilato sintase é regulada pelos produtos dos genes trpE e trpG. O trpE codifica a primeira subunidade, que se liga ao corismato e move o grupo amino do doador para o corismato. O trpG codifica a segunda subunidade, o que facilita a transferência do grupo amino da glutamina. A antranilato sintase também é regulada pela inibição de feedback: o triptofano é um co-repressor do repressor TrpR.

Oxaloacetato / aspartato: lisina, asparagina, metionina, treonina e isoleucina

A família de aminoácidos oxaloacetato / aspartato é composta por lisina , asparagina , metionina , treonina e isoleucina . O aspartato pode ser convertido em lisina, asparagina, metionina e treonina. A treonina também dá origem à isoleucina . As enzimas associadas estão sujeitas à regulação por meio de inibição de feedback e / ou repressão no nível genético. Como é típico em vias metabólicas altamente ramificadas, regulação adicional em cada ponto de ramificação da via. Este tipo de esquema regulatório permite o controle sobre o fluxo total da via do aspartato, além do fluxo total de aminoácidos individuais. A via do aspartato usa o ácido L-aspártico como precursor para a biossíntese de um quarto dos aminoácidos do bloco de construção.

Aspartato

A biossíntese do aspartato freqüentemente envolve a transaminação do oxaloacetato.

A enzima aspartoquinase , que catalisa a fosforilação do aspartato e inicia sua conversão em outros aminoácidos, pode ser quebrada em 3 isozimas, AK-I, II e III. AK-I é o feed-back inibido pela treonina , enquanto AK-II e III são inibidos pela lisina . Como nota lateral, AK-III catalisa a fosforilação do ácido aspártico, que é a etapa comprometida nesta via biossintética. A aspartato quinase torna-se regulada negativamente pela presença de treonina ou lisina .

Lisina

A lisina é sintetizada a partir do aspartato pela via do diaminopimelato (DAP). Os dois estágios iniciais da via DAP são catalisados ​​pela aspartoquinase e aspartato semialdeído desidrogenase. Essas enzimas desempenham um papel fundamental na biossíntese de lisina , treonina e metionina . Existem duas aspartoquinase / homosserina desidrogenases bifuncionais, ThrA e MetL, além de uma aspartoquinase monofuncional, LysC . A transcrição dos genes da aspartoquinase é regulada pelas concentrações dos aminoácidos produzidos subsequentemente, lisina, treonina e metionina. Quanto mais altas essas concentrações de aminoácidos, menos o gene é transcrito. ThrA e LysC também são retroalimentados inibidos pela treonina e lisina. Finalmente, a DAP descarboxilase LysA medeia a última etapa da síntese de lisina e é comum para todas as espécies bacterianas estudadas. A formação de aspartato quinase (AK), que catalisa a fosforilação de aspartato e inicia a sua conversão em outros aminoácidos, também é inibida por ambos lisina e treonina , que evita a formação dos aminoácidos derivados de aspartato. Além disso, altas concentrações de lisina inibem a atividade da diidrodipicolinato sintase (DHPS). Assim, além de inibir a primeira enzima da via biossintética das famílias do aspartato, a lisina também inibe a atividade da primeira enzima após o ponto de ramificação, ou seja, a enzima que é específica para a própria síntese da lisina.

Asparagina

A biossíntese da asparagina se origina com o aspartato usando uma enzima transaminase . A enzima asparagina sintetase produz asparagina, AMP , glutamato e pirofosfato a partir de aspartato, glutamina e ATP . Na reação de asparagina sintetase, o ATP é usado para ativar o aspartato, formando β-aspartil-AMP. A glutamina doa um grupo amônio, que reage com o β-aspartil-AMP para formar asparagina e AMP livre.

A biossíntese de aspartato e asparagina a partir de oxaloacetato.

Duas sintetases de asparagina são encontradas nas bactérias . Ambos são chamados de proteína AsnC . Eles são codificados pelos genes AsnA e AsnB. AsnC é autogenamente regulado, que é onde o produto de um gene estrutural regula a expressão do operon no qual os genes residem. O efeito estimulante do AsnC na transcrição do AsnA é regulado negativamente pela asparagina. No entanto, a autorregulação de AsnC não é afetada pela asparagina.

Metionina

A biossíntese pela via de transulfuração começa com o ácido aspártico. As enzimas relevantes incluem aspartoquinase , aspartato-semialdeído desidrogenase , homosserina desidrogenase , homosserina O-transsuccinilase , cistationina-γ-sintase , cistationina-β-liase (em mamíferos, esta etapa é realizada pela homocisteína metiltransferase - metiltransferase ou homocisteína metiltransferase ).

A biossíntese de metionina está sujeita a uma regulamentação rígida. A proteína repressora MetJ, em cooperação com a proteína corepressora S-adenosil-metionina, medeia a repressão da biossíntese da metionina. O regulador MetR é necessário para a expressão dos genes MetE e MetH e funciona como um transativador da transcrição para esses genes . A atividade transcricional da MetR é regulada pela homocisteína, que é o precursor metabólico da metionina . Também é conhecido que a vitamina B12 pode reprimir a expressão do gene MetE, que é mediada pela holoenzima MetH.

Treonina

Em plantas e microrganismos, a treonina é sintetizada a partir do ácido aspártico via α-aspartil-semialdeído e homoserina . A homoserina sofre O- fosforilação ; este éster de fosfato sofre hidrólise concomitante com a realocação do grupo OH. As enzimas envolvidas em uma biossíntese típica de treonina incluem aspartoquinase , β-aspartato semialdeído desidrogenase , homosserina desidrogenase , homosserina quinase , treonina sintase .

A biossíntese da treonina é regulada por meio da regulação alostérica de seu precursor, a homosserina , por meio da alteração estrutural da enzima homoserina desidrogenase. Essa reação ocorre em um ponto-chave de ramificação da via, com o substrato homosserina servindo como precursor para a biossíntese de lisina, metionina, treonina e isoleucina. Altos níveis de treonina resultam em baixos níveis de síntese de homosserina. A síntese da aspartato quinase (AK), que catalisa a fosforilação do aspartato e inicia sua conversão em outros aminoácidos, é inibida por lisina , isoleucina e treonina , o que impede a síntese dos aminoácidos derivados do aspartato. Assim, além de inibir a primeira enzima da via biossintética das famílias do aspartato, a treonina também inibe a atividade da primeira enzima após o ponto de ramificação, ou seja, a enzima específica para a própria síntese da treonina.

Isoleucina

Em plantas e microrganismos, a isoleucina é biossintetizada a partir do ácido pirúvico e alfa-cetoglutarato . As enzimas envolvidas nesta biossíntese incluem acetolactato sintase (também conhecida como acetohidroxiácido sintase), acetohidroxiácido isomeroredutase , dihidroxiácido desidratase e Valina aminotransferase .

Em termos de regulação, as enzimas treonina desaminase, diidroxiácido desidrase e transaminase são controladas pela regulação do produto final. ou seja, a presença de isoleucina diminuirá a regulação da biossíntese de treonina. Altas concentrações de isoleucina também resultam na regulação negativa da conversão do aspartato no intermediário aspartil-fosfato, interrompendo assim a biossíntese adicional de lisina , metionina , treonina e isoleucina .

Ribose 5-fosfatos: histidina

A síntese de histidina em E. coli é uma via complexa que envolve várias enzimas. A síntese começa com a fosforilação do 5-fosforibosil-pirofosfato (PRPP), catalisado pela ATP-fosforibosil transferase . Fosforibosil-ATP se converte em fosforibosil-AMP (PRAMP). His4 então catalisa a formação de fosforibosilformiminoAICAR-fosfato, que é então convertido em fosforibulosilformimino-AICAR-P pelo produto do gene His6. His7 divide o fosforibulosilformimino-AICAR-P para formar o D -eritro-imidazol-glicerol-fosfato. Depois, His3 forma imidazol acetol-fosfato liberando água. His5 então produz L - histidinol -fosfato, que é então hidrolisado por His2 produzindo histidinol . His4 catalisa a oxidação de L- histidinol para formar L- histidinal, um amino aldeído. Na última etapa, L- histidinal é convertido em L- histidina.

Em geral, a biossíntese de histidina é muito semelhante em plantas e microrganismos.

HisG → HisE / HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE / I e HisB são enzimas bifuncionais)

As enzimas são codificadas em seu operon. Este operon possui um bloco distinto da sequência líder, denominado bloco 1:

Met-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-His-His-His-His-His-His-Pro-Asp

Esta sequência líder é importante para a regulação da histidina em E. coli . O operon his opera sob um sistema de regulação coordenada onde todos os produtos gênicos serão reprimidos ou deprimidos igualmente. O principal fator na repressão ou desrepressão da síntese de histidina é a concentração de tRNAs carregados de histidina. A regulação da histidina é na verdade bastante simples, considerando a complexidade de sua via de biossíntese e se assemelha muito à regulação do triptofano . Neste sistema, a sequência líder completa tem 4 blocos de fitas complementares que podem formar estruturas de loops em gancho. O bloco um, mostrado acima, é a chave para a regulação. Quando os níveis de tRNA carregados de histidina estão baixos na célula, o ribossomo vai parar na cadeia de resíduos de His no bloco 1. Esse bloqueio do ribossomo permitirá que as cadeias complementares 2 e 3 formem uma alça em gancho. A alça formada pelas fitas 2 e 3 forma um anti-terminador e a tradução de seus genes continuará e a histidina será produzida. No entanto, quando os níveis de tRNA carregados de histidina estão altos, o ribossomo não pára no bloco 1, isso não permite que os fios 2 e 3 formem um grampo de cabelo. Em vez disso, os fios 3 e 4 formarão um laço em gancho mais a jusante do ribossomo. A alça em gancho formada pelos fios 3 e 4 é uma alça de terminação, quando o ribossomo entra em contato com a alça, ele será “arrancado” da transcrição. Quando o ribossomo é removido, seus genes não serão traduzidos e a histidina não será produzida pela célula.

3-Fosfogliceratos: serina, glicina, cisteína

Serine

A serina é o primeiro aminoácido desta família a ser produzido; ele é então modificado para produzir glicina e cisteína (e muitas outras moléculas biologicamente importantes). A serina é formada a partir de 3-fosfoglicerato na seguinte via:

3-fosfoglicerato → fosfohidroxil-piruvato → fosfoserina → serina

A conversão de 3-fosfoglicerato em fosfohidroxil-piruvato é realizada pela enzima fosfoglicerato desidrogenase . Esta enzima é a principal etapa regulatória dessa via. A fosfoglicerato desidrogenase é regulada pela concentração de serina na célula . Em altas concentrações, essa enzima será inativa e a serina não será produzida. Em baixas concentrações de serina, a enzima estará totalmente ativa e a serina será produzida pela bactéria . Como a serina é o primeiro aminoácido produzido nesta família, tanto a glicina quanto a cisteína serão reguladas pela concentração disponível de serina na célula.

Glicina

A glicina é biossintetizada a partir da serina, catalisada pela serina hidroximetiltransferase (SHMT). A enzima substitui efetivamente um grupo hidroximetil por um átomo de hidrogênio.

SHMT é codificado pelo gene glyA . A regulação de glyA é complexa e é conhecida por incorporar serina, glicina, metionina, purinas, timina e folatos. O mecanismo completo ainda não foi elucidado. O produto do gene da metionina MetR e a homocisteína intermediária da metionina são conhecidos por regular positivamente a glyA. A homocisteína é um coativador de glyA e deve atuar em conjunto com MetR. Por outro lado, PurR, uma proteína que desempenha um papel na síntese de purinas e S-adenossilmetionina, são conhecidos por regular negativamente glyA . PurR liga-se diretamente à região de controle de glyA e desliga efetivamente o gene para que a glicina não seja produzida pela bactéria.

Cisteína

Os genes necessários para a síntese da cisteína são codificados no regulon cys . A integração do enxofre é regulada positivamente pelo CysB. Os indutores eficazes deste regulon são a N-acetil-serina (NAS) e quantidades muito pequenas de enxofre reduzido. CysB funciona ligando-se a meios-locais do DNA no regulon cys . Esses meios sites diferem em quantidade e disposição, dependendo do promotor de interesse. No entanto, existe uma metade do site que é conservada. Ele fica logo acima do local -35 do promotor. Existem também vários sites de acessórios, dependendo do promotor. Na ausência do indutor, NAS, CysB ligará o DNA e cobrirá muitos dos locais da metade acessória. Sem os meios locais acessórios, o regulon não pode ser transcrito e a cisteína não será produzida. Acredita-se que a presença do NAS faça com que o CysB sofra uma alteração conformacional. Esta mudança conformacional permite que o CysB se ligue adequadamente a todos os meios locais e causa o recrutamento da RNA polimerase. A RNA polimerase irá então transcrever o regulon cys e a cisteína será produzida.

Mais regulamentação é necessária para este caminho, no entanto. CysB pode regular negativamente sua própria transcrição ligando-se à sua própria sequência de DNA e bloqueando a RNA polimerase. Neste caso, NAS atuará para impedir a ligação de CysB à sua própria sequência de DNA. OAS é um precursor do NAS, a própria cisteína pode inibir a CysE, que funciona para criar OAS. Sem o OAS necessário, o NAS não será produzido e a cisteína não será produzida. Existem dois outros reguladores negativos da cisteína. Estas são as moléculas sulfeto e tiossulfato , atuam para se ligar ao CysB e competem com o NAS pela ligação do CysB.

Piruvato: alanina, valina e leucina

O piruvato, o resultado final da glicólise , pode alimentar tanto o ciclo do TCA quanto os processos de fermentação . As reações que começam com uma ou duas moléculas de piruvato levam à síntese de alanina, valina e leucina. A inibição por feedback dos produtos finais é o principal método de inibição e, em E. coli , o operon ilvEDA também desempenha um papel nesta regulação.

Alanina

A alanina é produzida pela transaminação de uma molécula de piruvato usando duas etapas alternativas: 1) conversão de glutamato em α-cetoglutarato usando uma transaminase de glutamato-alanina e 2) conversão de valina em α-cetoisovalerato via Transaminase C.

Não se sabe muito sobre a regulação da síntese de alanina. O único método definitivo é a capacidade da bactéria de reprimir a atividade da Transaminase C por valina ou leucina (ver operon ilvEDA ). Fora isso, a biossíntese de alanina não parece estar regulamentada.

Valine

A valina é produzida por uma via de quatro enzimas. Ele começa com a condensação de dois equivalentes de piruvato catalisados ​​pela aceto-hidroxiácido sintase produzindo α-acetolactato. A segunda etapa envolve a redução dependente de NADPH + de α-acetolactato e a migração de grupos metil para produzir α, β-dihidroxiisovalerato. Este é catalisado pela acetohidroxi isomeroredutase. A terceira etapa é a desidratação do α, β-dihidroxiisovalerato catalisada pela dihidroxiácido desidrase. Na quarta e última etapa, o α-cetoisovalerato resultante sofre transaminação catalisada por uma alanina-valina transaminase ou uma glutamato-valina transaminase. A biossíntese de valina está sujeita a inibição por feedback na produção de acetohidroxiácido sintase.

Leucina

A via de síntese da leucina diverge da via da valina começando com α-cetoisovalerato. A α-isopropilmalato sintase catalisa esta condensação com acetil CoA para produzir α-isopropilmalato. Uma isomerase converte α-isopropilmalato em β-isopropilmalato. A terceira etapa é a oxidação dependente de NAD + de β-isopropilmalato catalisada por uma desidrogenase. A etapa final é a transaminação do α-cetoisocaproato pela ação de uma glutamato-leucina transaminase.

A leucina, assim como a valina, regula a primeira etapa de sua via inibindo a ação da α-isopropilmalato sintase. Como a leucina é sintetizada por desvio da via de síntese da valina, a inibição por feedback da valina em sua via também pode inibir a síntese da leucina.

operon ilvEDA

Os genes que codificam tanto a diidroxiácido desidrase usada na criação de α-cetoisovalerato e Transaminase E, quanto outras enzimas são codificados no operon ilvEDA. Este operon é ligado e inativado por valina , leucina e isoleucina . (A isoleucina não é um derivado direto do piruvato, mas é produzida pelo uso de muitas das mesmas enzimas usadas para produzir valina e, indiretamente, leucina.) Quando um desses aminoácidos é limitado, o gene mais distante do aminoácido local de ligação deste operon pode ser transcrito. Quando um segundo desses aminoácidos é limitado, o gene mais próximo ao local de ligação pode ser transcrito e assim por diante.

Sínteses comerciais de aminoácidos

A produção comercial de aminoácidos geralmente depende de bactérias mutantes que superproduzem aminoácidos individuais usando glicose como fonte de carbono. Alguns aminoácidos são produzidos por conversões enzimáticas de intermediários sintéticos. O ácido 2-aminotiazolina-4-carboxílico é um intermediário na síntese industrial de L- cisteína, por exemplo. O ácido aspártico é produzido pela adição de amônia ao fumarato usando uma liase.

Referências

links externos