Βιοσύνθεση

Βιοσύνθεση (Biosynthesis) ή αναβολισμός (anabolism) είναι μια διεργασία πολλών σταδίων που καταλύεται από ένζυμα, όπου τα υποστρώματα μετατρέπονται σε πιο περίπλοκα προϊόντα σε ζωντανούς οργανισμούς. Στη βιοσύνθεση, απλές χημικές ενώσεις τροποποιούνται, μετατρεπόμενες σε άλλες ενώσεις,  ή ενώνονται μαζί για να σχηματίσουν μακρομόρια. Αυτή η διεργασία αποτελείται συχνά από μεταβολικές οδούς. Κάποιες από αυτές τις βιοσυνθετικές εντοπίζονται μέσα σε ένα μόνο κυτταρικό οργανίδιο, ενώ άλαλες εμπλέκουν ένζυμα που βρίσκονται μέσα σε πολλά κυτταρικά οργανίδια. Παραδείγματα αυτών των βιοσυνθετικών οδών περιλαμβάνουν την παραγωγή των συστατικών της λιπιδικής μεμβράνης και των νουκλεοτιδίων.
Τα προαπαιτούμενα για τη βιοσύνθεση περιλαμβάνουν: πρόδρομες ενώσεις, χημική ενέργεια (π.χ. τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP)) και καταλυτικά ένζυμα που μπορεί να χρειάζονται συνένζυμα (e.g.NADH, NADPH). Αυτές οι ενώσεις δημιουργούν μονομερή, τις δομικές μονάδες για τα μακρομόρια. Μερικά σημαντικά βιολογικά μακρομόρια περιλαμβάνουν: πρωτεΐνες, που αποτελούνται από μονομερή αμινοξέα ενωμένα με πεπτιδικούς δεσμούς και μόρια DNA , που αποτελούνται από νουκλεοτίδια ενωμένα με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς.

Λιπίδια

Πολλά περίπλοκα μακρομόρια συντίθενται με μοτίβα απλών επαναλαμβανόμενων δομών. Παραδείγματος χάρη, οι πιο απλές δομές των λιπιδίων είναι τα λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα είναι παράγωγα υδρογονανθράκων· περιέχουν "κεφαλή" καρβοξυλικής ομάδας και "ουρά". These fatty acids create larger components, which in turn incorporate noncovalent interactions to form the lipid bilayer.
Οι αλυσίδες των λιπαρών οξέων βρίσκονται σε δύο κύρια συστατικά των μεμβρανικών λιπιδίων: στα φωσφολιπίδια και στα σφιγγολιπίδια. Ένα τρίτο κύριο μεμβρανικό συστατικό, η χοληστερόλη, δεν περιέχει αυτές τις μονάδες λιπαρών οξέων.

Φωσφολιπίδια

Η βάση όλων των βιομεμβρανών αποτελείται από δομή διπλής στιβάδας των φωσφολιπιδίων. Το μόριο του φωσφολιπιδίου είναι αμφιπαθές (amphipathic)· περιέχει υδρόφιλη πολική κεφαλή και υδρόφοβη μη πολική ουρά. Οι κεφαλές των φωσφολιπιδίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με υδατικά μέσα, ενώ οι υδρογονικές ουρές προσανατολίζονται στο κέντρο, μακριά από το νερό. Αυτές οι τελευταίες αλληλεπιδράσεις οδηγούς τη δομή διπλοστιβάδας που δρα ως φράγμα για ιόντα και μόρια. 
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι φωσφολιπιδίων και συνεπώς οι οδοί σύνθεσής τους διαφέρουν. Όμως, το πρώτο βήμα στη φωσφολιπιδική σύνθεση περιλαμβάνει τον σχηματισμό φωσφατιδικού ή 3-φωσφορικής διακυλογλυκερόλης στο ενδοπλασματικό δίκτυο  και στην εξωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Η οδός της σύνθεσης βρίσκεται παρακάτω:
Η οδός ξεκινά με 3-φωσφατική γλυκερόλη, που μετατρέπεται σε φωσφολιπιδικό μέσω προσθήκης αλυσίδας λιπαρού οξέος που παρέχεται από το ακυλοσυνένζυμο Α. Έπειτα, το λυσοφωσφατιδικό μετατρέπεται σε φωσφατιδικό μέσω της προσθήκης μιας άλλης αλυσίδας λιπαρού οξέος που δίνεται από ένα δεύτερο ακυλο-συνένζυμο Α· Όλα αυτά τα βήματα καταλύονται από το ένζυμο ακυλομεταφοράση της φωσφορικής γλυκερόλης. Η φωσφολιπιδική σύνθεση συνεχίζεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο και η οδός βιοσύνθεσης διαφοροποιείται ανάλογα με τα συστατικά του συγκεκριμένου φωσφολιπιδίου.

Σφιγγολιπίδια

Όπως και στα φωσφολιπίδια, αυτά τα παράγωγα λιπαρών οξέων έχουν πολική κεφαλή και μη μη πολικές ουρές.  Αντίθετα με τα φωσφολιπίδια, τα σφιγγολιπίδια έχουν σκελετό σφιγγοσίνης. Τα σφιγγολιπίδια υπάρχουν σε ευκαρυωτικά κύτταρα και είναι ιδιαίτερα άφθονα στο κεντρικό νευρικό σύστημα.  Παραδείγματος χάρη, η σφιγγομυελίνη είναι τμήμα του ελύτρου μυελίνης των νευρικών ινών.
Τα σφιγγολιπίδια σχηματίζονται από κεραμίδια (ceramides) που αποτελούνται από αλυσίδα λιπαρού οξέος συνδεμένης με την αμινομάδα  του σκελετού της σφιγγοσίνης. Αυτά τα κεραμίδια συντίθενται από την ακυλίωση της σφιγγοσίνης.  Η βιοσυνθετική οδός της σφιγγοσίνης βρίσκεται παρακάτω:
Όπως δείχνει η εικόνα, κατά τη σύνθεση της μυελίνης, το παλμιτοϋλο-συνένζυμο Α και η σερίνη υφίστανται αντίδραση συμπύκνωσης που καταλήγει στον σχηματισμό της αφυδροσφιγγοσίνης. Αυτό το προϊόν ανάγεται στη συνέχεια για να σχηματίσει διυδροσφιγγοσίνη, που μετατρέπεται σε σφιγγοσίνη μέσω οξειδοαναγωγής από φλαβινοαδενινοδινουκλεοτίδιο (FAD).

Νουκλεοτίδια

Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων περιλαμβάνει ενζυμικά καταλυόμενες αντιδράσεις που μετατρέπουν τα υποστρώματα σε πιο περίπλοκα προϊόντα. Τα νουκλεοτίδια είναι οι δομικοί λίθοι του DNA και του RNA. Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από πενταμελή δακτύλιο που σχηματίζεται από το σάκχαρο της ριβόζης στο RNA, και το σάκχαρο της δεοξυριβόζης στο DNA· αυτά τα σάκχαρα συνδέονται με βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης με γλυκοζιτικό δεσμό (glycosidic bond) και φωσφορική ομάδα στη θέση 5' του ριβονουκλεοτιδίου του σακχάρου.

DNA

Αν και υπάρχουν διαφορές μεταξύ ευκαρυωτικής και προκαρυωτικής σύνθεσης DNA, η παρακάτω ενότητα δείχνει βασικά χαρακτηριστικά της αντιγραφής του DNA που είναι κοινή και στα δύο είδη οργανισμών.
Το DNA αποτελείται από νουκλεοτίδια που συνδέονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Η σύνθεση του DNA, που λαμβάνει χώρα στον πυρήνα, είναι ημισυντηρητική διεργασία, που σημαίνει ότι το τελικό μόριο του DNA περιέχει έναν αρχικό κλώνο από τη γονική δομή και έναν νέο κλώνο. Η σύνθεση του DNA καταλύεται από μια οικογένεια πολυμερασών DNA που απαιτεί τέσσερα τριφωσφορικά δεοξυνουκλεοσίδια, μια αλυσίδα-εκμαγείο και έναν εκκινητή RNA με ελεύθερο 3'OH στο οποίο να ενσωματωθούν τα νουκλεοτίδια.
Για να συμβεί η αντιγραφή του DNA, δημιουργείται μια διχάλα αντιγραφής από ένζυμα που ονομάζονται ελικάσες και ξετυλίγουν την έλικα του DNA.  Οι τοποϊσομεράσες στη διχάλα αντιγραφής αφαιρούν τις υπερσυστροφές DNA που προκαλείται από το ξετύλιγμα του DNA και οι πρωτεΐνες πρόσδεσης μονόκλωνου DNA διατηρούν τα δύο μονόκλωνα εκμαγεία DNA σταθεροποιημένα πριν την αντιγραφή.
Η σύνθεση του DNA αρχικοποιείται από την πριμάση της RNA πολυμεράσης, που κάνει εκκινητή RNA με ελεύθερο 3'OH. Αυτός ο εκκινητής συνδέεται με την μονόκλωνη μήτρα DNA και η πολυμεράση DNA επιμηκύνει την αλυσίδα ενσωματώνοντας νουκλεοτίδια· η πολυμέραση DNA επιδιορθώνει τον νεοσυντιθέμενο κλώνο του DNA.
Κατά την αντίδραση πολυμερισμού που καταλύεται από την πολυμέραση DNA , λαμβάνει χώρα πυρηνόφιλη προσβολή από το 3'OH της αυξανόμενης αλυσίδας στο εσώτατο άτομο φωσφόρου ενός τριφωσφορικού δεοξυνουκλεοσιδίου· αυτό σχηματίζει φωσφοδιεστερική γέφυρα που προσαρτά ένα νέο νουκλεοτίδιο και απελευθερώνει πυροφωσφορικά.
Οι δύο τύποι αλυσίδων δημιουργούνται ταυτόχρονα κατά την αντιγραφή: η προπορευόμενη αλυσίδα, που συντίθεται συνεχώς και αυξάνεται προς τη διχάλα αντιγραφής και η καθυστερημένη αλυσίδα, που δημιουργείται ασυνεχώς στα θραύσματα του Οκαζάκι και αυξάνεται μακριά από τη διχάλα αντιγραφής. Τα θραύσματα Οκαζάκι είναι ομοιοπολικά ενωμένα με λιγάση DNA για να σχηματίσουν μια συνεχή αλυσίδα.
Στη συνέχεια, για να ολοκληρωθεί η αντιγραφή του DNA, αφαιρούνται οι εκκινητές RNA και τα παραγόμενα κενά αντικαθίστανται με DNA και ενώνονται μέσω λιγάσης DNA.

Αμινοξέα

Μια πρωτεΐνη είναι ένα πολυμερές που αποτελείται από αμινοξέα που συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς. Υπάρχουν περισσότερα από 300 αμινοξέα που βρίσκονται στη φύση, από τα οποία μόνο είκοσι, γνωστά ως τυπικά αμινοξέα, είναι δομικές μονάδες για πρωτεΐνες. Μόνο τα πράσινα φυτά και τα περισσότερα μικρόβια μπορούν να συνθέσουν αμινοξέα και τα 20 τυπικά αμινοξέα που απαιτούνται από όλα τα ζώντα είδη.  Τα θηλαστικά μπορούν να συνθέσουν μόνο δέκα από τα είκοσι τυπικά αμινοξέα. Τα άλλα αμινοξέα, βαλίνη, μεθειονίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, φαινυλαλανίνη, λυσίνη, θρεονίνη και τρυπτοφάνη για ενήλικες καθώς και ιστιδίνη και αργινίνη για μωρά λαμβάνονται από τη διατροφή.

Βασική δομή αμινοξέων

Η γενική δομή των τυπικών αμινοξέων περιλαμβάνει μια πρωτοταγή αμινομάδα, μια καρβοξυλομάδα και τη χαρακτηριστική ομάδα προσδεμένη στον άλφα άνθρακα. Τα διάφορα αμινοξέα ταυτοποιούνται από τη χαρακτηριστική ομάδα. Ως αποτέλεσμα των τριών διαφορετικών ομάδων που προσαρτώνται στον α-άνθρακα, τα αμινοξέα είναι ασύμμετρα μόρια. Για όλα τα τυπικά αμινοξέα, πλην της γλυκίνης, ο α-άνθρακας είναι ένα χειρόμορφο κέντρο. Στην περίπτωση της γλυκίνης, ο α-άνθρακας έχει δύο άτομα υδρογόνου, που προσθέτει συμμετρία σε αυτό το μόριο. Με την εξαίρεση της προλίνης, όλα τα αμινοξέα που βρίσκονται στη ζωή έχουν L-ισόμορφη διαμόρφωση. Η προλίνη έχει μια χαρακτηριστική ομάδα στον α-άνθρακα που σχηματίζει δακτύλιο με την αμινομάδα.

Πηγή αζώτου

Ένα βασικό βήμα στη βιοσύνθεση αμινοξέος περιλαμβάνει την ενσωμάτωση μιας αζωτομάδας στον α-άνθρακα. Στα κύτταρα, υπάρχουν δύο βασικές οδοί ενσωμάτωσης αζωτομάδων. Η μία οδός περιλαμβάνει το ένζυμο οξογλουταρική αμινομεταφοράση της γλουταμίνης (glutamine oxoglutarate aminotransferase)(GOGAT) που αφαιρεί την αμιδική αμινομάδα της γλουταμίνης και την μεταφέρει στο 2-οξογλουταρικό (2-oxoglutarate), παράγοντας δύο γλουταμινικά μόρια. Σε αυτήν την καταλυτική αντίδραση, η γλουταμίνη χρησιμεύει ως πηγή αζώτου. Μια εικόνα που απεικονίζει αυτήν την αντίδραση βρίσκεται στα δεξιά.
Η άλλη οδός ενσωμάτωσης του αζώτου στον α-άνθρακα των αμινοξέων περιλαμβάνει το ένζυμο αφυδρογονάση γλουταμινικού (glutamate dehydrogenase) (GDH). Η GDH μπορεί να μεταφέρει αμμωνία στο 2-οξογλουταρικό (2-oxoglutarate) και να σχηματίσει γλουταμινικό. Επιπλέον, το ένζυμο συνθετάση της γλουταμίνης (glutamine synthetase) (GS) μπορεί να μεταφέρει αμμωνία στο γλουταμινικό και να συνθέσει γλουταμίνη, παρέχοντας γλουταμίνη.

Η οικογένεια της σερίνης των αμινοξέων

Η οικογένεια της σερίνης των αμινοξέων περιλαμβάνει: τη σερίνη, τη κυστεΐνη και τη γλυκίνη. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί και τα περισσότερα φυτά λαμβάνουν το θείο για τη σύνθεση της μεθειονίνης από το αμινοξύ της κυστεΐνης. Επιπλέον, η μετατροπή της σερίνης σε γλυκίνη παρέχει τους απαιτούμενους άνθρακες για τη βιοσύνθεση της μεθειονίνης και της ιστιδίνης.
Κατά τη διάρκεια της βιοσύνθεσης της σερίνης,το ένζυμο φωσφογλυκερική δεϋδρογονάση (phosphoglycerate dehydrogenase) καταλύει την αρχική αντίδραση που οξειδώνει το 3-φωσφο-D-γλυκερικό (3-phospho-D-glycerate) για να παραγάγει 3-φωσφονοοξυπυροσταφυλικό (3-phosphonooxypyruvate). Η παρακάτω αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο αμινομεταφοράση της φωσφοσερίνης (phosphoserine aminotransferase), που μεταφέρει μια αμινομάδα από γλουταμινικό σε 3-φωσφονοοξυπυροσταφυλικό για να παραχθεί L-φωσφοσερίνη. Το τελικό βήμα καταλύεται από το ένζυμο φωσφατάση της φωσφοσερίνης (phosphoserine phosphatase), που αποφωσφορυλιώνει την L-φωσφοσερίνη για να παραχθεί L-σερίνη.
Υπάρχουν δύο γνωστές διαδρομές για τη βιοσύνθεση της γλυκίνης. Οι οργανισμοί που χρησιμοποιούν αιθανόλη και οξικά ως την κύρια πηγή άνθρακα χρησιμοποιούν την οδό της γλυκογένεσης για να συνθέσουν γλυκίνη. Η άλλη οδός της βιοσύνθεσης της γλυκίνης είναι γνωστή ως η γλυκολυτική οδός. Αυτή η οδός μετατρέπει τη σερίνη που συντέθηκε από τα ενδιάμεσα τηςγλυκόλυσης σε γλυκίνη. Στην γλυκολυτική οδό, το ένζυμο υδροξυμεθυλμεταφοράση της σερίνης (serine hydroxymethyltransferase) καταλύει τη διάσπαση της σερίνης για να παραχθεί γλυκίνη και μεταφέρει την διασπασμένη ανθρακική ομάδα  της σερίνης σε τετραϋδροφολικό, σχηματίζοντας 5,10-μεθυλενο-τετραϋδροφολικό (5,10-methylene-tetrahydrofolate).
Η βιοσύνθεση της κυστεΐνης είναι μια αντίδραση δύο σταδίων που περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του ανόργανου θείου. Σε μικροοργανισμούς και φυτά, το ένζυμο ακετυλομεταφοράση της σερίνης (serine acetyltransferase) καταλύει την μεταφορά της ακετυλομάδας από το ακετυλοσυνένζυμο-Α στην L-σερίνη για να παραχθεί Ο-ακετυλο-L-σερίνη (O-acetyl-L-serine). Το παρακάτω στάδιο της αντίδρασης, που καταλύεται από το ένζυμο Ο-ακετυλο σερινη (θειολο) λυάση (O-acetyl serine (thiol) lyase), αντικαθιστά την ακετυλομάδα της O-ακετυλ-L-σερίνης με σουλφίδιο για να παραχθεί κυστεΐνη.

Πρωτεΐνες

Η πρωτεϊνική σύνθεση συμβαίνει μέσω μιας διαδικασίας που λέγεται μετάφραση. Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, γενετικό υλικό που ονομάζεται mRNA διαβάζεται από ριβοσώματα για τη δημιουργία πρωτεϊνικής πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Αυτή η διεργασία απαιτεί tRNA που χρησιμεύει ως προσαρμοστής συνδέοντας αμινοξέα στο ένα άκρο και αλληλεπιδρώντας με mRNA στο άλλο άκρο· η δεύτερη σύζευξη μεταξύ του tRNA και του mRNA διασφαλίζει ότι προστίθεται το σωστό αμινοξύ στην αλυσίδα. Η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα σε τρεις φάσεις: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός. Η προκαρυωτική μετάφραση (Prokaryotic translation) διαφέρει από την ευκαρυωτική μετάφραση (eukaryotic translation)· όμως, αυτή η ενότητα θα εστιάσει κυρίως στις ομοιότητες μεταξύ των δύο οργανισμών.

Η μετάφραση σε βήματα

Όπως προαναφέρθηκε, η μετάφραση λαμβάνει χώρα σε τρεις φάσεις: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.

Βήμα 1: Έναρξη

Η ολοκλήρωση της ενακτήριας φάσης εξαρτάται από τα παρακάτω τρία συμβάντα:
1.Την ένταξη του ριβοσώματος στο  mRNA
2.Τη πρόσδεση του φορτισμένου εκκινητή tRNA στη θέση P του ριβοσώματος
3.Την κατάλληλη στοίχιση του ριβοσώματος με το εναρκτήριο κωδικόνιο του mRNA

Στάδιο 2: Επιμήκυνση

Μετά την έναρξη, η πολυπεπτιδική αλυσίδα επεκτείνεται μέσω αντικωδικονίου: οι αλληλεπιδράσεις του κωδικονίου με το ριβόσωμα προσθέτουν αμινοξέα στην πολυπεπτιδική αλυσίδα ένα τη φορά. Τα παρακάτω βήματα πρέπει να λάβουν χώρα για να εξασφαλίσουν τη σωστή προσθήκη των αμινοξέων:
1.Η πρόσδεση του σωστού tRNA στη θέση A του ριβοσώματος
2.Ο σχηματισμός πεπτιδικού δεσμού μεταξύ του tRNA στη θέση A και της πολυπεπτιδικής αλυσίδας που ενώνεται με το tRNA στη θέση P
3.Η μετατόπιση ή η προώθηση του συμπλόκου tRNA-mRNA κατά τρία νουκλεοτίδια
Η μετατόπιση "κλωτσά" το tRNA στη θέση E και μετατοπίζει το tRNA από τη θέση A στη θέση P, αφήνοντας τη θέση A ελεύθερη για ένα εισερχόμενο tRNA να προσθέσει ένα άλλο αμινοξύ.