Biosinteza

**Biosinteza** je višestupanjski, enzimski – katalizirani postupak, gdje se supstrati pretvara u složenije proizvode u živim organizmima. U biosintezi, jednostavni spojevi se modificiraju, pretvaraju u druge spojeve  ili se spajaju da bi nastale makromolekule. Ovaj proces se često sastoji od metaboličkog puta. Neki od ovih biosintetskih puteva nalaze se unutar jedne ćelijske organele, dok drugi uključuju enzime koji se nalaze unutar više organela. Primjeri ovih biosintetskih puteva uključuju proizvodnju komponenata lipidne membrane i nukleotida. Biosinteza je obično sinonim  sa anabolizmom.

Preduvjetni elementi za biosintezu uključuju: prekursorne spojeve, hemijsku energiju (npr. adenozin-trifosfat (ATP) i katalitske enzime koji mogu zahtijevati koenzime (npr. NADH, NADPH). Ovi elementi stvaraju monomere, gradivne blokove za makromolekule. Neke važne biološke makromolekule uključuju: proteine, koji se sastoje od aminokiselinskih monomera spojenih preko peptidnih veza i molekula DNK, koje se sastoje od nukleotida spojenih preko fosfodiesterskih veza.

## Svojstva hemijskih reakcija 
Do biosinteze dolazi uslijed niza hemijskih reakcija. Da bi se ove reakcije odvijale, potrebni su sljedeći elementi:

* Prekursorski spojevi: su početne molekule ili supstrati u reakciji. Oni se takođe mogu gledati kao reaktanti u datom hemijskom procesu.
* Hemijska energija:  može se naći u obliku molekula visoke energije. Ove molekule su potrebne za energetski nepovoljne reakcije. Nadalje, hidroliza ovih spojeva pokreće reakciju naprijed. Molekule visoke energije, poput ATP, imaju tri fosfata. Često se krajnji fosfat odvoji za vrijeme hidrolize i prenese u drugu molekulu.
* Katalitski enzimi: su molekule posebnih proteina, koji kataliziraju reakciju povećavajući brzinu reakcije i smanjujući energiju aktiviranja .
* Koenzimi ili kofaktori: su molekule koje pomažu u hemijskim reakcijama. To mogu biti ioni metala, derivati vitamina kao što su NADH i acetil CoA ili derivati koji nisu od vitamina poput ATP. U slučaju NADH, molekula prenosi vodik, dok acetil CoA prenosi acetilnu grupu, a ATP fosfat.

U najjednostavnijem smislu, reakcije koje se javljaju u biosintezi imaju sljedeći format:
:

:: Reaktant -> enzim Proizvod 

Neke su varijacije ove osnovne jednadžbe o kojima će kasnije biti više riječi detaljnije:

# Jednostavni spojevi koji se pretvaraju u druge spojeve, obično kao dio reakcijskog puta u više koraka. Dva primjera ove vrste reakcije javljaju se tokom formiranja nukleinskih kiselina i punjenja aminokacilne tRNK sintetaze tRNK prije translacije. Za neke od ovih koraka potrebna je hemijska energija 
#:: {Prekursorna~molekula} + ATP  {produkt~AMP} + PP_i
#Jednostavni spojevi koji se uz pomoć kofaktora pretvaraju u druge spojeve. Naprimjer, za sintezu fosfolipida potreban je acetil CoA, dok za sintezu druge membranske komponente, sfingolipida, potrebni su NADH i FADH za formiranje okosnice sfingozina. Općenita jednadžba za ove primjere je:
#:: {Prekursorna~molekula} + Kofaktor ->[][enzim] makromolekula 
# Jednostavni spojevi koji se udružuju, stvarajući makromolekulu. Naprimjer, masne kiseline se spajaju da bi stvorile fosfolipide. Zauzvrat, fosfolipidi i holesterol međusobno djeluju nekovalentno kako bi formirali lipidni dvosloj. Ova reakcija može se prikazati na sljedeći način:
#:: {Molekula~1} + Molekula~2 -> Makromolekula 

## Lipidi
270x260px|thumbnail|left|Lipidni membranski dvosloj
Mnogo zamršenih makromolekula sintetizira se u uzorak jednostavnih, ponovljenih struktura. Naprimjer, najjednostavnije strukture lipida su masne kiseline. One su derivati ugljikovodika; sadrže karboksilnogrupnu **glavu** i ugljikovodični lanac **rep**. Ove masne kiseline stvaraju veće komponente, koje zauzvrat uključuju nekovalentne interakcije da bi stvorile lipidni dvosloj.

### Fosfolipidi 
Temelj svih biomembrana sastoji se od dvoslojne strukture fosfolipida. Molekula fosfolipida je amfipatijska; sadrži hidrofilnu polarnu glavu i hidrofobni nepolarni rep.  Fosfolipidne glavice međusobno djeluju sa vodenim medijima, dok se repovi ugljikovodika orijentiraju u centar, dalje od vode. Ove posljednje interakcije pokreću dvoslojnu strukturu koja djeluje kao barijera za ione i molekule.

Postoje razni tipovio fosfolipida; shodno tome, putevi njihove sinteze se razlikuju. Međutim, prvi korak u sintezi fosfolipida uključuje stvaranje fosfatidata ili diacilglicerol 3-fosfata na endoplazmatskom retikulumu i vanjskoj mitohondrijskoj membrani Put sinteze nalazi se u nastavku:
center|frameless|center|663x663px | Sinteza fosfatidne kiseline
Put započinje glicerol 3-fosfatom, koji se pretvara u lizofosfatidat, dodavanjem lanca masnih kiselina koji pruža acil koenzim A. Zatim se lizofosfatidat pretvara u fosfatidat, dodavanjem drugog lanca masnih kiselina, koji doprinosi drugi acil CoA; sve ove korake katalizira enzim glicerol fosfat aciltransferaza. Naprimjer, sfingomijelin je dio mijelinske ovojnice nervnih vlakana. Biosintetski put sfingozina nalazi se ispod:
760x780px|frameless|center| Sinteza sfingozina
Kao što slika označava, tokom sinteze sfingozina, palmitoil CoA i serin prolaze kroz reakciju kondenzacije što rezultira stvaranjem dehidrosfingozina. Temelj svih biomembrana sastoji se od dvoslojne strukture fosfolipida.

### Holesterol
Ovaj lipid pripada klasi molekula zvanih steroli.

Holesterol se sintetizira iz acetil CoA. Nukleotidi su gradivni blokovi DNK i RNK. Sastoje se od peteročlanog prstena formiranog od šećera riboze u RNK i dezoksiriboze u DNK; ovi šećeri su povezani sa purinskom ili pirimidinskom bazom  glikozidnom vezom i fosfatnom  grupom na 5' lokaciji šećera.  Daljom enzimskom modifikacijom, IMP-a nastaju adenozinske i gvanozinske baze nukleotida.

# Prvi korak u biosintezi purina je reakcija kondenzacije, koju izvodi glutamin-PRPP amidotransferaza. Ovaj enzim prenosi amino grupu iz glutamina u PRPP, formirajući 5-fosforibozilamin. Sljedeći korak zahtijeva aktiviranje glicina dodavanjem fosfatne grupe iz adenozin-trifosfata (ATP).
# GAR sintetaza kondenzira aktivirani glicin na PRPP, formirajući glicinamid-ribonukleotid (GAR).
# GAR transformilaza dodaje formil grupu na amino grupu GAR, formirajući formilglicinamid-ribonukleotid (FGAR).
# FGAR amidotransferaza   katalizira dodavanje dušične grupe u FGAR, formirajući formilglicinamidin-ribonukleotid (FGAM).
# FGAM ciklaza katalizira zatvaranje prstena, što uključuje uklanjanje molekule vode, formirajući 5-člani 5-aminoimidazol ribonukleotida (ZRAK).
# N5-CAIR sintetaza prenosi karboksilnu grupu, formirajući intermedijarni N5-karboksiaminoimidazol-ribonukleotid (N5-CAIR).
# N5-CAIR mutaza preuređuje funkcionalnu grupu karboksila i prenosi je na imidazolni prsten, formirajući karboksiamino-imidazol ribonukleotid (CAIR). Dvostepeni mehanizam nastanka CAIR iz AIR-a uglavnom se nalazi kod jednoćelijskih organizama. Viši eukarioti sadrže enzim AIR karboksilazu, koja prenosi karboksilnu grupu direktno u AIR imidazolni prsten, formirajući CAIR.
# SAICAR sintetaza formira peptidnu vezu između aspartata i dodane karboksilne grupe imidazolskog prstena, formirajući ribonukleotid (SAICAR).
# SAICAR liaza uklanja ugljični skelet dodanog aspartata, ostavljajući amino grupu i formirajući 5-aminoimidazol-4-karboksamid ribonukleotid (AICAR).
# AICAR transformilaza prenosi karbonilnu grupu u AICAR, formirajući N-formilaminoimidazol-4-karboksamid ribonukleotid (FAICAR).
# Posljednji korak uključuje enzim IMP sintaza, koji izvodi zatvaranje purinskog prstena i stvara međuprodukt inozin-monofosfata.
# Prvi korak uključuje enzim karbamoil fosfat sintaza, kombinirajući glutamin sa CO2 u reakciji zavisnoj od ATP-a, da nastane karbamoil-fosfat.
# Aspartat karbamoiltransferaza kondenzira karbamoil-fosfat sa aspartatom da bi se dobio uridosukcinat.
# Dihidroorotaza izvodi zatvaranje prstena, reakciju koja gubi vodu, da bi se formirao dihidroorotat.
# Dihidroorotat-dehidrogenaza, smještena unutar unutrašnje membrane mitohondrija, oksidira dihidroorotat u orotat.
# Orotat fosforibozil hidrolaza (OMP pirofosforilaza) kondenzira orotat sa PRPP da bi se formirao orotidin-5'-fosfat.
# OMP dekarboksilaza katalizira konverziju orotidin-5'-fosfata u UMP.

Nakon sinteze baze uridinskog nukleotida, sintetiziraju se ostale baze, citozin i timin. Biosinteza citozina je reakcija u dva koraka, koja uključuje konverziju UMP u UTP. Dodavanje fosfata na UMP katalizira enzim kinaza. Enzim CTP-sintaza katalizira sljedeći reakcijski korak: pretvaranje UTP u CTP, prenošenjem amino grupe iz glutamina u uridin; ovo formira citozinsku bazu CTP. Mehanizam koji prikazuje reakciju UTP + ATP + glutamin ⇔ CTP + ADP + glutamat je:

410x250px|frameless|right|Reakcija timidilat sintaze: dUMP + 5,10-metilenetetrahidrofolat ⇔ dTMP + dihidrofolat
480x250px|frameless|center| Mehanizam Ctp sintaze: UTP + ATP + glutamin ⇔ CTP + ADP + glutamat
Citozin je nukleotid koji je prisutan i u DNK i u RNK. Međutim, uracil se nalazi samo u RNK. Stoga se nakon sinteze UTP mora pretvoriti u deoksi oblik da bi se uklopio u DNK. Ova konverzija uključuje enzim ribonukleozid trifosfat-reduktazu. Na ovu reakciju koja uklanja 2'-OH šećera riboze radi stvaranja deoksiriboze ne utiču baze vezane za šećer. Ova nespecifičnost omogućava ribonukleozid-trifosfat reduktazi pretvarati nukleotid-trifosfate u deoksiribonukleotid, po sličnom mehanizmu.

Za razliku od uracila, timinske baze se uglavnom nalaze u DNK, a ne u RNK. Ćelije obično ne sadrže timinske baze koje su povezane sa šećerima riboze u RNK, što ukazuje da one sintetišu samo timin vezan za deoksiribozu. Enzim timidilat-sintetaza odgovoran je za sintezu ostataka timina iz dUMP u dTMP. Ova reakcija prenosi metil grupu na bazu uracil dUMP-a da bi se stvorio dTMP. Reakcija timidilata sintaze, dUMP + 5,10-metilenetetrahidrofolat ⇔ dTMP + dihidrofolat , prikazano je desno.

## DNK
240x250px|framed|right|Kako se DNK-polimeraza kreće u smjeru od 3' do 5' duž lanaca matrice, ona sintetizira novi poulanac u smjeru 5 'do 3'
Iako postoje razlike između eukariotske i prokariotske sinteze DNK, sljedeći odjeljak označava ključne karakteristike replikacije DNK koje dijele obje grupe organizama.

DNK se sastoji od nukleotida koji su spojeni fosfodiesterskim vezama. Sinteza DNK, koja se odvija u jedru, je polukonzervativni proces, što znači da rezultirajuća molekula DNK sadrži jedan izvorni polulanac iz matične strukture i novi polulanac DNK. Sintezu DNK katalizira porodica DNK-polimeraza koja zahtijeva četiri dezoksinukleozid-trifosfata, lanac šablon i prajmere sa slobodnim 3'OH, koji ugrađuju.

Da bi došlo do replikacije DNK, stvara se replikacijska viljuška enzimima zvanim helikaze, koji odmotavaju spiralu DNK.

Sintezu DNK inicira RNK-polimeraza primaza, koja stvara RNK prajmer sa slobodnim 3'OH.  Samo zelene biljke i većina mikroba mogu sintetizirati svih 20 standardnih aminokiselina, koje su potrebne svim živim vrstama. Sisari mogu sintetizirati samo deset od dvadeset standardnih aminokiselina. Ostale aminokiseline, valin, metionin, leucin, izoleucin, fenilalanin, lizin, treonin i triptofan za odrasle i histidin i arginin za bebe dobijaju se hranom.

### Osnovna struktura aminokislina
left|190x70px|frame|L-aminokiselina 
Opća struktura standardnih aminokiselina uključuje primarnu amino karboksilnu i karboksilnu grupu vezane za a-ugljik. Funkcionalne grupe identificiraju različite aminokiseline. Kao rezultat tri različite grupe povezane sa α-ugljikom, aminokiseline su asimetrične molekule. Za sve standardne aminokiseline, osim glicina, α-ugljik je hiralni centar. U slučaju glicina, α-ugljik ima dva atoma vodka, čime molekuli daje simetriju. Osim prolina, sve aminokiseline pronađene u životu imaju L-izoformne konformacije. Prolin ima funkcionalnu grupu na α-ugljiku, koja tvori prsten sa amino grupom.

## Proteini
[200x200px|framed|right|Antikodon [tRNK stupa u interakciju s iRNK kodonom, kako bi vezao aminokiselinu za rastući polipeptidni lanac.]]200x200px|framed|right|Proces električnog punjenja tRNK

Sinteza proteina se događa putem procesa koji se naziva translacija.  During translation, genetic material called mRNA  is read by ribosomes to generate a protein polypeptide chain.  Specifična tRNK-sintetaza odgovorna je za prepoznavanje i punjenje određene aminokiseline. Nadalje, ovaj enzim ima posebna područja razlikovanja kako bi se osiguralo pravilno vezanje između tRNK i njoj srodnih aminokiselina. Prvi korak za pridruživanje aminokiseline odgovarajućoj tRNK je stvaranje aminoacil-AMP-a:

: {Aminokiselina} + ATP  {aminoacil-AMP} + PP_i

Nakon toga slijedi prijenos aminoacilne grupee iz aminoacil-AMP u molekulu tRNK. Rezultirajuća molekula je aminoacil-tRNK:

: {Aminoacil-AMP} + tRNK  {aminoacil-tRNK} + AMP

Kombinacija ova dva koraka, koja oba katalizira aminoacil tRNK-sintetaza, stvara nabijenu tRNK, koja je spremna za dodavanje aminokiselina u rastući polipeptidni lanac.

Pored vezanja aminokiseline, tRNK ima i tri nukleotidne jedinice zvane antikodonske koja uparuju baze sa specifičnim nukleotidnim tripletima na iRNK zvanim kodoni; kodoni kodiraju određenu aminokiselinu.  Ova interakcija je moguća zahvaljujući ribosomima, koji služe kao mjesto za sintezu proteina. Ribosom ima tri vezna mjesta za tRNK: aminoacilno mjesto (A-mjesto), peptidilno mjesto (P-mjesto) i izlazno mjesto (E-mjesto).

Brojni su kodoni unutar transkripta iRNK, a vrlo je često da aminokiselinu specificira više od jednog kodona; ovaj se fenomen naziva degeneracija koda. Sveukupno postoje 64 kodona, 61 svaki kod za jednu od 20 aminokiselina, dok preostali kodoni određuju prekid lanca.

1. Vezanje ispravne tRNK na A mjesto ribosoma;

2. Stvaranje peptidne veze između tRNK na A-mjestu i polipeptidnog lanca vezanog za tRNK na P-mjestu;

3. Translokacija ili povećanje tRNK-iRNK kompleksa za tri nukleotida.

Translokacija "pokreće" tRNK na E-mjestu i prebacuje tRNK s A-mjesta na P-mjesto, ostavljajući A-mjesto slobodno za dolazeću tRNK da doda još jednu aminokiselinu.

#### Treči korak: Terminacija
Posljednja faza translacije događa se kada stop kodon uđe na A-mjesto  Zatim se događaju sljedeći koraci: 
1. Prepoznavanje kodona pomoću faktora oslobađanja, što uzrokuje hidrolizu polipeptidnog lanca iz tRNK koji se nalazi na P-mjestu 
 
2. Oslobađanje polipeptidnog lanca ;

3. Disocijacija i "recikliranje" ribosoma za buduće procese translacije 

Tabela sažetka ključnih aktera u translaciji nalazi se u nastavku:

## Također pogledajte
* Lipidi
* Fosofolipidni dvosloj
* Nukleotidi
* DNK
* Replikacija DNK
* Proteinogena aminokiselina
* Kodonska tablica
* Prostaglandin
* Lipidni dvosloj
* VitaminB12

## Reference
## Vanjski linkovi

Kategorija:Biohemija
Kategorija:Metabolizam
Kategorija:Biohemijske reakcije