Metabolismo vegetal de Carbohidratos

Monosacáridos – OligosacáridosPolisacáridos 2012

CO2 H2O

Captación y Fijación de E. luminosa

Fotosíntesis

Biosíntesis de azúcares

Azúcares formados durante la Fotosíntesis Tipo de Azúcar Cetoheptosa Cetohexosa Aldohexosa Cetopentosa Cetopentosa Aldopentosa Tetrosa Triosa Triosa

Azúcar Sedoheptulosa-7-P Fructosa-6-P Glucosa-6-P Ribulosa-5-P Xilulosa-5-P Ribosa-5-P Eritrosa-4-P Dihidroxiacetona-P Gliceraldehído-3-P

CO2 + H2O

Oligosacáridos UDP-Gluc Polisacáridos

Fotosíntesis

Fructosa-6-P

Fosfoglucosa isomerasa

Ciclo de las Pentosas-P

Glucosa-6-P

Eritrosa-4-P Glicólisis

Compuestos aromáticos

Quinonas

Flavonoides

Lípidos Ác. Grasos Terpenoides y esteroides

Sacarosa Azúcares Otros Ramificados Monosacáridos C, S, OInositol Glicósidos

Ac.Fítico

Ác. Ascórbico

Ác. Pirúvico Ác. Fosfoenol Pirúvico

Ác. Nucleicos Acetil-CoA

Malonil-CoA Ác. Mevalónico

Policétidos Ác. Glutárico Ciclo de Krebs Ác. Succínico

NH3

Proteínas AA

Porfirinas

Alcaloides

Nucleótidos Azúcares (NDPAzúcar) Forma activada de monosacáridos, o ác, urónico derivados de éstos, que actúan como donores en reacciones de transglicosilación para síntesis de Polisacáridos Pirofosforilasa

Azúcar

Fosfato de Azúcar

Sintetasa

Nucleótido de Azúcar

Polisacáridos

UDPGlucosa (Nucleótido Uridin Difosfato de Glu) Estructura y Síntesis

(UTP)

1- UDPG-Pirofosforilasa 2- Pirofosfatasa

(UDPG)

Reacción de transglicosilación

UDP-galactosa

Ác. urónico

3- Sintetasa del azúcar 4- 4-epimerasa

5- Oxido-reductasa 6-Decarboxilasa

Interconversión de azúcares por intervención de Nucleótidos Azúcares (NDPAzúcar) Ej: levaduras y Phaseolus aureus

UDP-Glucosa

UDP-4-ceto-D-Glucosa

UDP-Galactosa

Reducción-Epimerización Ej: hojas de tabaco

UDP-Glucosa

UDP-D-Glucuronato

UDP-D-Xilosa

UDP-4-ceto-6-deoxiglucosa

UDP-L-Ramnosa

UDP-4-ceto-D-Glucuronato

UDP-4-ceto-D-Xilosa

Biosíntesis de Inositol a partir de Glu-6-P Ciclitoles Ej: Phaseolus vulgaris y Sinapis alba

D-Glucosa-6-P Ciclo aldolasa

OH OH OH OH

D-Glucosa-6-P

+ NH4+ - Glu-6-P, Gal-6-P Dihidroxiacetona-P

-Oxidación C5 -Condensación aldólica -Reducción

OH

1-L-mioinositol-1-P Fosfatasa

-Hidrólisis

Mg2+ o Mn2+

Mioinositol oxigenasa

OH OH OH OH

-Oxidación

OH OH

D-Glucuronato Precursor de: -D-Xilosa y L-Arabinosa (pentosas) -Apiosa (monosas ramif)

1-L-mioinositol

Se almacena como hexafosfato: Ác. Fítico (complejos con Ca+2, Mg+2 y K+)

-Galactinol (olig. S. Rafinosa)

-Germinación de las semillas -Períodos de estres nutricional de la planta -Fuente para producción de ác. glucurónico

Metabolismo del Ácido Fítico Reserva de Inositol

Reserva de H de C

Inositol Libre

Procesos oxidativos y gluconeogénesis Inositol Libre

B

Glucosa-6-P

A

Inositol-1-P

E

Inositol-2-P C

Inositol-P2

D

Inositol-1,2-P2 C

Inositol-P3

D

Inositol-P3 C

Inositol-P4

D

Inositol-P4 C

A: inositol-1-P-sintetasa B: inositol quinasa C: fosfoinositol quinasa (Pi a partir de ATP) D: fitasa (desfosforilación) E: inositol-2-fosfatasa

Inositol-P5

D

Inositol-P5 C

Inositol-P6 (Ác. Fítico)

D

Inositol-P6 (Ác. Fítico) Fitina (Sal de Ca+2 y Mg+2)

Constituye una reserva importante de P

Biosíntesis de azúcares ramificados Apiosa- Hamamelosa Apiosa -aislado de una flavona glicósido: apiina, de Perejil

CH=O -Pentosa ramificada en C3 (3-C-hidroximetil aldehído-D-glicerotetrosa) CH–OH HO–CH2–C–OH CH2–OH Biosíntesis UDP-Glucuronato ciclasa

UDP-Gluc deshidrogenasa

UDP-Gluc

UDP-Apiosa

UDP-Glucuronato NAD

NADH

NAD

NADH

CO2

Hamamelosa CH2–OH -ligado glicosídicamente al tanino de Hamamelis -Hexosa ramificada en C2 (2-C-hidroximetil -D-Ribosa) HO–CH2–C–OH CH–OH CH–OH Biosíntesis CH2–OH

cloroplasto

Condensación aldólica de dos moléculas de Gliceraldehído-3-P

Éster fosfórico Fosfatasa

citoplasma

Hamamelosa libre

Biosíntesis del ácido ascórbico

D-Glucosa

D-Galactosa

L-Galactono- 1,4-lactona

Ácido ascórbico

[Ox]

3-oxo-L-gulonolactona

Ácido deshidroascórbico

En uvas y geranios Glucosa (uvas)

Ácido ascórbico

Ácido tartárico + fragmento de 2C

Ác. Oxálico (geranios)

C, S y O Glicósidos Porción No glicosídica (aglicona)

+

Porción Glicosídica (mono u oligosacáridos)

Según el tipo de unión entre la porción aglicona y el azúcar, se clasifican en:

O-Glicósidos C-Glicósidos (Unión C-C)

Glicósidos cianogénicos

Distribución restringida

S-Glicósidos (tioglicósidos)

Glucosinolatos Durrina

Prunasina

(deriv. tirosina)

(deriv. fenilalanina)

Vitexina

Otros

(deriv. flavona)

Glucotropaeolina (deriv. fenilalanina)

Arbutina Rutina

Isotiocianatos tiocianatos nitrilos S elemental

Carbohidratos de Reserva Ciclo Acumulación- Utilización

Solubles

Sacarosa

Disacárido

Oligosacáridos

Derivados de sacarosa por adición de una o varias moléculas de gal, fru o glu:

-Serie de la Rafinosa (sobre la mitad glu, uniones α ) -Serie de la Gentianosa (sobre la mitad glu, uniones β) -Kestosa y panteosa (sobre la mitad Fru)

Insolubles

Polisacáridos -Almidón -Mananos -Xiloglucanos

Metabolismo de la Sacarosa α-Glucosa

β-Fructosa

ESTRUCTURA -Oligosacárido No reductor -Más importante producto de la Fotosíntesis

FUNCIONES -Transporte (Ppal producto de translocación (F)) -Reserva

-Transitoria (Mesófilo de Hojas) -Permanente (Parénquima de reserva, en Vacuolas)

-Fuente inmediata de C -Energética

Biosíntesis de Sacarosa Los niveles de Sacarosa en la planta depende de los mecanismos de degradación y biosíntesis, varían según el vegetal, el momento metabólico de la planta y el órgano de la planta CITOSOL

Vacuola Acumulación SACAROSA

Cloroplasto Fotosíntesis Fijación de C

SACAROSA

Triosas Fosfato

Hexosas Fosfato

Transporte por Floema

La síntesis de sacarosa tienen lugar en multitud de órganos y tejidos, es particularmente intensa en hojas -Tejidos Fotosintéticos: a partir de Triosas Fosfato y Almidón de asimilación. -Tejidos No Fotosintéticos; polisacáridos de reservas como indol, fructosanos

Metabolismo de Sacarosa Sacarosa sintetasa (SS o SuSy) Síntesis

Sacarosa sintetasa (SS o SuSy)

SACAROSA

Sacarosa-6-P-sintetasa (SPS)

Degradación Invertasas

Hidrolasas

Biosíntesis de Sacarosa (Sacarosa Sintetasa) Sacarosa Sintetasa

Fructosa

+

UDP-Glu

Sacarosa

+

UDP

UDP-Glu

+

PPi

Biosíntesis UDP-Glu UDP-Glu pirofosforilasa

Glucosa-1-P

+

UTP

pirofosfatasa

2Pi

Sacarosa Sintetasa - Única enzima totalmente reversible que efectúa transglicosidaciones, que involucran nucleótidos azúcares -Trabaja con nucleótidos de distintas base: UDP Glu, ADP Glu, TDP Glu

-pH óptimo cambia según sentido de la reacción

-Enzima con regulación redox

-Ox: sintetiza -Red: degrada

-Relacionada con el metabolismo y función del floema -Provee precursores para formar polisacáridos de reserva y estructurales (acumulac de almidón, sint. de pared celular ) -Interviene en formación de callosa -Localización: citosol

Biosíntesis de Sacarosa (Sacarosa-6-P-Sintetasa) Sacarosa-6-P-Sintetasa

Fructosa-6-P

+

UDP-Glu

Sacarosa-6-P

+

UDP

Sacarosa fosfatasa

Sacarosa

+

Sacarosa-6-P-Sintetasa Es una enzima con propiedades reguladoras Enzima libre: escasa actividad Activadores: Citrato * α-cetoglutarato Malato Fumarato Glucosa-6-P

Inhibidores: Citrato (bajas [ ]) Sacarosa Fructosa-P Pi

Pi

Degradación de la Sacarosa -Vía reversible: Sacarosa sintetasa Sacarosa Sintetasa

Sacarosa

+

Fructosa

UDP

+

UDP-Glu

Nucleótidos Azúcar Para procesos biosintéticos

α-glucosidasas -Vía irreversible o hidrolítica: Hidrolasa Invertasas

β-fructofuranosidasas Invertasa

Sacarosa

+

H2O

Glucosa

+

Fructosa

Hexosas libres Para procesos metabólicos Translocación de Sac desde Floema

Clasificación de Invertasas Ácidas (pH 3-5,5) pH óptimo Neutras o alcalinas (pH 7-7,5)

Citosólicas Intracelulares localización

Procesos metabólicos

Vacuolares Apoplásmicas

Extracelulares Translocación de Sacarosa desde Floema

de Pared Celular (insolubles)

Permeabilidad de las membranas de las plantas a la sacarosa

Existen plantas cuyas membranas son:

-Permeables a la Sacarosa

Nicotiana tabacum Ricinus communis Solanum tuberosum Daucus carota Beta vulgaris

-Impermeables a la Sacarosa (células deben escindir el azúcar antes de tomarlo)

Saccharum officinarum Canna indica Zea mays (raicillas)

Floema

Sacarosa

Apoplasto

Invertasa apoplásmica Hexosas

Pared Celular

Invertasa de Pared Celular Hexosas

Citosol

Sacarosa

Sacarosa

Sacarosa sintetasa

Invertasa Alcalina Citosólica

Invertasa vacuolar

Hexosas

Fru

+

Glu

Fru

+

UDP-Glu

PPi

Vacuola Hexosa fosfato

Las invertasas atacan:

-C1

y

-β-fructofuranósidos (Fru terminal y preferentemente que forme parte de la sacarosa)

Regulación de las invertasas

-Productos de Reacción -Estrés, lesiones, infecciones

-Luz -Fitohormonas -Temperatura -Inhibidores endógenos

La regulación varía según la especie

Biosíntesis de Oligosacáridos Oligosacáridos de la serie de la Rafinosa Biosíntesis de Galactinol mio-inositol

UDP-Galactosil transferasa UDP-Gal

UDP

Galactinol (1-O-α-D-galacto piranosil-mio-inositol)

Donante de Galactosa en biosíntesis de oligosacáridos de la serie de la Rafinosa

Gal al OH C6 Gluc

Sacarosa Galactinol

Gal (α1-6) a Gal precedente

Rafinosa inositol

Estaquiosa Galactinol inositol

Verbascosa

Galactinol inositol Galactinol inositol

Semillas de leguminosas Cereales Algodón Labiadas

Reserva de H de C Transporte de Carbono Aumenta resistencia al frío

Ajugosa

Polisacáridos Compuestos de peso molucular muy elevado. De 11 a miles de restos de monosacáridos Pueden ser compuestos muy variados pues los monosacáridos pueden enlazar por varios grupos alcohol

Propiedades No son dulces Pueden ser solubles, formar suspensiones colidales (geles) o ser insolubles. Se pueden hidrolizar a monosacáridos Clasificación Por los monosacáridos constituyentes: Homopolisacáridos: mismo tipo de monosacárido repetido Heteropolisacáridos: diferente tipo Por la ramificación de la molécula Lineales: Cada monosacárido dos enlaces glucosídicos a otros Ramificados: Algún monosacárido con más de dos uniones a otros Por su función Estructurales : Forman elementos estructurales de las células o los organismos pluricelulares De reserva: Reserva de monosacáridos De reconocimiento: Identificación celular

Polisacáridos de reserva suelen ser ramificados y se encuentran en citoplasma o vacuolas. Polisacáridos estructurales suelen ser lineales Los polisacáridos de reserva sirven para acumular monosacáridos, generalmnete glucosa, sin aumentar la presión osmótica celular. Suelen ser ramificados para movilizar más rapidamente los restos de monosacárido

La síntesis del almidón comienza con la unión de dos triosas fosfato formando fructosa 2, 6-Bisfosfato. Una fosfatasa (fructosa 1, 6 Bisfosfatasa) elimina uno de los fosfatos formando fructosa 6-fosfato que es isomerizada a glucosa 6-fosfato para pasar después a glucosa 1-fosfato por acción de la ADP glucosa pirofosforilasa; se invierte una molécula de ATP y se obtiene la ADP-Glucosa y pirofosfato que es hidrolizado a fosfato inorgánico por acción de una pirofosforilasa. La ADP-Glu es la unidad que se acaba añadiendo a la cadena en formación por acción de la almidón sintasa. A destacar de esta ruta es:

1/ La unidad estructural para la síntesis es la ADP-Glu. 2/ Dos enzimas constituyen puntos de regulación: - Fructosa 1, 6 Bisfosfatasa. - ADP Glucosa Pirofosforilasa. 3/ En la síntesis de almidón se obtiene fosfato.

La regulación de la síntesis de almidón y sacarosa puede agruparse en torno a dos factores: 1/ Necesidades de la planta. 2/ Enzimas checkpoint + translocador de fosfato + luz. Si el uso de sacarosa es menor que la síntesis de triosas, se desvía para almidón y de ese modo no se disminuye la velocidad de fotosíntesis, la cual puede depender de la velocidad de síntesis de sacarosa si la de almidón está muy reducida.

Enzimas implicadas en la degradación del ALMIDON