CATABOLISMO DE CARBOHIDRATOS

UNFV / FIIS Catabolismo de Carbohidratos

MICROBIOLOGIA I

FERMENTACION DE LA GLUCOSA POR LA VIA DE

ENTNER – DOUDOROFF (Zymomonas mobilis)

Glucosa Glucosa – 6 – P

NADPH2ATP ADP

HOO1C –

2C –

3C –

4C –

5C –

6CH 2O ~ P

OH H OH OH

H HOH H

HOOC – C – CH2 – C – C – CH 2O ~ P

OH OH

O H H

H2O

6 – P – gluconato

=

4CHO –

5C –

6CH2O ~ P

OH

HOO1C –

2C –

3CH3=

O

2CHO –

3CHO3

1CO2

NADPH2

NADP

Acetaldehido

2CH2OH –

3CH3

Etanol

H

COOH – C – CH3 + 2ATP + NADH2=

O

3 – P - gliceraldehido

Glicolisis

5CHO –

6CHO3

4CO2

NADPH2

NADP

Acetaldehido

5CH2OH –

6CH3

Etanol

Piruvato5

6

5

6

4

3

2

1

1 Glucoquinasa

2 Glucosa – 6 – P - deshidrogenasa

3 Deshidrasa

4 XDPE aldolasa

5 Carboxilasa

6 Alcohol - deshidrogenasa

2 - ceto – 3 – desoxi – 5 – P - glucanato

(KDPG)

Piruvato


MICROBIOLOGIA I

OXIDACION COMPLETA DE LA GLUCOSA

1.*) Glicolisis (via de Embden-Meyerhof)

A.- Tronco comun

C5 C5—di--P

+2ATP

C3

Triosa-P

C3

Triosa-P

C3+2ATP

Piruvato

C3+2ATP

Piruvato

B.- Fermentacion homolactica

2 NADH3 + 2 Piruvato Lactato + 2 NAD

C.- Fermentacion alcoholica (levadura)

Etanol + 2 CO2 + 2 NAD2 NADH3 + 2 Piruvato

2.*) Via de las pentosasfosfato (Fermentacion heterolactica)

C5 C5—P

+2ATP

NADH

NADH2

NADPH2

C2

C3-P

C3 – P

Triosa-P

C3 – P

-Acetil-P

C3+2ATP

Lactato

C2

Etanol

+2NADPH2

3.*) Via del 2-ceto-3-desoxigluconato

(Entner y Doudoroff)

C5 C5—P

+ATPNADPH2

C3 – P

Triosa-P

C3

Piruvato

C3+2ATP

Lactato

CO2

+NADPH2C2

C2

Etanol

Ganancia

neta de

ATP por

mol de

glucosa

Enzima

caracteristica

2

1

1

Pentulosa-

fosfocetolasa

KDPG-

aldolasa

Piruvicorreduc-

tasa

Carboxilasa

Id.

Id.

Aldolasa

Resumen sinoptico de la glucólisis y de sus alternativas.


MICROBIOLOGIA I

GLUCOLISIS

GLUCOSA

HEXOQUINASAATP

ADP

GLUCOSA 6 - FOSFATO

FRUCTUOSA 6 - FOSFATO

FOSFOGLUCOSA

ISOMERASA

ATP

ADP

FRUCTUOSA 1,6 DIFOSFATO

ALDOLASA

TRIOSA FOSFATO ISOMERASA

D: HIDROXIACETONA

FOSAFATO

GLICERALDEHIDO

3 - FOSFATO

NAD+

+ Pi

NADH + H

1,3 - DIFOSFOGLICERATO

ADP

ATP

3 - FOSFOGLICERATO

2 - FOSFOGLICERATO

FOSFOENOL PIRUVATO

ADP

ATP

PIRUVATO

Consumo y Generacion de ATP en la Glucolisis

Glucosa a Glucosa 6 fosfato

Fructosa 6 fosfato a Fructosa 1-6 difosfato

2(1,3 difosfoglicerato) a fosfogli.)

2 Fosfoenolpiruvato a 2 piruvato

En presencia de O2

NADH = 3 ATP x 2 piruvatos = 6

-1

2

6 + 2 = 8

-1

2

GLICERALDEHIDO 3-

FOSFATO

DESHIDROGENASA

FOSFOGLICERATO

QUINASA

FOSFOGLICERATO

MUTASA

ENOLASA

PIRUVATO QUINASA

FOSFOFRUCTO

QUINASA

H2O


MICROBIOLOGIA I

LOS CAMINOS METABOLICOS DE LOS CARBOHIDRATOS

Glucosa Glucosa-6-P

ATP ADP

Fructosa-6-P

ATP ADP

Fructosa-1.6-Difosfato

2(Gliceraldehido)-3-P) Dihidroxiacetona-P

2NAD

2NADH

Pi

2(1.3-Difosfoglicerato)

2ADP

2ATP

2(3-P-Glicerato)

2(2-P-Glicerato)

2H2O

2(Fosfoenolpiruvato)

2NADH

2NAD

2 Etanol

2 Acetaldehido

2NADH

2NAD2 Lactato

2ADP2ATP

2 Piruvato

2CO2


MICROBIOLOGIA I

FERMENTACION ALCOHOLICA POR LA LEVADURA

a) Se inicia con la glucólisis.

b) Aceptor final de e-s no es piruvato, sino acetaldehído (se descarboxila)

c) Ez. Carboxilasa – COEZ: CARBOXILASA – TPP

CH2OH CH2

C=O

COOH

CO2

+Mg

CHO

NADH2 NAD

CH2OH

Alcohol

Deshidrogenada

CH2

CH2

TOTAL 2 ETANOL + 2 CO2 + 2 ATP

2 ATP/MOL. GLUC. FERMENTADA

FORMACION DE GLICERINA (LEVADURAS) Ph 5 – 6

GLUCOSA GLICEROL + CO2 + Acetaldehido – HSO3

Aceptor final de e-s GN ATP Nula

+ SO3

CH2OH

C=O

CH2O2P

NADH2 NAD

Alcohol

Deshidrogenada

CH2OH

CHCH

CH2O2P

CH2OH

CHOH + Pi

CH2O2P

+H2O

Fosfatasa

IHIDROXI

ACETONA – P L – α – Glicerol – p Glicerol

(REOXIDAALNAD)


MICROBIOLOGIA I

FERMENTACION HETEROLACTICA DE LA GLUCOSA POR LA VÍA DE

LAS PENTOSASFOSFATO

Glucoso Glucoso -B-P

ATP ADP

NADPH2

HOOC C C C C CH2 0 -P

OH OH OH OH

1 2 3 4 5 6

H OH H H

6 - P gluconato

NADPH2

1

2

3

CO2

1

CH2CH C C C CH2 0 -P

2 3 4 5

O H H

OH OH8

OH

CH2 0 -P

OH OH

Ribuloso - 5-P 4 Ribuloso – 5 - P

CH2OH C C C

H OH

CH2 0 -P

O OH HXifulosa - 5-P

+ PiH2O5

2CH3

2C O -P

O

+NADPH2Pi

CH3 CHO

7+NADPH2

2CH3

3CH2OH

Aceptil - P

Actioldehido

Etanol

CHO C

OH

CH2 O - P

H

J-P-gliceraldehido

4COOH

3CHOH

2CH2 + 2 ATP

Loctato

6

1) Glucoquinasa 3) 6-P-gluconato-deshidrogenasa 5) Pentulosa Fosfocetolasa

2) Glucosa-6-P-des- 4) Fosfocetopentosa Isomerasa 6) Acetaldehído

. hidrogenasa deshidrogenada

8) Ribosa-5-P-isomerasa


MICROBIOLOGIA I

VIA PENTOSA

30% glucosa que entra

Glucosa 6P

3NADPH + H+

6 Fosfoglucono

Lactona6 Fosfogluconato

3NA

descarboxilasa

(3) Ribulosa 5 – P cetosa

Ribulosa 5P

isomerasa

1 ribosa

2 xilulosa

1 xilulosa

Seudoheptulosa

7P

Fructuosa 6P + gliceraldehido 3P

transaldolasa

Gliceraldehido 3P

Fructuosa 6P + eritrosa 4P

6 Fosfoglucono Lactona

+

3 Glucosa 6P à 3 CO2 + 2 fructuosa 6P + 1 Gliceraldehido 3P + 6 NADPH


MICROBIOLOGIA I

Glucogeno

Glucogénesis

Glucosa 1P

Glucosa 6P

Via pentosas

Ribulosa 5P

Hexosa Monofosfato

GlicolisisGlucosas

Piruvato

ADP + Pi

Ciclo de Krebs

Fosforilacion

oxidativa

ATP

CO2 H2O

Glucogénesis


MICROBIOLOGIA I

BIOSINTESIS DEL GLUCOGENO (GLUCOGENOGENESIS) La biosíntesis del glucogeno consiste en la adicion sucesiva de restos de glucosa, utilizando una molécula donadora d restos de glucosa: la UDP – glucosa. Se precisa la participación de tres ezimas diferentes para sintetizar glucogeno:

1) UDP – glucosa pirofosforilasa (glucosa – 1 – P uridil transferasa) 2) Glucogeno sintasa 3) Enzima ramificante del glucogeno

1) UDP – glucosa pirofosforilasa: Cataliza la reacción de síntesis de la UDP – glucosa. El Gº es prácticamente cero, por lo que la reacción es perfectamente reversible.

Glucosa – 1 – P + UTP UDP – glucosa + PPi

Al estar acoplada a la hidrólisis del pirofosfato, la reaccio transcurre siempre en sentido de la síntesis de UDP – glucosa.

Reacción Gº (kcal/mol)

a) Glc-1-P+UTP <---------------------> UDP-glc+Ppi 0

b) H2O + Ppi <-----------------------> 2Pi -6,9

Reacción sumaria:

Glc-1-P + UTP + H2O --------------->DP-glc + 2Pi -6,9

2) Glucogeno sintasa En esta reaccio, el resto glicosidico (glucosa) de la UDP – glucosa es transferido al grupo OH del C4 de uno de los extremos no reductores del glucogeno, para formar un enlace α (1-4) UDP-glucosa + (glucosa)n à UDP + (glucosa)n+1, Gº = -3.0 kcal/mol Esta enzima necesita una molécula cebadora para poder actuar, un oligómero de glucosas unidas en α (1-4). Esta funcion cebadora la realiza una proteina, la glucogenina (37 Kda), portadora de un oligosacarido con 4 a 7 restos de glucosa unidas en α (1-4). El glucogeno sintasa solo es eficaz si esta unida a la glucogenina 3) Enzima ramificante del glucogeno Esta enzima se encarga de añadir; cada 7 a 12 residuos en la cadena, una ramificacion en α (1-6), gracias a su actividad glucosil (1-6) transferasica.


MICROBIOLOGIA I

ENERGETICA DEL ALMACENAMIENTO DE GLUCOSA EN FORMA DE GLUCOGENO

Las reacciones implicadas son las siguientes:

Glucosa - 6 -P <----------------------> Glucosa - 1 - P

Glc-1-P+UTP <---------------------> UDP-glc+Ppi

Ppi + H2O ---------------------------------> 2 Pi

(glucosa)n + UDP - glucosa ----------> (glucosa)n+1 + UDP

UDP + ATP --------------------> UTP + ADP

Reacción sumaria:

Glucosa - 6 - P + ATP + (glucosa)n + H2O -------> (glucosa)n+1 + ADP + 2Pi

Principal: Metabolismo de hidratos de carbono. Glicolisis. Transformación de glucosa en piruvato. Participan 10 enzimas y la secuencia de reacciones es la misma para todos los organismos, las diferencias estan en la regulación de los enzimas y el destino del piruvato. Cualquier celula la degrada de 2 maneras:

- Fermentación: la glucosa no se degrada completamente porque no se oxida sino que se crean 2 moleculas mas pequeñas (de 3 carbonos). Se crea lactato en la fermentación lactica y etanol en la alcoholica. La fermentación no requiere oxigeno. G < 0 = -217 KJ/mnol.

- Degradacion completa hasta CO2 Se necesita la ayuda del O2: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 G < 0 = -2810 KJ/mol


MICROBIOLOGIA I

DEGRADACION DEL GLUCOGENO (GLUCOGENOLISIS)

La degradacion a glucosa disponible metabolitamente (glc-6-P) precisa de la accion combinada de tres enzimas diferentes:

1) Glucogeno fosforilasa 2) Enzima desramificante del glucogeno 3) Fosfoglucomutasa

1) Glucogeno fosforilasa: Cataliza la denominada escisión fosforolitica, que consiste en la salida secuencial de restos de glucosa desde el extremo no reductor, segunda reacción:

(glucosa)n + Pi <--------> (glucosa)n+1 + glucosa - 1 – P Esta reacción es muy ventajosa para la celula, en comparación con una de hidrólisis. La enzima posee PLP como coenzima, que interviene en el mecanismo de catalisis. 2) Enzima desramificante del glucogeno: El glucogeno fosforilasa no puede escindir los enlaces O-glicosidicos en α-(1-6). La enzima desramificante del glucogeno posee dos actividades. α-(1-4) glucosil transferásica que TRASFIERE cada unidad de trisacarido al extrtemo no reductor, y α-(1-6) glicosidasica que HIDROLIZA el resto de glucosa unido en α-(1-6) 3) Fosfoglucomutasa: Se encarga d transformar la glucosa-1-P en glucosa-6-P. Esta reacción, perfectamente reversible, transcurre mediante un mecanismo en el se origina glucosa-1,6-bis-fosfato.

glucosa – 1 – P <--------> glucosa – 6 – P


MICROBIOLOGIA I

MECANISMOS DE HIDRÓLISIS DEL ALMIDON POR AMILASAS

X

X

X

X

Extremo reductor

α - Amilasa

Glucosamilasas

Pululanasas

isomilasas

β - amilasas

X


MICROBIOLOGIA I

Enzima desramificada

(actividad transferasa)


(actividad glucosidasa)

H2O

Glucosa

Glucogeno

fosforilasa

DEXTRINA LIMITE: es una molecula de glucogeno que ha sido degradada

hasta el limite por las ramificaciones.


MICROBIOLOGIA I

AlmidonEnlaces α – 1,4

Enlaces α – 1,4

Enlaces α – 1,4

Enlaces α – 1,6

Glucogeno (α – 1,4 con ramificaciones en α – 1,6)

Celulosa (enlaces β – 1,4)


MICROBIOLOGIA I

RESPIRACION CELULAR

La respiración celular se lleva a cabo en las mitocondrias, cuya estructura es parecida a la del citoplasto, refleja la compartamentalizacion de las reacciones que ahí ocurren. La membrana interna separa el compartimiento interno, que contienen las enzimas solubles de la matriz del compartimiento intermenbranoso (que se encuentra entre las membranas internas y externas). La parte inferior del diagrama resume los seis pasos esenciales en el metabolismo de la glucosa, desde la glucólisis inicial en el citosol hasta el transporte final de ATP fuera de las mitocondrias y dentro del citosol.


MICROBIOLOGIA I

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2 CH2OH

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

CH

Lugares de ataque de la β-amilosa

Lugares de

síntesis enzima

Dextrinas limite

Lugares de ataque de la Fosforilasa

Terminación

no reductora

Puntos de ataque de la α-amiloglucosidasa Terminación

reductorn

Puntos de ataque de los distintos enzimas amiloliticos en una molécula de amilopectina

Puntos de ataque de la

α-amilasa


MICROBIOLOGIA I

VIA DE LA GLUCOGENESIS Y GLUCOGENOLISIS EN EL HIGADO

Glucogeno (Unidades Glucosilo (1-4) y (1-6))

Enzima Ramificante

Unidades Glucosilo (1-4)

UDP

Glucogeno

―Primordial‖Glucogeno

sintetasa

A la via del

Acido UrónicoDifosfato de

Uridina y

Glucosa

UDP GIC Pirofosfontasa

Insulina

AM Pc Fosforilasa

Pi

Glucosa Liberada por la


Glucano

Transferaza

Enzima

Desramificadora

Glucosa 1 – Fosfato

PPi

2PiTrifosfato

de Uridina

(UTP)Mg

++Fosf. glucomutasa

Glucosa 6 - Fosfato

ATP ADPNucleosido de

Difosfocinasa

Glucosa 6 - Fosfato Glucocinasa

H2O

Pi

ADP

ATP

A la derivacion de la

Hexosa Monofosfato

Glucagon

Adrenalina

+

+

Estimulacion

Inhibicion


MICROBIOLOGIA I

a) Fermentacion acida mixta (por ejemplo, Eschericha coli)

Glucosa Piruvato

Glucolisis

Lactato

CO2

Succinato

Etanol

Acetato

Acetil ~ CoA

Formiato

CO2

H2

+

b) Fermentación del butanodiol (por ejemplo, Enterobacter)

Glucosa Piruvato

Glucolisis

Lactato

Etanol

Succinato

Acetato

CO2 + H2

2,3 – Butanodiol + CO2

Productos tipicos (cantidad molar)

Acidico : neutro

4 : 1CO2 : H2

1 : 1

Productos tipicos (cantidad molar)

Acidico : neutro

1 : 6CO2 : H2

5 : 1

Distacion entre fermentacion acida mixta y butanediol en bacterias entéricas. Las flechas en negrita indican

reacciones que conducen a los productos principales. Las flechas discontinuas indican productos menores.


MICROBIOLOGIA I

Etanol

Acetaldehido

Acetato

CAT

CR CO2

2H

2H

NAD Cit c553 Cit Ox O2

CAT: ciclo de los ácidos tricarboxilicos o de Krebs

CR: cadenas respiratorias

Cit Ox: citocromo oxidasa

Acetobacter

Etanol

Acetaldehido

Acetato

2H

2H

Cit c553 Cit Ox O2

Gluconobacter

½ O2

H2O

Oxidacion del etanol en Acetobacter y Gluconobacter. Nótese que Glucobacter no

requiere la participacion del NAD+


MICROBIOLOGIA I

O

OH

C6H12O6

H

HOHHO

CH2OH

Glucosa

ADP . Pi

2CH3 – CO - COOH

Acido piruvico NAD(P)H NAD(P)-

Bios

inte

sis

ende

rgon

icas

fofo

rilac

ion

de la

s he

xosa

s

ATP

- asa

Productos finales de la fermentacion

CH3 – CH2OH (Etanol)

CH3 – CH2 – CH2OH (Butanol)

CH3 – CO – CH3 (Acetona)

CH3 – CHOH – CH3 (Isopropanol)

CH3 – CO – CHOH – CH3 (Acetoina)

HCOOH (Acido fórmico)

CH3 – COOH (Acido Acético)

CH3 – CHOH – COOH (Acido Lactico)

CH3 – CH2 – COOH (Acido Propionico)

CH3 – CH2 – CH2 – COOH (Acido Butírico)

HOOC – CH2 – CH2 – COOH (Acido succínico)

CO2 (Dioxido de carbono)

H2 (Hidrogeno)

CH4 (Metano)


MICROBIOLOGIA I

ASIMILACION Y DESAMILIZACION DE GLUCOSA Y GALACTOSA

PTS PTS PermeasaPermeasa

Galactosa Lactosa Lactosa

LactosaLactosa

Exterior

Interior

Gal-GP

Tag-GP

Gal-GP Isomerasa

Tag-GP Kinasa

Tag-GP

Fosfo β - galactosidasa β - galactosidasaGlucosa

Glc-GP

Galactosa

Galactosa

Glc-IP

Gal-IP

Triosa-3P

Piruvato

Eru-1 GP

Via Tagatosa-GP Via LeloirGlicolisis


MICROBIOLOGIA I

Galactocinasa

ATP ADP

Galactosa

UDP GlucosaUTP

PP

Glucosa – 1 - fosfato

1 2

UDP - Galactosa

Epimerasa

Enzima que empieza a

funcionar algunos años

despues del nacimiento

Enzima presente en el

nacimiento pero ausente

en la galactosemia

Galactosa – 1 - P

UDP - Galactosa

La conversión de la galactosa en glucosa. El mecanismo de la derecha, que deberia estar presente en el momento del nacimiento, es el que no

funciona en la galactosasemia congénita.


MICROBIOLOGIA I

CH2 -CHOH -COOH

Lactato

NAD+ NAD+H+

CO2 HS-CoA

NAD

NAD+H+

CH3 -CO -COOH CH3 -CH2 -CO- CoA

CH3 -CO -CoA

HS-CoA

CH3-CO - P

ADP

ATP

HOOC -CH2 -CO-COOH

BIOTINA-CO2

BIOTINA

CH3 -COOH

NAD

NAD+H

Acetato HOOC -CH2 -CHOH-COOH

H

C CO CoAHOOC

CH3H2O

HOOC -CH-CH-COOH

HOOC -CH2-CH2-CO- CoANAD+

NAD+H

CH3-CH2-COOH

propionato

HOOC -CH2-CH2-COOH

Succinato

Pi

P


MICROBIOLOGIA I

CICLO DEL ACIDO CITRICO

CH3 – C – COO-

CoASH + NAD+

CO2 + NADH

Piruvato deshidrogenasa

Piruvato

CH3 – C – S – CoA Acetil CoA=O

=O

HO – C – COO-

CH2

CH2

COO-

COO-

C = O

COO-

CH2

COO-

H2O

CoASH

H2O

1. Citrato sintasa

2. Aconitasa

C – COO-

CH

CH2

COO-

COO-

=

Cis. Aconitato

2. Aconitasa

H2O

H – C – COO-

HO – C – H

CH2

COO-

COO-

Isocitrato

3. Isocitrato

deshidrogenasa

NAD+

NADH + H+

H – C – COO-

C = O

CH2

COO-

COO-

Oxalasuccinato

CO2

3. Isocitrato

deshidrogenasa

CH2

C = O

CH2

COO-

COO-

CoASH

CO2

NAD+NADH + H

+

4. α – Oxoglutarato

deshidrogenasa

CH2

C = O

CH2

COO-

S – CoA

Succinil – CoA

CoASH

GTP

GDP + Pi

Succinato

5. Succinil – CoA

sintetasa

CH2

1/2COO-

1/2COO

-

CH2

6. Succinato

deshidrogenasa

FADH2

FAD

Fumarato

7. Fumarasa

HC

1/2COO-

1/2COO

-

CH

=

H2O 1. Malato

CH2

1/2COO-

1/2COO

-

HO – C – H

= 8. Malato

deshidrogenasa

OxalacetatoNAD

+

NADH + H+

CICLO DEL ACIDO

CITRICO

Reacciones del ciclo del acido citrico. Los reactivos y los productos de este ciclo catalitico aparecen sombreados. La reacción piruvato à acetil-CoA (arriba) aporta el sustrato del ciclo, que proviene del metabolismo de carbohidratos, aunque no se considera parte del ciclo. Los compuestos que aparecen entre corchetes son intermediarios unidos a enzimas. Cuando se marca isotópicamente el C(4) del oxalacetato(*), la marca pasa al C(1) del α-oxoglutarato y se libera en forma de CO2 en la reacción 4. cuando se marca el C(1) del acetil-CoA (*), la marca aparece en el C(5) del α-oxoglutarato y se reparte entre el C(1) y el C(4) del succinato.


MICROBIOLOGIA I

GRAFICO


MICROBIOLOGIA I

Sustrato

Combustible

NADH

FAD

Coenzima Q

Citocromo b

Citocromo C

Citocromo aa3

O2

Agua

2e-

2e-

2e-

2e-

2e-

2H+

ADP

ATP

ADP

ATP

ADP

ATP


MICROBIOLOGIA I

CATABOLISMO DE CARBOHIDRATOS

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