biossintese.carboidratos

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Universidade Federal de Goiás
Instituto de Ciências BiológicasInstituto de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica 
e Biologia Moleculare Biologia Molecular
Biossíntese de carboidratos em vegetais Biossíntese de carboidratos em vegetais Biossíntese de carboidratos em vegetais Biossíntese de carboidratos em vegetais 
e bactériase bactérias
Prof. Dr. Alexandre Melo Bailão
IntroduçãoIntrodução
IntroduçãoIntrodução
 Vegetais  versáteis no manuseio de carboidratos
 Primeiro autótrofas Primeiro  autótrofas
 Segundo  biossíntese ocorre nos plastídios  movimentos intenso 
de compostos entre diferentes compartimentos celulares aspectode compostos entre diferentes compartimentos celulares  aspecto 
importante
 Terceiro  imóveis  não podem procurar locais com condições 
ótimas  alta flexibilidade metabólica  adaptação às condições 
locais
Q arto parede cel lares e peças de carboidratosmontada fora Quarto  parede celulares expeças de carboidratos montada fora 
da célula maioria do carboidrato dos vegetais
 Animais utiliza precursores com 3 ou mais carbonos – quais?
Síntese fotossintéticaSíntese fotossintética de carboidratosde carboidratos
 Animais utiliza precursores com 3 ou mais carbonos quais?
 Autótrofos CO2 como única fonte de carbono biomoléculas
 Assimilação fixação de CO2, assimilação de CO2, Ciclo de Calvin, cicloAssimilação fixação de CO2, assimilação de CO2, Ciclo de Calvin, ciclo
de redução fotossintética do carbono
 Organelas com material genético próprio
Plastídios são organelas exclusivas de células vegetais e algasPlastídios são organelas exclusivas de células vegetais e algas
 Onde ocorre a maioria das reações biossintéticas
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
 Fixação, redução e
regeneração do aceptor
 Conversão de CO2 
trioses ou hexoses
Ci l d C l i  Ciclo de Calvin 
apresenta reações similares
 fase não oxidativa da via
das pentoses fosfato
 Tadas as enzimas estão
presentes nos cloroplastospresentes nos cloroplastos
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
 RuBisCO ribulose 1,5‐bifosfato carboxilase/oxigenase
CO ib l 1 5 bif f t  3 f f li t
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
 CO2 + ribulose 1,5 bifosfato 3‐fosfoglicerato
 Enzima com estrutura complexa 8 subunidades iguais – cada uma com um sítio
catalítico – em bactérias a estrutura é mais simplesca a co e bac é as a es u u a é a s s p es
 Atividade lenta em vegetais↑ concetração da enzima
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
 Mg+2 e lisina carbomilada desempenham papel central na catálise da RuBisCO
 Mg+2 aproxima e posiciona os reagentes no sítio ativo
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em Assimilação do dióxido de carbono ocorre em 
trêstrês estágiosestágios
 RuBisCO  primeiro passo na assimilação
fotossintética do CO2 atividade regulada
 Ativa  quando a Lisina é carbomilada  Ativa  quando a Lisina é carbomilada 
RuBisCO ativase
 Em alguns organismos RuBisCO ativase é ativada
por luz
 Carboxiarabinitol 1‐P  inibidor da RuBisCO 
sintetizado por alguns vegetais no escurosintetizado por alguns vegetais no escuro –
composto análogo ao intermediário da reação
 Na presença de luz  retirado do sítio pelap ç p
RuBisCO ativase
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
ã d f f l l ld íd Conversão do 3‐fosfoglicerato em gliceraldeído 3‐P
 Processo com dois passos metabólicos
Assimilação do dióxidoAssimilação do dióxidoAssimilação do dióxido Assimilação do dióxido 
de carbono ocorre em de carbono ocorre em 
trêstrês estágiosestágiosgg
 Regeneração da ribulose
1 5 bifosfato a partir das1,5‐bifosfato a partir das
trioses fosfato
 Transcetolase  catalisa a transferência de um grupo cetol de 2C de uma cetose
fosfato como doador (frutose 6‐P)aceptor aldose fosfato (gliceraldeído 3‐P)
Assimilação do dióxido de carbono ocorre em trêsAssimilação do dióxido de carbono ocorre em três estágiosestágios
 3 voltas no Ciclo de Calvin conversão de 3 CO2 em 1 triose fosfato
Síntese de cada triose fosfato a partir do COSíntese de cada triose fosfato a partir do CO22 requer 6requer 6 NADPH e 9 ATPNADPH e 9 ATP
 Estequiometria do ciclo
 Com exceção da RuBisCO, sedoheptulose 1,5‐bifosfatase e ribulose 5‐P
kinase outras enzimas do Ciclo de Calvin estão presentes em animais
 9 ATPs oito são liberados
na forma de Pi  nonona forma de Pi  nono
permanece na triose que
deixa o ciclo um Pi deve
i t dser importado para
reciclagem do nono ATP
Um sistema deUm sistema de transporte exporta trioses fosfato do cloroplasto e transporte exporta trioses fosfato do cloroplasto e 
importa fosfatoimporta fosfato
 Membrana interna do cloroplasto é impermeável a: frutose 1,6‐bifosfato,
glicose 6‐p e frutose 6‐Pg p
 Apresenta um antiporter para diidroxicetona fosfato e 3‐fosfoglicerato + Pi
Um sistema deUm sistema de transporte exporta trioses fosfato do cloroplasto e transporte exporta trioses fosfato do cloroplasto e 
importa fosfatoimporta fosfato
 ATP e NADPH 
fotossíntese  fonte
secundária de energia esecundária de energia e
equivalentes redutores
 transporte acoplado
ao antiporter triose Piao antiporter triose‐Pi
QuatroQuatro enzimas do Ciclo de Calvin são indiretamente ativadas pela luzenzimas do Ciclo de Calvin são indiretamente ativadas pela luz
 Quantidade de ATP e NADPH disponível 
biossíntese de carboidrato
 Ativação da RuBisCO↑ pH↑ [Mg+]
 Frutose 1,6‐bifosfatase↑ pH↑ [Mg+]
 4 enzimas do Ciclo de Calvin  redução de pontes dissulfeto  essenciais para
QuatroQuatro enzimas do Ciclo de Calvin são indiretamente ativadas pela luzenzimas do Ciclo de Calvin são indiretamente ativadas pela luz
atividade
 Ribulose 5‐P quinase, frutose 1,6‐bifosfatase, sedoheptulose 1,6‐bifosfatase e
GAPDHGAPDH
 Glicose 6‐P desidrogenase  primeira enzima da via das pentose fosfato 
mesmo mecanismo de regulação com um efeito opostog ç p
Fotorrespiração e vias CFotorrespiração e vias C44 e CAMe CAM
 Na presença de luz
 No escuro realizam respiração mitocondrial oxidação de combustíveis a CO + No escuro realizam respiração mitocondrial oxidação de combustíveis a CO2 +
ATP
 Processo que consome O2 CO2  na presença de luz
 Processo dispendioso e resultado da atividade de oxigenase da RuBisCO
FotorrespiraçãoFotorrespiração resulta da atividade oxigenase da RuBisCOresulta da atividade oxigenase da RuBisCO
 1 a cada 3‐4 ciclo de assimilação  O2 é
fixado no lugar do CO2 fosfoglicolato
 Produto metabolicamente inútil
 Não fixa carbono + reciclagem dos C do
f f li l é di di lib COfosfoglicolato é dispendiosa e libera CO2
previamente fixado
 Porque esta atividade foi mantida durante aPorque esta atividade foi mantida durante a
evolução uma vez que ela é deletéria?
 Atmosfera primitiva
 Maior afinidade pelo CO2
A reciclagem do fosfoglicolatoA reciclagem do fosfoglicolato é é 
dispendiosadispendiosa
 Alta intensidade luminosa  produz 5 vezes mais
CO2 pela fotorrespiração do que pelo Ciclo de
K bKrebs
 Fotorrespiração não conserva energia inibe em
50% a formação da biomassa50% a formação da biomassa
Em plantas CEm plantas C44, a fixação, a fixação do COdo CO22 e atividade da RuBisCO são e atividade da RuBisCO são 
separadas espacialmenteseparadas espacialmenteseparadas espacialmenteseparadas espacialmente
 Plantas nativas dos trópicos temperaturas elevadas  levaria a alta taxa de
fotorresperaçãop ç
 Apresentam mecanismo diminuição da fotorrespiração
 Fixação do CO2  realizada em vários passos, envolvendo um composto de 4ç p , p
C
 C4  fotossíntese ocore em dois tipos celulares  células do mesófilo e
él l d b i hcélulas da bainha
 Malato desidrogenase mecanismo
dependente de tioredoxina
 PEP carboxilase e piruvato fosfato diquinase
fosforilação dependente da luzfosforilação dependente da luz
 Vegetais de clima árido cactus
Nas plantas CAM, a captura de CONas plantas CAM, a captura de CO22 e a ação da RuBisCO são separados e a ação da RuBisCO são separados 
temporalmentetemporalmente
 Vegetais de clima árido  cactus
 Evitar perda de água  abre os estômatos durante a noite
CO2 l t t  l t  t d ú l  it CO2  em oxaloacetato malato  estocado em vacúolos  evitar 
acidificação do citoplasma
 Dia estômatos fechadosDia  estômatos fechados
Biossíntese de amido e sacaroseBiossíntese de amido e sacarose
 Excesso das trioses  síntese de sacarose  transportada para outros tecidos
 Utilizada como fonte de energia armazenada amido (algumas
plantas estocam sacarose)
 Sacarose e amido sintetizados em diferentes compartimentos e regulados
por diferentes mecanismosmudanças no nível de luminosidade e taxa
fotossintética
ADPADP‐‐glicoseglicose é o substrato para síntese de amido em vegetais é o substrato para síntese de amido em vegetais 
e glicogênio em bactériase glicogênio em bactérias
 Amido  polímero de D‐glicose (α14)
 Onde ocorre a síntese?
 ADP‐glicose glicose‐1P + ATP  pirofosfatase torna reação irreversível
 Glicose adicionados a extremidade redutora do amidoGlicose adicionados a extremidade redutora do amido
 Bactérias glicogêno ocorre da mesma maneira que em animais
extremidade não redutora
ADPADP‐‐glicoseglicose é o substrato para síntese de amido em vegetais é o substrato para síntese de amido em vegetais 
e glicogênio em bactériase glicogênio em bactérias
UDPUDP‐‐glicoseglicose é o substrato para síntese de sacarose no é o substrato para síntese de sacarose no citosolcitosol
de células da folhade células da folha
 Porque a sacarose ???
 Ligação entre dois carbonos 
anoméricos  resistência a 
amilases e baixa reatividade
 sacarose frutose 6p + UDP glicose sacarose  frutose‐6p + UDP‐glicose
 Vegetais  ausência da pirofosfatase
inorgânica ↑ PPi  reversível a g ↑
síntese de UDP‐glicose PFK‐1 vegetais 
utiliza PP1 como doador de P
Síntese de amido e sacarose é Síntese de amido e sacarose é 
fortemente reguladafortemente regulada
 Fluxo de trioses fosfato sacarose Fluxo de trioses fosfato sacarose
regulado pela FBPase‐1 e PP‐PFK‐1
 Ambas reguladas por F2,6BP  inibeg p ,
FBPase‐1 e estimula PP‐PFK‐1
 [F2,6BP]  varia inversamente taxa
fotossintética
 Síntese de sacarose sacarose 6 P sintase
Síntese de amido e sacarose é fortemente reguladaSíntese de amido e sacarose é fortemente regulada
 Síntese de sacarose  sacarose 6‐P sintase
Síntese de amido e sacarose é fortemente reguladaSíntese de amido e sacarose é fortemente regulada
Síntese de polissacarídeos de parede celular: Celulose Síntese de polissacarídeos de parede celular: Celulose 
e peptideoglicanose peptideoglicanos
 Parede celular e proteção  fluxo 
de água
 Anualmente  vegetais  1011
toneladas de celulose
 Polímeros lineares de D glicose Polímeros lineares de D‐glicose
(β14)
Síntese de polissacarídeos de parede celular: Celulose Síntese de polissacarídeos de parede celular: Celulose 
e peptideoglicanose peptideoglicanos
 Parede celular e proteção  fluxo 
de água
 Anualmente  vegetais  1011
toneladas de celulose
 Polímeros lineares de D glicose Polímeros lineares de D‐glicose
(β14)
CeluloseCelulose é é sintetizadasintetizada porpor estruturaestrutura supramolecularsupramolecular
nana membranamembrana plasmáticaplasmática
 Complexo molecular  atravessa a 
membrana
Parte citosólica liga ao s bstrato UDP Parte citosólica  liga ao substrato – UDP‐
glicose
 Parte externa que sintetiza o polímeroParte externa que sintetiza o polímero
 Seis estruturas organizadas  hexágono
 Parte terminal celulose sintase Parte terminal  celulose sintase
CeluloseCelulose é é sintetizadasintetizada porpor estruturaestrutura supramolecularsupramolecular
nana membranamembrana plasmáticaplasmáticapp
CeluloseCelulose é é sintetizadasintetizada porpor estruturaestrutura supramolecularsupramolecular
nana membranamembrana plasmáticaplasmáticapp
Oligossacarídeos ligados a lipídeos são precursores para Oligossacarídeos ligados a lipídeos são precursores para 
síntese de parede celular bacterianasíntese de parede celular bacteriana
 Natureza  peptideoglicana
 N‐acetilglicosamina e N‐acetilmurâmicoN acetilglicosamina e N acetilmurâmico
Integração do metabolismo de carboidrato em células Integração do metabolismo de carboidrato em células 
vegetaisvegetais
 Metabolismo de carboidratos em plantas mais complexo que em 
i i
vegetaisvegetais
animais
 Glicólise, gliconeogênese, ciclo de Krebs, fosforilação oxidativa, via das 
pentose fosfato síntese e degradação de amidopentose fosfato, síntese e degradação de amido.....
 especificamente  fixação do CO2; ciclo de Calvin, converter ácidos 
graxos em carboidratosg
 Processos são separados em compartimentos  glioxissomos, 
amiloplastos, cloroplastos e vacúolos (acúmulo de ácido orgânico)
Gliconeogênese converte gordura e Gliconeogênese converte gordura e 
proteínas em glicose na germinação de proteínas em glicose na germinação de 
sementessementes
Pools de intermediários comuns conectam vias em Pools de intermediários comuns conectam vias em 
diferentes organelasdiferentes organelasdiferentes organelasdiferentes organelas