Unidad 4 Metabolismo Energético Parte I Degradación de carbohidratos

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Unidad 4
Metabolismo Energético
Metabolismo Degradativo
1. Metabolismo de Carbohidratos
GLICOLISIS
Reacciones en la glucólisis
• 1. Fosforilación de la glucosa y fructosa-6-fosfato por ATP
• 2. Ruptura de la fructosa-1,6-bifosfato hasta triosas mediante una aldolasa 
específica
• 3. Rearreglos estructurales
• 4. Reacciones de óxido-reducción y asimilación de fosfato inorgánico
Enzimas glicolíticas
1. Phosphorylase. Degradation of glycogen or starch to G-1-P.
2. Phosphoglucomutase. Isomerization of G-1-P to G-6-P.
3. Hexokinase. Phosphorylation of glucose to G-6-P, using ATP Hexokinase also phosphorylates
fructose to F-6-P using ATP (reaction 3a).
4. Phosphoglucoisomerase (pgi). Isomerization of G-6-P to F-6-P.
5. Phosphofructokinase (pfkA). Phosphorylation of F-6-P to FBP using ATP.
6. Fructose bisphosphate (FBP) aldolase (fbaA). Cleaves FBP to GA-3-P and dihydroxyacetone
phosphate.
7. Triose phosphate isomerase (tpi ). Interconverts GA-3-P and dihydroxyacetone-P.
8. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (gap). Oxidizes GA-3-P to 1,3-diphosphoglycerate
using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) and inorganic phosphate (Pi) to form NADP + H+.
9. Phosphoglycerokinase (pgk). Generates ATP from ADP.
10. Phosphoglyceromutase (pgm). Uses 2,3-diphosphoglycerate to convert 3-phosphoglycerate to 
2-phosphoglycerate.
11. Enolase (eno). Enolization of 2-phosphoglycerate forms high-energy phosphate bond
(∼P; encircled P) in phosphoenolpyruvate (PEP).
12. Pyruvate kinase (pykA; pykF). Generates ATP from ADP.
Enzimas de Gluconeogénesis
14. Pyruvate carboxylase. Converts pyruvate to oxaloacetic acid (OAA) via carbon 
dioxide (CO2) fixation using ATP.
15. PEP carboxykinase. Forms phosphoenolpyruvate from OAA using GTP.
16. Fructose-1,6-bisphosphatase. Removes Pi from F-1,6-bisP to form F-6-P.
17. Glucose-6-phosphatase. Removes Pi from G-6-P to form glucose.
18. ATP-glucose pyrophosphorylase. Forms ADP-glucose from G-1-P and ATP.
19. Glycogen synthase. Adds α-1,4-glycan to ADP-glucose to form glycogen or starch.
Formación o utilización de glicerol
20. Glycerophosphate dehydrogenase. Reduces dihydroxyacetone-P to glycerol-3-P.
21. Phosphatase. Removes Pi from glycerol-3-P to form glycerol.
22. Glycerol kinase. Phosphorylates glycerol using ATP.
Via Embden-Meyerhof-Parnas 
Aceptor temporal de electrones
(Difusible)
4 e- + 4 H+ + 2 NAD+  2 NADH + 2 H+
1 glucosa    4 e-    2 piruvatos + 2 ATP
OXIDACION (Embden-Meyerhof path)
La vía alterna del metilglioxal (MG) proporciona un alternativa para el catabolismo de BPA a piruvato en
muchas bacterias, incluyendo E. coli, otras enterobacterias y Pseudomonas spp., junto con levaduras (por
ejemplo, S. cerevisiae) y Archaea halófila. En esta vía, el BPA se convierte en piruvato a través de los
intermediarios DHAP MG (un 2-oxo-aldehído altamente tóxico), y lactato, sin generación de ATP. Esta serie
de reacciones evita los pasos energéticos de la porción de la triosa fosfato de la vía de la EMP, en particular
el paso de fosforilación mediada por GAPDH. Una función fisiológica propuesta para este bypass es permitir
la conversión de GAP en piruvato en condiciones de limitación de fosfato cuando la actividad de la GAPDH
se ve disminuida por la escasez de uno de sus sustratos, el fosfato inorgánico. Aunque no se genera ATP
durante el bypass de MG el posterior catabolismo del piruvato puede conducir a la generación de ATP.
Via alterna del metilglioxal
Regulación de la 
Glicólisis
GLUCONEOGENESIS
Vía de las pentosas
 Otros nombres: 
Via del fosfogluconato
Vía hexosa monofosfato
 La vía se desarrolla con una primera parte 
oxidativa con la descarboxilación de la glucosa-6-
P, produciendo un azúcar de 5 carbonos, la 
ribulosa 5-P. Posteriormente ocurre un rearreglo 
de azúcares con la intervención de dos enzimas 
claves, transaldolasa y transcetolasa 
CO2
Vía de las pentosas
La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa cataliza la 
oxidación del aldehido del C1 de la glucosa-6-fosfato, 
hasta un acido carboxílico, con un enlace éster 
(lactona). 
NADP+ sirve como aceptor de electrones.
H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO3
2
H
H
OH H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO3
2
H
O
23
4
5
6
1
1
6
5
4
3 2
C
HC
CH
HC
HC
CH2OPO3
2
O O
OH
HO
OH
OH
NADPH + H
+
NADP
+ H2O H
+
1
2
3
4
5
6
 
Glucose-6-phosphate 
Dehydrogenase 
6-Phospho- 
glucono-
lactonase 
glucose-6-phosphate 6-phoshogluconolactone 6-phosphogluconate 
La 6-fosfogluconolactonasa cataliza la hidrólisis del enlace 
éster, resultando en la apertura del anillo. 
El producto es el 6-fosfogluconato. 
Aunque la apertura del anillo también ocurre en ausencia del 
catalizador, la 6-fosfogluconolactonasa acelera la reacción 
disminuyendo el tiempo de vida media de la 6-
fosfogluconolactona, producto altamente reactivo y tóxico
H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO3
2
H
H
OH H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO3
2
H
O
23
4
5
6
1
1
6
5
4
3 2
C
HC
CH
HC
HC
CH2OPO3
2
O O
OH
HO
OH
OH
NADPH + H
+
NADP
+ H2O H
+
1
2
3
4
5
6
 
Glucose-6-phosphate 
Dehydrogenase 
6-Phospho- 
glucono-
lactonase 
glucose-6-phosphate 6-phoshogluconolactone 6-phosphogluconate 
La fosfogluconato deshidrogenasa cataliza la 
descarboxilación oxidativa del 6-fosfogluconato, hacia la 
ribulosa-5-fosfato, una cetosa. 
El OH en el C3 (C2 del producto) es oxidado hasta una cetona. 
Esto promueve la pérdida de el carboxilo del C1 como CO2. 
NADP+ sirve como oxidante.
C
HC
CH
HC
HC
CH2OPO3
2
O O
OH
HO
OH
OH
1
2
3
4
5
6
CH2OH
C
HC
HC
CH2OPO3
2
OH
OH
1
2
3
4
5
O
NADP
+ NADPH + H
+
CO2
 
Phosphogluconate 
Dehydrogenase 
6-phosphogluconate ribulose-5-phosphate 
 NADPH, un producto de la via de las pentosas funciona 
como un reductor en las vías de síntesis. 
 NAD+ sirve como un aceptor de electrones en las vías 
catabólicas, en las cuales los metabolitos son oxidados. 
El NADH resultante es reoxidado en la cadena 
respiratoria, produciendo ATP.
N
R
H
C
NH2
O
N
R
C
NH2
O
H H
+
 
2e + H
+
 
NADP
+
 NADPH 
La reducción del NADP+
involucra la transferencia 
de 2 e y 1 H+ hacia la 
molécula de nicotinamida
NAD+ & NADP+ difieren solo en 
la presencia de un extra fosfato
en la ribosa adenosínica del 
NADP+. 
Esta diferencia tiene poco 
quehacer en la actividad redox, 
pero es reconocida por los sitios 
de ligazón al sustrato en las 
enzimas. 
Este es un mecanismo para la 
separación de las vías 
catabólicas de las vías de 
síntesis.
 H
C
NH2
O
CH2
H
N
H
OH OH
H H
O
OP
O
HH
OH OH
H H
O
CH2
N
N
N
NH2
OP
O
O

O
+
N
O
nicotinamide 
adenine 
esterified to 
Pi in NADP
+
 
Nicotinamide 
Adenine 
Dinucleotide 
Regulación de la Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa:
 La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es una enzima 
fundamental en la vía de las pentosas.
 Esta enzima es regulada por la disponibilidad de 
NADP+. 
 Como el NADPH es utilizado en las vías de síntesis, el 
incremento de NADP+ estimula la vía de las pentosas 
para que reponga NADPH. 
El resto de la vía convierte la ribulosa-5-P en distintos 
azúcares de 3, 4, 5, 6, y 7 carbonos. 
Las enzimas adicionales incluyen una Isomerasa, 
Epimerasa, Transcetolasa, y Transaldolasa.
La epimerasa inter-
convierte los estereo-
isómeros ribulosa-5-P y 
xilulosa-5-P. 
La isomerasa convierte la 
cetosa ribulosa-5-P a la 
aldosa ribosa-5-P. 
 
C
C
C
CH2OPO3
2
O
OHH
OHH
CH2OH
C
C
C
CH2OPO3
2
O
HHO
OHH
CH2OH
C
C
C
CH2OPO3
2
OH
OHH
OHH
HC O
H
ribulose-5- 
phosphate 
xylulose-5- 
phosphate 
ribose-5- 
phosphate 
Epimerase 
Isomerase 
La transcetolasa y la transaldolasa catalizan la 
transferencia de fragmentos moleculares de 2-C o 
3-C respectivamente, en cada caso utilizando una 
cetosa como donador y una aldosa como aceptor. 
Mecanismo de acción de la Transcetolasa y 
Transaldolasa
La transcetolasatransfiere un fragmento de 2-C desde 
la xilulosa-5-fosfato ya sea hacia la ribosa-5-fosfato o 
eritrosa-4-fosfato. 
 
C
C
C
CH2OPO3
2
O
HHO
OHH
CH2OH
C
C
C
CH2OPO3
2
OH
OHH
OHH
HC O
H C
C
C
CH2OPO3
2
OH
OHH
OHH
C H
H
HC
C
CH2OPO3
2
O
OHH
C
CH2OH
O
HO
+ + 
 xylulose- ribose- glyceraldehyde- sedoheptulose- 
5-phosphate 5-phosphate 3-phosphate 7-phosphate 
Transketolase 
La transaldolasa cataliza la transferencia de 3-C desde la 
sedoheptulosa-7-fosfato al gliceraldehido-3-fosfato. 
 
CH2OH
C
CH
HC
HC
HC
H2C
OH
OH
OPO3
2
OH
HO
O
HC
HC
HC
H2C
O
OH
OPO3
2
OH
HC
HC
H2C
O
OPO3
2
OH
H2C
C
CH
HC
HC
H2C
OH
OPO3
2
OH
OH
HO
O
sedoheptulose- glyceraldehyde- erythrose- fructose- 
 7-phosphate 3-phosphate 4-phosphate 6-phosphate 
Transaldolase 
+ + 
En la transaldolasa, el grupo e-amino de un residuo lisina
reacciona con el C carbonil de la sedoheptulosa-7-P para 
formar un intermediario protonado (base Schiff). 
CH2OH
C
CH
HC
HC
HC
H2C
OH
OH
OPO3
2
OH
HO
O
Enz-Lys NH2
CH2OH
C
CH
HC
HC
HC
H2C
OH
OH
OPO3
2
OH
HO
Enz-Lys N
OH

+
HC
HC
HC
H2C
O
OH
OPO3
2
OH
CH2OH
C
CHO
N
+
H

+ H
+
H
H
Enz-Lys
 
sedoheptulose- 
7-phosphate 
Schiff base 
intermediate 
Transaldolase 
erythrose-4-
phosphate 
Ocurre una ruptura aldólica y se libera Eritrosa 4-P. La base Schiff estabiliza 
el carbanion en el C3. El carbanión estabilizado por resonancia unido a la 
enzima, se adiciona al átomo del C carbonílico del GAP formando F6P
El flujo de 15 
atomos de C en la 
vía de las pentosas
IS = Isomerasa
EP = Epimerasa
TK = Transcetolasa
TA = Transaldolasa
 (3) ribulose-5-P 
 ribose-5-P (2) xylulose-5-P 
 
 glyceraldehyde-3-P 
 sedoheptulose 7 P 
 
 fructose-6- P 
 erythrose-4-P 
 fructose-6-P 
 glyceraldehyde-3-P 
IS EP 
TK 
TK 
TA 
El balance general en el flujo de los 15 átomos 
de carbono a través de la vía de las pentosas. 
C5 + C5  C3 + C7 (Transcetolasa)
C3 + C7  C6 + C4 (Transaldolasa)
C5 + C4  C6 + C3 (Transcetolasa)
____________________________
3 C5  2 C6 + C3 (Total) 
La glucosa-6-fosfato puede ser regenerada a 
partir de gliceraldehido-3-fosfato o de fructosa-6-
fosfato, via enzimas de Gluconeogenesis. 
1.-La ribulosa-5-P puede ser convertida en ribosa-5-
fosfato, un sustrato para la síntesis de nucleótidos y 
ácidos nucleicos. La vía también produce NADPH.
Dependiendo de los requerimientos celulares de ribosa-5-
fosfato, NADPH, y ATP, la vía de las pentosas puede 
operar de varios modos para maximizar diferentes 
productos. Existen tres principales escenarios: 
 
 2 NADP
+
 2 NADPH + CO2 
 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P 
 
Pentose Phosphate Pathway producing 
NADPH and ribose-5-phosphate 
2.- El gliceraldehido-3-P y la fructosa-6-P pueden 
ser convertidos hasta glucosa-6-P para reingresar a 
la porción lineal de la via maximizando la formación 
del NADPH.
 
 2 NADP
+
 2 NADPH + CO2 
 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P 
 
 
 fructose-6-P, & 
 glyceraldehyde-3-P 
 
Pentose Phosphate Pathway producing 
maximum NADPH 
• 3.- El gliceraldehido 3-P y la fructosa 6-P pueden 
acoplarse a la glicólisis para producir ATP 
 
 2 NADP
+
 2 NADPH + CO2 
 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P 
 
 
 fructose-6-P, & 
 glyceraldehyde-3-P 
 
 to Glycolysis 
 for production of ATP 
Pentose Phosphate Pathway producing 
NADPH and ATP 
Via de la 
fosfocetolasa
Hexosa y pentosa fosfocetolasas
Microorganismos que utilizan la Vía fosfocetolasa
• Bifidobacterium globosum
• Bifidobacterium lactis
• Leuconostoc mesenteroides
• Lactobacillus plantarum
• Lactobacillus lycopersici
• Lactobacillus pentoaceticus
• Lactobacillus brevis
• Acetobacter xylinum
• Streptococcus
• Lactococcus
• Pediococcus
• Microbacterium
Vía Entner -Doudoroff
Microorganismos que utilizan la Via Entner Doudoroff 
• Pseudomonas saccarophila
• Pseudomonas aeruginosa
• Zymomonas mobilis
• Azotobacter sp.
• Rhizobium sp.
• Xanthomonas campestris
• Acetobacter xylinum
• Gluconobacter sp.
• Rhodopesudomonas sp.
• Hydrogenomonas sp.
• Agrobacterium
• Distribución de las vías Embden-Meyerhoff-
Parnas (EMP) y Entner –Doudoroff (ED) en 
ciertas bacterias.
______________________________________________________
• Bacterias EMP ED
• Arthrobacter species + -
• Azotobacter chroococcum + -
• Alcaligenes eutrophus - +
• Bacillus sp. + -
• Escherichia coli y otras bacterias entéricas* + -
• Pseudomonas sp. - +
• Rhizobium sp. - +
• Thiobacillus sp. - +
• Xanthomonas sp. - +
______________________________________________________
*Organismos que sintetizan las enzimas ED cuando crecen en gluconato
Generación de Energía
Formación de moléculas con fosfatos en alta energía involucradas en 
las reacciones de fosforilación a nivel de sustrato
Cadena transportadora de electrones
Respiración aerobia Respiración anaerobia
Completando el metabolismo 
degradativo………
Tres sistemas enzimáticos que convierten el piruvato
• Piruvato deshidrogenasa. En condiciones aeróbicas. Produce 
Acetil-CoA, NADH +H+ y CO2 .
• Piruvato formato liasa. En condiciones de ausencia de oxígeno 
para anaerobios facultativos y fermentadores. Produce Acetil-
CoA, y formato 
• Piruvato ferredoxin óxido reductasa. Para anaerobios estrictos. 
Produce Acetil CoA , CO2 y Ferredoxina reducida.
Piruvato
deshidrogenasa
Dihidrolipoato 
transacetilasa 
Complejo piruvato deshidrogenasa
Dihidrolipoato deshidrogenasa 
Regulación de la piruvato deshidrogenasa en E.coli
CICLO TCA EN ANAEROBIOS FACULTATIVOS
Ciclo del Glioxilato
Utilización de azúcares diferentes de glucosa
Hazel M. Holden et al. J. Biol. Chem. 2003;278:43885-43888
galactosa mutarotasa
galactokinasa
galactosa-1-P uridililtransferasa
UDP-galactosa 4-epimerasa
En bacterias lácticas la vía de utilización de galactosa depende del 
mecanismo de transporte por el que ingresa a la célula
GalactosaH+
H+
Galactose
Permease
Galactosa
Galactosa
Galactosa-6-PO4
PEP
Piruvato
EIEI
Via Leloir
Galactosa-1-PO4
Glucosa-1-PO4
Glucosa-6-PO4
ATP
ADP
F. Homoláctica, u 
Heteroláctica
Tagatosa-1,6-diPO4
ATP
ADP
(2) Gliceraldehide-
3-fosfato
Dihidroxiacetona-
fosfato
Via Tagatosa
Tagatosa-6-PO4
F. Homoláctica 
Vías para el Catabolismo de Galactosa y Lactosa
en Bacterias Lácticas
Galactosa Lactosa Galactosa
PEP-PTSPEP-PTS Permeasa
Lactosa-P
P-beta-Gal
Glucosa
Gliceraldehido-3P +DHAP
Glicolisis
Galactosa
Gal-1P
Glu-1PGlucosa-6P
Galactosa-6P
Tagatosa-6P
Tagatosa 1,6-diP
Via Leloir
Algunas bacterias lácticas toman la lactosa en un sistema
antiporte con eflujo de galactosa
Lactosa
Lactosa
Galactosa
Galactosa
Permeasa
AFUERA
ADENTRO
Ejemplo: S. thermophilus TS2 y L. delbrueckii subsp. bulgaricus
Galactosa es exportada via sistema antiporte
Glucosa
F. Homoláctica, u 
heteroláctica
Gráfico 1. Degradación de maltosa por enzimas de la maltosa. Las enzimas amilomaltasa (MalQ),
maltodextrina fosforilasa (MalP) y maltodextrina glucosidasa (MalZ) están indicadas por sus genes.
Fuente: Maltose/Maltodextrin System of Escherichia coli: Metabolism, Transport and Regulation. 1998
Productores de Manitol:
Staphylococcus aureus
E.coli, 
Lactobacillus brevis, 
Leuconostoc mesenteroides, 
Agaricus bisporus
E.Coli
Salmonellaenterica
Klebsiella pneumoniae
Bacteroides ovatus
Bacterias entéricas 
(Melibiosa y Rafinosa)
Degradación de la Pectina -Enzimas Pectinolíticas 
– Pectin metilesterasas (PME). Remueven grupos metil de las cadenas pectínicas, no 
afecta la longitud, altera la solubilidad de la pectina.
– Poligalacturonasas (PG,PMG). Rompen las cadenas pécticas y pectínicas hidrolizando 
el enlace entre dos moléculas del ac. poligalacturónico o polimetilgalacturónico
– Pectin liasas (PTE, PATE). Rompen las cadenas pécticas removiendo una molécula de 
agua y liberando productos con un enlace insaturado
Catabolismo de 
la Pectina
Microorganismos pectinolíticos
• Achromobacter, Aeromonas, Arthrobacter, Agrobacterium, 
Enterobacter, Bacillus,
• Clostridium, Erwinia, Flavobacterium, Pseudomonas, 
Xanthomonas y diversas levaduras,
Tres enzimas principales:
1) Endo-β-1,4 glucanasa
2) Exo- β-1,4 glucanasa
3) Beta glucosidasa o 
celobiasa
Degradación de la celulosa
Hongos filamentosos : Trichoderma reesei , Phanaerochete
chrysosporium, Fusarium solani, Chaetomium
Actinomicetos: Cellulomonas, Microbispora, Thermomonaspora
Bacterias aerobias : Pseudomonas sp., Cytophaga sp.
Bacterias anaerobias : Ruminococcus flavofaciens , Fibrobacter
succinogenes, Bacteroides cellulosolvens
Anaerobios gram-positivos : Clostridium thermocellum, C. cellulovorans, 
C. cellulolyticum,
Microorganismos celulolíticos
Microorganismos amilolíticos
• Las amilasas secretadas por una variedad de especies de Bacillus han sido estudiadas intensivamente 
por sus aplicaciones industriales.
Las α-amilasas de B. subtilis son enzimas de sacarificación que producen mayormente glucosa y 
maltosa a partir de almidón. 
• Las α-amilasas producidas por B. licheniformis y B. amyloliquefaciens son enzimas de liquefacción 
que rinden mayormente maltosacáridos. 
• Especies termofílicas como B. acidocaldarius y B. stearothermophilus, producen amilasas que son 
estables a temperaturas que van desde 58 ◦C a 80◦C. Sin embargo, especies mesofílicas como B. 
licheniformis y B.
amyloliquefaciens, también producen amilasas que son activas a temperaturas arriba de 75 ◦C.
• Entre los hongos destacan las amilasas producidas por Aspergillus oryzae
Ejm:
Areobasidium pullulans
Bacillus stearothermophilus 
degrada almidon y sintetiza 
ciclodextrinas por medio de 
una ciclodextrina 
glucanotransferasa
Bacillus macerans, B. 
coagulans, B. sphaericus,
y C. thermohydrosulfuricum 
producen una
ciclodextrinasa que puede 
hidrolizar maltodextrinas 
lineales así como 
ciclodextrinas.
Las ciclodextrinas son 
ampliamente usadas en la 
industria alimentaria y 
farmacéutica como agentes 
de solubilización y 
estabilización
CICLODEXTRINAS