Metabolisme Vegetal: Isoprenoides, Carbohidrats i Lípids

Metabolisme Secundari

Isoprenoides

Els isoprenoides són compostos essencials amb diverses funcions:

• Carotenoides: Pigments de les fulles, responsables del color del tomàquet i el pebrot (p. ex., licopè).
• Clorofil·les: Contenen una cadena fitol a la membrana dels cloroplasts.
• Quinones: Inclouen la ubiquinona i la plastoquinona.
• Esterols: Les plantes no tenen colesterol, però sí molècules senyal com el campesterol i el beta-sitosterol (fitosterols).
• Dolicol: Implicat en la glicosilació de proteïnes.
• Proteïnes prenilades: Cadenes unides a altres molècules (farnesil i geranil) que canvien la seva localització cel·lular, passant d'una proteïna soluble a una de membrana.

Biosíntesi d'Isoprenoides

Les molècules precursores són l'isopentenil difosfat (IPP) i el dimetilallil difosfat (DMAPP). Es sintetitzen per la via del MEV o la via del MEP.

Via del MEV (Mevalonat)

Present en arqueus, fongs, algues, plantes, protozous i animals. Es localitza al reticle endoplasmàtic i al citosol.

Substrats i Etapes (Via del MEV)

1. 2 Acetil-CoA
2. Acetoacetil-CoA (+ Acetil-CoA)
3. HMG-CoA (+ 2 NADPH)
4. Mevalonat (MVA) (+ ATP)
5. 5-Fosfomevalonat (MVA5P) (+ ATP)
6. 5-Pirofosfomevalonat (MVA5DP) (+ ATP)
7. Isopentenil Difosfat (IPP) <--> Dimetilallil Difosfat (DMAPP)

Enzims Clau (Via del MEV)

1. Tiolasa
2. HMG-CoA Sintasa
3. HMG-CoA Reductasa
4. Mevalonat Quinasa
5. Fosfomevalonat Quinasa
6. Difosfomevalonat Descarboxilasa
7. Isopentenil PP Isomerasa

Via del MEP (Metileritrol Fosfat)

Localitzada als cloroplasts (bacteris, algues, plantes i protozous). És una via semblant al metabolisme dels carbohidrats.

Substrats i Etapes (Via del MEP)

1. Piruvat + Gliceraldehid 3-P → 2. Desoxixilulosa 5-P (DXP) --(NADPH - NAD+)--> 3. Metileritrol 4-P (MEP) --(CTP - PPi)---> 4. CDP-Metileritrol (CDP-ME) --(ATP - ADP)--> 5. CDP-Metileritrol Fosfat (CDP-MET) --(CMP)--> ME-CPP → HMBPP → IPP (5) + DMAPP (1)

Enzims Clau (Via del MEP)

1. Desoxixilulosa-5-fosfat Sintasa
2. Desoxixilulosa 5-fosfat Reductoisomerasa
3. CDP-Metileritrol Sintasa
4. CDP-Metileritrol Quinasa
5. Metileritrol Ciclodifosfat Sintasa
6. HMBPP Sintasa
7. HMBPP Reductasa

Preniltransferases

Sintetitzen precursors amb el nombre de carbonis específic per al producte final:

• Precursor 5 C: DMAPP
• Precursor 10 C: GPP (Geranil Pirofosfat, unió DMAPP + IPP)
• Precursor 15 C: FPP (Farnesil Pirofosfat)
• Precursor 20 C: GGPP (Geranilgeranil Pirofosfat, GPP i FPP són intermedis)
• Precursor 30 C: Esqualè (2 FPP de 15 C)
• Precursor 40 C: Fitoè (2 GGPP)

Metabolisme dels Carbohidrats

El substrat principal és la sacarosa, que es trenca en fructosa i glucosa. La glucòlisi produeix 4 piruvats i es duu a terme tant al citosol com als cloroplasts (tot i que els cloroplasts no tenen els enzims 8 i 9 complets).

Les dues glucòlisis estan connectades per transportadors de molècules. La funció de la glucòlisi als cloroplasts durant la foscor és la degradació del midó i l'obtenció de precursors, poder reductor i energia per a reaccions anabòliques, com la síntesi de lípids.

Degradació de la Sacarosa

La sacarosa es degrada principalment per dos enzims:

1. Sacarosa Sintasa (reversible):
   • Sacarosa → UDP-glucosa + Fructosa.
   • L'UDP-glucosa → Glucosa-6P (mitjançant UDP-glucosa pirofosfatasa, el revers de la síntesi de glicogen).
   • La Fructosa → Fructosa-6P (per hexoquinasa) per entrar a la glucòlisi.
2. Invertasa (citosol, vacúol i paret): Realitza la mateixa reacció, però amb isoenzims diferents, donant glucosa i fructosa.

Glucòlisi en Plantes: Enzims Addicionals

Les plantes utilitzen els mateixos enzims de la glucòlisi que els animals, però presenten enzims addicionals que es troben fora del cloroplast:

1. Reacció 3 (PFK): A més de la PFK dependent d'ATP, hi ha un altre enzim reversible que utilitza pirofosfat (PPi) com a donador: Fosfofructocinasa dependent de PPi (Fructosa-6P + PPi → Fructosa-1,6-bisP + Pi).
2. Reaccions 6 i 7:
   • Animals: GAP + NAD+ <--GAPDH--> 1,3-BPG + NADH <--PGK--> 3PG + ATP.
   • Plantes: GAP + NADP+ <--Gliceraldehid-3P DH no fosforilant--> 3PG + NADPH + H+. Aquesta via perd energia, però proporciona flexibilitat metabòlica.
3. Reacció 10 (PK):
   • Animals: PEP + ADP --PK--> Piruvat + ATP.
   • Plantes: PEP + AMP + PPi ---Piruvat Fosfat Diquinasa--> Piruvat + ATP + Pi. O bé, PEP + H₂O --PEP Fosfatasa--> Piruvat + Pi (sense producció d'ATP, al vacúol).

Paper del Pirofosfat (PPi)

El PPi és crucial en el metabolisme vegetal. Actua en l'hidròlisi de la sacarosa (sacarosa sintasa) i en la fosfofructocinasa dependent de PPi. També és important per al transport d'energia:

• El PPi pot impulsar el transport de protons del citosol al vacúol mitjançant bombes de protons dependents d'ATP o de PPi.
• La Pirofosfat Sintasa, que es troba a la Membrana Mitocondrial Interna (MMI), utilitza el transport de protons per a la síntesi de PPi, o bé la hidròlisi de PPi per transportar protons a l'espai intermembranós.

Glucòlisi Anaeròbica i Fermentació Màlica

A més de la fermentació làctica i alcohòlica, les plantes realitzen la Fermentació Màlica:

PEP + CO₂ + H₂O --PEP Carboxilasa--> Oxalacetat + PO₃ + NADH >-- Malat DH ---> Malat + NAD <--Enzim Màlic--> Piruvat + NADH

Degradació del Midó

La degradació del midó es realitza mitjançant diversos enzims:

• Amilases: Trenquen el midó en trossos anomenats dextrines (cadenes lineals o ramificades).
  • Alfa-amilasa: Dóna dextrines.
  • Beta-amilasa: Dóna maltosa.
• Alfa-glucosidasa: Converteix la maltosa en glucosa.
• Enzim Desramificador: Actua sobre l'amilopectina (cadena ramificada).

En les fulles, el producte és glucosa fosforilada (Glucosa-1P); en les llavors, és glucosa lliure.

Durant la nit, la degradació del midó té com a producte final la sacarosa (transportada pel floema) per obtenir energia. El midó es degrada en trossos ramificats i lineals (glucosa i maltosa). Aquests surten de l'estroma del cloroplast mitjançant transportadors de maltoses i glucoses. Per formar Glucosa-1P, s'utilitza l'enzim Midó Fosforilasa, que és un intermediari per a la síntesi de sacarosa o la glucòlisi.

Biosíntesi de Sacarosa i Midó

La síntesi de sacarosa es produeix al citosol, mentre que la síntesi de midó es produeix als cloroplasts.

Regulació de la Síntesi de Sacarosa

L'enzim regulador és la Sacarosa Fosfat Sintasa:

• S'inhibeix si hi ha molta sacarosa.
• S'inactiva quan la Serina està fosforilada.
• Una concentració alta de fosfat també l'inactiva.

Regulació de la Síntesi de Midó

L'enzim regulador és l'ADP-Glucosa Pirofosforilasa:

• El fosfat (Pi) actua com a inhibidor. Quan s'ha sintetitzat molt midó, s'allibera fosfat, la qual cosa inhibeix la seva síntesi.
• El fosfat inorgànic (Pi) surt de la reacció 1, on el PPi es trenca.

Existeixen dues formes de Midó Sintasa: una a l'estroma del cloroplast i una altra associada als grànuls de midó. Hi ha dos enzims ramificants:

• Tipus I: Forma estructures moderadament ramificades.
• Tipus II: Forma estructures altament ramificades.

La sortida de la triosa fosfat al citosol està estrictament regulada: quan surt, entra fosfat al cloroplast, inhibint així la biosíntesi del midó.

Fructans

Els fructans són polímers de fructosa que es troben en arrels, tubercles i bulbs. Es formen a partir de sacarosa i es divideixen en dos grans grups:

• Inulines: Enllaços beta 2→1.
• Levans: Enllaços beta 2→6.

Síntesi de Fructans

1. Inici: S'afegeix una fructosa a la sacarosa sobre C1 o C6 (Sacarosa-Sacarosa Fructosil Transferasa, SST).
2. Elongació (Molècula de 3C): S'afegeix una molècula de fructosa d'una sacarosa (Sacarosa-Fructà Fructosil Transferasa, SFT).
3. Transferència: Actua la Fructà-Fructà Fructosil Transferasa (FFT) per allargar les cadenes.

Els enzims que degraden fructans són les Fructans Hexohidrolases (FEH), que alliberen fructosa al vacúol.

Metabolisme dels Lípids

Degradació de Lípids

Les lipases trenquen l'enllaç èster entre l'àcid gras i el glicerol. Els oleosomes són lipoproteïnes vegetals que tenen oleosines (apolipoproteïnes) i contenen lipases.

Un cop feta la hidròlisi, els àcids grassos es dirigeixen al glioxisoma per realitzar la Beta Oxidació:

1. Acil-CoA + FAD --Acil-CoA Oxidasa--> trans-Δ2-enoil-CoA + FADH₂ (El H₂O₂ resultant és degradat per la Catalasa: H₂O₂ → ½ O₂ + H₂O)
2. trans-Δ2-enoil-CoA + H₂O --Enoil-CoA Hidratasa--> Hidroxil CoA
3. Hidroxil CoA + NAD --Beta-HidroxilCoA DH--> Beta-CetoacilCoA + NADH + H+
4. Beta-CetoacilCoA + CoASH --Beta-CetoacilCoA Tiolasa--> Acil-CoA + Acetil-CoA

Destí dels Productes de la Beta Oxidació

• FADH₂: Vegetals → Peroxisomes (Catalasa). Animals → Respiració.
• NADH: Vegetals → Reoxidació. Animals → Respiració.
• Acetil-CoA: Vegetals → Síntesi de colesterol, sals biliars i hormones esteroides (via REL). Animals → Cossos cetònics.

Cicle del Glioxilat

Es realitza als peroxisomes i produeix succinat, precursor d'altres molècules:

2 Acetil-CoA + NAD+ + 2 H₂O → Succinat + 2 CoA + NADH + H+

Biosíntesi d'Àcids Grassos

La biosíntesi es duu a terme als cloroplasts i requereix dos enzims principals:

• Acetil-CoA Carboxilasa (ACC): Realitza una única reacció que gasta energia.
• Àcid Gras Sintasa (AGS): Realitza la resta de reaccions.

Obtenció d'Acetil-CoA per a la Biosíntesi

L'Acetil-CoA prové de la glucòlisi. Hi ha tres possibles vies d'obtenció:

1. Piruvat (via glucòlisi).
2. Acetil-CoA Sintetasa (ACS): Agafa acetat i forma Acetil-CoA.
3. Entrada d'Acetil-CoA via Acetil-Carnitina (molècula portadora des del mitocondri fins al cloroplast).

També es pot obtenir per la PDH (Piruvat Deshidrogenasa) mitocondrial, que passa a acetat i entra al cloroplast, on l'ACS el torna a convertir en Acetil-CoA. Existeix un isoenzim plastídic de la PDH al cloroplast i un isoenzim mitocondrial de la PDH.

Funció de l'Acetil-CoA Carboxilasa (ACC)

L'ACC és l'enzim regulador. Forma un complex multienzimàtic amb 4 dominis. Al centre, una Lisina (Lys) està unida a la biotina. La Biotina Carboxilasa fa entrar CO₂ i forma carboxibiotina, que es transfereix a l'Acetil-CoA per formar Malonil-CoA mitjançant la Carboxil Transferasa.

Funció de l'Àcid Gras Sintasa (AGS)

L'AGS presenta diferències segons l'organisme:

• Animals: Dímer de dues cadenes polipeptídiques amb diferents dominis (enzims multifuncionals).
• Plantes: Subunitats separades (complex multienzimàtic per cadenes separades).

La KAS (Cetoacil-ACP Sintasa) pot afegir més carbonis. L'AGS té dos grups tiol que formaran enllaç tioèster (KAS i ACP).

Etapes de la Síntesi d'Àcids Grassos

1. Transferència d'Acetil: Transferència d'acetat de l'Acetil-CoA al complex AGS (Acetil-CoA: Acetil Transferasa).
2. Transferència de Malonil: Transferència de malonat del Malonil-CoA al complex AGS (Malonil-CoA: ACP Malonil Transferasa).
3. Primera Volta (Elongació):
   • Condensació: 3-Oxoacil-ACP Sintasa (KAS). Té 3 isoformes amb diferent especificitat de substrat: KAS I (C4-C14), KAS II (C16), KAS III (C2).
   • Reducció del grup 3-oxo: 3-Oxoacil-ACP Reductasa.
   • Deshidratació: 3-Hidroxil-ACP Deshidratasa.
   • Reducció: Enoil-ACP Reductasa.
4. Segona Volta: Es repeteix la transferència de malonat i la condensació (KAS I).

Les Acil-ACP Tioesterases alliberen àcids grassos de 16:0 i 18:1 principalment, i petites quantitats de 18:1. Quan els àcids grassos abandonen l'estroma i entren al citosol, són transformats immediatament en Acil-CoA.