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Síntesis y Degradación de Almidón y Sacarosa (tema 16)

Mientras que la celulosa es desde un punto de vista cuantitativo, el carbohidrato de reserva más importante, el almidón y la sacarosa lo son desde un punto de vista cualitativo. Las triosas fosfato obtenidas en el ciclo de Calvin pueden tener tres destinos distintos: (1) Regeneración del ciclo (2) Síntesis de sacarosa en el citosol y (3) Síntesis de almidón en el cloroplasto. Este tema se centra en los dos últimos destinos.

El transporte de las triosas fosfato entre el cloroplasto y el citosol está mediado por un translocador de fosfato que realiza un antiporte de Pi (que entra en el cloroplasto) y triosas fosfato (que salen de él), manteniendo constantes los niveles de fosfato dentro del cloroplasto.

Al almidón es una forma de almacenar una gran cantidad de hidratos de carbono sin que eso tenga unas consecuencias osmóticas importantes. Puede ser una reserva a corto plazo o a largo plazo. A corto plazo porque durante la noche se sintetiza sacarosa a costa de degradar el almidón sintetizado durante el día en el ciclo de reserva transitoria, el cual es más o menos variable en función de la planta: en unas es más o menos constante mientras que en otras, se vuelve muy variable, en cuyo caso la síntesis de almidón está dirigida por el superávit de triosas fosfato en el cloroplasto constituyendo un mecanismo que evita la ralentización del ciclo de Calvin por exceso de triosas fosfato. En el caso de funcionar como una reserva a largo plazo, el almidón es almacenado en los amiloplastos.

La sacarosa es una azúcar no reductor y soluble, por lo que constituye un medio de transporte ideal de hidratos de carbono desde la fuente a los sumideros, aunque se usa principalmente para:

  • Síntesis de la pared celular (celulosa)
  • Respiración
  • Reserva en forma de azúcar, almidón y otros polisacáridos como los fructanos.

Estructura del almidón.

El almidón es un polímero de glucosa formado por amilosa y amilopectina. La amilosa es una cadena lineal cuyas unidades están unidas por enlaces α(1-4). El extremo reductor es el C1, y el no reductor, el C4 terminal. La amilopectina por su parte, tiene ramificaciones formadas por enlaces entre el C1 de la glucosa y el C6 de la siguiente. Está formada por cadenas lineales [α(1-4)] y cadenas ramificadas [α(1-6)].

La síntesis de almidón y sacarosa es muy parecida y es por eso que se pueden ver isoenzimas cloroplásticas y citosólicas aunque claro está, tienen distinta regulación.

 Síntesis de Almidón.

La síntesis del almidón comienza con la unión de dos triosas fosfato que dan lugar a una fructosa 2, 6-Bisfosfato. Una fosfatasa (fructosa 1, 6 Bisfosfatasa que participa también en el ciclo de Calvin) 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.

Actualmente hay mucha controversia sobre la síntesis de ADP-Glu en el cloroplasto. Esto está siendo estudiado por un grupo de investigación del País Vasco.

En plantas hay varias familias de la enzima almidón sintasa que a su vez pertenecen a dos grupos: uno de ellos participa en la síntesis de amilosa y el otro en la de amilopectina.

La estructura densa e insoluble que constituye el grano de almidón se obtiene por la unión de amilosa y amilopectina cuando interaccionan con la isoamilasa (elimina las ramificaciones que estorban) y la enzima D (recicla los restos de glucano).

La fructosa 1, 6-bisfosfatasa está regulada por el sistema ferredoxina/ tiorredoxina y parece que la ADP glucosa pirofosforilasa también. Esto lleva a concluir que en el cloroplasto la síntesis de almidón es inducida por luz.

 

Síntesis de sacarosa.

La sacarosa es un disacárido de glucosa y fructosa, la unión se establece por enlace glucosídico entre el C1 (grupo aldehído) de la glucosa y el C2 (grupo cetónico) de la fructosa. Al estar unidos los grupos reductores, la molécula es no reductora, lo que es una ventaja de cara al transporte.

La síntesis de sacarosa en el citosol es muy parecida a la del almidón en los cloroplastos. El punto de partida es el mismo: triosas fosfato que vienen del ciclo de Calvin y que pasan a fructosa 1, 6-bisfosfato, después a fructosa 6-fosfato y por isomerización a glucosa 1-fosfato. A diferencia del almidón se forma UDP-Glucosa (en el cloroplasto era ADP-Glucosa) que se une a fructosa 6-fosfato obteniéndose sacarosa fosfato. Una fosfatasa quita el fosfato y se obtiene la sacarosa.

Como se ha dicho antes, a diferencia de la síntesis de almidón, se utiliza UDP-Glucosa y la enzima que la forma es la UDP-Glucosa pirofosforilasa; un punto de control clave para la síntesis de sacarosa (cosa que no ocurre con el almidón). Esto se debe a que la enzima se usa también en la síntesis de celulosa.

Las enzimas fructosa 1, 6-Bisfosfatasa y sacarosa fosfato sintasa constituyen checkpoints en la síntesis de sacarosa. La primera regula en función de las necesidades de la planta, la segunda, de una forma más general, regula la velocidad de síntesis.

Al igual que en la síntesis de almidón, se forma fosfato inorgánico que puede usarse para intercambio por triosas fosfato con el translocador de fosfato del cloroplasto. El pirofosfato no se hidroliza tan rápido como en el cloroplasto porque tiene otros usos en el citosol, como por ejemplo, bomba de transporte en el tonoplasto.

 Regulación de la síntesis de sacarosa.

La sacarosa fosfato sintasa tiene una regulación bastante compleja. Los niveles de actividad dependen de la relación entre la glucosa 6-fosfato y el fosfato inorgánico. Si la relación es alta, la actividad será alta; si la relación es baja, la actividad será baja. Por otro lado, la enzima alcanza el pico de actividad cuando está desfosforilada, estando controlada de esta manera por la sacarosa fosfato sintasa kinasa y por la sacarosa fosfato sintasa fosfatasa. Por otro lado, la glucosa 6-fosfato inhibe a la SPS kinasa pero además es un modulador alostérico de la SPS que al unirse a ella provoca el cambio conformacional que hace que aumente su actividad.

El fosfato inorgánico por el contrario favorece la actividad de la SPS fosfatasa y además fosforila a la enzima provocando un cambio conformacional que reduce su actividad, es por tanto, un modulador alostérico negativo.

La fructosa 1, 6-bisfosfatasa citosólica no está regulada por la luz sino por el metabolito secundario (molécula que no participa directamente en el metabolismo, para más información consulta el tema 20) fructosa 2, 6-Bisfosfato que funciona como activador de la glucólisis; Cuando la célula necesita ATP los niveles del metabolito son altos y estimula la degradación de la reserva. La formación de este metabolito depende de la relación de triosas fosfato y fosfato inorgánico de manera tal que si la relación es alta hay exceso de energía, los niveles de fructosa 2, 6-bisfosfato son bajos, se produce una regulación positiva sobre la fructosa 1, 6-bisfosfatasa y se estimula la síntesis de sacarosa. Si por el contrario la relación es baja es que hay mucha fructosa 2, 6-bisfosfato y se produce una regulación negativa sobre la enzima.

En procariotas se utiliza ADP-Glucosa para la síntesis de glucógeno, el mismo iniciador de la síntesis de almidón, lo que lleva a pensar en el origen endosimbiótico del cloroplasto.

 Regulación de la síntesis almidón-sacarosa.

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.

Degradación de almidón.

Las fosforilasas degradan enlaces α(1-4), introducen fosfato y se obtiene glucosa 1-fosfato. La enzima desramificante rompe los enlaces  α(1-6) resultando moléculas lineales. La α-amilasa es una endohidrolasa que rompe también los enlaces  α(1-4) interiores resultando cadenas de glucanos (glucosas unidas de distinta longitud). La β-amilasa rompe enlaces β(1-4) en el extremo separando maltosas (dos unidades de glucosa).

Sobre los productos de estas enzimas degradativas actúan glucanasas y maltasas que los degradan totalmente a glucosa, es entonces cuando por acción de una hexoquinasa se obtiene glucosa 6-fosfato. La enzima D recicla los productos de glucanasas y maltasas pero también pega al glucano los restos que no pueden ser degradados.

En el cloroplasto el almidón es una reserva transitoria ya que es degradado por la noche. La principal enzima implicada en el proceso es la β-amilasa pero antes,  el almidón tiene que ser fosforilado dos veces por la glucano-agua dikinasa en dos reacciones que gastan ATP y liberan AMP y Pi (porque utiliza el fosfato γ en vez del β) después, una enzima desramificante elimina las ramificaciones y por último la β-amilasa degrada la cadena obteniendo maltosa. Se ha comprobado que la cantidad de almidón fosforilado es muy pequeña pero imprescindible para su degradación. Además de la β-amilasa otras enzimas como la glucano fosforilasa y la enzima D actúan en la degradación; la primera suministrando sustrato a la ruta oxidativa de las pentosas fosfato, la segunda, hexosas fosfato.

 

Degradación del almidón en las semillas de cereales.

En los cereales la principal enzima degradativa es la α-amilasa. El endospermo está cargado de almidón salvo en la aleurona; una capa de células vivas que rodea al endospermo almidonoso por debajo de la cubierta; las células de la aleurona están especializadas en la síntesis y secreción de enzimas hidrolíticas, cuando la semilla está germinando el embrión fabrica giberelinas que actúan sobre la aleurona estimulando la expresión de los genes  de la α-amilasa entre otros cuyos productos serán  secretados junto otras enzimas hidrolíticas al endospermo.

Degradación de la sacarosa.

En la degradación de sacarosa participan principalmente dos familias de enzimas: sacarosa sintasa e invertasas.

La sacarosa sintasa cataliza la unión del UDP a la sacarosa obteniendo UDP-glucosa y fructosa. In vitro esta reacción funciona en los dos sentidos pero in vivo sólo funciona en el sentido de la degradación. Frecuentemente varias sacarosa sintasa se asocian formando una roseta que participe en la síntesis de las microfibrillas de celulosa.

Las invertasas hidrolizan de forma irreversible la sacarosa en glucosa y fructosa. Cada una de las isoenzimas se agrupen en función de su pH óptimo y se pueden encontrar en varios compartimentos celulares.

En función de la familia que actúe habrá más o menos gasto de ATP: si actúa la sacarosa sintasa se gasta una molécula de ATP y otra de PPi (pirofosfato), si actúa la invertasa se gastan 2 ATPs.

 El papel de la fructosa-1, 6-bisfosfato.

Una vez movilizadas las reservas se tienen varios azúcares distintos con los que obtener  fructosa-6-fosfato primero y fructosa-1, 6-bisfosfato después, identificándose éste como un punto de regulación de las reservas de carbohidratos. En esta última etapa pueden intervenir dos enzimas: una utiliza ATP (fosfofructoquinasa) y otra que utiliza PPi (también fosfofructoquinasa). Mientras que la fosfofructoquinasa que utiliza ATP está regulada por la relación PEP/Pi, la fosfofructoquinasa dependiente de PPi está regulada por la concentración de fructosa-1, 6-bisfosfato siendo en gran medida los niveles de esta molécula los que determinan que el metabolismo de carbohidratos se desplace hacia el lado de la síntesis o el de la degradación. Además actúa como un activador de la glucólisis ya que la fosfofrutoquinasa de PPi interviene en esta vía y es la unión de la fructosa-1, 6-bisfosfato a esta enzima la que potencia su actividad. La fructosa-1, 6-bisfosfato no interviene en rutas metabólicas por lo que es un metabolito secundario. Los carbohidratos pueden regular la expresión de genes denominados como genes de la abundancia  y genes del hambre.

Comments
  1. Ximena

    Para los estudiantes es un aporte este artìculo tan “ameno” para que entiendan uno de la procesos metabolicos en forma simple. Primer paso en el aprendizaje.

  2. manu

    Gracias por tu comentario Ximena!

  3. Dave

    Estos temas estan geniales, para mi que estoy estudiando vegetal con el libro de Fisiologia vegetal de Bartolome Sabater, estos temas son una bendicion, no tendras por casualidad la accion del fitocromo en la fotomorfogenesis, o la sinteis de la pared vegetal no??. Gracias!!!

  4. manu

    Gracias Dave! Pues los temas están basados en tres manuales de fisiología vegetal (el Taiz, el Ascón-Bieto y el Buchanan) y algunas reviews. En cuanto a tus pedidos… de fotorreceptores tengo dos temas: uno dedicado a la luz roja y otro a la luz azul que espero subir en breve (así que no te alejes mucho) y sobre la síntesis de la pared celular no tengo nada, lo siento. Gracias por pasarte y me alegro de que te sirvan!

  5. randy

    Ya lo he solucionado esque habia una opcion que decia qe solo mostraba minimo 3 estrellas. Gracias de todas formas

  6. manu

    Es el problema de tener tantas opciones; como se escape una… jejeje y por cierto… muchas gracias por comentar cómo lo has solucionado! la verdad es que muy poca gente lo hace! Un saludo y gracias de nuevo!

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