METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

Funciones del metabolismo

• El metabolismo es principalmente energético.• Sin embargo, los hidratados de carbono tienen

también una importante función estructural– Formación de polisacáridos– Formación de glico-proteínas

• A estos polisacáridos se les ha otorgado un rol de importancia para las características sensoriales del vino

Fuentes de carbono utilizadas por las levaduras

• Las levaduras no puede metabolizar azúcares complejos de elevado grado de polimerización (ejemplo almidón).

• Las levaduras asimilan y fermentan solo algunos monosacaridos, algunos disacaridos y trisacaridos con gran dificultad

• Algunas levaduras pueden utilizar como fuente de carbono alcoholes y ácidos.

Vías metabólicas de los H. de carbono

• Existen varias vías catabólicas• Su operación depende de la concentración de

sustrato disponible y de las condiciones del medio de crecimiento

• La disponibilidad de oxígeno juega un rol crítico• En las levaduras industriales, la principal vía

metabólica es la fermentación alcohólica.• Durante su operación otras vías presentan una

baja actividad o están reprimidas.

Principales vías metabólicas

• Vía glicolitica• Fermentación alcohólica• Fermentación gliceropiruvica • Fermentación maloalcohólica• Ciclo de los ácidos tricarboxilicos• Ciclo de las pentosas fosfatos

(fundamentalmente con función estructural)

LA LEVADURA ORGANISMO FACULTATIVO

Tipos de metabolismo de azúcares

•Metabolismo anaeróbico

•Metabolismo aeróbico

Fermentaciones

Aceptor final de electrones

Comp. orgánico

Respiración

Aceptor final de electrones

Oxigeno

Bajo rendimientoenergético

Elevado rendimientoenergético

Esquema de Metabolismo energético

La glicolisis

• También conocida como vía de Emden- Meyerhof.

• Principal vía catabólica de los azúcares• Serie de transformaciones que son comunes a

los procesos aeróbicos y anaeróbicos.• Comprende 10 reacciones secuenciales que

transforman una molécula de hexosa en dos moléculas de ácido pirúvico.

• El rendimiento energético es algo pobre.

La vía Glicolítica

• La vía glicolítica opera bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas

1ª ETAPACorresponde a una etapa de inducción o de activación de las moléculas de azucares mediante Dos reacciones de fosforilización de las hexosas

Enzimas participantes

HEXOQUINASA P1HEXOQUINASA P2GLUCOQUINASA

En Saccharomyces, EXQ P1 y EXO P2 funcionan 3 veces másrápido con la glucosa que con la fructosa por ello metabolizacon mayor velocidad la primera. Se dice que es una levaduraglucofilica

Fase de activación de los azucaresGasto de energía

Fase de producción de energía

Solo la formación de ATP genera energía metabólicamente aprovechable

La formación de NADH no produce energía aprovechable ya que su reoxidación se realiza a nivel de sustrato, siendo el acetaldehído el aceptor de electrones

Enzimas participantes

• Hexoquinasa• Fosfogluco isomerasa• Fosfofructoquinasa• Aldolasa• Triosaisomerasa• Gliceraldehido 3 fosfato

deshidrogenasa• Fosfogliceroquinasa

• Pirúvico descarboxilasa• Alcohol deshidrogenasa

GLICOLISIS

FERMENTACION ALCOHOLICA

Esquema global del Metabolismo Aeróbico

CITOPLASMA

Producción de energía metabólica por el metabolismo aeróbico

La respiración celular• En levaduras del genero Sacch. La vía catabólica aeróbica no

solo necesita de oxigeno disponible para funcionar

• En las condiciones de los medios fermentativos vínicos la via aerobica se halla muy reprimida

• El condiciones de elevadas concentraciones de azucares las levaduras presenta un bajo numero de mitocondrias

• Las que existen además presentan una funcionalidad muy comprometida por fallas estructurales

• Solo a bajas concentraciones de azucares, menores a los 9 g/L se produce la inducción del ADN mitocondrial y la formación de mitocondrias (50 a 80 por células) funcionales

• La producción de mitocondrias necesita de un periodo de inducción que no se alcanza si las condiciones de aireación son de muy corta duración.

Metabolismo a elevadas concentraciones de sustrato

• A concentraciones de azúcar superiores a 9 g/L el metabolismo es preferentemente fermentativo

• Se presenta una represión del metabolismo respiratorio y aunque halla O2 disponible la levadura no puede utilizarlo

• Principales mecanismos de represión– Represión catabólica por glucosa– Inactivación enzimática por glucosa

Represión catabólica (Efecto Crabtree)

• Las enzimas del TCA están localizadas en las mitrocondrias

• Ciertas enzimas respiratorias sólo son sintetizadas cuando hay oxigeno ( no son constitutivas)

• La expresión de estos genes depende de la concentración de glucosa y otros azúcares fermentecibles.

• Con elevadas concentraciones de sustrato, están reprimidos los genes que codifican la síntesis del RNAm para la transcripción de la síntesis de las respectivas proteínas a nivel de los ribosomas

• Cuando la concentración de azúcar es limitante, la levadura activa el metabolismo respiratorio a fin de generar suficiente ATP para mantener los procesos anabólicos .

Inactivación enzimática por glucosa

• Inactivación de la acción de enzimas respiratorias

• Aceleración de la actividad proteolítica– Fosforilación de proteínas (reversible)– Acción de proteasas vacuolares– Mecanismos de transporte de proteínas a la

vacuola

LA FERMENTACION ALCOHOLICA

• La fermentación alcohólica comprende los 10 pasos de la glicólisis y dos reacciones complementarias en que se logra la reoxidación del NADH imprescindible para que la via siga funcionando

• El acetaldehído actúa como aceptor de los electrones que se han generado en la producción de ATP durante la glicólisis.

Reacciones complementarias a la glicólisisDecarboxilación del ácido pirúvicoAceptor de electrones: Acetaldehído que se transforma

en etanol

Esquema global de la FA

Esquemas resumidos de la F.A.

BALANCES DE LA FERMENTACION ALCOHOLICA

RENDIMIENTO DE ETANOL DE LA FERMENTACION ALCOHOLICA

Rendimiento teórico.

GLUCOSA 2ETANOL + 2 CO2

180 2*46=92 2*44=88

51% 49%

• Nunca se alcanza, • Un número variable de moléculas participan en otras

reacciones.

Balance real de la Fermentación Alcohólica

• En una fermentación modelo, con 22 a 24% de azúcar:

– 95% es convertido a etanol y CO2

– 1% es convertido en material celular

• inóculo inicial: 1x106, biomasa final 2x108

– 4% es convertido en productos secundarios de la fermentación.

Rendimiento real en etanol de la de la fermentación alcohólica (2)

• Rendimiento real aprox. 48,5% depende de variados factores: – Temperatura de fermentación – Concentración de azúcares – Cepas de levadura– Condiciones de aireación

BALANCE ENERGETICO DE LA FERMENTACION ALCOHOLICA

BALANCE ENERGETICO DE LA FERMENTACION

GLUCOSA ETANOL + CO2 = 40 kcalFormación de 2 moléculas ATP = 14,6 kcal Generación de calor = 25,4 kcal

El calor generado permite elevar la temperatura del mosto en 1,3º C por cada grado Brix fermentado.

Cinética fermentativa

La cinética fermentativa está determinada por variados factores

• Concentración de azúcar del mosto • Actividad de los transportadores de azucares• Temperatura de fermentación • Concentraciones de nutrientes • Cepa de levadura• Condiciones de crecimiento de la levadura • Concentración de iones hidrógeno• Concentración de etanol

• HASTA AQUÍ FUE LA CLASE

El primer sitio de regulación es el transporte de los azucares dentro de la célula.Los azucares pueden ser transportados a través de las membranas mediante tres mecanismos Simple difusión Difusión facilitada Transporte activo La glucosa, fructosa y manosa son transportadas mediante difusión facilitada un proceso no concentrativo y que no requiere gasto de energía de manera directaLa sacarosa es hidrolizada fuera de la célula y los monosacáridos resultantes, transportados dentro de la célula.

MECANISMOS DE TRANSPORTE DE AZUCARES

El transporte en Saccharomyces es muy complejo ya que participan varios transportadores

Se presentan al menos dos tipos de transportadores

Transportadores de baja afinidad frente a la glucosa Transportadores de alta afinidad frente a la glucosa

Tipos de transportadores

 Los estudios han demostrado que el transportador de baja afinidad es constitutivo durante la fase de crecimiento ; Su actividad desciende durante la fase estacionaria  Los transportadores de alta afinidad son reprimidos por elevadas concentraciones de glucosa por lo tanto solo se expresan en las etapas finales de la fermentación. La codificación de la síntesis y de la actividad de los transportadores es muy compleja pues para cada tipo actúan grupos de genes.

FUNCIONALIDAD DE LOS TRANSPORTADORES

Pregunta interesante

¿ Porqué las levaduras prefieren, aunque exista oxígeno, metabolizar los

azúcares por fermentación , en circunstancia que es un metabolismo menos eficiente en la generación de

energía?

La respiración es altamente consumidora de metabolitos

Requiere la síntesis de muchas más enzimas

Requiere la formación de mitocondrias

Consume gran parte de la energía generada en procesos anabólicos

Si el azúcar no es limitante, por fermentación se puede generar un elevada cantidad de ATP.

ALGUNAS RAZONES

FERMENTACION GLICEROPIRUVICA

• En condiciones anaeróbicas no es posible la reoxidación del NADH2 a nivel de la respiración celular.

• En la fermentación alcohólica esta necesidad se cumple con la aceptación de los electrones por el acetaldehído.

• El acetaldehído es una molécula muy reactiva que pued combinarse son un gran numero de componentes. Un ejemplo es el ion bisulfito

• Al inicio de la fermentación no existe suficiente acetaldehído libre.• El SO2 incrementa la ausencia de acetaldehído libre.• La dihidroxiacetona fosfato actúa como aceptor de electrones

oxidando el NADH.• Esta vía es la fuente de la formación de glicerol • A través del ácido pirúvico se forma un variado número de

compuestos secundarios.

Fermentación Gliceropiruvica

Al inicio del F.Aparte del piruvato se necesita para procesos anabólicos

1 y 2 dos presentan baja actividad

12

1: Descarboxilasa piruvica2: Alcohol deshidrogenasa

Fermentación maloalcohólica

• Durante la fermentación alcohólica las levaduras pueden transformar el ácido málico en alcohol etílico por una secuencia de reacciones conocida como fermentación maloalcohólica

Condiciones y rendimiento

• Es una fermentación que compite por recursos celulares con la fermentación alcohólica

• Compite por NAD (oxidado) y por ello es también sensible a las adiciones de SO2

• Las levaduras Sacch. solo la degradan del 10 al 25% del ácido málico.

• Las levaduras que pueden transformar hasta un 90% de ác. Málico son las del genero Schizosaccharomyces.

• Rendimiento de la transformación

2.33 g de ácido por 0,80 g de etanol