Breakdown and Synthesis of Sucrose, Starch and Cellulose

In this article we will discuss about the breakdown and synthesis of: 1. Sucrose 2. Starch and 3. Cellulose in Plants.

Breakdown of Sucrose:

Sucrose is broken down or hydrolysed to yield glucose and fructose in the presence of the enzyme invertase or sucrase. The reaction is irreversible.

Synthesis of Sucrose:

Synthesis of sucrose in plants may take place by 3 different ways:

(1) From Glucose-1-Phosphate and Fructose in the presence of the enzyme sucrose phosphorylase e.g., in bacteria.

(2) From UDPG (Uridine Di-Phosphate Glucose) and Fructose in the presence of the en­zyme sucrose synthetase e.g., in higher plants.

(3) From UDPG and Fructose-6-phosphate in the presence of the enzyme sucrose phos­phate synthetase e.g., in higher plants.

Sucrose-phosphate thus produced is hydrolysed in the presence of the enzyme phosphatase to yield sucrose.

Breakdown of Starch:

Breakdown or the hydrolysis of starch to yield its constituent a-D-Glucose units may take place in two ways:

(1) By the enzyme diastase:

In fact diastase is not a single enzyme but a complex of many enzymes which are as follows:

(i) α-amylase,

(ii) β-amylase,

(iii) R-Enzyme,

(iv) Maltase

α-amylase and β-amylase attack 1 : 4 legături ale amilozei și amilopectinei (care constituie amidonul), în timp ce R-Enzima atacă legăturile 1 : 6 ale amilopectinei, astfel încât amidonul este hidrolizat pentru a produce unități dizaharidice i.e., maltoză. În cele din urmă, enzima maltază transformă maltoza în molecule de glucoză.

(2) Prin enzima amidon fosforilază.

Glucoza-1-fosfat poate fi transformată în glucoză de către enzima fosfatază.

Sinteza amidonului:

Sinteza amidonului implică sinteza simultană a amilozei (cu legături glicozidice α-(1: 4)) și a amilopectinei (cu legături glicozidice α-(1: 6)), cei doi constituenți importanți ai amidonului.

(A) Sinteza amilozei (sau a legăturilor glicozidice α-(1: 4)):

Sinteza amilozei poate avea loc în oricare dintre următoarele moduri:

(1) Conform lui Hanes (1940) amiloza poate fi sintetizată în prezența enzimei amidon fosforilază din glucoză-1-fosfat și o moleculă acceptoare compusă din aproximativ 3 până la 20 de unități de glucoză unite între ele prin legături glicozidice α-(1: 4).

(2) Formarea de α-(1 : 4) legături glicozidice poate avea loc, de asemenea, în prezența enzimei UDPG-transglicozilază (amiloză sintetază) prin transferul glucozei de la UDPG (Uridină Di Fosfat Glucoză) la o moleculă acceptoare formată din 2 până la 4 sau mai multe unități de glucoză unite între ele prin legături glicozidice α-(1 : 4) sau chiar la o moleculă de amidon.

Structura UDPG este prezentată mai jos:

UDPG (Uridin Difosfat Glucoză)

(3) Conform lui Akazawa et al. (1964) molecula de glucoză obținută în urma hidrolizei zaharozei în prezența enzimei sucrasă este transferată la molecula de UDP (Uridină Di Fosfat) pentru a forma UDPG. Sub forma UDPG molecula de glucoză este transferată la amidon (Fig. 13.2)

(4) Formarea de α-(1: 4) legături glicozidice care conduc la sinteza de; amiloză poate avea loc, de asemenea, în prezența enzimei D prin transferul a două sau mai multe unități de glucoză din maltodextrine (formate din mai mult de două unități de glucoză) către o varietate de acceptori, cum ar fi moleculele de maltotroză, maltotetroză.

(B) Sinteza amilopectinei (sau a legăturilor glicozidice α-(1: 6)):

Aceasta are loc în prezența enzimei Q prin transferul unor lanțuri mici de unități de glucoză unite între ele prin legături glicozidice α-(1: 4) către o moleculă acceptoare formată din cel puțin patru unități de glucoză legate α (1: 4). Legătura glicozidică α-(1: 6) se stabilește între C-1 a unității terminale de glucoză din molecula donatoare și C-6 a uneia dintre unitățile de glucoză din molecula acceptoare (Fig. 13.3).

Descompunerea celulozei:

Celuloza este o moleculă de carbohidrați polimerici cu lanț drept (un glucan), compusă dintr-un număr mare de unități de D-glucopiranoză unite între ele prin legături glicozidice β(1 → 4). În natură, celuloza este descompusă prin hidroliză enzimatică prin intermediul enzimelor numite celuloze. Aceste enzime, care sunt adesea grupate sub denumirea generică de cellază, atacă în mod aleatoriu legăturile β(1 → 4) glicozidice ale lanțului celulozic, formând mai întâi cellodextrine și apoi dizaharide numite celuloză. Celulobioza este apoi hidrolizată în glucoză de către enzima cellobioză.

Enzimele de degradare a celulozei nu se găsesc la plante sau la om. Acestea se găsesc doar în anumite organisme, cum ar fi rumegătoarele, termitele, unele bacterii și anumite protozoare.

(Diviziunea Ruminantia a ungulatelor cu picioare egale, cum ar fi cerbul, antilopa, oaia, capra sau vaca).

Sinteza celulozei:

Lungile lanțuri nebranșate de celuloză (formate din reziduuri de glucoză legate β(1→4)) sunt sintetizate în plante de către enzimele numite celuloză-sintetaze. Enzima celuloză-sintetază este un complex cu mai multe ramificații care este situat pe membrana plasmatică și transferă un reziduu de glucoză de la un donator de nucleotide de zahăr numit glucoză difosfat de uridină (UDPG) la o moleculă acceptoare formând β (1 → 4) acceptor de glucozil.

UDPG + Acceptor → UDP + β (1→4) glucosil-acceptor

Se crede că sterol-glicozidele (adică steroli uniți la un lanț format din una sau mai multe unități de glucoză), cum ar fi β-sitosterol glucozidul (Fig. 13.4), acționează probabil ca acceptori inițiali care încep alungirea lanțului celulozic. Procesul continuă, iar după ce lanțul celulozic a atins lungimea dorită, sterolul este separat de glucan (lanțul celulozic) de către enzima endoglucanază prezentă în membrana plasmatică. Lanțurile celulozice separate sunt apoi extrudate pe partea exterioară a membranei plasmatice (Fig. 13.5).

Există dovezi care sugerează că glucoza din UDPG provine din zaharoză, prin acțiunea enzimei reversibile zaharoză sintetază (Fig. 13.5). Alternativ, UDP-glucoza poate fi obținută direct din citoplasmă.