microbiologia 9ª aula - metabolismo
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9ª Aula: Metabolismo Microbiano
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Conceitos chave a apreender• O que é o metabolismo? Conceito de catabolismo e
anabolismo. • Respiração aeróbica e anaeróbica e fermentação• Papel do ATP; Balanço energético; • Cadeia transportadora de electrões e fosforilação
oxidativa• Os principais ciclos do catabolismo: Glicólise, TCA• Anabolismo: energia é utilizada para biosíntese.• Intermediários do ciclo TCA e glicólise são precursores da
síntese de metabolitos• Fixação do CO2 : o ciclo de Calvin
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METABOLISMO MICROBIANO
METABOLISMO É O CONJUNTO DE REACÇÕES QUÍMICAS QUE OCORREM NO INTERIOR DA CÉLULA.
� Reacções de biossíntese (anabolismo) ocorrem em simultâneo com reacções de degradação de moléculas (catabolismo).
� Todos os processos físicos e químicos resultam da aplicação ou movimento de energia.
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ENERGIA
� biossíntese de material celular
� manutenção de funções vitais da célula - transporte de moléculas e iões através da membrana, movimento de flagelos, degradação de macromoléculas
ENERGIAENERGIA: CAPACIDADE DE REALIZAR TRABALHO: CAPACIDADE DE REALIZAR TRABALHO
TRABALHO QUÍMICO TRABALHO MECÂNICO
TRABALHO DE TRANSPORTE
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Respiração aeróbica
NADH
2e-
½ O2
Energia(ATP)
Fotossíntese
NADH+
2e-
H2O
Energia(Luz)
A célula tem a capacidade de transferir energia dos sistemas que a produzem para sistemas que vão realizar trabalho às custas desta energia.
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� As células utilizam o ATP como forma de energia. ATP édegradado em ADP + PI, tornando possível a realização de trabalho. Processos como respiração aeróbica, fermentação e outros resintetizam ATP a partir de ADP + PI.
� Os organismos quimioheterotróficos utilizam o O2 como aceitador de e- quando oxidam a glucose e outras moléculas orgânicas a CO2
ADP + PI
ATP
Glucose
CO2 + H2O
RespiraçãoTrabalho químicoTrabalho mecânicoTrabalho de transporte
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Papel do ATP (Adenosina Trifosfato)
ATP: molécula de alto potencial energético, formada em reacções
exergónicas; usado para levar a cabo reacções endergónicas.
. Biosíntese de constituintes
. Transporte
. Mobilidade
. Reacções de polimerização
. etc
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REACÇÕES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO(CONSERVAÇÃO DE ENERGIA)
Os electrões movem-se de uma molécula dadora (agente redutor),
para uma molécula aceitadora (agente oxidante). A E libertada depende
da natureza do dador e do aceitador de e-.
Lactato + NAD+ Piruvato + NADH + H+
Redução
Oxidação
Produção de compostos altamenteenergéticos como o ATP
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Enzimas
São proteínas catalíticas (aumentam a velocidade de reacção química que catalisam), têm grande especificidade para a reacção que catalisam e para a molécula em que actuam.
Substrato ProdutoEnzima (E)
Efeito da actividade enzimática
Pouco substrato formação do produto lenta
Muito substrato formação do produto mais rápida
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Muitas enzimas são proteínas. Algumas consistem numa proteína (apoenzima) e num cofactor que é necessário para a actividade catalítica.
� fracamente ligado à enzima: coenzima (ex: NAD+)
� fortemente ligado à enzima: grupo prostético
� activadores metálicos (ex: Mn2+, Cu2+, Zn2+)
A formação do complexo enzima-substrato diminui a energia de activação da reacção.
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Metabolismo Primário e Metabolismo Secundário(necessário ao crescimento) (não associado ao crescimento)
Catabolismo Anabolismo
Quebra de moléculas grandes e complexas a moléculas pequenas e simples (H. de carbono; lípidos, proteínas, etc)
Síntese de moléculas complexas
Libertação de energia para trabalho:• mecânico• químico• transporte
Idiofase (desacelaração)
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FASES/ ETAPAS DO METABOLISMO:
1ª fase:
Proteínas LípidosPolissacarídeos
aa Monossacarídeos Glicerol, ác. gordos
/ /
/ /
2ª fase:
Acetil CoA, piruvato, intermediários do TCA
3ª fase:
Moléculas oxidadas a CO2 com produção de ATP, NADH e FADH2
Em condições de aerobiose, o metabolismo de compostos orgânicos, quando associado a um processo de respiração aeróbia, pode ser dividido em 3 etapas.
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ATPLípidos.... Glicerol + ác gordos
β-oxidação
GTP
Coenzimas são reoxidadaspela transferência de electrões
Triglicéridos ou fosfolípidos
Acetil CoA
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As vias metabvias metabóólicaslicas utilizam nutrientes que são degradados por acção de enzimas; as reacções decorrem de forma a que o produto de uma reacção é o substrato da reacção seguinte.
Vias anfibólicas ( vias de função dupla): reacções de degradação e de síntese, levadas a cabo por enzimasdistintas – conduzem não só à produção de energia mas também,
de moléculas de baixo peso molecular utilizadas na síntese de blocos precursores de macromoléculas.
Glicólise e Ciclo de Krebspodem ser consideradas vias Metabólicas Centrais
e são também designadas por:
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1. Via Glicolítica como exemplo de fermentação da glucose
� Presente em quase todos os grupos de MO� Decorre em ausência ou presença de oxigénio� Decorre na matriz citoplasmática (procariotas e eucariotas)� Dividida em duas partes: (fase de 6 carbonos e fase de 3 carbonos)
Glucose Frutose 1,6-difosfato
Frutose 1,6-difosfato Gliceraldeído-3-Pdihidróxiacetona-P
� ATP é sintetizado por fosforilação a nível do substrato� A seguinte equação pode ser usada para representar a degradação da
glucose em piruvato:
Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
S.Mendo08/09GLICÓLISE OU EMBDEN-MEYERHOF
Iª etapa: Rearranjo; produçãode intermediários com 3C
IIª etapa: Síntese de ATP e piruvato
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Fermentação alcoólicaFermentação lácticaOutras fermentações
IIIª etapa: Produtos de fermentação (etanol,ác. láctico; CO2)Regeneração de NAD+ para que Continue a ocorrer oxidação daGlucose.
Em condições de anaerobiose o metabolismo de compostos orgânicos pode envolver processos de fermentação ou de respiração anaeróbia
Fermentação da glucose liberta pouca energia. Porquê?
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RESPIRAÇÃO E TRANSPORTADORES DE ELECTRÕES
Respiração aeróbica: Como o O2 está presente:
. Aceitador final de e-
. Moléculas de substrato são completamente oxidadas a CO2
. Maior quantidade de ATP produzida
Transportadores e movimento de electrões
NADH desidrogenaseAceitam átomos de H+ de um dador(NADH) e passam-nos a flavoproteínas
Flavoproteínas Aceitam átomos de H+ e doam electrões
Quinonas
Citocromos Utilizam átomos de Fe para transportar e-
Fe 3+Fe 3+ + e-
Aceitam átomos de H+ e doam electrões
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MECANISMOS DE SÍNTESE DE ATP:� transporte de electrões � fosforilação oxidativa
1. Cadeia transportadora de electrões: transportadores que transferem electrões de moléculas dadoras (NADH e FADH2) para moléculas aceitadoras (O2)
Localização dos transportadores:• Membrana interna do mitocôndrio (complexos I, II, III e IV)• Membrana plasmática
Mecanismos para gerar ATP: Respiração; Fotofosforilação; Fosforilação a nível de substrato
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CADEIAS TRANSPORTADORAS DE ELECTRÕES
E’0-0.40
-0.30
0.0
+0.25
+0.40
+0.80
Substratos
NAD+/NADH
Flavoproteínas
QuinonasCitocromo bc1
Citocromo C
Citocromo aa3
O2
Sequência típica da cadeiatransportadora de electrões das mitocôndrias de eucariotas e de alguns procariotas.
E.coli, não possui os citocromosc e aa3
Fermentação
Resp. Anaeróbica
Resp.Aeróbica
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2. Fosforilação oxidativa: processo pelo qual a energia que é gerada na cadeia transportadora de e- é usada para síntese de ATP
Quando 1 par de e- passa do NADH para 1 átomo de oxigénio são sintetizados 3 ATP a partir de ADP + Pi, ou seja P/O = 3; FADH2 sópassa por dois pontos de fosforilação oxidativa, ou seja P/O = 2.
A. Hipótese Quimiosmótica (força motriz de protões-PMF)-Peter Mitchell, 1978B. Hipótese de alteração conformacional
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COMO É QUE O TRANSPORTE DE ELECTRÕES ESTÁ LIGADO À SÍNTESE DE ATP?
Os átomos de Hretirados aos
transportadores como por ex. NADHsão separados em
e- e H+
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Complexo enzimáticoATP sintase ou ATPase
Citoplasma
Exteriormembrana
Fo
F1
citoplasma
Exterior
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HIPÓTESE QUIMIOSMÓTICA
A cadeia transportadora está organizada de forma a que ocorra o transporte de protões para fora da matriz mitocondrial/membrana plasmática e o transporte de e- para dentro da matriz/membrana; gera-se um gradiente de protões no exterior da matriz; quando os H+ são transportados para o interior da matriz pelo complexo F1F0, ocorre a síntese de ATP em F1 (ATPase).
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FLUXO DE CARBONO NA RESPIRAÇÃO: O CAC (CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO)/ TCA OU CICLO DE KREBS
Aspartato
Glutamato
Àcidos gordos
ReacçõesAnapleuróticas
Reposição de Intermediários
Carboxilação do piruvatoou do PEP a OAA
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GANHO DE ATP NA GLICÓLISE E NA RESPIRAÇÃO AERÓBIA
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ASPECTOS PARTICULARES DA RESPIRAÇÃO
Vários ácidos orgânicos (2 e 3 C) podem ser utilizados como fonte de carbono e fonte dadora de e-
Ciclo do glioxilato: Algumas bactérias têm a capacidade de oxidaro acetato a CO2 e H2O. Duas enzimas chave são necessárias (que nãoestão envolvidas no ciclo TCA)
Oxidação pelasBactérias acéticas
Etanol
Acetato
(Leveduras)
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OBTENÇÃO DE ENERGIA NOS MICRORGANISMOS QUIMIOAUTOTRÓFICOS
Microrganismos obtêm energia pela oxidação de substâncias inorgânicas reduzidas(H2, NH3, NO2-, Fe2+ e compostos reduzidos do enxofre)
Algumas bactérias têm um papel fundamental na oxidação destes compostos
Bactérias nitrificantes (Nitrosomonas)
Nitrobacter
Fixação do Azoto
* Pseudomonas e Bacillus, nitrato aceitador final de e-
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O enxofre é um componente indispensável dos aminoácidos (cisteína; Metionina) e outros constituintes celulares (CoA)
sulfato
sulfito
sulforeto Incorporação nos constituintes celulares
Bactérias metanogénicas não conseguem reduzir o sulfato
necessitam de sulforeto de Hidrogénio (H2S) como fonte de enxofre
R. de assimilação do enxofre
ASSIMILAÇÃO DO ENXOFRE
As bactérias redutoras do enxofre são anaeróbias estritasE utilizam o sulfato como receptor de electrões
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�������������� �������������������������������� ������������������������������������
������������� ������������������������� ����
Desulfovibrio e Desulfotomaculum: utilizam sulfato (SO42-) como aceitador final de e-, formando sulforeto
de hidrogénio (H2S)
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A redução do sulfato (SO42-) ocorre numa série de reacções envolvendo consumo
de ATP, NADPH e proteínas contendo enxofre (tioredoxina)
Sulfato (SO42-)
Adenosina 5´fosfosulfato (APS)
Fosfoadenosina 5´fosfosulfato (PAPS)
Sulfito
Sulforeto
ATP2 Pi
ATP2 Pi
Tioredoxina (reduzida)
Tioredoxina (oxidada)
3 NADPH
Compostos orgânicos contendo enxofre através da O-acetilserina (cisteína, por exemplo)
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OBTENÇÃO DE ENERGIA NOS ORGANISMOS FOTOAUTOTRÓFICOS
Microrganismos que utilizam a luz como fonte de energia (transformam a energiada luz em energia química em presença de pigmentos como a clorofila, carotenóidese ficobilinas.
Fototrófos
FotoautotrófosC=CO2
FotoheterotrófosC= orgânico
A energia da luz é utilizada para redução do CO2a compostos orgânicos
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Clorofilas, bacterioclorofilas, carotenóides e ficobilinas
Plantas ( clorofila a e clorofila b)
Cianobactérias: clorofila aBactérias verdes e purpúreas: uma de várias bactérioclorofilas
Localização:. Membranas fotossintéticas
eucariotas: em tilacóides no cloroplasto
procariotas: sistemas membranares internos resultantesde invaginações da membrana citoplasmática
Pigmentos acessórios
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Reacções de luz: A energia da luz é transformada em energia química
Reacções de escuro: Energia química é usada para reduzir o CO2 a compostos orgânicos
Fotossíntese compreende:
Por um processo semelhanteà fosforilação oxidativa
que, neste caso, se denominaFotofosforilação
Cadeia semelhante à de transporte de electrões; os e- passam de intermediários de baixo potencial redox para a ferredoxina, UQ, cit b e c, ocorrendo síntese de ATP por
Fotofosforilação cíclica
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Cianobactérias, por exemplo ocorrefotólise da água, formando-se O2 e poder
redutor necessário à redução das moléculas de CO2
Fotossíntese oxigénica
Nas bactérias fotossintéticas, não ocorrefotólise da água, portanto não se forma O2.
o poder redutor necessário para reduzir o CO2é formado a partir de H2 e H2S
Fotossíntese anoxigénica
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CO2 COMO FONTE DE C PELOS ORGANISMOS AUTOTRÓFICOS(FOTOAUTOTRÓFICOS E QUIMIOAUTOTRÓFICOS)
Estes organismos utilizam o CO2 como fonte única de C, que é convertido em glucose pelo ciclo de Calvin
Divide-se em 3 fases:
1. Fase de fixação do CO2
2. Fase de redução das trioses
3. Regeneração da Ribulose diP
NAD(P)H, ATP e 2 enzimas chave:Ribulose biP carboxilase (RubisCO)Fosforibulocinase
RubisCO
Glicogénio, amido, etc
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� CATABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO
Ex: Degradação da Lactose
Lactose+ H2O Galactose+ Glucoseβ-galactosidade
Na ausência de nutrientes exógenos MO sobrevivem pois catabolizamsubstâncias armazenadas:
GlicogénioAmidopoli-�-hidroxibutiratooutras reservas energéticas
(Glucose)n + Pi (Glucose)n-1 + Glucose 1-P Glucose + 6P
Glicólise
� CATABOLISMO DE POLÍMEROS
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� CATABOLISMO DE ÁC. GORDOS
Quebra de moléculas longas de ácidos gordos em unidades de 2C convertidas em Acetil CoA
Ciclo TCA ( geralmente produz 14 ATP)
Partindo de uma molécula de 16C
8 x unidades de 2C
» ATP
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CO2
Reacções de Fixação
Glicólise
Ciclo TCA
MonómerosGlucose, àc. Gordos
Amino ácidos
Moléculas maiores
CO2
Biodegradação
célula
Morte da célula
Maioria dos percursores monoméricosdas macromoléculas são sintetizados a
partir de intermediários de um destes ciclos
ESQUEMA GERAL DA SÍNTESE CELULAR E DA BIODEGRADAÇÃO DE MOLÉCULAS
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APLICAÇÃO DA ENERGIA PARA BIOSSÍNTESE (ANABOLISMO)
Moléculas Monómeros Macromoléculas Membranas Organelos CélulasInorgânicas Complexos
enzimáticos
Substratos
Monómeros
Produtos
Macromoléculase outros constituintes
celulares
ATP ↔↔↔↔ Força motriz de protões
Catabolismolibertação de energia
Anabolismoconsumo de energia
Biosíntese
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SÍNTESE DE PRECURSORES E MACROMOLÉCULAS
A estratégia da célula consiste na utilização de moléculas simples como aa, açucares, bases púricase pirimídicas, etc
Esqueletos de carbono das diferentesMacromoléculas constituintes da célula
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Monómeros de polissacarídeos: açúcares
. Constituintes da parece celular de muitos organismosEx: em bactérias o peptidoglucano
. Glicogénio e amido (hexoses: glucose ou derivados desta)
. Pentoses: esqueleto do DNA e RNA
Quando as células estão a crescer na presença de hexoses, é fácil obter glucose para biosíntese contudo, qdo as células crescem em outras fontes de C, têm que a sintetizar via gluconeogénese a partir do fosfoenolpiruvato
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SÍNTESE DE HIDRATOS DE CARBONO
Os monossacáridos ( constituintes dos polissacáridos) são essencialmente moléculas de 6C (glucose é a mais frequente); As pentoses (5C) são constituintesdos ác. nucleicos (ribose e da desoxiribose)
. Nutrientes
. Fontes de carbono disponíveisna natureza
GluconeogéneseSíntese de Glucose-6Pa partir de PEP(algumas destas reacções são o reverso das da glicólise,outras são específicas)
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GluconeogéneseEspecíficas
da gluconeogénese(Reacções irreversíveis)
7 enzimas em comum com a glicólise
GLUCONEOGÉNESE
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RibonucleótidosRNA
Desoxiribonucleótidos → DNA
NADPHRibonucleotido
reductase
MONÓMEROS DE ÁCIDOS NUCLEICOS: NUCLEÓTIDOS
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SÍNTESE DE AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS
20 aminoácidos essenciais
Átomos de azoto nasua estrutura
Assimilação de azoto inorgânico ou orgânico
NitratoAmónia
Ureiaaa Sintetizados a partir de intermediários
da glicólise, da via das Pentoses fosfatoe do Ciclo de Krebs.
Podem ser agrupados de acordo com o precursor utilizado
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(+ PEP)FenilalaninaTiptofanoTirosina
Histidina
Serina
CisteínaGlicina
Piruvato
CicloTCA
Síntese de aa aromáticos
(Transfere 2C)
(Transfere 3C)
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TCA
α- cetoglutarato GLUTAMATO prolina; glutamina; arginina
OAA ASPARTATO Asparagina;lisina; metionina: treonina;isoleucina
Glicólise
PIRUVATO ALANINA valina;leucina
3-PGA SERINA Asparagina;lisina; metionina: treonina;leucina
PEP
Eritrose-4-P CORISMATO AROMÁTICOS fenilalanina, triptofano, tirosina
Ribose 5-P HISTIDINOL HISTIDINA histidina
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α- ceto glutarato + NH3 Glutamato- NH2
Glutamato-NH2 + NH3 NH2- Glutamina- NH2
Glutamina- NH2 + Oxaloacetato α- ceto glutarato + Aspartato- NH2
NH2- Glutamina - NH2+ α- ceto glutarato 2 Glutamato- NH2
INCORPORAÇÃO DE AMÓNIA EM BACTÉRIAS
Glutamatosintetase
Glutamina sintetase
Glutamato desidrogenase
NADH
ATP
NADH
Transaminase
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Acetil- CoA
Malonil- CoA
Malonil -ACP
Acetoacetil- ACP
Butiril-ACP
Ácidos Gordos
2 NADPH2 NADP+
2 ATP2 ADP+ Pi
CO2
Acil-ACP
H2O
CO2
Envolve a adição sequencialde unidades de 2 C derivada do Acetil CoA
Requer uma proteína transportadora de gruposacilo acil carrier protein
* Este é um processo que requermuita energia na forma de ATPe NADPH
Biosíntese de ácidos gordos (essenciais à síntese de lípidos)
Molécula de 3 C
S.Mendo08/09BIOSÍNTESE DE ÁCIDOS GORDOS
*
* *
*
* Estas reacções sãoreversas às doprocesso de β-
oxidação
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Glucose 6-P
Glucose
MetabolismoEnergético
UDP-Glucose
Polissacáridos ParedesCelulares
(peptidoglucano)
PEP OAA
CICLO KREBS
Gluconeogénese
GLICÓLISE
Ribulose-5-P
Ribose-5-P
Ribonucleótidos
Desoxiribonucleótidos
DNA
RNA
PPP
Glucose 1-P
Biossíntese
(...)