Modulo 8 I carboidrati

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1 Modulo 8 I carboidrati

2 I carboidrati (zuccheri) I carboidrati sono le molecole organiche più abbondanti in natura. Principali funzioni: Fonti energetiche per gli organismi non fotosintetici Molecole in cui la CO 2 dell atmosfera viene fissata (250x10 9 Kg/day) Componenti strutturali di piante e batteri, e di strutture cellulari (polisaccaridi) Riconoscimento tra molecole spesso legati a lipidi e proteine (glicoconiugati) Precursori metabolici di quasi tutte le altre biomolecole Tre classi principali: monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. Estrema diversità strutturale

3 I monosaccaridi Sono aldeidi o chetoni con due o più gruppi ossidrilici. Formula empirica: (CH 2 O) n Scheletro carbonioso non ramificato con legami singoli (n 3) I principali monosaccaridi

4 I carboidrati formano stereoisomeri La gliceraldeide esiste come D- gliceraldeide o L-gliceraldeide (enantiomeri). Il numero di stereoisomeri possibili è 2 n, (n = numero di carboni asimmetrici). Gli enzimi che agiscono sui carboidrati sono stereospecifici. Riconoscono L e D con diversa specificità (differente Km) Numerazione. D, L si riferiscono alla configurazione assoluta del carbonio asimmetrico più distante dal carbonio carbonilico o aldeidico e sono basate sulla configurazione dell unico carbonio asimmetrico della gliceraldeide.

5 Enantiomeri del glucosio O H O H C C H C OH HO C H HO C H H C OH H C OH HO C H H C OH HO C H CH 2 OH CH 2 OH D-glucose D-glucosio L-glucose L-glucosio Enantiomeri prendono lo stesso nome D-glucosio e L-glucosio. Altri stereoisomeri hanno nomi unici: D-Mannosio, D-Galattosio

6 Serie degli D-aldosi Il numero di stereoisomeri possibili è 2 n, (n = numero di carboni asimmetrici).

7 Serie dei D-chetosi

8 Monosaccaridi epimeri Gli epimeri differiscono per uno solo dei centri asimmetrici

9 I monosaccaridi formano strutture cicliche Monosaccaridi con almeno 5 C i non si trovano a catena aperte ma danno origine a forme cicliche (ad anello) per reazioni intramolecolari che riguardano il gruppo aldeidico/chetonico Alla base della ciclizzazione ci sono le seguenti reazioni:

10 La forma ciclica del D-Glucosio Il glucosio forma un emiacetale intramolecolare: il C1 si lega al OH del C5 forma un anello a 6 membri (simile al pirano). O pirano Si forma un nuovo centro asimmetrico sul C1: il carbonio anomerico. I due stereoisomeri che ne derivano si chiamano anomeri, e. Rappresentazioni degli zuccheri in forma ciclica: formula di proiezioni di Haworth Anomero α: il gruppo ossidrilico legato al C-1 si trova dal lato opposto rispetto a C-6 Anomero β: dalla stessa parte.

11 Le forme cicliche del D-Fruttosio Il fruttosio forma: Anelli a 5 membri (anello del furano) dalla reazione del gruppo chetonico in C2 con il gruppo OH sul C5. Può formare Fruttopiranosio dalla reazione del gruppo chetonico in C2 con il gruppo OH sul C6. O = Furano

12 Gli zuccheri piranosici possono assumere conformazioni a sedia" o a barca" a seconda dello zucchero. Gli zuccheri possono assumere diverse conformazioni Data la natura tetraedrica dei legami del carbonio gli zuccheri non assumono strutture planari: a= assiale e= equatoriale -D-glucopiranosio

13 Le forme cicliche furanosiche e piranosiche possono assumere diverse conformazioni Anche gli anelli furanosici non sono planari. 4 atomi sono quasi planari il quinto è fuori dal piano: C-3-endo e C-2-endo. Conformazione a busta del ß-D-ribosio

14 Esosi e pentosi sono in equilibrio tra forme lineari e cicliche Esempio: α-d-glucopiranosio D-glucopiranosio -D-glucopiranosio Nella conformazione a sedia del β-d-glucopiranosio tutte le posizioni assiali sono sono occupate da H e le equatoriali da OH. Minor ingombro sterico e maggiore stabilità. Il D-glucosio è di gran lunga il monosaccaride più comune in natura.

15 Derivati dei monosaccaridi C H 2 O H H C O H C H 2 O H Glicerolo Alcol poliossidrilici (alditoli) derivano dalla riduzione del gruppo CO; e.g., ribitolo, xilitolo glicerolo - D-glucosammina Zuccheri Acidi acidi aldonici con acido carbossilico in C1, e acidi uronici con acido carbossilico in C6. Acido D-gluconico Acido D-glucuronico Acido D-glucono δ lattone - D-Nacetilglucosammina Amminozuccheri - Un gruppo amminico che può essere acetilato, sostituisce un ossidrile.

16 Abbreviazione dei principali monosaccaridi e loro derivati

17 La formazione del legame glicosidico: i glicosidi I monosaccaridi reagiscono con alcoli e ammine per formare glicosidi (acetali ciclici). Il legame che si forma è chiamato legame glicosidico (Oglicosidico). Nel caso partecipi un ammina al posto di un alcol si avrà un legame N-glicosidico. Le reazioni di formazione del legame glicosidico sono catalizzate da una classe di enzimi chiamati glicosiltransferasi. Catalizzano il trasferimento di monosaccaridi da un nucleotide monosaccaridico attivato ad un gruppo accettore OH (o NH 2 )

18 I disaccaridi Due monosaccaridi uniti da legami O-glicosidici formano un disaccaride, una forma comune in natura. Il nome sistematico è: monosaccaride 1 -sil-(1 #)-monosaccaride 2, e dipendono dalla struttura anomerica dello zucchero 1. Vengono degradati per idrolisi enzimatica Estremità riducente Il maltosio, Prodotto di degradazione dell amido. D-glucopiranosil-(1 4)-D-glucopiranosio Glcα(1 4)Glc Gli zuccheri che hanno atomi di carbonio anomerico non coinvolti in legami glicosidici sono: zuccheri riducenti. Il residuo aldeidico (o chetonico) libero nei disaccaridi (e nei polisaccaridi) è definito estremità riducente.

19 I disaccaridi lattosio e saccarosio Lattosio: legame (1 4) glicosidico tra C1 di una molecola di galattosio e l OH del C4 di una molecola di glucosio. Il carbonio anomerico del galattosio: configurazione. Saccarosio: formato da glucosio e fruttosio i cui carboni anomerici formano legame glicosidico. Non è uno zucchero riducente. E il principale prodotto intermedio della fotosintesi. Non viene prodotto dagli animali. L utilizzo dei disaccaridi come fonte energetica dipende dalla presenza di idrolasi specifiche

20 I polisaccaridi (glicani) I carboidrati in natura si trovano comunemente sotto forma di polimeri: i polisaccaridi (Mw >10000) Omopolisaccaridi: costituiti da glucosio che forma polimeri con funzioni di: Rivestimento o sostegno conferiscono forma elasticità o rigidità. Immagazzinamento di carboidrati nelle cellule come fonte energetica Eteropolisaccaridi: polimeri lineari la cui l unità ripetitiva è costituita da un disaccaride formato da due unità di tipo diverso. Hanno varie funzioni strutturali/riconoscimento

21 L amido, riserva di sostanze nutrienti nelle piante Il glucosio, importante fonte di energia, non può essere accumulato come tale (alte concentrazioni > pressione osmotica -> lisi cellulare). Il glucosio viene immagazzinato come polimero. Nelle piante: Amilosio e amilopectina,: polimeri del glucosio che assieme costituiscono l amido Amilosio polimero lineare con legami (1 4). Adotta una conformazione elicoidale. Amilopectina polimero con legami (1 4) e ramificazioni formate da legami (1 6) che producono una struttura compatta con numerose terminazioni attaccabili enzimaticamente dalle α- amilasi

22 Il glicogeno, forma polimerica di immagazzinamento del glucosio negli animali Il glicogeno ha una struttura simile a quella della amilopectina ma presenta molte più ramificazioni (1 6). Glicogeno L elevato grado di ramificazione permette un rapido rilascio e mobilizzazione del glucosio dai depositi di glicogeno presenti nel fegato e nei muscoli. L abilità di mobilizzare rapidamente il glucosio è essenziale negli animali Ramificazioni di unità di glucosio con proteina centrale glicogenina Amido e glicogeno vengono idrolizzati da α-amilasi prodotta dalle ghiandole salivari e dal pancreas e ridotti a maltosio e maltodestrine.

23 Le fibre di cellulosa Polimero fibroso insolubile in acqua, contiene ½ di tutto carbonio nella biosfera. Fibre di cellulosa Costituisce le pareti delle cellule vegetali, si trova in tutte le parti legnose. Il cotone è cellulosa allo stato puro La cellulosa: forma catene lineari di glucosio ( unità) unite da legami (1 4).

24 I legami (1 4) che uniscono il glucosio sono alla base della struttura della cellulosa La conformazione più stabile della cellulosa è quella in cui ogni monomero è ruotato di 180 gradi rispetto a quello precedente generando una catena dritta e distesa Catene diverse si affiancano e si formano strutture reticolari stabilizzate da legami H intra e intercatena che producono fibre sopramolecolari stabili con notevole resistenza alla tensione. Degradabile solo da microrganismi (cellulasi).

25 Struttura dell amido e della cellulosa Differente ripiegamento nello spazio

26 La chitina, componente principale dell esoscheletro di artropodi GlcNAc- (ß1 4)GlcNAc

27 Eteropolisaccaridi: i glicosamminoglicani Eteropolisaccaridi con funzioni strutturali, protettive, e di segnalazione formati da unità disaccaridiche: 1) un amminozucchero: N-acetilglucosammina o N-acetilgalattosammina e 2) da un acido uronico, spesso acido glucuronico, o acido iduronico. 3) Sono presenti esteri solforici (OSO 3- ) su una delle due unità. Sono carichi negativamente ed assumono conformazioni estese, polidisperse e molto idratate (elevata viscosità). ß-L- Iduronato (IdoA) ß-D- Glucuronato (GlcA) Acidi uronici

28 I glicosamminoglicani sono costituenti della matrice extracellulare Lo spazio extracellulare è riempito da matrice extracellulare (ECM), materiale gelatinoso e viscoso in cui oltre alla presenza di proteine (collageno, elastine, ecc.) sono presenti vari tipi di glicosamminoglicani, sono presenti negli animali e batteri ma non nelle piante. Condroitin solfato: resistenza alla tensione di cartilagine, tendini e legamenti. Cheratan solfati: no acidi uronici, cartilagine, ossa, strutture cornee di cellule morte (corna, unghie, artigli, ecc.). Eparan solfati: prodotto da cellule animali, quantità variabili di zuccheri solforati, l eparina ne costituisce una parte. Altissima carica negativa, interagisce con fattori coagulazione ed altri. Ripetizioni di acido iduronico -2- solfato e glucosammina solfato Eparina Condroitin solfato Cheratan solfato

29 Lo ialuronano (acido ialuronico) Lo ialuronano è formato da due derivati degli zuccheri: glucuronato (acido glucuronico) e N-acetil-glucosamina. No gruppi solforati. Le molecole di ialuronato sono composte da unità disaccaridiche. Il legame glicosidico è ß(1 3) Sono componenti importante sia del fluido sinoviale delle giunzioni (lubrificante), sia della cartilagine e dei tendini (fornisce resistenza ed elasticità). umor vitreo dell occhio dei vertebrati,

30 ECM: ExtraCytoplasmic Matrix HA = acido ialuronico CS= condroitic solfato HS = eparan solfato

31 Le pareti cellulari batteriche Complesso multistrato costituito da polisaccaridi e peptidi ricco di legami crociati: il peptidoglicano Copolimeri di: N-acetilglucosammina (NAG), N-acetilmuramico (NAM) Lo strato di peptidoglicano dei batteri Grampositivi. La catena polisaccaridica è legata tramite l acido N-acetilmuramico ad un tetrapeptide contenente anche D aminoacidi. Le catene parallele sono legate trasversalmente da legami crociati formati da catene di pentaglicina che uniscono il gruppo ε-amminico della lisina di una catena ed il gruppo carbossilico C-terminale di una D-alanina.

32 1) Alcuni glicosamminoglicani si associano a proteine per dare proteoglicani, aumentando la variabilità e le funzioni delle biomolecole. 2) Oligosaccaridi si possono associare a proteine, spesso proteine di membrana originando le glicoproteine 3) Mono e oligosaccaridi si legano a lipidi di membrana (glicosfingolipidi). (vedi capitolo lipidi). 4) Polisaccaridi si I Glicoconiugati I carboidrati possono legarsi ad altre molecole, lipidi o proteine per dare : glicoconiugati

33 Glicoconiugati: i proteoglicani Alcuni tipi di glicosamminoglicani sono uniti a specifiche proteine, formando complessi sopramolecolari chiamati proteoglicani. Le cellule di mammifero producono 40 tipi di proteoglicani. Organizzatori tissutali, influenzano diverse attività cellulari (adesione intercellulare, attivazione fattori di crescita, ecc..). Glicosamminoglicani legati covalentemente ad un nucleo proteico mediante ponte tetrasaccaridico a Ser (Ser-Gly-X- Gly). La componente dei glicosamminoglicani costituisce la maggior parte della molecola. Due gruppi: strutture integrali di membrana altri sono secreti nella matrice,

34 Proteoglicani di membrana Due famiglie di proteoglicani con catene di eparan solfato: sindecani con un dominio extracellulare con 3-5 catene di eparansolfato (principalmente) e glipicani legati alla membrana per mezzo di un ancora lipidica. Possono essere rilasciati nella ECM attraverso taglio di proteasi e fosfolipasi -> rapido cambio delle caratteristiche di superficie. Secrezione di questi proteoglicani è legata alla proliferazione ed al differenziamento cellulare.

35 Aggregati proteoglicanici della matrice Struttura dell aggrecano: proteoglicano della cartilagine Una molecola di ialuronato centrale legata non covalentemente a proteine di connessione (link proteins) e queste ad altre proteine fibrose che a loro volta sono legate a glicosamminoglicani della matrice extracellulare (condroitin solfato, cheratan solfato). Funzione di assorbire gli urti. L acqua si lega ai glicosamminoglicani può essere espulsa (pressione) e poi ritornare (quando la pressione cessa). Osteoartrite: degradazione dell aggrecano e del collageno della cartilagine.

36 Glicoconiugati: glicoproteine Proteine che legano mono e/o oligosaccaridi (50% proteine nei mammiferi) Legame tra C anomerico e: 1) -NH 2 di residui di asparagina (Asn) (legame in N) tramite un legame N glicosidico, 2) -OH, a residui di Serina o Treonina (legame in O). La parte saccaridica può essere lineare o ramificata. Spesso sono presenti zuccheri modificati (Nacetilglucosammina) Sono presenti sulla superficie esterna delle cellule e negli organelli cellulari o secrete. Variano in complessità ed hanno funzione di riconoscimento ed interazione con altre macromolecole.

37 Oligosaccaridi legati in N La Asn viene glicosilata se si trova nella sequenza Asn-X-Ser o Asn-X-Thr (potenziali siti di glicosilazione). Funzione di controllo qualità nella biosintesi e indirizzamento delle proteine verso i diversi organelli cellulari. In giallo: galattosio, in viola: acido sialico. Oligosaccaridi in N hanno tutti un nucleo pentasaccaridico costituito da mannosio (Man) (in verde) e N-acetilglucosammina (GlcNAc) (in blu). La parte esterna è variabile. A) Rappresentano etichette di riconoscimento delle proteine neosintetizzate nel reticolo endoplasmatico ed indirizzate alla secrezione. B) Oligosaccaridi complessi

38 Le funzioni degli oligosaccaridi sono legate alla loro variabilità strutturale La glicosilazione aumenta fortemente la variabilità strutturale delle proteine. Gli oligosaccaridi possono differire tra loro per : Legame a differente gruppo OH del monosaccaride Configurazione α o β del carbonio C1 Presenza di ramificazioni Si formano più oligosaccaridi da 4 zuccheri che oligopeptidi da quattro aminoacidi. Cominciano oggi ad essere noti i vantaggi della glicosilazione: Aumento della stabilità (protezione dall azione delle proteasi), Aumento dell emivita (nel sangue), Modifica della solubilità (cambia la idrofilicità) Modifica dell attività. Gli oligosaccaridi sono coinvolti in processi di riconoscimento cellula-molecola (co-recettori) o cellula-cellula. In altri casi non è nota.

39 La glicoproteina eritropoietina (EPO) Esempio: Ormone glicoproteico secreto dal rene che stimola la produzione di globuli rossi. 165 aa, N-glicosilata su 3 residui di Asn e O- glicosilata su 1 Ser. Il 40% del peso è dato dai carboidrati. Quella non glicosilata è attiva solo del 10%: la glicosilazione aumenta la stabilità nel sangue Usata nel trattamento delle anemie (..ma anche nel doping).

40 Le glicosiltransferasi Meccanismi di sintesi degli oligosaccaridi sono diversi da quelli delle proteine e degli acidi nucleici. I carboidrati sono aggiunti alle proteine da glicosiltransferasi. Enzimi specifici catalizzano reazioni di formazione del legame glicosidico che unisce tra di loro monosaccaridi. Enzimi molto specifici per il tipo di carboidrato e per il tipo di legame Lo zucchero da trasferire deve essere in forma attivata: spesso è legato ad un nucleotide difosfato ( esempio in figura: UDP uridin fosfato) X= monosaccaride, polisaccaride, residuo ser o thr di una proteina

41 Gli antigeni dei gruppi sanguigni del sistemo ABO sono oligosaccaridi Esempio di diversa azione delle glicosiltransferasi sulle glicoproteine e glicolipidi dei globuli rossi Oligosaccaridi presenti sulla superficie globuli rossi La struttura in comune è l antigene O i gruppi A e B si formano per aggiunta di singoli monosaccaridi. Individui diversi ereditano diverse glicosiltransferasi da ciascun genitore Nelle trasfusioni e trapianti è fondamentale l uso del sangue del gruppo appropriato.

42 Le lectine sono proteine che legano i carboidrati favorendo il riconoscimento cellulare. Ci sono classi di proteine che legano i glicani. Le lectine sono proteine ubiquitarie in grado di riconoscere e legare specifici monosaccaridi delle glicoproteine e dei glicolipidi in base alla loro identità, configurazione e tipo di legame. Dominio di legame della lectina di tipo C (lega il calcio). Lo ione calcio fa da ponte tra la proteina e il carboidrato Lectine impiegate in processi di riconoscimento cellula-cellula, segnalazione e adesione che avvengono sulla superficie delle cellule.

43 Ruolo delle interazioni lectina-ligando nel movimento dei leucociti Esempio: Le selectine (che appartengono alle lectine di tipo C) sono coinvolte nella mediazione del riconoscimento ed adesione cellulare. Ad es. legano le cellule del sistema immunitario ai siti danneggiati durante la risposta immunitaria.

44 Il virus dell influenza si lega a residui di acido sialico Il virus dell influenza riconosce i residui di acido sialico (monosaccaride C9) presenti sulle glicoproteine delle membrane cellulari attraverso l emoagglutinina (una lectina). Altre proteine virali (sialidasi) tagliano i legami glicocidici tra acido sialico e emoagglutinina per liberare il virus uscente dalle cellule. Selezione dell ospite si basa sul riconoscimento di queste strutture. Molti agenti patogeni penetrano nella cellula ospite legandosi ai glicani della superficie cellulare. E.s virus, batteri e il Plasmodium falciparum, protozoo che causa la malaria Acido sialico (zucchero acido)