Quali sono le proprietà chimiche che rendono uniche le caratteristiche dei carboidrati?

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1 arboidrati lasse di molecole organiche più abbondante in natura Vengono sintetizzati nelle piante per mezzo della fotosintesi Dal loro catabolismo si ottiene l energia che sostiene la vita animale Sono i precursori metabolici di quasi tutte le biomolecole Si legano covalentemente con una grande varietà di molecole ( glicoproteine e glicolipidi) Sono coinvolti nel processo di riconoscimento cellulare In forma si polimeri servono come elementi strutturali

2 Quali sono le proprietà chimiche che rendono uniche le caratteristiche dei carboidrati? 1) L esistenza di uno o più centri di asimmetria 2) La possibilità di assumere sia strutture lineari che ad anello 3) La capacità di formare polimeri mediante legami glicosidici 4) La possibilità di formare legami idrogeno con l acqua e altre molecole 5) La capacità di subire numerose reazioni in differenti posizioni della molecola

3 Nomenclatura dei arboidrati Gli zuccheri o carboidrati sono composti che contengono,,. La formula generale è ( 2 ) n Possono essere classificati in 4 gruppi: Monosaccaridi Disaccaridi ligosaccaridi Polisaccaridi

4 I carboidrati sono composti polifunzionali che contengono: un gruppo carbonilico uno o più gruppi alcolici Se il gruppo carbonilico è un aldeide avremo degli ALDSI Se il gruppo carbonilico è un chetone avremo dei ETSI

5 aldoso 2 chetoso 2 2(R), 3(S), 4(R), 5(R), 6-pentaossi-esanale 2 D-glucosio 1, 3(S), 4(R), 5(R), 6-pentaossi-esan-2-one D-fruttosio

6 I carboidrati più semplici (con n > = 3 ) sono : monosaccaridi 2 2 D-gliceraldeide L-gliceraldeide

7 Il chetoso più semplice è il diidrossiacetone 2 2 L aldoso più semplice è la gliceraldeide 2 Diidrossiacetone e gliceraldeide hanno tre atomi di carbonio e sono detti triosi

8 Tutti gli altri zuccheri si possono considerare derivati dalla gliceraldeide o dal diidrossiacetone per graduale aggiunta di tra il 1 e 2 della gliceraldeide il 2 e 3 del diidrossiacetone. 2 ( ) m ( ) m 2 2

9 Per addizione di N alla D-gliceraldeide si ottengono due cianidrine (Sintesi di Kjliani Fischer allungamento catena c in laboratorio) in natura abbiamo la condensazione aldolica e la condensazione di laisen 2 N + 2 N Sinister 2 N + 2 N Rectus Quindi per idrolisi si ha una forma tautomerica dell ammide che poi da l ammide per idrolisi si ha un idrossiacido che si stabilizza come lattone e quindi si riduce dando uno zucchero con un atomo di c in più

10 La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico, ed esistono due enantiomeri 2 D Gliceraldeide 2 L gliceraldeide Gli zuccheri con il gruppo del carbonio asimmetrico più in basso a destra sono D Gli zuccheri con il gruppo del carbonio asimmetrico più in basso a sinistra sono L Per allungamento della catena carboniosa potremo avere: Gli aldosi che derivano dalla D gliceraldeide sono aldosi della serie D Gli aldosi che derivano dalla L gliceraldeide sono aldosi della serie L

11 La D-gliceraldeide è un aldotrioso. Per elongazione della catena carboniosa si ottengono due tetrosi 2 2 D-treosio D-eritrosio 2 D-gliceraldeide

12 La D-gliceraldeide è un aldotrioso. Per elongazione della catena carboniosa si ottengono due tetrosi 2 2 D

13 Le proiezioni di Fischer delle strutture cicliche semiacetaliche offrono il vantaggio di essere facilmente correlabili alle strutture di Fischer aperte. Per convenzione la molecola va disegnata verticale nella forma completamente eclissata con il carbonio più ossidato verso l'alto. I carboni asimmetrici occupano il centro dei legami a croce, i legami verticali si intendono diretti sotto il piano del foglio, i legami orizzontali verso chi guarda. Per chiudere il ciclo si usa il solo legame semiacetalico che quindi assume una lunghezza e una forma anomale D-glucosio...a-D-glucopiranosio...b-D-glucopiranosio Si ottengono così i due anomeri a e b che differiscono solo per la configurazione sul carbonio anomerico e vengono chiamati a o b in base alla seguente definizione: nell'anomero a, disegnato secondo le proiezioni di Fischer, l' anomerico è diretto verso destra negli zuccheri della serie D, mentre è diretto verso sinistra negli zuccheri della serie L. L' anomerico a, quindi, si trova dalla stessa parte dell' principale (quello che determina la configurazione D o L della molecola), mentre l' anomerico b è rivolto dalla parte opposta rispetto all' principale.

14 Per capire le relazioni tra struttura di Fischer aperta e struttura di aworth è utile l'uso di modelli molecolari. Nelle figure sotto riportate è mostrata passo passo la trasformazione di una proiezione di Fischer in una di aworth. Si consiglia di seguire in modo particolare la posizione dell' principale, quello legato al carbonio asimmetrico principale che determina la configurazione D o L della molecola. Il primo passo della trasformazione è la rotazione della struttura di Fischer verso destra di 90 gradi, in questo modo le parti che si trovano a destra in Fischer vengono a trovarsi in basso nella struttura ruotata

15 La testa e la coda della molecola vengono ora avvicinate: la struttura ciclica comincia a prendere forma. Prima di poterla chiudere è necessario però ruotare il -5 per portare nel piano dell'anello l' che deve reagire con il gruppo aldeidico. La rotazione al -5 ha tolto l' principale dalla sua posizione in basso (destra), mentre ha portato il 2 terminale in alto (sinistra) dalla parte opposta a quella che spettava all' principale. La chiusura del semiacetale porta alla formazione degli anomeri a e b a-d-glucopiranosio... b-d-glucopiranosio

16 L' principale è coinvolto nel legame semiacetalico e si trova nel piano dell'anello e quindi non è più diretto verso il basso (destra) nel posto che gli spettava nella proiezione di Fischer e non può essere utilizzato per attribuire la configurazione assoluta D. Quando questo accade, si può decidere la configurazione osservando che la posizione che spettava all' principale è sul lato opposto a quella occupata dal gruppo terminale 2, in questo caso è in basso (destra) quindi la configurazione è D. L'anomero a può essere riconosciuto osservando che ha l' anomerico in cis rispetto all' principale (o alla posizione che spettava all' principale). Riassumendo, il carbonio asimmetrico principale in uno zucchero della serie D deve avere: 1.L' rivolto verso destra nella proiezione di Fischer. 2.L' rivolto verso il basso (destra) nella proiezione di aworth, se questo non è impegnato nel legame semiacetalico. 3.Il 2 terminale rivolto verso l'alto (sinistra), se l' principale è impegnato nel legame semiacetalico. Inoltre il carbonio anomerico a nei furanosi e nei piranosi (sia D che L) deve avere: L' in cis rispetto all' principale nelle proiezioni di Fischer. L' in cis rispetto all' principale (o alla posizione che spettava all' principale) nelle proiezioni di aworth. Seguono ora alcuni esempi di monosaccaridi disegnati secondo la proiezione di aworth.

17 D-eritrosio.b-D-eritrofuranosio..L-glucosio a-l-glucopiranosio D-ribosio..a-D-ribofuranosio.

18 ondensazione aldolica (in laboratorio si ha la sintesi di Kiliani Fischer) Reazione di addizione nucleofila che porta ad un allungamento della catena carboniosa 2 P P P3 2 2 P DAP GAP FBP

19 2 destra sinistra 2 D eritrosio L treosio ribosio destra D-ribosio 2

20 i sono diversi modi per rappresentare il glucosio ( e gli altri zuccheri) 2 forma aperta rappresentazione convenzionale di Fisher 2 forma semiacetalica rappresentazione convenzionale (di Tollens,poco usata) 2 forma semiacetalica rappresentazione convenzionale di aworth forma semiacetalica Rappresentazione quasi reale

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22 gruppo aldeidico Anche se la formula convenzionale sembra lineare, in realtà la molecola si ripiega su sé stessa Il 1 diventa asimmetrico Il gruppo del 5 è vicino al gruppo aldeidico e può formare un semiacetale

23 Si possono formare due tipi di semiacetale on sei atomi nell anello, detta forma piranosica dal nome del pirano a D glucopiranosio b D glucopiranosio on cinque atomi nell anello, detta forma furanosica dal nome del furano a D glucofuranosio b D glucofuranosio

24 nella forma a il semiacetalico ha la stessa configurazione del che determina se lo zucchero è D o L (assiale) il 1 ha la stessa configurazione il 5 dice che è D glucosio nella forma b il semiacetalico ha la configurazione opposta del che determina se lo zucchero è D o L ( equatoriale) il 1 ha la configurazione opposta il 5 dice che è D glucosio

25 I chetoesosi ed i pentosi esistono solo in forma furanosica b D ribosio zucchero D 2 in alto: b a D fruttosio zucchero D semiacetale in basso: a

26 Principali zuccheri Pentosi (5 atomi di ) 2 2 Esosi (6 atomi di ) D-ribosio aldosi 2-desossi D-ribosio chetosi D-glucoso D-galattoso D-mannoso D-fruttoso

27 Nella rappresentazione convenzionale gli zuccheri D hanno il 2 in alto 2 a D glucosio 2 D glucosio aperto 2 b D glucosio In soluzione esiste un equilibrio tra forma a, forma b e forma aperta Le forme a e b del D glucosio in soluzione acquosa si interconvertono l una nell altra, questo fenomeno di variazione della rotazione ottica Prende il nome di MUTARTAZINE (si ha prevalenza di forma beta) Gli isomeri a e b si dicono anomeri

28 Proprietà fisiche dei monosaccaridi: Solidi bianchi di sapore dolce Solubili Proprietà chimiche: Aldosi: tutte le reazioni degli alcoli e delle aldeidi hetosi: tutte le reazioni dei chetoni e degli alcoli

29 I semiacetali hanno una reattività simile agli alcoli ma reragiscono più facilmente R R R + R- R R semiacetale acetale Gli zuccheri, in quanto semiacetali, possono formare degli acetali Il legame che si forma si chiama legame glicosidico

30 reazioni degli zuccheri Tautomeria Riduzione ssidazione (in 1 e 6) Esterificazione Sostituzione nucleofila (legame glicosidico o etere) Glicazione (Reazione di Maillard) Allungamento della catena (ondensazione aldolica)

31 TAUTMERIA DI ALDSI E ETSI endiolo

32 AUTMERIA DI ALDSI E ETSI endiolo

33 2 endiolo 2 2

34 IL LEGAME GLISIDI Il legame glicosidico si ha per sostituzione dell anomerico con un altro gruppo: Se al anomerico si lega un ossigeno diremo che è un legame -glicosidico Se al anomerico si lega un azoto diremo che è un legame N-glicosidico N- 3 (legame glicosidico) ( legame N glicosidico) I GLISIDI sono stabili

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36 Derivati dei monosaccaridi Acidi aldonici, aldarici, uronici (zuccheri acidi) Alditoli ( zuccheri con funzione alcolica) Esteri degli zuccheri Ammino zuccheri Addotti con le proteine

37 ZUERI AIDI SSIDAZINE: Monosaccaridi acidi aldonici, uronici, aldarici (zuccheri acidi) Sul 1 Passando per l aldeide idrata Acido D gluconico Blanda ossid. 2 Energica ossid. 2 2 D glucoso Sul 6 Acido D glucuronico AID D GLUARI L acido glucuronico è presente nei mucopolisaccaridi si trova nel sangue e nell urina sotto forma di fenilglucuronico ed è presente nel tessuto connettivo

38 Dosaggio del glucosio La glicemia va misurata subito dopo il prelievo oppure è necessario impedire alterazioni dei valori con l'aggiunta di stabilizzanti glicostatici tipo fluoruro di sodio. Il metodo di analisi più utilizzato per la glicemia prevede l'ossidazione del glucosio ed utilizza l enzima glucosio ossidasi. L'acqua ossigenata che si forma reagisce con un accettore di elettroni in presenza di perossidasi e produce acqua ed un cromogeno bruno la cui assorbanza a nm consente di risalire alla concentrazione ematica di glucosio.

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40 Le strisce reattive vengono utilizzate nel monitoraggio della glicemia, rivelandosi particolarmente utili per l'autocontrollo domestico e l'eventuale aggiustamento della terapia farmacologica sotto la guida del medico curante

41 L acido ascorbico

42 ALDITLI Riduzione : Monosaccaridi Alditoli o Polioli 2 riduzione 2 2 glucosio Glucitolo o Sorbitolo

43 Per riduzione di un aldoesoso si ottiene un polialcole 2 NaB D-glucosio sorbitolo

44 Per riduzione di un chetoesoso si ottengono due polialcoli epimeri (differiscono per la configurazione di un solo atomo di ) NaB 4 2 NaB 4 2 mannitolo fruttosio sorbitolo

45 Derivati dei monosaccaridi * Acidi aldonici, aldarici, uronici (zuccheri acidi) * Alditoli ( zuccheri con funzione alcolica) Esteri degli zuccheri Ammino zuccheri Addotti con le proteine

46 ESTERI degli ZUERI ESTERIFIAZINE: 2 2 P3 2 2 P3 2 2 P3 2 Diidrossiaceton fosfato Gliceraldeide 3 fosfato Ribosio 5 fosfato

47 6 2 P 3 2 glucosio-6-fosfato esteri fosforici 2 P glucosio-1-fosfato

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49 Aminozuccheri

50 Aminozuccheri acetilati

51 ADDTTI con le proteine GLIAZINE non ENZIMATIA

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53 b glicata: reazione di glicazione reversibile veloce irreversibile lenta ba 1c labile ba 1c stabile Reazione non enzimatica di condensazione tra il gruppo aldeidico del glucosio e il gruppo amminico N-terminale delle catene b della b.

54 L emoglobina glicosilata o glicata rappresenta il prodotto di una reazione non enzimatica tra una molecola di glucosio e il gruppo amino-terminale della valina della catena b dell emoglobina. iò avviene in due fasi: la prima reversibile, che conduce alla formazione di una base di Schiff (aldimina), e una seconda irreversibile con la formazione di un prodotto di Amadori, la chetoamina. La formazione di ba1c avviene durante tutto il periodo di vita del globulo rosso e dipende anche dall età cellulare. Un incremento transitorio della glicemia può produrre la formazione di una notevole quantità di aldimine, reazione comunque reversibile con la normalizzazione dei valori glicemici. La persistenza di iperglicemia, tuttavia, rende tale reazione irreversibile, per cui la molecola di emoglobina resterà glicata sino alla morte del globulo rosso. La relazione tra valore glicemico medio e percentuale di b-glic è stata dimostrata. Generalmente, ogni aumento di 1% dell b-glic corrisponde ad un aumento della glicemia pari a 35 mg/dl di glucosio plasmatico medio.

55 Formazione della b glicata Processo non enzimatico, si realizza durante tutta la vita degli eritrociti, irreversibile. La formazione della b glicata dipende principalmente dalla concentrazione di glucosio e la sua eliminazione avviene con la degradazione degli RB. Vita media degli eritrociti circa 120 giorni. La quantità di b glicata è proporzionale alla glicemia media delle 6-12 settimane precedenti.

56 Riassumendo Reazioni dei Monosaccaridi Riduzione ssidazione (in 1 e 6) Esterificazione Sostituzione nucleofila (legame glicosidico o etere) Glicazione (Reazione di Maillard) Allungamento della catena (ondensazione aldolica)

57 DISAARIDI Formati da due monosaccaridi legati da legame glicosidico MALTSI (glucosio + glucosio legame alfa glicosidico) SAARSI (glucosio + fruttosio legame 1alfa- 2 beta) LATTSI (galattosio + glucosio legame beta 1-4) ELLBISI (glucosio + glucosio legame 1-4 beta)

58 Maltosio = glucosio + glucosio Maltosio Il maltosio si ottiene per idrolisi parziale dell amido. Il carbonio anomerico dell unità di sinistra è legato al gruppo ossidrilico sul 4 dell unità di destra, tramite un legame acetalico (glucosidico) La configurazione al carbonio anomerico della prima unità è alfa. Legame α-1,4-glicosidico Il maltosio è uno zucchero riducente

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60 maltosio il maltosio:ha proprietà riducenti presenta mutarotazione

61 Saccarosio Saccarosio: α-d-glucosio + β-d-fruttosioè il comune zucchero da tavola. Viene ottenuto dalla canna da zucchero e dalla barbabietola da zucchero. Nel saccarosio entrambi gli atomi di carbonio anomerico dei due monosaccaridi partecipano alla formazione del legame glicosidico: legame α-1,2 β -glicosidico Il saccarosio non è uno zucchero riducente

62 2 2 a-d-glucopiranosil-b-d-fruttofuranoside il saccarosio non ha proprietà riducenti e non dà mutarotazione

63 Lattosio β-d-galattosio + D-glucosio è lo zucchero principale nel latte umano e di mucca Galattosemia= carenza dell enzima in grado di isomerizzare il galattosio a glucosio. Il latte risulta indigeribile legame β-1,4-glicosidico E riducente

64 lattosio: b-d-galattopiranosil-4-d-glucopiranosio il lattosio ha proprietà riducenti e dà mutarotazione

65 cellobiosio b-d-glucopiranosil-4-d-glucopiranosio È riducente?

66 arboidrati Polisaccaridi Polimeri del glucosio Piante Amido- alfa glicoside Amilosio-polimero lineare Amilopectina polimero ramificato ellulosa-beta glicoside Animali Glicogeno-polimero ramificato

67 PLISAARIDI Amido: riserva energetica delle piante. E il principale costituente dei cereali, riso, patate, mais. E la forma con la quale il glucosio viene immagazzinato per essere utilizzato successivamente. Le unità monosaccaridiche sono legate da legami α-1,4- glicosidici e α-1,6-glicosidici che generano ramificazioni. L amido può essere separato in amilosio e amilopectina. Mentre l amilosio ha struttura lineare, l amilopectina è molto ramificata (rigonfiamento dei granuli di amido in presenza di acqua e formazione di soluzioni colloidali)

68 AMILSI Amilopectina : ogni molecola contiene da 300 a 500 unità di glucosio unite da legami 1-4 alfa glucosidici con ramificazioni 1-6 ogni unità

69 amilosio legami 1a-4-glicosidici

70 legami 1a-4-glicosidici amilopectina legame 1a-6-glicosidic legami 1a-4-glicosidici

71 nell'amilopectina e nel glicogeno le catene lineari di glucosio (legami 1a-4-glicosidici) presentano ramificazioni (legami 1a-6-glicosidici) nell'amilopectina le ramificazioni si ripetono ogni unità di glucosio nel glicogeno le ramificazioni si ripetono ogni 8-12 unità di glucosio

72 Il Glicogeno è il carboidrato che funge da riserva energetica negli animali. è formato da circa unità di glucosio unite da legami alfa 1-4 e 1-6 glicosidici E come l amilopectina solo che ramificazioni sono più frequenti ogni 8-12 unità di glucosio

73 estremità non riducenti estremità riducente il glicogeno muscolare contiene più di unità di glucosio

74 estremità riducente del glicogeno

75 180 mg di glicogeno/mlitro 2 Se fosse in forma monomera, la pressione osmotica sarebbe p = 25,4 atm Essendo, invece, un polimero ( monomeri) p = atm

76 ellulosa è un polimero non ramificato di glucosio legato con legami 1-4 beta glicosidici Le macromolecole lineari (circa 5000 unità) si aggregano formando fibrille associate tramite legami a idrogeno fra i gruppi ossidrilici presenti su catene adiacenti. Le fibrille si avvolgono a spirale in direzioni opposte intorno a un comune asse centrale, ciò rende le fibre molto robuste (legno, cotone, canapa, lino, paglia..)

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78 L unica differenza tra cellulosa e amido è la stereochimica del legame glicosidico: legame α-glicosidico nell amido, β. nella cellulosa L uomo possiede enzimi in grado di scindere i legami α.glicosidici ma non i legami β- glicosidici per questo motivo non riesce a digerire la cellulosa. Molti batteri possiedono enzimi β-glicosidasici e possono perciò idrolizzare la cellulosa. Le termiti hanno microorganismi di questo tipo nel loro intestino e crescono nutrendosi di legno. Anche i ruminanti digeriscono l erba perchè nel loro rumine sono presenti i microorganismi adatti. Derivati: Acetato di cellulosa (rayon acetato) Nitrato di cellulosa (fulmicotone: potente esplosivo per polveri da sparo)

79 Altri polisaccaridi destrani, polimeri del glucosio con legami a 1, 6, a 1, 3, a-1, 4, sintetizzati dai microrganismi (formazione di capsule). Sono usati nell industria alimentare come addensanti, nella fabbricazione di resine (Sephadex, cromatografia a esclusione molecolare), le sue soluzioni sono impiegate anche come sostituti del plasma sanguigno (plasma expander o soluzioni per il ripristino volemico)

80 ETERPLISAARIDI = costituiti da più tipi di monosaccaridi e derivati Abbiamo : Mucopolisaccaridi o GAG (glicosamminoglicani) Proteoglicani = Proteina + glicosaminoglicani Ricorda anche l eparina

81 Glicosaminoglicani (GAG) Lunghe catene di unità di-saccaridiche 5 classi di GAG Acido ialuronico o hyaluronan Eparina & Eparan solfato ondroitin solfato Dermatan solfato Keratan solfato

82 Mucopolisaccaridi o GAG (glicosamminoglicani) eteropolisaccaridi costituiti da acidi uronici ed esosoammine Acido ialuronico costituito da N-acetil-D-glucoasammina e acido D- glucuronico si trova nel liquido sinoviale delle articolazioni Eparina, anticoagulante naturale si ritrova nel fegato, nel siero, è costituita da N-acetil-D-glucosammina solfonata e acido D-glucuronico

83 Glicosoamminoglicani (GAG o mucopolisaccaridi)

84 4 Mucopolissaccaridi acido ialuronico N = 3 acido D-glucuronico N-acetil-D-glucosammina 1

85 EPARINA L'eparina allo stato natio possiede un peso molecolare compreso tra i 3 e i 40 kda anche se la media dei pesi molecolari della maggior parte delle eparine commerciali si aggira tra i 12 e i 15KDa. L'eparina è un carboidrato e appartiene alla famiglia dei glicosaminoglicani, che include un'altra molecola molto simile all'eparina, ovvero l'eparan solfato, costituito anch'esso da unità ripetitive di disaccaride. La più comune unità disaccaridica è composta da acido iduronico 2-solfato e 6--sulfato, glucosamina N-solfato (IdoA(2S)-GlcNS(6S) )

86 PRTEGLIANI Proteine legate covalentemente a glicosamminoglicani ( i glucidi costituiscono la maggior parte, fino al 95% della massa). Un esempio: AGGREAN Molte catene di condroitin solfato e cheratan solfato legate a residui di serina della proteina entinaia di molecole di aggrecano si legano ad una catena di acido ialuronico. Lega numerosissime molecole di acqua (questo aggregato molecolare è più grande di un batterio) interagisce con il collagene e dà resistenza e forza alla matrice Serve anche per regolare i segnali fra cellule e matrice, per le migrazioni delle cellule durante lo sviluppo,

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88 GLIPRTEINE ontengono oligosaccaridi covalentemente legati, Il legame si forma con l - anomerico del 1 e la catene laterale di ammino acidi Modificaziona post-sintetica di proteine; nel R.E e nel Golgi omposizione e sequenza di polisaccaridi, a differenza di proteine e acidi nucleici, è determinata dall attività di enzimi: GLISILTRANSFERASI Gli zuccheri da aggiungere sono in forma attivata, legati ad un nucleotide es.udp-glc (uridindifosfoglucosio) strutture ramificate, di piccole dimensioni e di diversa composizione i glucidi possono costituire 1-70% della proteina

89 Anche i determinanti antigenici dei globuli rossi sono glicoproteine (gruppo A,B,)

90 GLIPRTEINE Legami -glicosidico (con il gruppo ossidrilico di serina, treonina, idrossilisina che lega Nacetilgalattosammina): Mucine che ricoprono le mucose e formano uno strato viscoso del tratto respiratorio ed intestinale, con funzione di protezione Recettore delle LDL Legame N-glicosidico (con l N ammidico dell asparagina) Immunoglobuline rmoni peptidici Proteine sieriche