La Glicobiologia è lo studio della struttura, della biosintesi e della biologia degli zuccheri e dei glicani, ampiamente diffusi in natura.

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Antonella Fabiani
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degli zuccheri e dei glicani, ampiamente

Gli zuccheri sono componenti essenziali di

che rivestono in biologia sono oggetto di

1 La Glicobiologia è lo studio della struttura, della biosintesi e della biologia degli zuccheri e dei glicani, ampiamente diffusi in natura. Gli zuccheri sono componenti essenziali di tutti gli organismi viventi, e i vari ruoli che rivestono in biologia sono oggetto di studio in diversi campi della scienza medica, della biochimica e delle biotecnologie.

3 Dove si trovano i carboidrati in natura? Nei microorganismi (batteri, alghe, etc) Nelle piante Nell uomo

4 Questo corso tratterà di: Monosaccaridi. Polisaccaridi. Glicoproteine. Glicosaminoglicani. Glicolipidi. Purificazione di biomolecole contenenti carboidrati. Riconoscimento dei carboidrati nelle biomolecole: saggi colorimetrici, analisi dei monosaccaridi, configurazione assoluta, configurazione e posizione del legame glicosidico, sequenza dei monosaccaridi. Tecniche analitiche e strumentali: cromatografie a gel filtration, adsorbimento, a scambio ionico, PL, PAE, spettrometria di massa, L-MS, G-MS.

5 Monosaccaridi: poli poli-idrossialdeidi idrossialdeidi / poli-idrossichetoni idrossichetoni lassificazione Gli Aldosi posseggono una funzione aldeidica e diverse funzioni alcoliche Es. Monosaccaride a 3 atomi di carbonio ALDTRIS I hetosi posseggono una funzione chetonica e diverse funzioni alcoliche. Es. Monosaccaride a 3 atomi di carbonio ETTRIS

6 Monosaccaridi: Monosaccaridi: costituenti base di prodotti più complessi 3 arboni = Trioso 4 arboni = Tetroso 5 arboni = Pentoso 6 arboni = Esoso Disaccaridi Disaccaridi: composti da due monosaccaridi Trisaccaridi Trisaccaridi: composti da tre monosaccaridi Tetrasaccaridi:. Polisaccaridi:.

7 L' isomeria in himica rganica isomeri composti differenti con la stessa formula molecolare(bruta) costituzionali isomeri i cui atomi sono connessi in modi diversi stereoisomeri isomeri che a parità di connessione differiscono per come gli atomi sono disposti nello spazio conformazionali stereoisomeri che sono interconvertibili per rotazione intorno a legamisingoli( ) configurazionali stereoisomeri la cui interconversione richiede rottura di legami o comunque unaenergiatalechenonèottenibilein condizioni ordinarie enantiomeri stereoisomeri che sono l'uno l'immagine speculare dell'altro non sovrapponibile diasteroisomeri stereoisomeri che non sono l'uno l'immagine speculare dell'altro

8 La stereoisomeria stereoisomeri configurazionali conformazionali diasteroisomeri eclissata sfalsata etano enantiomeri cis a b a y b Z si ha diastereoisomeria cis-trans negli alcheni quando su ciascun carboniosp 2 cisono X trans sostituenti diversi 3 3 cis-2-butene 3 3 trans-2-butene Sistemi ciclici ,2-cis-dimetilciclopentano 3 1,2-trans-dimetilciclopentano

10 Enantiomeria L'enantiomeria si ha nelle molecole chirali. La più comune(ma non l'unica) causa di enantiomeria è la presenza di uno stereocentro nella molecola I II Il 2-butanolo è una molecola chirale: non sovrapponibile alla propria immagine speculare Le due molecole I e II sono due enantiomeri in quanto sono l'una l'immagine speculare dell'altra e non sono sovrapponibili A A 180 A A B I D D II B B I D B D II specchio IeIInonsono sovrapponibili

11 Proprietà degli stereoisomeri Gli enantiomeri hanno proprietà chimiche e fisiche identiche I diastereoisomeri hanno proprieà chimiche e fisiche diverse Gli enantiomeri si possono distinguere solo quando reagiscono con altre molecole chirali o con un mezzo chirale come la luce polarizzata filtro polarizzatore cella contenente l'enantiomero angolo di rotazione della luce piano polarizzata luce piano polarizzata nuova posizione della luce piano polarizzata dopo l'attraversamento del campione sorgente luminosa posizione della luce piano polarizzata che entra nella cella Gli enantiomeri sono otticamente attivi, cioè ruotano il piano della luce polarizzata

12 NFIGURAZINE RELATIVA La nomenclatura dei centri chirali dei carboidrati e degli amminoacidi fa ancora uso del sistema (D,L) N 2 2 D-gliceraldeide R D-amminoacido

13 Sistema di nomenclatura RELATIV alla gliceraldeide Disegnare lo zucchero secondo la proiezione di Fisher Posizionare l atomo di più ossidato in alto Posizionare l atomo meno ossidato in basso sservare la disposizione dell ossidrile dell ultimo carbonio chirale Se l ossidrile si trova a destra,la configurazione è D In caso contrario è L 2 2 D (-) fruttosio

14 MNSAARIDI: principali aldosi a forma aperta Serie D

15 MNSAARIDI: principali chetosi a forma aperta D-ribulosio D-xilulosio 2 2 D-psicosio D- fruttosio D-Sorbosio D-tagatosio

16 Monosaccaridi - strutture cicliche Monosaccaridi con più di 4 atomi di carbonio formano strutture cicliche Un gruppo ossidrilico della catena reagisce con il gruppo aldeidico (o chetonico) Il ciclo è detto: Furanico (a 5 termini) Piranico (a 6 termini) Nella ciclizzazione il carbonio aldeidico diventa un emiacetale N.B.: la reazione di ciclizzazione è intramolecolare R R' + R' R emiacetale

17 iclizzazione degli zuccheri: introduzione di un nuovo centro chirale Gli aldosi (glucosio) formano un EMIAETALE ILI R 1 Aldeide Emiacetali + * R 1 * R 1 Alcol R 2 I chetosi (fruttosio) formano un EMIETALE ciclico + R 2 R 2 chetone Alcol + Emichetali

19 Glucosio: aworth/struttura reale 2 2 D(+) glucopiranosio D(+) glucopiranosio

20 D-ribosio D-ribofuranosio 2 -D-ribofuranosio

21 D-fruttofuranosio D-fruttosio 2-chetosio D-fruttofuranosio D-fruttopiranosio D-fruttosio 2-chetosio -D-fruttopiranosio

22 2 2 D-glucosio D-glucofuranosio -D-glucofuranosio

23 Monosaccaridi: forma chiusa Situazione reale in soluzione: RIBSI Forme β Forma aperta 4 1 Forme α 1 4

24 Residui peculiari: famiglia dei famiglia dei gluco configurati Per residui peculiari si intendono monosaccaridi in cui: il gruppo ossidrililico è sostituito con un altro gruppo funzionale Desossizuccheri: - invece di - Amminozuccheri: -NAc invece di - un carbonio è presente con un diverso stato di ossidazione Acidi uronici: - invece di - 2 Alditoli: - 2 invece di - Un residuo può portare diverse modifiche funzionali contemporaneamente

25 Residui peculiari: famiglia dei gluco configurati β-d-glucosio 2 D-glucosio (f.a.) 3 β-d-6-deossi-glucosio chinovosio 3 2 β-d-3-deossi-glucosio

26 Residui peculiari: famiglia dei gluco configurati β-d-glucosio 2 D-glucosio (f.a.) NAc NAc 2 β-d-2-acetammido-2-deossi-glucosio 2-glucosammina AcN NAc 2 β-d-3-acetammido-3-deossi-glucosio 3-glucosammina

27 Residui peculiari: famiglia dei gluco configurati Acido β-d-glucuronico D-glucuronico (f.a.) Inoltre esistono le varie combinazioni NAc 3 3 NAc Acido glucosamminuronico 2,6-dideossiglucosio 2-chinovosammina

28 Residui peculiari: Kdo (acidi ulosonici) acido 2-cheto-3-deossi-D-manno-ottulosonico 2 Kdo D-mannosio Monosaccaride VITALE per i batteri Gramnegativi, presente negli LPS, componenti della membrana esterna

29 Residui peculiari, acidi sialici (nonulosonici) AcN 2 Acido N-acetilneuramminico 2 AcN 2

30 Acidi Sialici Le forme più diffuse in natura sono 2: Neu5Ac Neu5Gc Tra le differenze: l uomo non produce Neu5Gc Possibile meccanismo di protezione contro agenti virali

31 MNSAARIDI: reazioni Reazione della funzione ARBNILIA (aldeide o chetone) Il gruppo aldeidico degli zuccheri è reattivo solo se presente come emiacetale, e non come acetale. Gli zuccheri il cui gruppo aldeidico è in forma emiacetalica, vengono detti zuccheri riducenti. Emiacetale Acetale Zucchero riducente Zucchero non riducente

32 ARBIDRATI: reazioni Reazione della funzione ARBNILIA (aldeide o chetone) Mutarotazione Isomerizzazione in ambiente alcalino Formazione di un acetale Riduzione ad alditoli Reazione delle funzioni SSIDRILIE Acetilazione Metilazione ssidazione con periodato

33 Mutarotazione α-d-glucosio B (36%) B - Mutarotazione: il potere rotatorio di una soluzione preparata con l anomero α puro di uno zucchero riducente, varia nel tempo, fino a stabilizzarsi ad un valore definitivo. Lo stesso andamento è adottato dall anomero β dello stesso monosaccaride. I due valori finali sono uguali. proprietà degli zuccheri riducenti, basata sull equilibrio tra le forme cicliche e quella aperta. β-d-glucosio (64%) B B - D-glucosio (forma aperta) B (tracce)

34 Mutarotazione [α] D 112,2 [α] D 52,6 18,7 β D (+) glucopiranosio t 52,6 All equilibrio: forma β = 64% e forma α = 36% α D (+) glucopiranosio p.f p.f. 146 [α] D + 18,7 [α] D + 112,2 t

35 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: Saggi degli zuccheri riducenti Glucosio (emiacetale) forma aperta ossidante R prodotti secondari Reattivo di Tollens Ag(N 3 ) 2 + Reattivo di Fehling (u 2+ ) Reattivo di Benedict (u 2+ ) Specchio di argento (Ag)

36 Isomerizzazione in ambiente alcalino: il FRUTTSI D-fruttosio ione enolato ione enolato endiolo 2 2 D-glucosio D-mannosio

37 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: Reazione generale R formazione di un acetale R + R' R' R Aldeide Emiacetale Acetale Forma aperta 2 3 l 2 3 forma aperta emiacetale Monosaccaride riducente acetale glicoside Monosaccaride non riducente N.B.: il legame acetalico in soluzione acquosa è STABILE!!! La rottura del legame acetalico avviene per idrolisi in ambiente acido

38 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: formazione di un acetale Meccanismo dettagliato R R + R

39 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: formazione di un acetale R R' R' R R R 2 Emiacetale Acetale Reazione di EQUILIBRI Possibile controllare la posizione dell equilibrio: Per formare l acetale: eccesso di Alcol Per distruggere l acetale: eccesso di Acqua

40 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: Glucosio (emiacetale) Riduzione ad alditoli B forma aperta Na NaB 4 Glucitolo (Alditolo) B 2 Na 2 Na B() 4 2 2

41 arboidrati, reazioni al gruppo aldeidico: ossidazioni Enzimi Glucosio (emiacetale) forma aperta Br 2, 2 N Acido Glucuronico (acido uronico) Acido Glucarico (acido aldarico) Acido Gluconico (acido aldonico)

42 arboidrati, reazioni ai gruppi ossidrilici: Scissione ossidativa con NaI 4 3 I Na Meccanismo dettagliato I I 2 I 3 NaB 4

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