Modulo 7 I carboidrati
I carboidrati (zuccheri) I carboidrati sono le molecole organiche più abbondanti in natura. Principali funzioni: } Fonti energetiche per gli animali } 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, glicoconiugati) } Riconoscimento tra molecole (estrema diversità strutturale) } Precursori metabolici di tutte le altre biomolecole Proprietà peculiare: formano strutture oligosaccaridiche e polisaccaridiche Con estrema diversità strutturale
FUNZIONI DEI GLUCIDI ENERGETICA: costituiscono la fonte energetica di più immediata e rapida utilizzazione STRUTTURALE: in quanto componenti delle strutture vegetali (es. cellulosa); delle pareti delle cellule batteriche (glicopeptidi batterici); e delle membrane delle cellule animali (glicolipidi e glicoproteine) COMUNICAZIONE CELLULARE: ruolo fondamentale nella trasmissione del segnali biochimici
Classificazione degli oligo- e polisaccaridi Sulla base della forma LINEARI RAMIFICATI Sulla base delle unità monosaccaridiche presenti OMO- ETERO- Presenza o meno di molecole diverse dai carboidrati SEMPLICI COMPLESSI
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) } In base alla presenza del gruppo funzionale aldeidico o chetonico : aldosi e chetosi } In base al numero di carboni (3, 4, 5, 6, 7) sono definiti: monosaccaridi triosi, tetrosi, pentosi, esosi o eptosi. } Contengono uno o più centri chirali: danno origine a stereoisomeri. Formule in prospettiva e proiezioni di Fischer La gliceraldeide esiste come D- gliceraldeide o L-gliceraldeide (enantiomeri).
Stereochimica dei monosaccaridi Il D-glucosio è di gran lunga il monosaccaride più comune in natura. O H O H C H C OH HO C H H C OH H C OH CH 2 OH D-glucose D-glucosio C HO C H H C OH HO C H HO C H CH 2 OH L-glucosio L-glucose 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. Enantiomeri prendono lo stesso nome D-glucosio e L-glucosio. Altri stereoisomeri hanno nomi unici: D-Mannosio, D-Galattosio
Serie degli D-aldosi Il numero di stereoisomeri possibili è 2 n, (n = numero di carboni asimmetrici). Epimeri: isomeri che differiscono per la configurazione di un solo carbonio
Serie dei D-chetosi
La forma ciclica del D-Glucosio B'2*+C&'D=,E&,>=*&+(=5+F& =,>=*&()=5+F& D BD9+FE=&E=,!;C, 2=+3&2=,('D,;D, +F('F,!=2,K'2*+2=, ;D,>=*&+(=5+F=" BD,()=5'D=,!;C, 2=+3&2=,('D,;D, +F('F,!=2,K'2*+2=, ;D,>=*&()=5+F=".. DE 7 8.. DEE 7 8 + + D δ 7 8 δ+ D δ 7 DE δ+ 7 DE 8 7 8 DE 7 D 8 7 8 D 7 DEE DE 7 8 DEE 7 D DE 7 8
La forma ciclica del D-Glucosio Reazioni intramolecolari danno luogo nei pentosi e negli esosi a forme ad anello (cicliche) molto stabili. 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 Rappresentazioni degli zuccheri in forma ciclica: formula di proiezioni di Haworth Si forma un nuovo centro asimmetrico sul C1. I due stereoisomeri che ne derivano si chiamano anomeri, α e β.
Le forme cicliche del D-Fruttosio Il fruttosio forma: w Anelli a 5 membri (anello del furano) dalla reazione del gruppo chetonico in C2 con il gruppo OH sul C5. w Può formare Fruttopiranosio dalla reazione del gruppo chetonico in C2 con il gruppo OH sul C6. O = Furano
Gli zuccheri possono assumere diverse conformazioni Data la natura tetraedrica dei legami del carbonio gli zuccheri non assumono strutture planari: Gli zuccheri piranosici p o s s o n o a s s u m e r e conformazioni a sedia" o a barca" a seconda dello zucchero. β-d-glucopiranosio a= assiale e= equatoriale Nella conformazione a sedia del β-d-glucopiranosio tutte le posizioni assiali sono sono occupate da H.
Il glucosio è in equilibrio tra forme lineari e cicliche α-d-glucopiranosio D-glucopiranosio β-d-glucopiranosio
Derivati dei monosaccaridi Alcol poliossidrilici (alditoli) derivano dalla riduzione del gruppo CO; e.g., ribitolo, glicerolo C H 2 O H α- D-glucosammina H C O H C H 2 O H Glicerolo Alcol poliossidrilici (alditoli) Amminozuccheri - Un gruppo amminico che può essere acetilato, sostituisce un ossidrile. α- D-Nacetilglucosammina
Reazione di un alcool con un acido: esterificazione A ph fisiologico il residuo fosforico è completamente dissociato Sono esteri fosforici presenti sia nel metabolismo energetico, sia negli acidi nucleici e coenzimi
Derivati per ossidazione Aldeide è ac. Carbossilico Alcool è ac. Carbossilico
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 (O-glicosidico). 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.
Gli zuccheri possono essere riducenti I monosaccaridi possono essere ossidati a livello di C 1 da agenti ossidanti come Fe 3+ e Cu 2+. Il glucosio e gli altri zuccheri in grado di ridurre gli ioni ferrico e rameico sono detti zuccheri riducenti. Base chimica della Reazione di Fehling, test quantitativo per identificare la presenza di zuccheri riducenti sulla base della quantità di agente ossidante ridotto. Usato per molti anni per valutare la concentrazione di glucosio nel sangue e nelle urine per la diagnosi del diabete.
I disaccaridi } I legami O-glicosidici legano due monoscaccaridi formando un disaccaride, una forma comune in natura. } Il nome sistematico è: zucchero 1-(1 #)-zucchero 2, } α e β dipendono dalla struttura anomerica dello zucchero 1. } 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. } Vengono degradati per idrolisi enzimatica Estremità riducente Il maltosio, Prodotto di degradazione dell amido. α D-glucopiranosil-(1 4)-D-glucopiranosio Glca(1 4)Glc
I disaccaridi lattosio e saccarosio Lattosio, Disaccaride con legame β(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 β. 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.
Il disaccaride trealosio
I polisaccaridi I carboidrati in natura si trovano comunemente sotto forma di polimeri: i polisaccaridi Il glucosio forma numerosi polimeri (omopolisaccaridi) con funzioni di: 1. Rivestimento o sostegno conferiscono forma elasticità o rigidità. 2. Forma principale di immagazzinamento dei 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 funzioni strutturali: Principali funzioni : strutturale o altro
L amido, riserva di sostanze nutrienti nelle piante Omopolimeri del glucosio: amilosio e amilopectina, polimeri del glucosio che assieme costituiscono l amido Amilosio polimero lineare con legami α(1 4). Adotta una conformazione elicoidale. Amilopectina polimero con legami α(1 4) e ramificazioni formate da legami α (1 6) c h e producono una struttura compatta con numerose terminazioni attaccabili enzimaticamente dalle α- amilasi La riserva di glucosio in forma polimerica minimizza la pressione osmotica
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 α(1 6). Glicogeno Ramificazioni di unità di glucosio con proteina centrale glicogenina 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
I legami β(1 4) che uniscono il glucosio sono alla base della struttura della cellulosa Omopolimeri del glucosio: La cellulosa: catene lineari di glucosio (10000-150000 unità) unite da legami β(1 4). La conformazione più stabile è quella dove 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).
Le fibre di cellulosa Fibre di cellulosa
La chitina è un omopolimero strutturale dell esoscheletro
Eteropolissacaridi: i glicosamminoglicani Eteropolisaccaridi con funzioni strutturali e protettive, formati da unità disaccaridiche: 1) un amminozucchero: N-acetilglucosammina o N- acetilgalattosammina e 2) da un acido uronico, spesso acido glucuronico, o acido iduronico. Sono presenti esteri solforici su una delle due unità. Eparina Sono carichi negativamente ed a s s u m o n o conformazioni estese molto idratate (elevata viscosità). Cheratan solfato Condroitin solfato
Lo ialuronato (acido ialuronico) Il legame glicosidico è β(1 3) e β(1 4). Lo ialuronato è formato da due derivati degli zuccheri: glucuronato (acido glucuronico) e N-acetil-glucosamina. Le molecole di ialuronato sono composte da 250-25000 unità disaccaridiche. Sono componenti importante sia del fluido sinoviale delle giunzioni (lubrificante), sia della cartilagine e dei tendini (fornisce resistenza ed elasticità).
I Glicoconiugati I carboidrati possono legarsi ad altre molecole : glicoconiugati 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 l i p i d i d i m e m b r a n a (glicosfingolipidi). (prossimo capitolo).
Glicoconiugati: i proteoglicani Alcuni tipi di glicosamminoglicani sono uniti a specifiche proteine, formando complessi sopramolecolari chiamati proteoglicani. Un esempio: struttura del proteoglicano della cartilagine (aggrecano). Aggrecano: una molecola di ialuronato centrale è 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.
Fig. 4. Schematic representation of the hyaluronan- and lectin-binding proteoglycans (hyalectans), which comprise aggrecan, versican, neurocan and brevican. The full-length versican (V0) and the three splice variants lacking GAGα (V1), GAGβ (V2) or both GAGα and GAGβ (V3) are shown. A new variant, V4, containing a portion of GAGβ is not shown. A GPI-anchored form of brevican is also not shown in the graphic. The dotted circles specify the globular domains (G1 G3) shared by the other hyalectans. These modules are compose of ~ 100 amino acids and have a characteristic consensus sequence with four disulfide-bonded Cys residues. The key for the various modules is provided in top right panel.
Glicoconiugati: glicoproteine Diversi oligosaccaridi si legano alle proteine attraverso il C anomerico a : 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.
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 vero 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
Funzioni degli oligosaccaridi 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. Funzioni della glicosilazione in O e in N: aumenta la stabilità (protezione), l emivita (nel sangue), la solubilità o l attività. Gli oligosaccaridi sono coinvolti in processi di riconoscimento cellula-molecola (co-recettori) o cellulacellula. In altri casi non è nota. Esempio : L EPO (eritropoietina) è un ormone glicoproteico. È pienamente attiva solo se glicosilata a livello di 3 residui di Asn e di 1 sito di Ser. La glicosilazione aumenta la stabilità nel sangue
Le glicosiltransferasi Glicosiltransferasi. Enzimi specifici catalizzano reazioni di formazione del legame glicosidico che unisce tra di loro monosaccaridi. Molti tipi differenti. Meccanismi di sintesi sono diversi da quelli delle proteine e degli acidi nucleici. 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
Gli antigeni dei gruppi sanguigni del sistemo ABO sono oligosaccaridi Esempio di diversa azione delle glicosiltransferasi 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.
Le lectine sono proteine che legano i carboidrati favorendo il riconoscimento cellulare. Le lectine sono proteine ubiquitarie in grado di riconoscere e legare singoli monosaccaridi legati a altri zuccheri in maniera specifica. Riconoscono gli zuccheri anche in base alla loro configurazione e tipo di legame. Dominio di lectina di tipo C (lega il calcio). Processi di riconoscimento cellula-cellula, segnalazione e adesione. Si trovano sulla superficie delle cellule.
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.
} 4 La chimotripsina: Domande d esame } E una proteasi che scinde substrati proteici con un meccanismo idrolitico } Il suo meccanismo d azione si basa su una triade catalitica formata dagli aa Ser Ala Asp } Catalizza la reazione di idrolisi per mezzo di un potente nucleofilo derivato dal gruppo OH dalla serina che viene polarizzato da una istidina } La specificità per il substrato deriva dalla geometria di un sito (S1) dove va a legarsi alla catena laterale del sito a monte del taglio } Riconosce substrati con gruppi cationici in corrispondenza del sito di taglio
} 11) L attività enzimatica può venir regolata reversibilmente dal: } legame covalente all enzima di gruppi chimici modificanti. } dal legame allosterico di effettori allosterici } Dal taglio proteolitico di proteasi } Dal legame covalente di inibitori irreversibili } denaturazione per aumento della temperatura
} 6) Il glicogeno è: } La principale forma di immagazzinamento del glucosio nelle piante } formato da una struttura simile a quella della amilopectina ma presenta molte meno ramificazioni (1-6). } Un eteropolisaccaride formato da glucosio e N- acetilglucosammina } altamente ramificato per permettere il trattenimento di acqua } formato dalle stesse unità costitutive della cellulosa
} 6) Quali dei seguenti monosaccaridi possono formare strutture cicliche? } Ribosio } Gliceraldeide } Fruttosio } N-acetil glucosammina } D-Mannosio
Una sola risposta esatta } 6) la molecola rappresentata in figura si chiama: } α-d-fruttopiranosio } β-d-glucopiranosio } α-d-glucopiranosio } α-d-glucofuranosio }
} D) Rispondi (max 5 punti a risposta) } Che cosa sono i glicoconiugati? quali principali funzioni biologiche esercitano queste biomolecole?