Aula 2- Introdução ao Metabolismo Carboidratos

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BIOENERGÉTICA
bios: vida
en: dentro
ergon: trabalho
Células extraem energia do meio externo e usam esta energia para construir e manter-se a si mesma.
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Bioenergética e Metabolismo 
Mecanismos pelos quais a energia dos alimentos ou da captura da energia solar é acoplada às reações que requerem energia (trabalho celular);
 
Descreve como os organismos vivos capturam, transformam e usam energia;
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Metabolismo Energético vegetal
Sol 
 Energia Nuclear 
Luminosa
 Térmica
Fotossíntese 
Energia Química
H2O + CO2 = Carboidratos
nCO2 + nH2O + luz ---> (CH2O)n + nO2
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Moléculas-combustível reduzidas e O2
Fotossíntese em plantas, algas e bactérias
Respiração celular em animais, plantas, algas e bactérias
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Metabolismo Energético Animal
Alimentos
Carboidratos
 Lipídios
Proteínas
 Térmica 60%
 Mecânica 20%
 Elétrica 10%
 Química 10%
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Assim:
Animais extraem energia a partir das biomoléculas;
 Consomem O2 e produzem CO2;
 A energia em excesso fica estocada como compostos químicos.
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A Energia é usada para produzir trabalho
Produção de Energia a partir de Mols. Combustíveis
O2
CO2+H2O
 ATP
Químico
ADP + Pi
de transporte
Mecânico
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Trabalhos biológicos
Digestão, absorção e assimilação de nutrientes;
Secreção de hormônios em repouso e exercício;
-Manutenção dos gradientes eletroquímicos 
(Na,K );
Transmissão de impulsos nervosos;
-Síntese de novos compostos químicos e proteínas.
8
8
Em um sistema biológico, as reações químicas são uma forma de transferir energia de uma parte do sistema para outra.
A + B			C + D
reagentes 			produtos
ou substratos					
A energia potencial armazenada nas ligações químicas de uma molécula é denominada ENERGIA LIVRE da molécula.
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Moléculas mais complexas têm mais ligações químicas e portanto maior quantidade de energia livre.
Ex: glicogênio > glicose > CO2 e H2O
FAÇA: Compare os ácidos graxos e os triacilgliceróis quanto à quantidade de energia livre.
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DEFINIÇÃO DE ΔG (Energia livre de Gibbs)
ΔG = ΔH - TΔS
G = Energia livre: 
Energia capaz de realizar trabalho
 durante uma reação a T e P const:
Se a reação libera energia livre 
G = (-) exergônico
Se ganha energia livre
G = (+)endergônico
H = Entalpia: conteúdo de calor de um sistema de reação; 
reflete o número e o tipo de ligações nos 
reagentes e produtos
H reg > H prod:
H = (-) exotémico
H reg H prod:
H = (+)
endotérmico
S = Entropia: expressão quantitativa para desordem e caos: 
Se os produtos são menos complexos e mais desordenados:
ganho de entropia
S = (+)
nível inicial de energia livre
nível final de energia livre
Energia livre, G
Estado de transição
variação total de energia livre
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Reação 1
Energia livre, G
Reação endergônica
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Exemplo químico
Reação 1
Reação 2
Energia livre, G
Reação exergônica
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Exemplo químico
Reação 1
Reação 2
Reação 3
Energia livre, G
Reação acoplada
As duas reações acontecem simultaneamente e no mesmo local, de modo que a energia do ATP pode ser utilizada para promover a reação endergônica
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As variações de energia são aditivas
Soma:
Como são reações seqüenciais B se cancela durante a soma
A reação total A  C tem sua própria variação de energia que é a soma das variações de energia das reações parciais
Cada reação, (1) e (2), tem sua constante de equilíbrio
Esse princípio explica como uma reação termodinamicamente desfavorável (endergônica) pode ser direcionada para a frente quando acoplada a uma reação altamente exergônica através de um intermediário em comum
Ex:
Soma:
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Introdução ao Metabolismo
Metabolismo – é o conjunto das reações bioquímicas que ocorrem em um organismo
*Metabolismo energético parte do metabolismo que diz respeito ao armazenamento e utilização de energia;
Mapa metabólico 
*Metabolismo de lipídeos: diz respeito a síntese e degradação de lipídeos;
*Metabolismo de açúcares: diz respeito a síntese e degradação açúcares;
A unidade do metabolismo é a via metabólica:
Cada via metabólica tem uma função
Para que serve na célula?
Cada via metabólica tem sua regulação
Como é ligada e desligada?
Cada via metabólica tem suas conexões
Com que outras vias se conecta?
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ATP (Adenosina 5’-trifosfato)‏
 Molécula constituída por uma adenina ligada a uma ribose, por sua vez ligada a três grupos fosforilo, denominados α, β e γ.
 Contém uma ligação fosfoéster entre o grupo α-fosforilo e a ribose.
 Contém duas ligações fosfoanidrido: entre os grupos α,β e β,γ.
21
21
Funções do NAD e do NADP
NAD  oxidação de combustíveis
NADP  biossíntese
Via glicolítica
Ciclo de Krebs
Oxidação de 
ácidos graxos
Cadeia de transporte de elétrons
NAD+
NADH
O2
H2O
Biossíntese de lipídeos
Outras biossínteses
Via das pentoses
NADPH
NADP+
Glicose (C6)
Pentose (C5)
Vias Anabólicas
Vias Catabólicas
Outras vias oxidativas
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FAD e FMN
transportadores de elétrons associados à proteínas
Isoaloxazina (flavina)
FADH• (FMNH• )
(Semiquinona)
FADH2 (FMNH2)
(Totalmente reduzido)
FMN
FAD
Flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e
mononucleótido de flavina (FMN)
P
P
Ribose
Ribose
Base
Base
P
Ribose
Base
Pensando simples
FAD
FMN
Capacidade de oxirredução
Flavina é o grupamento funcional
Incorpora H2
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Vias metabólicas
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Bioquímica dos Carboidratos-Monossacarídeos
Aldeídos ou cetonas polihidroxílicos
Monossacarídeos são :
sólidos cristalinos 
Incolores
 muito solúveis em água
 insolúveis em solventes apolares.
A maioria tem um sabor doce
Um dos carbonos tem uma ligação dupla com um átomo de O, os demais está ligados à hidroxilas
Nomenclatura:
Quanto à função química
Aldoses (prefixo aldo-) contém grupamento aldeído 
Cetoses (prefixo ceto-)  contém grupamento cetona
Sufixo –ose geralmente indica que se trata de um açúcar
Quanto ao numero de carbonos
Quatro	tetrose
Cinco	pentose
seis 	hexose
Sete	heptose
Monossacarídeos
Alguns exemplos
D-gliceraldeído
( aldotriose)
Dihidroxiacetona
(cetotriose)
D-Glicose
(aldoexose)
D-Frutose
(cetoexose)
D-ribose
(aldopentose)
2-deoxi-D-ribose
(aldopentose)
Isomeria nos açúcares
D-gliceraldeído
D-gliceraldeído
L-gliceraldeído
L-gliceraldeído
Modelo de bola e bastão
Projeção de Fischer
Fórmula em perspectiva
Todos os monossacarídeos exceto a dihidroxiacetona contêm um ou mais átomo de carbono assimétrico (quiral) e por isso ocorrem formas isoméricas opticamente ativas
A aldose mais simples (gliceraldeído), contém um centro quiral e apresenta dois isômeros ópticos, ou enantiômeros
Por convenção, uma destas duas formas é chamado isômero D, o outro isômero L .
Para representar as estruturas 
tridimensionais de açúcares no papel, podemos usar fórmulas de projeção de Fischer
As aldoses de 4 ou mais carbonos são classificadas também em famílias D e L caso sua conformação espacial seja igual ao do D- ou do L-gliceraldeído no centro quiral mais distante do carbonílico.
A maioria das hexoses presentes nos organismos vivos são isômeros D.
A família das Aldoses
Três carbonos
Quatro carbonos
D-gliceraldeído
D-eritrose
D-treose
Cinco carbonos
D-ribose
D-arabinose
D-xilose
D-lixose
Seis carbonos
D-alose
D-altrose
D-glicose
D-manose
D-gulose
D-idose
D-galactose
D-talose
A família das Cetoses
Três carbonos
Diidroxiacetona
Quatro carbonos
D-eritrulose
Seis carbonos
D-psicose
D-frutose
D-sorbose
D-tagose
Cinco carbonos
D-ribulose
D-xilulose
Epímeros
D-Manose
(epímero no C2)
D-Glicose
D-Galactose
(epímero no C4)
Epímeros são açúcares que diferem entre si apenas na configuração da hidroxila de de um carbono
Ciclização da glicose
a-D-glicopiranose
b-D-glicopiranose
D-glicose
Reação intramolecular a molécula reage com ela mesma!!!
A hidroxila (--OH ) do carbono 5 reage com o aldeído (--C=OH) do carbono 1
Alcool + aldeído  hemiacetal
Isômero a  hidroxila para “baixo”
Isômero b  hidroxila para “cima”
a-D-glicopiranose e b-D-glicopiranose são anômeros
C1carbono anômérico
Em solução aquosa as três formas coexistem em equilíbrio
a-D-glicopiranose~33%
b-D-glicopiranose~66%
Forma linearpequenas quantidades
Conformações lineares
Configurações cíclicas
Furanoses e piranoses
a-D-Frutofuranose
b-D-Frutofuranose
Furano
a-D-Glicopiranose
b-D-Glicopiranose
Pirano
Os compostos com anel de seis membros
são chamados piranoses porque se assemelham ao pirano
Cetohexoses também podem existir na forma de anel de cinco membros, chamada furanose por se assemelhar ao furano, contudo a forma piranosídica é muito mais estável e abundante
Cetohexoses também ocorrem em formas anoméricas a e b.
Nestes compostos a hidroxila no C-5 (ou C-6) reage com o grupo ceto no C-2, formando um furanose (ou piranose) contendo um anel de ligação hemiacetal
A frutose (ex. ao lado), uma cetose de seis carbonos tende a formar anéis furanosídicos
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Açúcares modificados
b-D-glicose
b-D-glicose-
6-fosfato
b-D-glicosamina
N-acetil-
b-D-glicosamina
b-D-galactosamina
b-D-manosamina
b-L-fucose
a-L-ramnose
b-D-glicuronato
b-D-gliconato
D-glicono-d-lactona
Ácido-N-acetil neuraminico
(ácido siálico)
ácido murâmico
Ácido-N-acetil murâmico
Açúcares ácidos
Família da glicose
Aminoaçúcares
Desoxiaçúcares
lactato
Formação de um dissacarídeo
Dissacarídeo Dois monossacarídeos
Hemiacetal + álcool  ligação glicosídica
Condensação produz uma molécula de H2O
Hidrólise consome uma molécula de H2O
H2O
hidrólise
H2O
condensação
a-D-Glicose
b-D-Glicose
álcool
hemiacetal
Maltose
a-D-Glicopiranosil-(14)-D-glicopiranose
acetal
hemiacetal
Sacarose
b-D-frutofuranosil-a-D-glicopiranosideo
Fru(2bna1)Glc = Glc(a1n2b)Fru
Alguns dissacarídeos comuns
Em que diferem os dissacarídeos
Tipo de monossacarídeo Glc, Fru, Gal, Man...
Configuração anomérica dos monossacarídeos a ou b
Carbonos envolvidos na reação(14), (12), (11)
Trealose
a-D-glicopiranosil-a-D-glicopiranosideo
Glc(a1n1a)Glc
A trealose está presente na hemolinfa dos insetos
Lactose
b-D-galactopiranosil-(14)-b-D-glicopiranose
Gal(b14)Glc
A sacarose é dissacarídeo das plantas 
A lactose está presente no leite
Polissacarídeos
Lineares
(não ramificados)
Ramificados
Homo polissacarídeo
(apenas um tipo de unidade monomérica)
Hetero polissacarídeo
(mais de um tipo de unidade monomérica)
Quanto a presença de ramificações
Quanto a variedade das unidades monoméricas
São vários monossacarídeos unidos entre si por ligações glicosídicas
Classificação:
Polissacarídeos e Glicobiologia
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Polissacarídeos
Ramificado
Homopolissacarídeos
Não ramificado
Não ramificado, 
dois monômeros
Heteropolissacarídeos
Ramificado, 
múltiplos monômeros
Diferem:
na identidade de seus monossacarídeos
no comprimento de suas cadeias
nos tipos de ligação entre suas unidades
no grau de ramificação
Homopolissacarídeos contem apenas um único tipo de monômero, servem como:
formas de armazenamento de monossacarídeos que são utilizados como combustíveis (amido e glicogênio)
elementos estruturais das paredes das célula vegetais e dos exoesqueletos de animais. (celulose e quitina, ex.)
Heteropolissacarídeos contêm dois ou mais tipos diferentes
Presentes em:
 Paredes celulares das bactérias
 Exoesqueletos de insetos
Em tecidos animais, o espaço extracelular é ocupado por vários tipos de Heteropolissacarídeo, que formam uma matriz que mantém as células juntas e fornece proteção, forma e suporte para células, tecidos e órgãos. 
Homo- and heteropolysaccharides. Polysaccharides
may be composed of one, two, or several different monosaccharides,
in straight or branched chains of varying length.
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Homopolissacarídeos utilizados como reservas de combustível (armazenamento energético)
Grânulos de amido
Grandes grânulos de amido em um único cloroplasto. O amido é feito no cloroplasto à partir de D-glicose formada fotossinteticamente
Grânulos de glicogênio em hepatócitos (manchas escuras). 
Eletromicrografias de grânulos de amido e de glicogênio
Os polissacarídeos armazenamento de mais importantes são:
 o amido em células vegetais 
o glicogênio em células animais
Electron micrographs of starch and glycogen granules.
(a) Large starch granules in a single chloroplast. Starch is made in the
chloroplast from D-glucose formed photosynthetically. (b) Glycogen
granules in a hepatocyte. These granules form in the cytosol and are
much smaller (~0.1 m) than starch granules (~1.0 m).
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Celulose 
Homopolissacarídeo estrutural
linear,
fibrosa, 
resistente, 
insolúvel em água
encontrada nas paredes celulares das plantas, 
constitui grande parte da massa de madeira
algodão é quase celulose pura
ligação b(14).
Estabilizada por pontes de hidrogênio
resíduos de D-glicose apresentam ligação b(14).
Estrutura molecular da celulose
Flor do algodão
Fibra de algodão vista ao MEV
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Glicogênio
(α1→4) 
(α1→6) 
Ligações
α1→4
α1→6 (ramificações)
Unidade monomérica
Glicose
Tecidos onde é encontrado
Fígado
Músculo 
Glicogenina
(proteína)
glicose
Conformação das ligações glicosídicas da celulose, amilose e dextran.
Celulose
(b14)Glc
Amilose
(a1 4)Glc
Dextran
(a1 6)Glc, com ramificações (a1 3)
Formas de amido
Não ramificados
Ramificado
Conformation at the glycosidic bonds of cellulose,
amylose, and dextran. The polymers are depicted as rigid pyranose
rings joined by glycosidic bonds, with free rotation about these bonds.
Note that in dextran there is also free rotation about the bond between
C-5 and C-6 (torsion angle (omega)).
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A quitina é um homopolissacarídeo linear composto por resíduos N-acetilglucosamina unidos por ligação b
A diferença da celulose é a substituição
do grupo hidroxila em C-2, por um grupo amino acetilado
Quitina forma fibras estendidas semelhantes às da celulose 
Não pode ser digerida por vertebrados 
A quitina é o componente principal do exoesqueleto cerca de um milhão de espécies de artrópodes (insetos, lagostas e caranguejos... ) e é provavelmente o segundo polissacarídeo mais abundante, depois da celulose, na natureza.
Quitina
NAcGlc
NAcGlc
NAcGlc
NAcGlc
Chitin. (a) A short segment of chitin,
a homopolymer of N-acetyl-D-glucosamine units in
(1n4) linkage. (b) A spotted June beetle (Pellidnota
punetatia), showing its surface armor (exoskeleton)
of chitin.
(
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Amido
Helicóide (em hélice)
As ligações a-14 faz com que o polissacarídeo assuma conformações helicoidais (amido, amilose, amilopectina e glicogênio)
Estrutura curva
Compacta
Armazenamento
Grânulos de amido
Unidades de celulose ligadas por ligação a14
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Peptídeoglicanos
Staphylococcus
aureus
Local de clivagem da lisozima
L-Ala
D-Glu
L-Lys
D-Ala
Pentapeptídeo de Gly
(ligação cruzada)
Extremidade redutora
(b14)
N acetilmurâmico
ácido (Mur2Ac)
N-acetilglicosamina
(GlcNAc)
Parede celular de bactérias
Exemplo ao lado gram+
3 unidades estruturais:
Cadeias NAM-NAG
Tetrapeptídeos
Pontes de pentaglicina
(Gram- não tem pentaglicina)
Podem ser destruídos pela enzima lisozima (lágrima, saliva)
Bacteriófagos também expressam lisozima
Tem síntese inibida por penicilina
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Agarose
Agarose
3) D-Gal (b1 4) 3,6-anidro-L-Gal2S (1
D-Gal
3,6-anidro-L-Gal2S
(b1 4) 
Presente nas paredes celulares de algas do mar
Copolímero de:
D-Gal
3,6-anidro-L-Gal2S
Usado na industria de alimentos como espessante
(não digerível em humanos, diet!!!)
Forma géis
Utilizado no laboratório Para separar moléculas de DNA
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Glicosaminoglicanos
Componentes da matriz extracelular
Sustentação mecânica
Difusão de moléculas
Polímeros lineares unidades repetitivas de dissacaródeos
Sempre contém
N-acetil glicosamina
N-acetil galactosamina
Açucares sulfatados
Acúcares com grupamentos de carboxilato (ác carboxílico)
Iduronato 
glucuronato
GlcA	ác.
Glicurônico
GlcA2S	 ác. Glicurônico 2-sulfato
GlcNAc	N-acetil glicosamina
GlcNAc6S	 N-acetil glicosamina 6-sulfato
GalNAc4S	 N-acetil galactosamina 4-sulfato
Gal	Galactose
IdoA2S	Iduronato 2-sulfato
GlcA2S 
ou IdoA2S
GlcNS3S6S
Heparina
15–90 X
Gal
GlcNAc6S
Keratan
Sulfato
~25 X
GlcA
GalNAc4S
Chondroitina 
4-sulfato  
20-60 X
GlcA
GlcNAc
Hialuronato
50000 X
glicosaminoglicanos
b13
b14
b13
a14
a14
b13
b14
b14
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Glicoconjugados
FUNÇÕES
Etiquetas de endereçamento; interações célula-célula
Interações célula-matriz
Migração celular coagulação; resposta imune 
Glicolipídeos
Lipídeos onde o grupo-cabeça é um oligossacarídeo
Agem como sítios de reconhecimento em interações celulares
Proteoglicanos
Presentes na:
Superfície celular
Matriz extracelular
Contém glicosaminoglicanos
Organizadores dos tecidos
Mediam atividades de fatores de crescimento
Proteína central ligada a glicosaminoglicanos (GAGs)
Açúcares são predominantes
Moléculas principais da cartilagem
Estrutura geral de um proteoglicano
Glicoproteínas
Associada a oligossacarídeos de complexidade variada
Encontrados:
Face externa da membrana plasmática
Vesículas especializadas
Formam sitos específicos de reconhecimento onde se ligam proteínas
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Proteoglicano de membrana
Heparan 
sulfato
Condroitina
 sulfato
Dentro
Fora
domínio NA
domínio S
Sindecana
Sindecana
Proteína da membrana plasmática
Domínios NA e dominios S
S – sulfatados (alta densidade de sulfatos)
NA – não modificados
Se alternam ao longo do polissacrídeo
GlcNAc	N-acetil glicosamina
GlcA	ác. Glicurônico
GlcNS	 N-acetil sulfato
IdoA	Iduronato (ác. Idurônico)
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Proteoglicano de tecido conjuntivo
Trissacarídeo de conexão
Condroitina sulfato
N=20-60
O- ligado em resíduo de serina
Proteína central
C-terminal
N-terminal
Hialuronato
Mais de 50.000 repetições de dissacarídeos
Queratan
sulfato
Chondroitin
sulfato
Agrecana
proteína cerne
Proteínas de ligação
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Interações entre a célula e a matriz extracelular
Filamentos de actina
(citoesqueleto)
Integrina
Proteoglicano
Fibronectina
Fibras de colágeno com ligações cruzadas
Membrana plasmáica
Integrinas
 conectam a matriz extracelular ao citoesqueleto
mediar a sinalização entre o interior da célula
e da matriz extracelular
Colágeno fibronectina e proteoglicanos compõe a matriz extracelular
Filamentos de actina compõe o citoesqueleto da membrana
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Como os açúcares se ligam às proteínas
O- ligado
N-ligado
Os açúcares se ligam covalentemente às cadeias laterais de aminoácido
Ligação a serina ou treonina (OH)  O- ligados
Ligação à asparagina 
(C=O.NH2; amida)  N-ligados
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Lipopolissacarídeo bacteriano (LPS)
Lipidio A
Estrutura comumum a maioria das bactérias
Porção central
Estrutura comum a muitas bactérias
Cadeia específica
Váriavel entre diferentes bactérias, é um dos principais determinantes do sorotipo (reatividade imunológica) da bactéria
Kdo -- ác. 3-desoxi-D-manno-octulosonic
Hep -- é L-D-glicero manoheptose
AbeOAc (abequose) -- 3,6 dideoxyhexose acetilada
Seis ácidos graxos
Alvos primários dos anticorpos produzidos pela resposta imune
Sistema imune tem receptor de LPS – resposta imune inata
Extremamente pró-inflamatórios 
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Resumo de polissacarídeos e glicoconjugados
Polissacarídeos
Reserva energética
Estruturais
Homopolissacarídos
Heteropolissacarídos
Parede
vegetal
Parede bacteriana
Parede de algas
Exoesqueletos
Glicogênio
Amido
Quitina
Matriz extracelular
Glicosaminoglicans (GAGs)
Proteoglicanos
Glicoproteínas
Celulose
Peptídeoglicano
Agarose
Membrana bacteriana
Lilopolossacarídeo
Copolimeros
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Local da inflamação
Fluxo do sangue
Rolamento
Adesão
Passagem
Linfócito T 
Célula do endotélio
Selectina P
Integrina
Glicoproteína ligante de integrina
Glicoproteína ligante de selectina
Glicídios de superfície na inflamação
Diapedese
Diapedese é a passagem de linfócitos da circulação para o tecido conjuntivo frouxo subjacente ao endotélio
A inflamação faz com que o endotélio expresse mais integrinas e selectinas
A ligação de integrinas e selectinas a glicoproteínas de superfície do linfócito faz com este role sobre o endotélio 
O passo seguinte é atravessar o endotélio alcançando o tecido conjuntivo
Selectinas 
são uma família de lectinas membrana plasmática que mediam o reconhecimento e adesão celular- em uma ampla variedade de processos.
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Deficiência adesão de 
leucócitos em seres humanos
Mutação no gene que codifica subunidade da integrina a conhecida como CD18 é a causa da deficiência adesão de leucócitos em seres humanos, uma doença genética rara em que os leucócitos não passam para fora dos vasos sanguíneos e não chegam aos locais de infecção. 
Crianças com defeito grave no CD18 normalmente morrem de infecções antes dois anos de idade. 
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Funções de oligossacarídeos no reconhecimento e adesão à superfície da célula
Vírus
Bactéria
Linfócito
Oligossacarídeo
Proteína
Lectina receptora de manose 6-P
Resíduo de Manose 6-P
Golgi Trans
Lisossomo
Oligossacarideos interagem com alta afinidade e especificidade com lectinas
(b) Muitos vírus se ligam a superfície da célula hospedeira através de oligossacarídeos de membrana como primeira etapa da infecção
(c) Toxinas bacterianas, como a toxina pertussis, se liga a oligossacarídeos de membrana antes de se entrar na célula
(d) Algumas bactérias aderem a células animais atraves dos oligossacarídeos para então infectá-las
(e) Selectinas mediam interações célula-célula
(f) Manose 6-P é uma etiqueta para o endereçamento de proteínas para o lisossomo
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