Resumo Lehninger - CARBOIDRATOS

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Maria Paula Gomes FORP USP
Princípios de Bioquímica de Lehninger: CARBOIDRATOS
1 - Os carboidratos são, predominantemente, polihidroxi-aldeidos ou polihidroxi-cetonas cíclicos. Os carboidratos estão divididos em três classes principais, de acordo com o seu tamanho: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Os monossacarídeos são uma única unidade de poliidroxialdeido ou cetona. O monossacarídeo mais abundante na natureza é a D-glicose, com seis átomos de carbono na molécula. Os oligossacarídeos são compostos por cadeias curtas de unidades monossacaridicas, unidas entre si por ligações glicosídicas. Os mais abundantes são os dissacarídeos, por exemplo a sacarose ou açúcar de cana. Aqueles que contem mais de 20 unidades são chamados polissacarídeos. Alguns, como a celulose, tem cadeias lineares, enquanto outros, como o glicogênio, tem cadeias ramificadas. Os polissacarídeos de origem vegetal: amido e celulose, possuem unidades repetitivas de D-glicose, mas diferem entre si no tipo de ligação glicosídica, consequentemente tem propriedades e funções biológicas diferentes.
Os monossacarídeos são aldeídos ou cetonas que tem um ou mais grupos hidroxila na molécula. Os átomos de carbono, nos quais os grupos hidroxila estão ligados, são geralmente centros quirais, os quais originam os numerosos açúcares estereoisômeros encontrados na natureza.
Na forma de cadeia aberta, um dos átomos de carbono é unido por uma ligação dupla a um átomo de oxigênio para formar um grupo carbonila; cada um dos outros átomos de carbono tem um grupo hidroxila. Se o grupo carbonila está em uma das extremidades da cadeia carbônica (isto é, em um aldeído), o monossacarídeo é uma aldose; se o grupo carbonila está em qualquer outra posição (em uma cetona), o monossacarídeo é uma cetose.
	Todos os monossacarídeos, exceto a diidroxiacetona, contem um ou mais átomos de carbono assimétrico (quiral) e, assim, ocorrem em formas isoméricas opticamente ativas. A aldose mais simples, o gliceraldeido, contem um centro quiral (o átomo de carbono central); portanto, tem dois isômeros ópticos diferentes. Por convenção, uma dessas duas formas é designada isômero D e a outra isômero L. Em geral, uma molécula com n centros quirais pode ter 2" estereoisomeros. Os estereoisomeros dos monossacarídeos de cada um dos comprimentos de cadeia carbônica podem ser divididos em dois grupos que diferem na configuração ao redor do centro quiral mais distante do carbono da carbonila. Aqueles em que a configuração desse átomo de carbono de referencia é a mesma do D-gliceraldeido são designados de isômeros D, e aqueles com a mesma configuração do L-gliceraldeido são os isômeros L. Quando o grupo hidroxila no carbono de referencia esta do lado direito na formula de projeção, o açúcar é o D-isômero; quando ele esta a esquerda, é o L-isômero.
2 - Em soluções aquosas, monossacarídeos ocorrem, predominantemente, como estruturas cíclicas (anel) nas quais o grupo carbonila forma uma ligação covalente com o oxigênio de um grupo hidroxila ao longo da cadeia. A formação dessas estruturas em anel é resultado da reação geral entre aldeídos ou cetonas e álcoois, formando derivados chamados hemiacetais ou hemicetais, que apresentam um carbono assimétrico adicional e assim podem existir em duas formas esteroisomericas. Por exemplo: a D-glicose existe, em solução, como um hemiacetal intramolecular, no qual a hidroxila livre em C-5 reagiu com C-1 da função aldeído, formando um novo centro assimétrico e produzindo dois estereoisomeros, chamados a e b. As formas isoméricas dos monossacarídeos, que diferem uma da outra apenas em sua configuração ao redor do átomo de carbono do hemiacetal ou hemicetal, são chamadas anômeros. O átomo de carbono da carbonila ou hemiacetal é chamado de carbono anomérico. Os anômeros a e b da D-glicose interconvertem-se, quando em solução aquosa, por meio de um processo chamado mutarrotação. Assim, uma solução que inicialmente contem apenas a-D-glicose e outra solução que contem apenas b-D-glicose formarão, quando atingirem o equilíbrio, misturas idênticas, exibindo propriedades opticas idênticas. Essa mistura consiste de aproximadamente um terço de a-D-glicose, dois terços de b-D-glicose e quantidades muito pequenas da forma linear e de anel de cinco carbonos (glicofuranose). A D-frutose (cetose) forma um anel furanosídico, sendo que o anômero mais comum, em formas combinadas ou derivadas, é a b-D-frutofuranose.
As formulas em perspectivas de Haworth são comumente usadas para mostrar a forma em anel dos monossacarídeos de forma plana. Porem, o anel piranosidico com seis átomos não é plano, mas tende a assumir uma das duas conformações em “cadeira” (figura a cima).
Os monossacarídeos podem ser oxidados por agentes oxidantes, tais como os íons férrico (Fe3+) e cúprico (Cu2+). O carbono do grupo carbonila é oxidado a carboxila. A glicose e outros açúcares capazes de reduzir os íons férrico ou cúprico são chamados de açúcares redutores. Essa propriedade é a base da reação de Fehling, um teste qualitativo para a presença de açúcares redutores. É também possível determinar a concentração de um açúcar redutor pela medida da quantidade de agente oxidante que é reduzido pela solução desse mesmo açúcar.
4 - Os dissacarídeos (como a maltose, a lactose e a sacarose) são constituídos por dois monossacarídeos unidos covalentemente entre si por uma ligação O-glicosídica, a qual é formada quando um grupo hidroxila de uma molécula de açúcar reage com o átomo de carbono anomerico da outra molécula de açúcar.
Quando um carbono anomerico participa de uma ligação glicosídica, ele não pode mais ser oxidado por um íon cúprico ou férrico. Esse açúcar contendo o átomo de carbono anomerico ligado não pode existir na forma linear e não pode mais agir como um açúcar redutor. Na descrição dos dissacarídeos ou polissacarídeos, a extremidade de uma cadeia que tem um carbono anomerico livre (isto é, não envolvido em uma ligação glicosídica) é comumente chamada de extremidade redutora da cadeia. As ligações glicosídicas são facilmente hidrolisadas por acido, mas resistem à clivagem por base. Assim, os dissacarídeos podem ser hidrolisados para liberar os seus monossacarídeos livres por aquecimento com acido diluído. Um outro tipo de ligação glicosídica reúne o átomo de carbono anomerico de um açúcar a um átomo de nitrogênio em uma glicoproteína. Essas ligações N-glicosil são também encontradas em todos os nucleotídeos. 
O dissacarídeo lactose ocorre naturalmente apenas no leite; quando hidrolisado, libera D-galactose e D-glicose. O carbono anomerico da unidade de glicose esta disponível para oxidação; portanto, a lactose é um dissacarídeo redutor. A sacarose (o açúcar comum) é um dissacarídeo de glicose e frutose. Ela é formada apenas pelos vegetais. A sacarose não contem átomos de carbono anomericos livres; os átomos de carbono anomericos de ambos os monossacarídeos estão envolvidos na ligação glicosídica. A sacarose é portanto um açúcar não-redutor. Os dissacarídeos não-redutores são chamados glicosídeos; as posições ligadas são dos carbonos anomericos. 
5 - Os homopolissacarideos contem apenas um único tipo de unidade monomérica. Alguns homopolissacarideos servem como forma de armazenamento de monossacarídeos empregados como combustíveis pelas células; o amido e o glicogênio são homopolissacarideos desse tipo. Outros homopolissacarideos, como a celulose e a quitina, são utilizados como elementos estruturais das paredes celulares vegetais e de exoesqueletos de animais, respectivamente.
Os polissacarídeos de armazenamento mais importantes são o amido nas células vegetais e o glicogênio nas células animais. Esses dois polissacarídeos ocorrem intracelularmente como grandes agregados ou grânulos. As moléculas de amido e glicogênio são altamente hidratadas, porque elas tem muitos grupos hidroxila expostos e capazes de formar pontes de hidrogênio com a agua. 
Amido contem dois tipos de polímeros da glicose, a amilose e a amilopectina. O primeiro possui cadeias longas, nãoramificadas de unidades de D-glicose conectadas por ligações (a1-> 4).. A amilopectina, ao contrario da amilose, é altamente ramificada. As ligações glicosídicas encontradas entre as unidades de glicose nas cadeias da amilopectina são (a1-> 4), mas os pontos de ramificação (cerca de l a cada 24 a 30 unidades) sao ( a1—> 6 ).
Glicogênio é o principal polissacarídeo de armazenamento das células animais. Como a amilopectina, o glicogênio é um polímero de subunidades de glicose unidas por meio de ligações (a1 -> 4 ), com ligações (a1-> 6 ) nas ramificações, mas o glicogênio é mais extensamente ramificado (em media, uma ramificação a cada 8 a 12 unidades) e mais compacto do que o amido. Os grânulos de glicogênio encontrados nos hepatócitos contem, numa forma intimamente unida, as enzimas responsáveis pela sua síntese e degradação. Devido a cada ramificação no glicogênio terminar com uma unidade de açúcar não-redutor (uma unidade sem o carbono anomerico livre), esse polímero possui muitos terminais não-redutores, porem apenas um único terminal redutor. Quando o glicogênio é usado como fonte de energia, as unidades de glicose são removidas uma a uma, a partir dos terminais não-redutores. As enzimas de degradação, que agem somente nos terminais não-redutores, podem agir simultaneamente em muitos terminais, acelerando a conversão do polímero em monossacarídeo.
A celulose, uma substancia fibrosa, resistente e insolúvel em agua, é encontrada na parede celular dos vegetais. A molécula de celulose é um homopolissacarideo linear e não-ramificado. Mas há uma diferença muito importante: na celulose as unidades de glicose tem a configuração b, enquanto na amilose, na amilopectina e no glicogênio a glicose esta na configuração a. As unidades de glicose na celulose estão unidas por ligações glicosídicas do tipo (b1—> 4). Essa diferença confere a celulose e a amilose estruturas tridimensionais e propriedades físicas muito diferentes entre si. Os polímeros de b-D-glicose, como a celulose, podem ser representados por uma serie de anéis piranosidicos rígidos conectados por um átomo de oxigênio que faz ponte entre dois átomos de carbono (ligação glicosídica). Existe rotação livre para a ligação C— O que liga as duas unidades. A conformação mais estável para o polímero é aquela na qual cada “cadeira” é rodada 180° em relação as subunidades vizinhas, formando uma cadeia reta e estendida. Com varias cadeias estendidas lado a lado, uma rede estabilizadora de pontes de hidrogênio inter e intracadeias produz fibras supramoleculares retas, estáveis e de grande resistência a tensão. A quantidade de agua contida nesses materiais e baixa, porque as ligações de ponte de hidrogênio intercadeias de celulose saturam sua capacidade de formação desse tipo de ligação. Diferentemente das fibras lineares produzidas pelas ligações (b1-> 4) em polímeros, como a celulose, a conformação mais favorável para ligação (a1—> 4) dos polímeros de D-glicose, como o amido e o glicogênio, é uma estrutura helicoidal compacta e estabilizada por pontes de hidrogênio.
6 - Os heteropolissacarideos contem dois ou mais tipos diferentes de unidades monoméricas, eles fornecem suporte extracelular nos organismos de todos os reinos naturais. Por exemplo, a camada rígida do envoltório das células bacterianas (peptideoglicano) é constituída por uma parte que é um heteropolissacarideo formado por duas unidades monossacaridicas alternantes. Nos tecidos animais, o espaço extracelular é ocupado por vários tipos de heteropolissacarideos, que formam uma matriz que mantem as células individuais unidas, fornecendo-lhes proteção, forma e suporte, funções que se estendem aos tecidos e órgãos. 
O componente rígido das paredes celulares bacterianas é um heteropolimero constituído por unidades alternantes, unidas por ligação (b1 -> 4), de N-acetilglucosamina e ácido N-acetilmurâmico. Os polímeros lineares justapõem-se na parede celular e são interligados por peptídeos pequenos. As ligações cruzadas do peptídeo unem as cadeias polissacaridicas a um revestimento forte que envolve inteiramente a célula e a protege de lise devido a entrada de agua por osmose. A enzima lisozima, que hidrolisa as ligações glicosídicas (b1l—> 4) entre a N-acetilglucosamina e o acido N-acetilmurâmico, mata as células bacterianas. A lisozima está presente nas lagrimas, presumivelmente como uma defesa contra as infecções bacterianas nos olhos. Ela também é produzida por certos vírus bacterianos para assegurar a sua liberação da célula da bactéria hospedeira, um passo essencial no ciclo da infecção viral. A penicilina e os antibióticos relacionados matam as bactérias, impedindo a síntese das ligações cruzadas, o que toma a parede celular muito fraca para resistir à lise por osmose.
O espaço extracelular nos tecidos de animais multicelulares é preenchido com um material geleificado, chamado de matriz extracelular ou, ainda, conhecido como substancia fundamental, que mantem as células unidas de um tecido e fornece uma via porosa para a difusão dos nutrientes e do oxigênio para as células individuais. A matriz extracelular é composta por uma rede de heteropolissacarideos e por proteinas fibrosas interconectadas, tais como colágeno, elastina, fibronectina e laminina. Os heteropolissacarideos, chamados glicosaminoglicanos, são uma família de polímeros lineares compostos por unidades repetitivas de dissacarídeos. Um dos monossacarídeos que compõem os dissacarídeos é sempre 
N-acetilglucosamina ou N -acetilgalactosamina, o outro na maioria dos casos é um acido urônico. Em alguns glicosaminoglicanos, uma ou mais hidroxilas do açúcar aminado estão esterificadas com sulfato. A combinação desses grupos sulfato e dos grupos carboxilato das unidades de acido uronico dá aos glicosaminoglicanos uma alta densidade de cargas negativas. Para minimizar as forças repulsivas entre os grupos carregados vizinhos, essas moléculas assumem uma conformação estendida quando em solução. O padrão característico das unidades sulfatadas e não-sulfatadas nos glicosaminoglicanos estabelece um reconhecimento especifico por uma variedade de proteínas ligantes que se associam eletrostaticamente com essas moléculas. Os glicosaminoglicanos estão ligados a proteínas extracelulares para formar os proteoglicanos. O glicosaminoglicano acido hialuronico (hialuronato em pH fisiologico) contem unidades alternadas de acido D-glucuronico e acetilglucosamina e tem massas moleculares acima de 1 milhão. Eles formam soluções altamente viscosas e claras, as quais funcionam como lubrificantes nos fluidos das juntas e conferem ao humor vítreo dos olhos dos vertebrados sua consistência semelhante da gelatina. O hialuronato é também um componente essencial da matriz extracelular das cartilagens e dos tendões, nos quais contribui para sua elasticidade característica e para a resistência a tensão, como resultado das fortes interações que apresenta com os outros componentes da matriz. 
Outros glicosaminoglicanos diferem do hialuronato em dois aspectos: eles são geralmente polímeros muito curtos e covalentemente ligados a proteínas especificas (proteoglicanos). A condroitina sulfato (do grego, que significa “cartilagem”) contribui para a resistência a tensão na cartilagem, tendões, ligamentos e paredes da aorta. A queratina sulfato (do grego, “cornos”) não possui acido urônico e a quantidade de sulfato é variável. Esse polímero está presente na córnea, cartilagens, ossos e em uma variedade de estruturas calosas formadas por células mortas: chifres, cabelos, cascos, unhas e garras.
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