Bioquímica Básica - Carboidratos

Prévia do material em texto

BIOQUÍMICA BÁSICA
Carboidrat� ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀
Características gerais:
- São as moléculas mais abundantes da terra
- Fotossíntese: > 100 bilhões de toneladas de CO2 e H2O - celulose +
produtos
- Oxidação de carboidratos é a via central de obtenção de energia dos
organismos não fotossintetizantes
- Também apresentam função estrutural (celulose em plantas)
- Funções diversas (determinam os grupos sanguíneo (A, B, O), tecido
conectivo de animais, lubrificação das junções esqueléticas, etc
- Complexos de carboidratos ligados covalentemente a proteínas ou lipídios
podem atuar como sinalizadores intracelulares
- A dieta brasileira é composta por alto nível de carboidratos
3 classes principais:
- Monossacarídeos ou açúcares simples
- Oligossacarídeos (até 10 monossacarídeos)
- dissacarídeos (+ comuns)
- Polissacarídeos
Estrutura geral
- (CH2O)n ou Cn(H2O)n
- Hidratos de carbono, glicídios, sacarídeos, açúcares
- Exceção: associados a grupamentos sulfatos, amina, amida e fosfato
- n pode variar enormemente
- Nem todo carboidrato é doce, ex: celulose
- Em geral são sólidos, cristalinos e incolores
Nomenclatura - tipos:
- De acordo com a estrutura básica
- Carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou
substâncias que geram esses compostos quando hidrolisadas
- Alfa e beta
- Hidroxila para baixo do carbono 1 e para cima do carbono 1
- Exemplo: alfa-D-Glucopiranose
Cetona poliidroxilada (diidroxiacetona) e aldeído poliidroxilado (gliceraldeído)
- De acordo com o número de carbonos
- Trioses: gliceraldeído
- Tetroses: eitrose
- Pentoses: riboses
- Hexoses: glicose
- Heptoses: sedoeptulose
- Nonoses: ácidos neuramínico
- Outra maneira
Aldose: gliceraldeído
Cetose: Di-hidróxi-cetona
Regra para nomeação
- 1º sufixo inicial aldo ou ceto
- 2º sufixo da quantidade de carbonos
- 3º sufixo final “ose”
- Heparansulfato (polissacarídeo)
Nomeação cetoexose (frutose) e aldopentose (ribose)
Aldoexose (glicose)
Características - Isômeros
- Todos os carboidratos, salvo a diidroxicetona, apresentam carbonos
assimétricos (quirais) de modo que ocorrem formas de isomerias ópticas
- Diidroxiacetona possui o C2 sendo carbono simétrico
- Formas isoméricas conferem diferenças estruturais e funcionais
- Monossacarídeos com carbono quiral tem duas formas
enantiômeras
- Enzimas que agem sobre os açúcares são absolutamente
estereoespecíficas
- Por que D ou L?
- Ver ordem de importância dos grupamentos químicos
- 1º aldo/ceto
- 2º hidroxila (do carbono quiral mais afastado do grupo carbonila -
ciclização
- 3º carbono
- Observar as moléculas e ver caminho/giro para checar a estes
componentes
- Na natureza a maioria é D
- Corpo só reconhece como substrato as formas D
Números de isômeros
- O número de isômeros ópticos vara com o número de carbonos quirais
encontrados na molécula
- 2n onde n = número de carbonos assimétricos
- Epímeros: são isômeros que diferem na configuração de apenas um C
assimétrico (quiral). Se a configuração se modifica apenas no C quiral mais
distante da carbonil, são isômeros, mas não epímeros.
D- manose (epímero no C2); D-glicose; D-galactose (epímero no C4)
- Aldoses e cetoses
- As séries de (a) D-aldoses e (b) D-cetoses têm de três a seis átomos
de carbono, mostradas como fórmulas de projeção.
- Os átomos de carbono em vermelho são centros quirais. Em todos
estes isômeros D, o carbono quiral mais distante do carbono do
carbonil apresenta a mesma configuração do carbono quiral do
D-gliceraldeído.
- Os açúcares com os nomes dentro de retângulos são os mais
comuns na natureza
D-gliceraldeído; D-eritrose; D-treose; D-ribose; D-arabinose; D-xilose; D-lixose;
D-alose; D-altrose; D-Glicose; D-Manose; D-Gulose; D-idose; D-galactose;
D-talose
D-hidroxiacetona; D-eritrulose; D-ribulose; D-xilulose; D- psicose; D-frutose;
D-sorbose; D-tagatose
Estrutura química - ciclização
- Em soluções aquosas carboidratos que possuem 5 ou mais carbonos
apresentam estrutura molecular cíclica - requer menos energia para se
manter em solução
Glucopiranose/glucopyranose
Linear (estrutura de Fisher) - menos estável
Cíclica (estrutura de Haworth)
Observação: na forma cíclica os monossacarídeos apresentam mais carbonos
quirais e, por isso, mais estereoisômeros
- Álcoois reagem com aldeídos e cetonas formando hemicetais e
hemiaceitais
Ciclização da frutose
- O carbono que apresentava o grupo carbonila na forma aberta, e que,
consequentemente, não era quiral (pois grupo carbonila tem uma ligação
dupla entre o carbono e o oxigênio, passa a ser quiral, o que significa que,
na forma cíclica, os monossacarídeos apresentam mais carbonos quirais e,
por isso, mais estereoisômeros
Carbono alfa e beta
- Carbono da carbonila: C anomérico e pode assumir 2 conformações alfa e
beta
- Observar posição da hidroxila no plano geométrico
- Para baixo - alfa (está trans em relação ao grupo álcool em C5)
- Para cima - beta (está cis em relação ao grupo álcool em C5)
- Processo Mutarrotacional
Nomear esse slide de acordo com a explicação da professora
- Anômeros de D-glicose: diferenças em propriedades química e físicas
- Os anômeros se interconvertem em soluções aquosas
- Em equilíbrio, a D-glicose é uma mistura dos anômeros alfa e beta:
- Forma linear - presente em quantidades mínimas
Ciclo mais comuns; anéis de 5 ou 6 membros (mais estáveis); 7 ou mais membros
(raramente observados); 3 ou 4 membros (menos estáveis que formas lineares
D-frutofuranose
Carboidratos: variação conformacional
- Anéis de Piranose e Furanose não são planares
- Hibridização dos carbonos em sp3
- Conformação de “cadeira” é a predominante
Conformação em cadeira mais estável, substituintes mais volumosos na região equatorial
Ligações glicosídicas
- Usada para formação de: dissacarídeos, trissacarídeos, oligossacarídeos
(até 20 monossacarídeos) e polissacarídeos
- Ligação do tipo covalente com liberação de água para o meio
- Reversível
- Prontamente hidrolisada por ácido, mas resistem à clivagem por base
Sempre ponta com carbono anomérico
Capacidade redutora dos carboidratos
- Os monossacarídeos são agentes redutores
- Estrutura fisher
- A glicose e outros açúcares capazes de reduzir o íon cúprico (Cu2+) são
chamados de açúcares redutores
- Grupo carboxil é oxidado a um grupo carboxila
- Lactona: lactose oxidada
Princípios dos reagentes de Benedict e de Fehling
(Precipitado vermelho-tijolo)
Dosagem de Glicemia de jejum (princípio de ação)
- Metodologia: Enzimática colorimétrica - GOD - PAP. A glicose é oxidada
enzimaticamente pela glicose oxidase (GOD) de acordo com a seguinte
reação
- O peróxido de hidrogênio, em presença da peroxidase (POD) reage com a
4 - Aminoantipirina e Fenol, formando um cromógeno vermelho cereja
cuja intensidade de cor é proporcional à concentração da glicose
Ligação glicosídica
- Os carbonos anoméricos também podem se ligar através de ligações
glicosídicas para formar carboidratos compostos
- Não é um carboidrato redutor
- A nomenclatura comum para di ou oligossacarídeos especifica a ordem
das unidades de monossacarídeos, a configuração de cada carbono
anomérico e os átomos de carbono participantes da(s) ligação (ões)
glicosídica(s)
Síntese de desidratação da sacarose
Exemplo dissacarídeos
- Maltose (glicose + glicose): açúcar do malte/resultado digestão
- Sacarose (glicose + frutose): açúcar de cana e da beterraba
- Lactose (glicose + galactose): açúcar do leite
Sacarose
- Dissacarídeo mais abundante
- Glicose + frutose (ligação alfa)
- Cana de açúcar
- O-alfa-D-glicopiranosil-(1>2)-beta-D-fructofuranosídeo
- C anomérico de cada açúcar participa da ligação glicosídica
- Sofre redução do C anomérico
- Sacarase quebra ligações (está no intestino)
Lactose
- Presente apenas no leite (0 a 7%)
- Ligação beta ou beta alfa - entre C1 e C4
- O-alfa-D-galactopirampsil-(1>4)-D-glicopiranose (C1 da galactose cfom o
C4 da glicose)
- C anomérico livre (açúcar redutores) > não formou ligação glicosídica
- Enzima lactase quebra ligações glicosídicas (3-galactosidade)Alguns derivados de hexose importantes na biologia
- Derivam de glicose
- nos aminoaçúcares, um grupo -NH2 substitui um dos grupos -OH na
hexose parental
- A substituição de -H por -OH origina um desoxiaçúcar; observe que os
desociaçúcares mostrados aqui ocorrem como isômeros L na natureza
- Os açúcares ácidos contêm um crupo carboxilato, o que confere carga
negativa em pH neutro
- A oxidação do carbono do carbonil (aldeído) a carboxil na glicose produz
ácido glicônico
Família da glicose; aminoaçúcares; desoxiaçúcares; açúcares ácidos
Glicose;glicosamina; murâmico; galactosamina; manosamina; fucose; glicuronato; gliconato; lactona; acetilneuramínico
Compõe muitos polímeros estruturais, incluindo aqueles da parede celular de bactérias
Polissacarídeos ou glicanos
Tipos
- Homopolissacarídeos: 1 único tipo de monossacarídeo
- O número de monômeros e o tipo de ligação diferenciam os três
homopolissacarídeos de maior relevância: glicogênio, amido e
celulose
- Heteropolissacarídeos: 2 ou mais tipos de monossacarídeos
- Podem ser lineares ou ramificados
Homopolissacarídeos
1. Polissacarídeos de armazenamento
a. Amido (células de plantas)
b. Glicogênio (células de animais)
2. Polissacarídeos estruturais
a. Celulose (células de plantas)
b. Quitina (exoesqueleto)
c. Peptidoglicano
Polissacarídeos com função de armazenamento
Amido = amilose + amilopectina
- Amilose: cadeia longa, não ramificada
- Alfa 1,4 amilase
- Amilopectina: cadeia longa, ramificada
- 1 ramificação a cada 20 a 24 moléculas de glicose
- Alfa 1,6 glicosidase
- Obs: ligação alfa-glicosídica leva a amilose a assumir uma conformação
elíptica enrolada no seu próprio eixo; ângulos de 60 graus - 6 glicoses por
volta; Acomoda I3- ou I5-
- O amido possui uma ponta redutora e outras pontas não redutoras
- Amilase quebra ligações alfa 1-4 da amilose (não reconhece ligação alfa C1
e C6 da amilopectina)
- Mais estável: cadeia curva
- Estrutura helicoidal: mais compacta
Glicogênio
- mesma estrutura da amilopectina (cadeia principal de D-glicose ligada em
alfa C1 e C4 com pontos de ramificação em alfa C1 e C6, porém é mais
ramificado
- Obs: proteína glicogenina interage com uma única molécula redutora
- Por que forma de grânulo?
- Para que a pressão osmótica em hepatócitos e miócitos não seja
aumentada de forma demasiada
- A pressão exercida por uma molécula de glicogênio é a mesma que
a de uma molécula de glicose - grande capacidade de
armazenamento
- Os hepatócitos, bem como as células musculares estriadas, são
locais de armazenamento de açúcares, na sua forma inerte, o
glicogênio. Este açúcar pode ser mobilizado por enzimas do REL e
transformado em glicose para uso e distribuição aos demais tecidos
do organismo, pelos numerosos capilares sinusóides, quando sua
concentração no sangue diminui. Observe que há uma distribuição
irregular na quantidade de glicogênio armazenados nas células do
órgão. A técnica do PAS revela seus depósitos em forma de grãos e
grumos fortemente reativos. Alguns núcleos dos hepatócitos são
binucleados
Polissacarídeos estruturais
Celulose
- substância fibrosa, resistente e insolúvel em água
- Cadeia linear = (D-glicose beta(1>4) D glicose)n
- Polímero linear de até 15 mil resíduos de D-glicose unidos por ligações
glicosídicas beta(1>4)
- Fazem pontes de H entre si por isso são insolúveis em água
- Não conseguimos hidrolisar estes tipos de ligação
- A conformação mais estável é aquela na qual um monossacarídeo é rodado
180º relativamente ao monossacarídeo precedente, formando uma cadeia
reta e estendida. Várias cadeias estendidas lado a lado podem formar uma
rede estabilizada por ligações de H inter e intracadeia
- Fibras de celulose - macrofibrilas - microfibrilas - cadeias de moléculas de
celulose
- Estrutura altamente coesiva
- Cadeia são unidas por ligações de H intra e intermoleculares
- Matriz formada com outros polissacarídeos e ligninca
- Vertebrados não possuem enzimas capazes de hidrolisar a celulose
- Herbívoros contém microorganismos sombiontes que secretam celulose.
Assim como os cupins. A celulase é capaz de hidrolisar a ligação beta 1>4
glicosídica
Quitina
- cadeias lineares
- Exoesqueleto
- Forma fibras estendidas similares às da celulose
- Não é digerível por vertebrados
- Única diferença química em comparação com a celulose é a substituição
de um grupo de hidroxila em C-2 por um grupo de amina acetilado
- Segundo polissacarídeo mais abundante na natureza, depois da celulose;
estima-se que 1 bilhão de toneladas de quitina são produzidas a cada ano
na biosfera
Heteropolissacarídeos - GAGs ou mucopolissacarídeos
- Família de polímeros lineares compostos por unidades de dissacarídeo
repetidas
- Um dos dois monossacarídeos é obrigatoriamente N-acetilglicosamina ou
N-acetilgalactosamina; o outro, na maioria dos casos, é um ácido urônico,
geralmente ácido D-glicurônico ou ácido L-idurônico
- São poliânions em que os grupos carregados negativamente ou são
carboxilas ou ésteres de sulfatos ou ambos
- O padrão de resíduos de açúcar sulfatados e não sulfatados específico
para cada glicosaminoglicano proporciona que diferentes ligantes
protéicos, os quais se ligam eletrostaticamente aos glicosaminoglicanos,
sejam reconhecidos especificamente - proteoglicanos
- Polissacarídeos não ramificados; denominados de glicosaminaglicanos
constituídos (alternadamente) por resíduos de ácido glicurônico e
hexomanina; consistência gelatinosa e mucosa; elasticidade e viscosidade
- Ácido hialurônico: tecido conjuntivo, líquido sinovial e humor vítreo dos
olhos, cartilagem e derme; ácido glicurônico e N-acetil-glicosamida
(GIcNAc);
- Policarboxilado
- Hidroxila do C4 abaixo do plano geométrico da molécula
- Amina ligado ao C esterificado
- Outros glicosaminoglicanos diferem do ácido hialurônico em três
aspectos: em geral são polímeros muito mais curtos , estão
covalentemente ligados a proteínas específicas (proteoglicanos), e uma ou
as duas unidades monoméricas são diferentes daquelas do ácido
hialurônico
Unidades dissacarídeos sulfatadas
- Condroitina-4-sulfato = ácido glicurônico + N-acetil-D-galactosamina4S
- Cartilagem, ossos, córnea e vasos sanguíneos
- Policarboxi-sulfatado
- Queratan-sulfato = galactose + N-acetil-D-galactosamina6S
- Cartilagem, córnea e disco intervertebral
- Hidroxila do C4 acima do plano geométrico da molécula
- Amina ligada ao C esterificado
- Estimula o metabolismo de condrócitos e a síntese de colágeno e
proteoglicanos. Inibe enzimas destrutivas como a hialuronidase e a
elastase. Fixa água
- Heparina sulfatada (ácido urônico sulfatado + N-glicosamina sulfatada);
polímero mais altamente carregado nos tecidos de mamíferos; não
constitui o tecido conjuntivo; envolvida no processo de coagulação
sanguínea
- Solúvel; carregado negativamente
Estrutura e funções de alguns polissacarídeos: amido, glicogênio, celulose, quitina, dextrana, peptideoglicano, agarose, ácido hialurônico
(glicosaminoglicano)
Polímero/tipo/unidade repetida/tamanho (número de unidades monossacarídicas)/função/importância
Glicoconjugados: glicoproteínas, proteoglicanos e glicoesfingolipideos
- Associados, em geral as membranas celulares
- Fornecem comunicação entre as células e a matriz extracelular
circundante
- Sinalizam proteínas para o transporte e a localização em organelas
específicas, ou para degradação, quando a proteína é malformada ou
supérflua
- Atuam como pontos de reconhecimento para moléculas de sinalização
extracelulares (fatores de crescimento, por exemplo) ou parasitas
extracelulares (bactérias e vírus)
- São componentes centrais para reconhecimento e adesão entre células,
migração celular durante o desenvolvimento
- Atuam na coagulação sanguínea, resposta imune, cicatrização de
ferimentos e outros processos celulares
Glicoproteínas
- possuem conteúdo de carboidratos que varia de 1% até 90% em peso
- Compreendem o espectro inteiro das atividades das proteínas, incluindo
enzimas, proteínas de transporte, receptores, hormônios e proteínas
estruturais
- Ascadeias de carboidratos são geradas de forma enzimática e ligadas
covalentemente ao polipeptídeo
- Tendem a ter uma composição variável de carboidratos -
microheterogeneidade
- Maioria das proteínas do plasma sanguíneo ; imunoglobulinas; hormônios;
proteínas do leite; proteínas do lisossomo
Proteoglicanos
- São macromoléculas da superfície celular ou da matriz extracelular nas
quais uma ou mais cadeias de glicosaminoglicanos sulfatados estão
covalentemente unidas a uma proteína de membrana ou a uma proteína
secretada
- A cadeia de glicosaminoglicano pode ligar-se a proteínas extracelulares
por meio de interações eletrostáticas entre a proteína e os açúcares
negativamente carregados do proteoglicano
- A arquitetura molecular dos proteoglicanos: forma de escova de garrafa,
com cerdas ligadas não covalentemente a um suporte filamentoso de
ácido hialurônico
- Cartilagem: rede de fibrilas de colágeno por proteoglicanos = resistência e
elasticidade
Peptidoglicanos
- Polímero de grandes dimensões formado por aminoácidos, açúcares (p ex
glicanos) encontrados apenas na parede celular de bactérias
- Mais açúcares do que proteínas
- Conferem apoio estrutura; às bactérias, protegendo contra altas pressões
osmóticas > permite vida em ambientes hipotônicos
- Relação com virulência bacteriana
- Na parede celular bacteriana: cadeias polissacarídicas e polipeptídicas
ligadas covalentemente, rígidas
- Penicilina: inibe irreversivelmente a síntese da parede celular
Gram positivas:
- Paredes espessas: fica azul
- Peptideoglicano espesso
- Espaço periplásmico
- Membrana plasmática
Gram negativas:
- Paredes finas: fica vermelha
- Membrana externa (lipossacarídeo e proteína)
- Espaço periplásmico
- Peptideoglicano
- Espaço periplásmico
- Membrana plasmática
Proteínas glicosiladas
- Quase todas as proteínas secretadas e associadas a membranas de células
são glicosiladas
- Os oligossacarídeos são covalentemente acoplados às proteínas por
ligações N-glicosídidicas (RER) ou O-glicosídicas (Complexo de Golgi)
- Ligações covalentes entre oligossacarídeos e proteínas
- Adesão celular, transporte e ligação de receptores celulares
Glicosilação de glicoproteínas
- O processo de glicosilação é essencial para a biossíntese e enrolamento
das proteínas, para a atividade de enzimas e hormônios, para o
funcionamento de receptores celulares, reconhecimento de anticorpos,
transportadores, síntese de fatores de coagulação sanguíneos e ainda para
a maioria das proteínas membranares e muitas proteínas intracelulares
- A maioria das proteínas presentes no soro sanguíneo são glicoproteínas
(ex hormônios)
- Obs: % proteínas > açúcar
- O carboidrato pode constituir de 1 a 70% ou mais da massa da
glicoproteína
- O carboidrato é ligado por meio de seu carbono anomérico por uma
ligação glicosídica com o -OH de um resíduo de Ser ou Thr (O-ligado) ou
por uma ligação N-glicosil com o nitrogênio da amida de um resíduo de
Asn (N-ligado)
Vantagens biológicas da adição de oligossacarídeos a proteínas
- Agrupamentos altamente hidrofílicos de carboidratos alteram a polaridade
e a solubilidade das proteínas com as quais estão conjugados
- Servem como marcadores do destino da proteína (RE > complexo;
complexo > secreção)
- Marcam proteínas mal dobradas para a degradação
- O volume e a carga negativa das cadeias de oligossacarídeos também
protegem algumas proteínas do ataque por enzimas proteolíticas
Funções dos oligossacarídeos
- Protege a superfície da proteína, modificando sua atividade ou
protegendo-a da proteólise
- Células recobertas com açúcares
- Sinalização molecular e celular
- Mudanças conformacionais e enovelamento
Glicolipídeos
- Encontrados na superfície de todas as membranas plasmáticas
- Lipídeos com maior assimetria de distribuição nas membranas
- Localizam-se exclusivamente na monocamada não-citosólica,
principalmente em microdomínios
- Interação célula-célula
- Adesão intra e extracelulares
- Marcadores imunoquímicos
- Antígenos do sistema ABO são oligossacarídeos de glicolipídeos
As glicoproteínas e os sistema ABO (tipos-sanguíneos)
Intermediação de eventos de ligação célula-célula
- processos intra e extracelulares que dependem de interações
proteína-carboidrato
- Interação lectina-ligante no recrutamento de leucócitos para o sítio de
infecção/ferimento
- Como as selectinas controlam as respostas inflamatórias na artrite
reumatoide, asma, psoríase, esclerose múltipla e rejeição de órgãos
transplantados, existe um grande interesse no desenvolvimento de
fármacos que inibam a adesão celular mediada por selectinas
Oligossacarídeos nos eventos de reconhecimento na superfície celular e nos
sistemas de endomembranas
- Oligossacarídeos com estruturas únicas (representados como correntes
de hexágonos) são componentes de várias glicoproteínas ou glicolipídeos
na superfície externa de membranas plasmáticas. Seus oligossacarídeos se
ligam a lectinas do meio extracelular com alta especificidade e alta
afinidade
- Vírus que infectam células animais, como o influenza, ligam-se a
glicoproteínas da superfície celular na primeira etapa da infecção
- Toxinas bacterianas, como as do cólera e da coqueluche, ligam-se a um
glicolipídeo da superfície antes de entrarem na célula
- Algumas bactérias, como H. Pylori, aderem-a células animais e então, as
colonizam ou infectam
- Selectinas (lectinas) da membrana plasmática de certas células controlam
interações célula-célula, como aquelas dos leucócitos com as células
endoteliais da parede capilar e um sítio de infecção
- O receptor/lectina para manose-6-fosfato do aparelho de Golgi trans se
liga ao oligossacarídeo em enzimas lisossômicas, selecionando-as para
transferência ao lisossomo
O código do açúcar - Glicobiologia
- O glicoma é o conteúdo total de carboidratos simples e complexos em um
organismo
- Glicômica é o estudo sistemático das estruturas e das funções de
glicomas, como o glicoma humana
- Ex: N-glicolilneuramínico não humano -> Neu5Gc x carne