Aula carboidratos (bloco 3)

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1) Um breve histórico
	Provavelmente, o primeiro agente utilizado para adocicar foi o mel.
	Alexandre, O Grande, introduziu na Europa o açúcar da cana-de-açúcar (sucrose), vindo do Oriente. Este foi o primeiro açúcar a ser cristalizado. Ironicamente, a fórmula deste açúcar se revelou uma das mais difíceis a ser determinada.
	Como a cana-de-açúcar é difícil de ser cultivada, na Europa procurou-se outros substituintes, que culminou com a industrialização do açúcar da beterraba, estabelecida em 1798 por Archaid.
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	Maggrat (1747) cristalizou uma substância que foi reconhecida como distinta daquela da cana - de - açúcar e denominada de “eine Art Zucker”. Esta substância é hoje conhecida como glucose. A glucose é mais difícil de cristalizar do que a sacarose, o que dificultou sua industrialização.
 	A glucose já tinha sido obtida anteriormente de várias outras fontes, principalmente da uva, e já era conhecida de Persas e Árabes. A referência ao açúcar da uva pode ser encontrada em manuscritos mouros, datados de 1150 e nos escritos dos alquimistas.
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	A análise elementar da glucose permitiu determinar sua formula empírica: CH2O.
	Esta fórmula representa a origem do termo em francês “hydrate de carbon”, modificado para o alemão como “kohlenhydrat” e para o inglês “carbohydrate”.
	A determinação do peso molecular (180) permitiu estabelecer a fórmula verdadeira da glucose: C6H12O6 (Tollens e Mayer, 1888).
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	Franchimont (1879 e 1892) mostrou que a glicose tem 5 grupamentos hidroxilas acetiláveis. Esta observação, associada com a propriedade redutora da glicose, deram a fórmula: C5H7(OH)5-CO (ou C6H12O6).
	Kiliani (1886) mostrou que a glicose tem um grupo aldeído e possui seis átomos de carbono seguidos ou em arranjo linear, propondo a fórmula CH2OH-(CHOH)4-CHO.
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	Os carboidratos constituem os compostos orgânicos mais abundantes na Natureza
2) Abundância e funções:
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a) Reserva energética, como o amido e o glicogênio.
Os carboidratos tem como principais funções:
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b) Informação gênica, através dos ácidos nucléicos.
Os carboidratos tem como principais funções:
Cadeia de acidos nucleicos onde os carboidratos ligam a as basdes nitrogenadas e ditam apenas com uma mudança de rotação de sera um DNA (desoxiribose ou RNA( ribose)
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c) Estrutural, como a celulose, presente em parede celular de plantas e bactérias, e a quitina, presente no exoesqueleto de invertebrados. A celulose é o composto orgânico mais abundante na biosfera. O uso industrial de celulose foi estimado em 800 milhões de toneladas por ano (dados de 1975).
Os carboidratos tem como principais funções:
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d) Reconhecimento celular e informação biológica, como nos casos dos carboidratos constituintes das glicoproteínas e dos proteoglicanos.
Os carboidratos tem como principais funções:
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3) Definição:
Os açúcares são compostos adocicados?
Relative sweetness of various carbohydrates
fructose
173
invert sugar*
120
HFCS (42% fructose)
120
sucrose
100
xylitol
100
tagatose
92
glucose
74
high-DE corn syrup
70
sorbitol
55
mannitol
50
trehalose
45
regular corn syrup
40
galactose
32
maltose
32
lactose
15
* invert sugar is a mixture of glucose and fructose found in fruits.
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“Carboidratos são compostos aldeídicos ou cetônicos com múltiplos grupos hidroxilas”
3) Definição:
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O gliceraldeído e dihidroxicetona são os carboidratos mais simples.
Aldoses derivadas de D-gliceraldeído com 4, 5 e 6 carbonos:
3.1) Aldeídos ou cetonas:
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3.2) os carboidratos diferem no número de átomos de carbono:
Aldoses são açucares que tem aldeidos (H-C=O) na sua cadeia,
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Cetoses derivadas de dihidroxicetona:
Cetoses são açucares que tem cetona em sua cadeia
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3.3) D- e L- açúcares:
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Como diferenciar uma D-glucose de uma L-glucose?
Rotação óptica-específica
 D-Glc:+ 70o
 L-Glc: - 70o
b) Oxidação com enzima específica (D-glucose oxidase)
D-glc
L-glc
Tempo
Oxidação
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3.4) Os açúcares formam hemiacetal
Hemiacetal formation
Na realidade os monossacarídeos com 5 ou mais aomos de carbono ocorrem em forma cíclica em solução aquosa Um aldeído ou uma cetona pode reagir com um alcool na proporção 1:1 gerando um hemiacetal 
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3.4) Os açúcares ciclizam e formam anéis na conformação α ou β
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3.5) Os açúcares formam estrutura na forma de piranose ou furanose:
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 Os açúcares formam estereoisômeros
Estereoisomeros, mesma estrutura porem diferente organização no espaço
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Mas também pode formar furanose ou piranose
-D-glucopiranose
-D-glucofuranose
OH
O
HOHC
OH
OH
HOH2C
OH
O
CH2OH
HO
OH
OH
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Dois tipos de isômeros são formados:  e  
 D-glicose cristaliza a partir de água 		e forma -D-Glcp;
 D-glicose cristaliza a partir de 		 piridina e forma -D-Glcp 
Exemplos
Ao colocar glucose em solução esta atinge o equilíbrio após certo tempo entre as formas  e 
forma aberta  
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Espectro 1D da glicose a 35°C
em 5 min
em 15 min
em 240 min
Prótons anoméricos
Prótons do anel
β
α
HOD
β
α
β
α
forma aberta  
Técnica de RMN que consegue ver todos os prótons da molécula reveleando que com o tempo ocorre o equilíbrio entre as glicoses alfa e as beta
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Exemplos de açúcares com furanose ou piranose
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3.6) Os açúcares formam estrutura em cadeira ou bote
Na realidade os monossacarídeos cliclisados mostrados até aqui não possuem a conformação espacial plana e sim em cadeira ou bote 
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4) Os açúcares se unem através da ligação glicosídica
+ CH3OH
H2O
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É a ligação entre o carbono anomérico com a hidroxila de um álcool.
Ligação glicosídica onde a porção hemiacetal se liga com o alcool não sendo possivel mutarrotações pois são formados por um grupo alfa se ligando necessariamente a um beta
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Quando um açúcar reage com a hidroxila de outro açúcar forma-se um dissacarídeo.
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Os açúcares permitem formar um maior número de variedades de tipos de unidades quando comparados aos aminoácidos
Composição
Produto
Número de isômeros
peptídeos
oligossacarídeos
X2
dímero
1
11
X3
trímero
1
176
Comparação entre o número de possíveis peptídeos e oligosacarídeos formados por aminoácidos e açúcares:
*considerando apenas peptídeos na configuração L e oligossacarídeos piranosídicos na configuração D.
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Possibilidades:
α Glc 1  2 Glc
α Glc 1  3 Glc
α Glc 1  4 Glc
α Glc 1  6 Glc
β Glc 1  2 Glc
β Glc 1  3 Glc
β Glc 1  4 Glc
β Glc 1  6 Glc
α Glc 1  1 Glc α
α Glc 1  1 Glc β
β Glc 1  1 Glc β
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5) Como podemos determinar a estrutura de um carboidrato?
Não existem etapas rígidas
1a etapa: Obtenção do carboidrato purificado
2a etapa: Determinar sua composição química. Quais os tipos e proporção dos monossacarídeos? Algum outro componente (sulfato, fosfato, etc ?)
3a etapa: Medida de sua rotação óptica-específica
 Pode ser útil no caso de composição simples
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Por exemplo, compostos contém apenas glucose
composto desconhecido + 120o
metil -D-glucopiranose + 120o
metil -D-glucopiranose zero
metil -D-glucofuranose -150o
metil -L-glucopiranose -120o
Este resultado pode ajudar a esclarecer o tipo de ligação ( ou ), tipo de anômero (D ou L) e forma do anel (piranose ou furanose). Mas pode não ser uma conclusão definitiva.
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4a etapa: Isolar o monossacarídeo obtido por hidrólise ácida e determinar o tipo de anômero (D ou L), através da rotação óptica específica.
Composto desconhecido: +70o 
D-glicose: +70o
L-glicose: -70o
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5a etapa: Posição da ligação glicosídica
Oxidação com periodato
O periodato (IO4-) oxida ligações C-C com hidroxilas vicinais:
—
—
OH
— C
—
—
—
O
H
 C —
—
—
—
O
H
— 
 C—
—
OH
H
H
— C
— C—H
—
OH
H
—
—
H— C—
—
OH
H
NaBH4
Redução com borohidreto de sódio:
Quebra as ligações glicosídicas
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O
CH2OH
O
OH
HO
1 2
1 4
O
CH2OH
OH
O
HO
1 3
O
O-CH2
OH
O
OH
HO
1 6
O
CH2OH
OH
O
OH
Oxidação com periodato em açúcares com diferentes posições de ligação glicosídica
É usado para deter,imar em que locais estão as ligações glicosidicas pois a oxidação ataca entre as hidroxilas
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CH3OH
CH3O
OCH3
O
O
O
O
O
O
O-CH2
O
OCH3
OCH3
CH3O
2,3,6
tri-metil derivado
2,4,6 tri-metil derivado
2,3,4 tri-metil derivado
3,4,6 tri-metil derivado
OCH3
CH2OCH3
OCH3
OH
OH
CH2OH
HO
OH
CH2OH
CH2 OCH3
OCH3
H3CO
OH
CH2OH
HO
OH
OH
HO
OH
OH
CH2OH
HO
OH
CH2OH
OH
CH2OH
HO
OH
OH
HO
Metilação de açúcares com diferentes posições de ligação glicosídica
Procede-se a reação química de metilação
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Cromatografia gás-líquida (GLC) acoplada com espectrômetro de massa dos metil derivados da glicose obtidos do polissacarídeo
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Estrutura de um polissacarídeo mais complexo
	Os seguintes derivados metilados foram obtidos de um composto constituído exclusivamente por glicose:
2,3,4,6 tetrametil glicose – 10%
2,3,6 tri metil glicose – 80%
2,3 dimetil glicose – 10%
Qual a estrutura deste polissacarídeo?
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É o glicogênio
O
CH2OCH3
OCH3
OCH3
O
CH2OCH3
OCH3
O
OCH3
O
O
O
CH2OCH3
OCH3
OCH3
O
CH2O
OCH3
O
OCH3
O
CH2OCH3
OCH3
OCH3
OCH3
40
Galactose acetilada
Fucose acetilada
Análise de açúcar por cromatografia gasosa (GC) acoplada a espectrometria de massa (MS)
41
Análise do glicogênio por Ressonância Nuclear Magnética
42
Os polissacarídeos mais abundantes na natureza
Celulose
(-D-glucopiranose 14)n
OH
O
CH2OH
OH
O
n
OH
O
CH2OH
OH
O
n
Amido e Glicogênio
(-D-glucopiranose 14)n
n
NH
CO
CH3
O
CH2OH
OH
O
Quitina
( -D-N-acetil-glucosamina 14)n
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7) Tipos de polissacarídeos:
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Exemplo de polissacarídeos:
45
Estrutura de glicosaminoglicanos
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Glicosaminoglicanos
Funções:
Condroitin sulfato -contribui para tenção das cartilagens, tendões, ligamentos e parede da aorta.
Dermatan sulfato -contribui para flexibilidade da pele, dos vasos sanguíneos e do coração.
Queratan sulfato - esta presente nas córneas, cartilagens, ossos, e estruturas calosas como chifres,unhas etc.
Heparina -anticoagulante natural, sintizado pelos mastócitos e liberado no sangue, no qual inibe a coagulação do sangue
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6) Glicoproteínas
Glicoproteínas possuem um ou vários oligossacarídeos de complexidade variada ligada covalentemente à proteína eles são encontrados do lado externo da membrana plasmática, na matriz extra celular e no sangue como sítios de reconhecimento pois possuem cadeias menos repetitivas de oligonucleotídeos compondo sítios altamente específicos para reconhecimento e de ligação de alta afinidade com outras proteínas. 
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Oligossacarídeos N-ligados às proteínas
49
Oligossacarídeos N-ligados às proteínas
50
Resíduos da galactose mas não do ácido siálico são reconhecidos pelas células do fígado
51
Glicolipídios
São lipídios de membrana nos quais os grupos hidrofílicos da cabeça são oligossacarídeos que como nas glicoproteínas agem como sítio específico para reconhecimento
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Lipopolissacarídeos
São componentes principais de membranas externas de bactérias gram-negativas como a e.coli e a salmonela .
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8) Estrutura de proteoglicanos
São macromoléculas ligados a superfície de células ou da matriz extracelular no qual uma das cadeias de GAGs estão ligadas a uma proteína de membrana ou a uma proteína secretada, lubrificação, elasticidade e rigidez de tecidos e reconhecimentos de pouca complexidade.
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Agregan de cartilagens
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Dissociação do agregan de cartilagens
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Algumas evidências da importância dos proteoglicanos para a integridade estrutural das cartilagens
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A remoção dos proteoglicanos reduz a rigidez da cartilagem auricular do coelho
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O tamanho das cadeias de glicosaminoglicanos, os constituintes dos proteoglicanos, diminuem na osteoartrose
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Dex-S 500 KDa
C6-S
C4-S
Heparina 
Dex-S 8 KDa
Origem
+
O tamanho das cadeias de glicosaminoglicanos podem ser analisadas por PAGE 
60
A importância dos proteoglicanos para a integridade estrutural das cartilagens
Aplicação de pressão sobre a cartilagem
Remoção da pressão 
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Erro inato de sulfatação do condroitim sulfato da cartilagem que produz alterações ósseas significativas
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Conclusão
	Os carboidratos constituem um grupo complexo de moléculas, com ampla variação estrutural, e estão envolvidas nos mais diversos tipos de eventos biológicos. Antigamente eram consideradas como moléculas estruturais e de reserva. Hoje sabemos que estão relacionadas com a regulação de inúmeros fenômenos que ocorrem nos organismos vivos.
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