Lecture 1. Introduction to Biochemistry · I carboidrati sono le molecole organiche più abbondanti in natura. ... Precursori metabolici di tutte le altre biomolecole ... O H O H

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 CO2 dell’atmosfera viene fissata (250x109 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

I monosaccaridi

Sono aldeidi o chetoni con due o più gruppi

ossidrilici. Formula empirica: (CH2O)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

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

O H O H

C C

H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glucose L-glucose D-glucosio L-glucosio

Il D-glucosio è di gran lunga il monosaccaride più comune in

natura.

Serie degli D-aldosi

Il numero di

stereoisomeri possibili è

2n, (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

Reazioni intramolecolari danno luogo nei pentosi e negli esosi a forme ad anello

(cicliche) molto stabili.

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, e .

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

Le forme cicliche del D-Fruttosio

Il fruttosio forma:

Anelli a 5 membri (anello del furano) dalla reazione del gruppo

chetonico in C2 con il gruppo OH sul C5.

Può formare Fruttopiranosio dalla reazione del gruppo

chetonico in C2 con il gruppo OH sul C6.

O = Furano

Gli zuccheri possono assumere

diverse conformazioni

-D-glucopiranosio

Gli zuccheri piranosici

possono assumere

conformazioni a “sedia" o a

“barca" a seconda dello

zucchero.

a= assiale

e= equatoriale

Data la natura tetraedrica dei legami del carbonio gli zuccheri non assumono

strutture planari:

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

-D-glucopiranosio α-D-glucopiranosio D-glucopiranosio

Derivati dei monosaccaridi

Amminozuccheri - Un gruppo

amminico che può essere acetilato,

sostituisce un ossidrile.

Acido D-gluconico

Acido D-glucuronico

- D-N-

acetilglucosammina

C H 2 O H

C

C H 2 O H

H O H

Glicerolo

Alcol poliossidrilici (alditoli) –

derivano dalla riduzione del gruppo

CO; e.g., ribitolo, glicerolo

Alcol poliossidrilici

(alditoli)

Zuccheri Acidi – acidi aldonici con

acido carbossilico in C1, e acidi

uronici con acido carbossilico in C6.

- D-glucosammina

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.

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,

e 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

D-glucopiranosil-(14)-D-glucopiranosio

Il maltosio,

Prodotto di

degradazione dell’amido.

Glca(1 4)Glc

I disaccaridi lattosio e saccarosio

Lattosio, Disaccaride con legame

(14) glicosidico tra C1 di una

molecola di galattosio e l’ OH del

C4 di una molecola di glucosio. Il

carbonio anomerico del galattosio:

configurazione .

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.

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

Amilosio polimero lineare con legami (14). Adotta una conformazione elicoidale.

Amilopectina polimero con

legami (14) e

ramificazioni formate da

legami (16) che

producono una struttura

compatta con numerose

terminazioni attaccabili

enzimaticamente dalle α-

amilasi

Omopolimeri del glucosio: amilosio e amilopectina, polimeri del glucosio che assieme

costituiscono l’amido

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 (16).

Glicogeno

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

Ramificazioni di unità di glucosio

con proteina centrale glicogenina

I legami (14) che uniscono il glucosio

sono alla base della struttura della cellulosa

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).

Omopolimeri del glucosio: La cellulosa: catene lineari di glucosio (10000-150000

unità) unite da legami (14).

Le fibre di cellulosa

Fibre di cellulosa

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.

Sono carichi

negativamente ed

assumono

conformazioni estese

molto idratate

(elevata viscosità).

Eparina

Condroitin solfato

Cheratan solfato

ialuronato

Lo ialuronato (acido ialuronico)

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).

Il legame glicosidico è (13) e (14).

I 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 lipidi di membrana

(glicosfingolipidi). (prossimo

capitolo).

I carboidrati possono legarsi ad altre molecole :

glicoconiugati

Glicoconiugati: i proteoglicani

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.

Alcuni tipi di glicosamminoglicani sono uniti a specifiche proteine, formando complessi sopramolecolari chiamati proteoglicani.

Un esempio: struttura del

proteoglicano della cartilagine

(aggrecano).

Glicoconiugati: glicoproteine

Diversi oligosaccaridi si legano alle proteine

attraverso il C anomerico a :

1) -NH2 di residui di asparagina (Asn) (legame in N)

tramite un legame N glicosidico,

2) -OH, a residui di Serina o Treonina (legame in O).

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.

La parte saccaridica può

essere lineare o ramificata.

Spesso sono presenti

zuccheri modificati (N-

acetilglucosammina)

Oligosaccaridi legati in N

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

In giallo: galattosio, in viola: acido sialico.

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.

Funzioni degli oligosaccaridi

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 cellula-

cellula. 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

La glicosilazione aumenta fortemente la variabilità strutturale delle proteine. Gli

oligosaccaridi possono differire tra loro per :

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

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.

Esempio di diversa azione delle glicosiltransferasi

Oligosaccaridi

presenti sulla

superficie globuli

rossi

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)

La catena polisaccaridica è legata tramite l’acido

N-acetilmuramico ad un tetrapeptide contenente

anche D aminoacidi.

Lo strato di peptidoglicano dei batteri Gram-

positivi.

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.

Domande d’esame

4 La chimotripsina:

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 ?