Tema 7: Glúcids (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Estructura i funció de biomolècules
Año del apunte 2016
Páginas 21
Fecha de subida 27/04/2016
Descargas 22
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 7: GLÚCIDS Tipus de glúcids i les seves funcions Carbohidrats als glúcids, també se’ls anomena així per la seva fórmula Cn(H2O)n, tot i que també se’ls coneix amb el nom de sucres o sacàrids.
- - El seu origen es dóna via fotosíntesi de les plantes, a partir de CO2 i H2O.
El seu tamany pot ser des de molt petits (90g/mol) fins a molt grans com la amilopectina (200.000.000g/mol).
Tenen funcions molt diverses funcions molt bàsiques, com que els glúcids són una font d’energia i una font d’emmagatzematge, com funcions molt complexes, ja que són sucres que tenen un paper molt important en la comunicació enter cèl·lules (el reconeixement cèl·lula-cèl·lula es dóna gràcies al coneixement de glúcids en les membranes), i a més també són components estructurals de parets cel·lulars i formen exosquelets.
I sovint, els trobem lligats covalentment a proteïnes, format les glicoproteïnes o els proteoglicans, o bé a lípids.
A més a més, els carbohidrats són polihidroxialdehids o polihidroxicetones que:  Són les biomolècules més importants de la terra.
 Tenen variació en la seva llargada: poden ser monosacàrids (di, tri, tetra...en funció del número d’àtoms de C), oligosacàrids o polisacàrids.
 S’anomenen aldosa o cetosa depenent del seu grup aldehid o cetona.
 La majoria són D isòmers, encara que existeixen formes, isòmers L a la natura.
 Poden formar cadenes lineals o ramificades quan polimeritzen.
 L’enllaç químic entre ells s’anomena enllaç glicosídic, que pot connectar  diferents parells de carbonis, i és un tipus d’unió covalent.
 Conté carbonis quirals. De manera que parlarem d’enantiòmers, diastereoisòmers, epímers...
 Molts contenen N, P o S. I els substituents es lliguen a grups –OH.
Monosacàrids: descripció i propietats Els monosacàrids són els carbohidrats més senzills i tenen de 3 a 9 àtoms de C. Es classifiquen segons la naturalesa química del seu grup carbonil i el nombre d’àtoms de carboni.
 Si el grup carbonil és un aldehid, es denominen aldoses (grup C=O a l’extrem).
 Si és una cetona, cetoses (grup C=O dins l’estructura).
Aleshores ens haurem de fixar on tenen el grup C=O i en el número de carbonis.
Exemple: els monosacàrids més senzills són el gliceraldehid (aldotriosa) i la dihidroxiacetona (cetotriosa), i els dos obeeixen a la fórmula (CH2O)3Conèixer.
Els més petits, amb 3 àtoms de carboni, es denominen trioses, els de quatre, tetroses, els de cinc, pentoses, els de sis, hexoses, etc.
- - En la figura, sempre el primer carboni, el C1 serà el que es trobi més a prop de la cetosa, i a partir d’aquí anomenarem els altres.
Que siguin forma D o L, ho determina la projecció de Fisher, en què per decidir quina forma és, prenem com a referència la configuració del C quiral més allunyat del C1 (grup carbonil), que és la que decidirà si són D o L. Per exemple pel gliceraldehid, si el grup hidroxil queda a la dreta formarà l’estructura D, i si queda a l’esquerra la L.
Però NO tots els sucres tenen almenys 1 carboni quiral, perquè per exemple la dihidroxiacetona té els 3 carbonis mínims, i cap d’ells és quiral, cap té els 4 - substituents diferents. Tot i que en general els glúcids sí que són molècules que tendeixen a tenir carbonis quirals.
I encara que en la imatge només observem les formes D, per tots hi ha la configuració L, que formaran 2 isòmers òpticament actius.
Quants isòmers òptics pot tenir una molècula de X Carbonis? En el cas de d’una aldosa, amb el grup aldehid a un extrem, aquest C1 del grup carbonil no serà mai quiral, i el C6 de l’altre extrem tampoc podrà ser-ho perquè no compta amb el 4 substituents diferents, per tant aquests dos mai podran ser quirals. I per això: - Exemple: Aldohexosa monòmer amb grup aldehid de 6C  tindré 2n-2 isòmers òptics actius, ja que els isòmers només es formen a partir de carbonis quirals, i concretament seran 26-2 carbonis no quirals= 24= 16 estereoisòmers, 16 formes òpticament actives tindrà la aldohexosa, 8 amb configuració D i els altres 8 amb configuració L.
Per les aldoses sempre es compleix que el número d’isòmers = 2^ número de C – 2C no quirals (que corresponen als dels extrems).
En canvi, en el cas de les cetoses serà diferent, perquè tenen el grup cetona dins la seqüència. Així, si hem de comptar els carbonis quirals de la molècula, veurem que igual que en les aldoses cap dels extrems de la molècula tindrà carbonis quirals, però a més a més la posició del grup carbonil al C2, fa que les cetoses tinguin un C asimètric menys que les aldoses. I per això: - Exemple: Cetohexoses monòmer amb grup cetona de 6C  tindré 2n-3 isòmers òptics actius, ja que la cetosa SEMPRE tindrà un C quiral menys que l’aldosa. En aquest cas, 26-3= 8 estereoisòmers, dels quals 4 en forma D i els altres 4 L. I a més podríem dir que aquestes 4 parelles, cadascuna entre elles seran enantiòmers.
I parlarem d’epímers quan dues molècules siguin idèntiques i només variï la posició dels substituents d’1 dels C.
Terminologia utilitzada per descriure monosacàrids Molts dels monosacàrids que es troben en la natura són de la sèrie D. Els monosacàrids més abundant a la natura estan a les figures següents (en els quals podem veure molt bé els C quirals de cada molècula, i els que no són quirals): Estereoquímica Enantiòmers són el que hem dit anteriorment, les dues formes que adopta una mateixa molècula en funció del gir d’un dels grups substituents. Ex: D-glucosa i la Llucosa.
Diestereoisòmers  Epímers: es diferencien en la configuració d’un sol àtom de C. Ex: D-glucosa, D-mannosa formen un epímer, o la D-galactosa amb aquests també forma un altre epímer.
 Anòmers: es diferencien en la configuració del C anomèric (C1).
La manera d’anomenar-los és generalment igual que l’aldosa però ficant la partícula ul, en els noms de cetoses ribosa vs ribulosa.
Reaccions i estructures cícliques dels monosacàrids Químicament, quan tinc a prop un aldehid i un alcohol poden reaccionar formant un hemiacetal, que després pot evolucionar si intervé un altre alcohol a acetal. I com dins d’un mateix monosacàrid tinc un grup aldehid i un alcohol, per ell sol sí que pot formar un hemiacetal, però necessito de la intervenció d’un altre alcohol que aportarà un altre monosacàrid per passar a acetal.
L’alcohol l’aportarà algun dels C que té un hidroxil del monosacàrid, igual que l’aldehid, és a dir que és una reacció de ciclació.
I el mateix es donaria si en comptes de aldehid, fos una cetona la que reacciona amb l’alcohol, i aleshores es formaria l’hemiketal, i posteriorment si arriba un altre alcohol el ketal.
Aleshores normalment, els monosacàrids de 5 i 6 carbonis més usuals tenen estructures cícliques: Encara que hem representat les estructures dels monosacàrids en forma de cadenes lineals, els monosacàrids de 5 o més àtoms de carboni adopten majoritàriament, en dissolució aquosa, estructures en forma d’anell. Així, per exemple, la D-glucosa existeix com una barreja de α-D glucopiranosa i de β-D-glucopiranosa i la D-fructosa, com una barreja de α-D-fructofuranosa i β-D-fructofuranosa.
Anòmers - Si l’aldehid del C1 reacciona amb l’hidroxil del C5, tindríem una estructura ciclada de la glucosa, i a vegades, es poden ciclar formant altres tipus d’anells, com per exemple la fructosa en que es ciclarà el C2 (cetosa) amb el 5 (alcohol) i formarà una altra estructura.
La glucosa el C1, reacciona amb el 5 formant una estructura que recorda a un anell de pira, i el que passa es que el C1 no és quiral, és el que té el carboxil, però que quan es cicla amb l’hidroxil del 5, aleshores que el C carboxil és converteix en quiral, el C1 passa a tenir tots els substituents diferents, és asimètric, i per tant quiral. Per tant el procés de ciclació genera un centre quiral extra, i aquest C se l’anomena carboni hemiacetàlic o hemicetàlic, en funció de si amb l’alcohol ha reaccionat un grup aldehid o una cetosa, respectivament.
I aleshores aquestes formes isomèriques dels monosacàrids que difereixen només en la configuració del C hemiacetàlic o hemicetàlic s’anomenen anòmers. I l’àtom de C hemiacetàlic o hemicetàlic s’anomena anomèric. Nomes parlarem de carboni anomèric quan l’estructura es torni ciclada.
I les dues formen anomèriques que es formen són que el carboxil (C1) estigui en trans respecte el C6 (α-D-glucopiranosa), o que el C estigui en cis amb el C6 (β-Dglucopiranosa). Que el C estigui en cis o trans provocarà que sigui un anòmer alfa o beta D glucopiranosa. I el mateix passa amb la fructosa, on la fructofuranosa α i β que són anòmers entre elles.
Aleshores, com hem vist, la forma ciclada prové de al formació d’un hemiacetal, que no és un punt de no retorn, és una estructura que està en equilibri, per tant quan agafes la glucosa tindràs un equilibri amb una part alfa, i una part majoritària en forma beta, i una part molt petita de molècula lineal i amb estructura Furan, ja que predomina la Pyran.
Reaccions dels monosacàrids El C carboxílic té la propietat d’oxidar-se, i per tant, és un agent reductor, propietat, que es fa servir en molts tipus de reaccions típiques de laboratoris com pot ser la determinació de la glucosa amb sang.
Hi ha un reactiu GOD FAD, de glucosa oxidasa més Fad (cofactor) que oxida la glucosa i generen un derivat on ja no té hidroxil sinó un carboxil i peròxid d’hidrogen que reacciona amb un compost químic i forma un producte. Com més producte, més peròxid d’hidrogen i més glucosa hi ha en sang s’anomena reacció acoblada.
Tot i que també hi ha mètodes promig mètodes de detecció que es basen en detectar la hemoglobina que està modificada en una glucosa. La hemoglobina que viatja pels eritròcits i la quantitat de glucosa en sang, entren i surten amb molta facilitat dels eritròcits de manera que la quantitat de hemoglobina que veu modificada les seves lisines serà representatiu de la concentració de glucosa en sang. Com + unió a les lisines, + glucoses. Un 5% de la glucosa en pacients sans està en hemoglobina, en canvi en diabètics arriba fins al 13%.
La quantitat d’hemoglobina glicada respecte la no glicada es mesura mitjançant electroforesi.
- Totes les lisines de la hemoglobina no glicades tindran càrrega + però menys pes, mentre que les que glicades hauran perdut la càrrega positiva, per tant aquesta pesarà més i tindrà menys càrrega. Per tant en una electroforesi, es mouen diferent la hemo glicada de la hemo no glicada, i les quantitats relatives de cadascuna d’elles permetran mesurar si la quantitat de glucosa en sang d’un individu és adient o no.
Molts dels monosacàrids de 6C tenen modificacions, no sempre estan en la seva forma típica, sinó que a vegades algun dels hidroxils porta algun grup extra, són monosacàrids derivats, i en funció del que porten penjat tenen un nom o un altre.
Això genera encara més diversitat dins dels monosacàrids (NO CAL SABER-LOS).
Enllaç glicosídic i oligosacàrids Si ajunto 2 monosacàrids passo de tenir 2 monosacàrids a un disacàrid, unió que es dóna per un enllaç covalent, enllaç glicosídic. És una reacció on un hemiacetal format per la unió d’un aldehid amb un alcohol d’un mateix monosacàrid, reacciona amb un hidroxil d’un altre monosacàrid. Aleshores pot reaccionar amb un alcohol d’un altre hemiacetal, que generarà un altre hemiacetal.
α-D-glucosa, i β-D-glucosa reacció del C1, anomèric, que reacciona amb el C4 no reductor de l’altre monosacàrid, i es forma el disacàrid que perd el poder reductor d’un dels monosacàrid i manté el de l’altre, per tant segueix sent reductor.
Disacàrids més comuns La lactosa un disacàrid de β-D-galactosa i de β-D-glucopiranosa, amb enllaç 1-4, que té l’extrem reductor a la dreta perquè hipoteca un C anomèric, el del monosacàrid Gal, però no l’altre, el de la dreta (C1 anomèric, lliure) La sucrosa o sacarosa disacàrid format per els 2 carbonis anomèrics (C1) que formen l’enllaç, i que no té, per tant, poder reductor.
La trialosa (sucre típic dels bolets) disacàrid amb els dos C anomèrics (C1) formant part de l’enllaç glicosídic, per tant, sense poder reductor, ja que els 2 carbonis anomèrics en aquest cas es perden.
Polisacàrids Els carbohidrats naturals es troben normalment formant polímers, polisacàrids, agregats de sucres: - - Normalment són estructures ramificades de homopolisacàrids (sucres idèntics) que poden ser lineals, o que tenen una cadena principal que de tant en tant presenta una ramificació. Però tots els monosacàrids que els conformen són idèntics, i els enllaços també.
I els heteropolisacàrids, estan formats per varietats de monosacàrids diferents.
Poden tenir 2 monosacàrids diferents, o bé els poden formar múltiples monosacàrids.
Un polisacàrid no té un pes molecular definit, al revés que les proteïnes o els àcids nucleics, podem dir que és gran o petit, però no té un pes fixe perquè no tenen un motllo concret de síntesi.
Polisacàrids típics:  Glicogen: homopolisacàrid ramificat de la glucosa, format únicament per monòmers de glucosa que formen cadenes principals d’enllaços α1-4 amb ramificacions d’enllaços cada 8-12 unitats, que parteixen d’un enllaç α1-6.
El pes d’aquest és molt gran (arriba a varis milions) i és el principal magatzem de polisacàrids dels animals.
Si les unions són α1-4 i les ramificacions són α1-6 tindrem un únic extrem reductor de la primera glucosa i tota la resta no tindran extrem reductor, i del C 6 que s’unirà amb el C1, també perdrà el seu C anomèric. Per tant el glicogen només té un extrem reductor per una primera glucosa (C1) i molts extrems no reductors.
Sovint forma grànuls a la cèl·lula que contenen enzims de síntesi i degradació, i la hidròlisi per enzim es donarà simultàniament pels molts extrems no reductors.
 Mido: molt semblant al glicogen però no idèntic. És una barreja de dos homopolisacàrids de glucosa: la amilosa, polímer no ramificat amb enllaços alfa 1-4 que suposa un 30% del pes de la molècula, i la amilopectina, que és la majoritària i està ramificat com el glicogen, però els punts de ramificació són enllaços alfa 1-6 però cada més unitats, cada 24-30 residus (70%) El mido encara agafa tamanys més grans que el glicogen (arriba fins a 200 milions), i és la reserva energètica principal de les plantes.
I com el glicogen té un extrem reductor i molts extrems no reductors.
Tots dos són polímers de glucosa que tenen diferents graus de ramificació.
 Cel·lulosa: homopolisacàrid lineal de molècules de glucosa, però amb petites diferències: els monòmers de glucosa s’uneixen per enllaços β1-4, NO alfa. En el cas de la cel·lulosa hi ha molta interacció per ponts d’H entre monòmers de cadenes adjacents, perquè hi ha molts hidroxils.
És una estructura dura i insoluble en aigua, característiques que expliquen que sigui el principal component estructural de la paret de les cèl·lules vegetals, a part de que és el component majoritari de la natura.
Per exemple el cotó és quasi pura fibra de cel·lulosa.
 Quitina: el seu monosacàrid principal és la N-acetil-glucosamina, un monosacàrid de 6 carbonis modificat, per això és un homopolisacàrid lineal de N-acetil-glucosamina.
És típic dels exosquelets d’animals, ja que forma estructures esteses semblants a la cel·lulosa: és un material molt dur, molt hidrofòbic (insolubles) i no poden ser digerides pels vertebrats.
A més, és molt abundant a la terra, és la segona macromolècula més abundant a la terra, i la trobem en la paret cel·lular dels bolets, i als exosquelets d’insectes, aranyes, crancs i altres artròpodes on pot mineralitzar.
Qüestions sobre l’estructura i propietats dels polisacàrids Tots ells, pel fet de tenir enllaços diferents fa que siguin i confereixin estructures molt diferents, de manera que cadascun dels homopolisacàrids tenen funcions molt diferents: Els animals poden digerir glicogen i midó però, no cel·lulosa, essent també un polímer de glucosa. Per què? - El glicogen i el midó són reserves perquè són estructures amb molts extrems no reductors que permeten subministrat gran quantitat d’energia.
El glicogen és una molècula molt hidratada, amb gran quantitat de grups que poden actuar com a dadors o acceptors de ponts d’H, hidroxils, que podran interaccionar amb el solvent ja que estan exposats cap a fora perquè així l’enllaç fa que adoptin una conformació més estable a 60 graus, i que es trobin formant una hèlix.
I el fet que en la cel·lulosa, l’enllaç sigui beta 1-4, fa que els angles siguin molt diferents que els anteriors, de manera que fa que la conformació més estable aquí sigui de 180 graus, i això fa que sigui una molècula més plana, amb més ponts d’H entre ella mateixa estructura molt extensa i estabilitzada per ella mateixa pels ponts d’H, per tant hidrofòbica, perquè ja té tots els hidroxils ocupats per ella mateixa. Forma estructures en forma de fulla.
De manera que observem que una unitat monomèrica molt idèntica, com és la glucosa, forma polisacàrids molt diferents. I que sigui helicoïdal la forma del glicogen fa que serveixi molt de reserva, que s’empaqueti molt, en canvi les fulles extenses de la cel·lulosa formen estructures flexibles, de manera que tindrà una funció més aviat estructural, no té cap funció de reserva sinó que donen rigidesa.
Plegament i estructura 3D dels polisacàrids El plegament depèn de la rotació al voltant de l’enllaç glicosídic, el que formarà totalment l’estructura 3D d’un polisacàrid o un altre, tot i que el seu bloc base sigui el mateix, la glucosa. En un cilindre hi caben moltes més unitats de glucosa per espai que no pas en una estructura laminar. I quan vull alguna cosa que tingui una funció estructural, va millor una estructura laminar, elàstica, que tindrà la capacitat d’amortir moviment, i per formar aquesta estructura hi ha molta interacció entre les seves cadenes de manera que tots els grups hidroxils es compensen entre ells, fent que l’estructura estigui molt estabilitzada però no tingui gens de tendència a formar ponts d’H amb el solvent, i com a resultat d’això estructura hidrofòbica, contrària a l’altra, la hèlix, que té molta capacitat de solvatació.
Perquè els animals podem alimentar-nos de glicogen i mido però no podem menjar fusta, que té molts cel·lulosa i també és un polímer de glucosa?  Perquè la cel·lulosa té disacàrids units per enllaços beta 1-4, i els enzims NO reconeixen aquest tipus d’estereoisòmers. Si els enzims no fossin estereoespecífics podríem degradar qualsevol tipus d’enllaç. Per tant la estereoespecificitat implica que l’enzim que degrada glicogen o que degrada midó no degradi cel·lulosa, ja que tenen un grau d’identitat òptica molt alta (isòmers). I els animals no disposem dels enzims necessaris per degradar aquets enllaços.
Glicoconjugats Glicosaminoglicans formen part del conjunt dels Glicoconjugats, tot i que tècnicament no ho és, perquè és un heteropolisacàrid, un sucre de moltes unitats diferents i molt gran (moltes repeticions de disacàrids) que forma part de la matriu extracel·lular.
     Només presents en animals i alguns bacteris.
Són molts disacàrids, on un es repeteix varies vegades que és l’N-acetilglucosamina o N-acetil-galactosamina, i s’alterna amb un altre tipus com és àcid glucurònic.
Element molt hidrofòbic, que minimitza la repulsió de càrrega, i forma una estructura molt hidratada i estesa, viscosa, com és la matriu, i la forma juntament amb altres proteïnes fibroses.
Tenir estructura tant grossa amb grups carregats negativament (àcid urònic i esters de sulfat), fa que sigui un candidat per ser una malla que sustenti altres elements i metabòlits entre cèl·lules (funció de la matriu).
Exemple: heparina, que es fa servir com anticoagulant. Altament sulfatat glicosaminoglicà. Fortament carregat negativament. No constitueix teixit connectiu, formant part dels grànuls interns dels mastòcits. Inhibidor de la coagulació sanguínia. Ús clínic despres d’operacions Proteoglicans macromolècules formades per la unió covalent de glicosaminoglicans i que s’uneixen amb proteïnes centrals de la matriu, formen part de la matriu i de la superfície cel·lular. Té una part glucídica, de sucre que interacciona amb una part no glucídica, i això ja es un glicoconjugat. La part glucídica és el glicosaminoglicà, molt gran.
  Tipus d’unió de proteïna de la matriu o de la membrana que tenen unit algun tipus de glicosaminoglicans, estructures molt grosses.
Hi ha proteoglicans molt grans com l’agrecà, (component important del cartílag). I el conjunt d’agrecans estan units covalentment a una molècula d’àcid hialurònic.
Glicoproteïnes proteïnes amb petits oligosacàrids units covalentment  Conjugat entre un sucre i una proteïna, on la part glucídica és molt petita, i en funció de l’enllaç entre la proteïna i el sucre podem distingir entre glicoproteïnes amb enllaç glicosídic tipus O o tipus N. El carbohidrat està unit via C anomèric.
 Tipus O: reacciona el C anomèric del glúcid amb l’aa de la proteïna que tingui a la cadena lateral un hidroxil, com la serina o treonina, i quedarà un O que donarà lloc a l’enllaç O-glicosídic.
 Tipus N: reacciona el C anomèric del glúcid amb aquell aminoàcid de la proteïna que tingui a la seva cadena lateral un grup amino, com la asparagina, però en aquest cas no queda un O sinó un N, per tant la unió es per enllaç N-glicosídic.
   Les seves funcions són diverses: l’adició de sucres que li permet anar a determinats orgànuls cel·lulars, o són senyals de secreció, o els sucres poden ser senyals de reconeixement cèl·lula-cèl·lula, o moltes proteïnes que són circulatòries estan sotmeses a molts processos de desgast de manera que per aguantar més temps es glicosiden i això les fa més estables, o molts virus tenen mecanismes d’adaptació i expressen proteïnes glicosilades per esquivar el sistema immunitari de l’hoste...
La meitat de les proteïnes dels mamífers són glicoproteïnes.
Els carbohidrats tenen un paper important en el reconeixement proteïnaproteïna.
Glicolípids i lipopolisacàrids lípids que porten unit sucres, oligosacàrids units covalentment, i tampoc són molt grans.
  Té unit un petit sucre glicolípid Lípid que té una ramificació de sucres molt gran glicopolisacàrid    Els trobem en parts de la membrana cel·lular de plantes i animals En vertebrats, la composició de carbohidrats dels gangliòsids determina el grup sanguini.
En bacteris gram-negatius, els lipopolisacàrids cubreixen la capa de peptidoglicans.
Com a macromolècula informativa que triaríem? Si comparem proteïnes amb DNA o sucres, veiem quina quantitat de hexa-el-que-sigui té cada un.
- En el cas dels pèptids, com tinc 20 aa diferents, puc arribar a generar 206 pèptids diferents jugant amb les posicions d’aquests.
Per un nucleòtid (el que tothom considera com a element informatiu principal), considero un hexa-nucleotid amb una variació de 46.
Però amb sucres, carbohidrats com a mínim tinc entre 15 o 20 unitats diferents de monosacàrids + enllaços glicosídics també n’hi ha molts diferents en funció de que s’uneixin + si és α o β és a dir que, l’element que he d’elevar a la 6 és molt i molt gran, per tant els sucres són els elements que generen molta varietat de seqüències i això les cèl·lules ho aprofiten com a codi de seqüenciació especifica, i cada cop està més de moda treballar amb sucres.
Les proteïnes que reconeixen el codi del sucre, s’anomenen lectines.
Resum ...