¡Descarga bioquimica tema 4 y más Apuntes en PDF de Bioquímica solo en Docsity!
BIOQUÍMICA
TEMA 4: GLÚCIDS
Els glúcids són els compostos més abundants i més ampliament ditribuïts a la Natura, trobant-se en tots els éssers vius (bacteris, animals i plantes) on realitzen un gran nombre de funcions degut a la seva gran diversitat estructural: des de la formació d’elements de suport i protecció cel.lular (polisacàrids en les parets bacterianes, quitina en els artròpodes, cel.lulosa en els vegetals), ser part de la molècula de DNA (desoxiribosa) i RNA (ribosa), participar en el reconeixement, l’adhesió i la interacció entre cèl.lules a través de la seva unió a proteïnes i lípids de membranes i superfícies cel.lulars, fins constituir materials de reserva energètica (midó en plantes,, glicogen en animals i bacteris). Aquesta última funció els situa en el centre del cicle del carboni de la biosfera que es pot resumir en les dues etapes següents: (1) les plantes i algunes algues mitjançant el procés de la fotosíntesi sintetitzen glucosa a partir de CO 2 i aigua (reducció del carboni gràcies a l’energia lumínica), i (2) la glucosa (enmagatzemada en forma de midó) és, mitjançant la respiració, reoxidada a CO 2 i aigua (en el procés d’oxidació, part de l’energia acumulada en la molècula de glucosa es “recupera” i es transforma en energia química -ATP- útil per a la cèl.lula). Els glúcids són polihidroxialdehids o polihidroxicetones, o substàncies que donen aquests compostos quan es sotmeten a hidròlisi. La seva fórmula general és (CH 2 O)n, el que indica que hi ha una molècula d’aigua per àtom de carboni. Això va donar lloc al nom de “hidrats de carboni” o “carbohidrats” amb el que també es coneixen. No obstant, per definició un hidrat és un compost al qual es fixa una molècula d’aigua, però això no es correspon a la seva estructura doncs en aquesta no s’hi troben molècules d’aigua individualitzades (p.e., l’àcid acètic CH 3 COOH també es pot escriure com C 2 (H 2 O) 2 i no és un carbohidrat o un glúcid). D’aquí l‘ús d’altres nomenclatures com ara sucres, sacàrids (del grec sakcharon, sucre), glúcids (del grec glykos, dolç -segons com també inexacta, per exemple el midó no és dolç) o, fins i tot, glícids. Alguns glúcids contenen també N, P o S i no s’ajusten a la fórmula general. La pròpia naturalesa química dels glúcids fa possible que puguin donar lloc a un gran nombre d’isòmers (d’aquí la seva gran diversitat estructural). Un isòmer és un compost amb igual fórmula molecular que un altre però amb diferent seqüència dels enllaços (isòmers estructurals) o diferent disposició dels àtoms a l’espai (isòmers configuracionals o estereoisòmers). El nombre possible d’isòmers depen de la presència d’àtoms de carboni asimètrics o quirals (àtom de C al qual estan units 4 àtoms o grups diferents) i és igual a 2 n (sent n el nombre de C asimètrics). Per exemple, la glucosa que té 4 C asimètrics presenta 2 4 = 16 isòmers (vegis més endavant). Els glúcids es poden dividir en tres grans classes en funció dels productes de la seva hiròlisi:
- monosacàrids, són aquells que no poden ser hidrolitzats en molècules més simples;
- disacàrids (i oligosacàrids, fins a 10 molècules de monosacàrid), aquells que quan són hidrolitzats produeixen 2 o més molècules del mateix o diferents monosacàrids (segons alguns autors, el terme oligosacàrid també és obsolet);
- polisacàrids, la seva hidròlisi dóna més de 10 molècules de monosacàrids. D’acord al nombre d’àtoms de carboni presents a l’estructura, també es classifiquen com trioses ( C), tetroses (4 C), pentoses (5 C), hexoses (6 C), heptoses (7 C). Per últim, es divideixen en dos grans blocs segons el grup funcional present a la molècula: (1) quan el grup carbonil (C=O) es troba en un extrem de la cadena carbonada, el compost és un aldehid i s’anomena aldosa, i (2) quan el carboni del carbonil es troba en qualsevol altra posició, el compost és una cetona i s’anomena cetosa. Monosacàrids: descripció i propietats. Són aldehids o cetones amb 2 grups hidroxil (com a mínim) i amb almenys 3 àtoms de carboni. Els monosacàrids més senzills són el gliceraldehid (que és una aldotriosa) i la dihidroxiacetona (que és una cetotriosa): El gliceraldehid i la dihidroxiacetona tenen la mateixa fórmula molecular i són isòmers estructurals doncs es diferencien en la posició molecular dels enllaços. Poden distingir-se fàcilment amb representacions estructurals bidimensionals. El gliceraldehid té un carboni asimètric (centre quiral) i té, per tant, dos estereoisòmers que s’anomenen enantiòmers o formes enantiomèriques (sent una la imatge especular de l’altra, no superposable). Per convenció a una d’elles se la denomina D i a l’altra L (les seves configuracions absolutes es coneixen per cristal.lografia de raigs X).
C
H
O
La presència d’àtoms de carboni asimètrics també confereix als compostos activitat òptica. Quan es fa passar un feix de llum polaritzada (vibra en un sol pla) a través d’una dissolució d’un compost amb activitat òptica, el feix es desviarà a la dreta o a l’esquerra segons l’isòmer òptic present. Si ho fa a la dreta, s’anomena dextrorotatori i es designa amb (+) i si ho fa a l’esquerra levorotatori i es designa amb (-). Òpticament, el D-gliceraldehid és (+) i el L-gliceraldehid és (-), mentre que la dihidroxiacetona és l’únic monosacàrid que no presenta activitat òptica degut a que no conté cap carboni quiral. Quan en una dissolució hi ha quantitats iguals d’isòmers (+) i (-), les activitats de cada isòmer es cancel.len entre sí i la mescla no presenta activitat òptica; aquesta mescla s’anomena racèmica. Els carbonis dels monosacàrids es numeren des de l’extrem de la cadena més pròxim al grup carbonil. A continuació es mostren les sèries D de les aldoses i de les cetoses fins a 6 àtoms de carboni (la fletxa en color vermell indica els monosacàrids més abundants a la Natura). Sèrie de les D-aldoses Les trioses (gliceraldehid i dihidroxiacetona) es formen durant la degradació metabòlica de les hexoses. La forma fosforilada de l’eritrosa, eritrosa-4-fosfat, és un precuror en la biosíntesi dels aminoàcids aromàtics. La D-ribosa és un element estructural dels àcids nucleics, de l’ATP i de
coenzims com p.e. NAD i NADP. La D-arabinosa és important en el metabolisme bacterià. La D- xilosa està present a la hemicel.lulosa. La D-lixosa és un constituent de la lixoflavina, aïllada del múscul cardiac humà. La D-glucosa és un component de gran quantitat de polisacàrids de reserva (midó, glicogen) i estucturals (cel.lulosa); és el sucre transportat per la sang i el que es troba en major proporció en els teixits. La D-manosa es troba freqüentment formant part dels oligosacàrids a les glucoproteïnes. La D-galactosa constitueix, junt amb la glucosa, la lactosa (disacàrid de la llet) i està present també en glucolípids, glucoproteïnes i components de la paret cel.lular vegetal. Sèrie de les D-cetoses La D-ribulosa és un intermediari important en el cicle fotosintètic de reduccció del carboni i un dels productes de la ruta d‘oxidació de glucosa anomenada de les pentoses fosfat. La D-xiulosa (o D- xilulosa segons algunes fonts), concretament la forma fosforilada xilulosa-5-fosfat es forma a partir de ribulosa-5-fosfat a la ruta de les pentoses fosfat i té un paper regulador important en la biosíntesi d’àcids grassos. La D-fructosa forma amb la glucosa el disacàrid sacarosa, el glúcid principal de les plantes. (Xylulose)
Com a conseqüència d’aquesta reacció, a la molècula es forma un C asimètric addicional, és l’atom de carboni hemiacetàlic (o hemicetàlic), que s’anomena carboni anomèric. El carboni anomèric pot existir en dues formes estereoisomèriques, que es designen α i β, i s’anomenen anòmers (formes isomèriques dels monosacàrids que difereixen només en la configuració del carboni anomèric). Així, els compostos resultants, que són anells de 6 àtoms, es designen com a piranoses i, en l’exemple de la figura els seus noms sistemàtics són α-D-glucopiranosa i β-D-glucopiranosa. Les hexoses també poden existir com estructures cícliques de 5 àtoms (en aquest cas, el grup aldehid reaccionaria amb el C-4) i els compostos resultants s’anomenen α-D-glucofuranosa i β-D- glucofuranosa. L’anell de 6 àtoms de les aldopiranoses és molt més estable que el de 5 àtoms de les aldofuranoses i és el que predomina en dissolució. Els anòmers α i β de la D-glucosa s’interconverteixen en dissolució aquosa en un procés denominat mutarrotació. La barreja final consisteix majoritàriament en 1/3 part de α-D-glucopiranosa i 2/ parts de β-D-glucopiranosa, juntament amb quantitats molt petites de la forma lineal i de les formes α-D-glucofuranosa i β-D-glucofuranosa. A més, la conformació tridimensional d’aquestes molècules amb la mateixa configuració estereoquímica no és plana i, per exemple, la β-D-glucopiranosa pot adoptar en dissolució les formes o isòmers conformacionals següents, que poden interconvertir-se sense trencar cap enllaç covalent: També les cetohexoses existeixen en formes anomèriques, reaccionant el grup carbonil de la cetona amb l’hidroxil del C-5 (o del C-6), formant una furanosa (o piranosa). La D-fructosa forma fàcilment l’anell de furanosa (l’anòmer més abundant és la β-D-fructofuranosa): Per visualitzar els anells, s’utilitzen les fórmules de projecció de Haworth, en les que la part de l’anell més pròxima a l’observador es representa amb traç gruixut. Com a referència les estructures del pirà i del furà són:
A banda de les hexoses simples, com glucosa, galactosa, etc., també trobem a la Natura formes derivades o modificades d’aquests, com les que mostra la figura següent: Les modificacions es produeixen gràcies a les reaccions que poden dur a terme els diferents grups funcionals dels monosacàrids (hidroxil, carbonil i hemiacetal o hemicetal). Entre aquestes reaccions podem mencionar les oxidacions (p.e., en els àcids glucurònic i glucònic i la glucono-δ-lactona), les reduccions (p.e., en els desoxisucres), l’esterificació (unió d’un grup fosfat mitjançant enllaç ester com en la glucosa-6-fosfat), les aminacions (p.e., en la glucosamina o la galactosamina dels polisacàrids) o combinacions de modificacions (com p.e. en el cas de l’àcid N-acetilneuramínic). Una altra important reacció que poden dur a terme els monosacàrids és la de poder ser oxidats en condicions alcalines per agents suaus com Fe 3+ o Cu 2+ (que alhora són reduïts). Així, les formes lineals o de cadena oberta (amb el carboni anomèric lliure -C1 a la figura-) de la glucosa i altres sucres que són capaços de reduir Fe 3+ a Fe 2+ o Cu 2+ a Cu
(reacció de Fehling) s’anomenen sucres reductors. forma reduïda forma oxidada
La maltosa forma un enllaç glicosídic entre el C1 (C anomèric) d’un residu de glucosa i el C4 d’un altre residu de glucosa. Donat que la maltosa manté un C anomèric lliure (el C1 de la segona unitat de glucosa), és un sucre reductor. La configuració del C anomèric de l’enllaç glicosídic és α i el residu de glucosa amb el C anomèric lliure pot existir en forma de α i β piranosa. La convenció que sol utilitzar-se per a nombrar els disacàrids és la següent:
- el compost es comença a anomenar per l’extrem no-reductor (el que es troba a l’esquerra);
- s’assigna la configuració (α o β) del C anomèric que uneix el primer monosacàrid (el de l’esquerra) al segon monosacàrid;
- es nombra el residu no-reductor distingint entre estructures cicliques de 6 (pirano) o 5 (furano) àtoms de carboni;
- s’indica entre parèntesi el número dels àtoms de carboni units per l’enllaç glicosídic amb una fletxa; i,
- es nombra el segon residu de forma igual (fins al pas 4 anterior). En els disacàrids no-reductors (com sacarosa i trehalosa), es posa una fletxa amb dues puntes i s’especifiquen els C anomèrics i les seves configuracions. Com es pot comprovar a la figura anterior, també s’acostuma a afegir el sufix -il, eliminant la lletra a del residu que es troba a l’esquerra, i el sufix -id, també eliminant la lletra a del segon residu (p.e., α-D-glucopiranosil β-D- fructofuranòsid per a la sacarosa). Un altre tipus d’enllaç glicosídic és l’enllaç N-glicosídic, que es forma entre el carboni anomèric i un grup amina: Les taules següents recullen alguns dels disacàrids i monosacàrids més rellevants, indicant on es troben a la Natura i el seu paper fisiològic principal. Disacàrids enllaç β-N-glicosídic
Monosacàrids Polisacàrids Els polisacàrids (o glicans) són polímers de monosacàrids units per enllaços glicosídics. Es diferencien entre sí (a) per la identitat dels monosacàrids constituents, (b) pel tipus d’enllaços entre els monosacàrids, (c) per la longitud de les cadenes i (d) pel grau de ramificació. Si només estan formats per un tipus de monosacàrid, s’anomenen homopolisacàrids, mentre que si estan formats per dues o més classes, s’anomenen heteropolisacàrids.
El plegament dels polisacàrids segueix els mateixos principis que governen el plegament dels polipèptids: subunitats més o menys rígides unides per enllaços covalents formen estructures tridimensionals estabilitzades per interaccions febles (ponts d’H, forces de van der Waals, interaccions electrostàtiques i hidrofòbiques). En el cas dels polisacàrids són molt importants els ponts d’H. Com es veu a la figura següent, els successius residus de glucosa poden girar al voltant dels ànguls dièdrics Φ i Ψ. L’estructura més estable per l’amilosa és helicoidal (amb 6 residus per volta). Cel.lulosa La cel.lulosa és un polímer lineal de molècules de glucosa unides per enllaços (β 1 → 4). Aquesta petita diferència (α en lloc de β) en relació a la amilosa, té conseqüències estructurals molt importants: la cel.lulosa es troba en forma de cadenes esteses, presentant cada residu un gir de 180º respecte al següent. En aquesta forma estesa les cadenes formen “cintes” que s’empaqueten una al costat de l’altra per ponts d’H intra- i intercatenaris. Els animals no tenen, en general, enzims capaços d’hidrolitzar els enllaços (β 1 → 4). Els remugants poden fer-ho perquè en els seus aparells digestius hi ha bacteris que produeixen cel.lulases. Les termites hi tenen, a més de bacteris, uns protozoos. “Cintes” de cadenes de cel.lulosa i ponts d’hidrogen intra- i intercatenaris
La paret de les cèl·lules de les plantes conté microfibrilles de cel.lulosa (amb un contingut d’unes 40 cadenes de cel.lulosa), disposades ortogonalment en capes successives. Les microfibrilles estan connectades entre sí per polisacàrids com pectina i glucans. Les pectines son polisacàrids ramificats amb substituents carregats negativament, que fan que estiguin molt hidratats, ocupant un gran volum i resistint molt bé la compressió; mentre que la cel.lulosa i els glucans resisteixen molt bé la tensió. Quitina La quitina és un homopolisacàrid format per residus de N-acetil-D-glucosamina units per enllaços (β 1 → 4). També forma fibres esteses semblants a les de la cel.lulosa i tampoc pot ser digerida pels vertebrats. Després de la cel.lulosa, és el segon sucre més abundant a la Natura i el component estructural principal dels animals invertebrats, formant part de l’exoesquelet dels insectes, crancs, etc., on forma una matriu que es mineralitza, de manera anàloga al col.lagen com a dipòsit de mineral en els ossos dels vertebrats. Dextrans Són polímers de glucosa units per enllaços (α 1 → 6) amb ramificacions (α 1 → 3) que poden també tenir ramificacions (α 1 → 2) i (α 1 → 4). Són sintetitzats per bacteris i llevats i els constituents principals dels biofilms, estructures extracel.lulars importants per a l’adhesió i la colonització de determinats hàbitats (p.e., la superfície de les dents) per part de bacteris. També són font de nutrients per als bacteris que posseeixen els enzims de degradació específics.
Com són molt hidrofílics uneixen molta aigua i tenen tendència a ocupar volums molt grans. A més, uneixen molts cations (sobretot Na+), que fan que molta aigua vagi a la matriu extracel.lular, contribuint a la gran resistència que té aquesta envers la compressió. L’àcid hialuriònic és el més senzill, i consta de milers de repeticions (fins a 50.000) del disacàrid D-glucurònic + N- acetilglucosamina, units per enllaços (β 1 → 3). Serveix de lubricant al líquid sinovial de les articulacions i també al humor vitri de l’ull. També es troba als cartílags i als ossos. Proteoglicans Els proteoglicans són macromolècules formades per la unió de cadenes de GAGs a una proteïna central. El seu contingut en glúcids (cadenes de GAGs) és molt gran (fins al 95% en pes). Són molècules enormes (Mr de 3x10^6 ), com per exemple l’agrecan, component important del cartílag i que té més de 100 cadenes de GAGs unides. Són el component majoritari de teixits conjuntius, com els cartílags. Encara que molts proteoglicans estan a la matriu extracel.lular, on poden formar agregats enormes (del tamany de bacteris) amb moltes proteïnes centrals unides a una cadena d’àcid hialuriònic, hi ha proteoglicans que són proteïnes integrals de membrana. En aquest cas participen en processos de senyalització entre cèl·lules, unint per exemple factors de creixement, activant o inhibint la seva activitat senyalitzadora. També uneixen i regulen l’activitat de proteases i inhibidors de proteases. En general, es pot dir que regulen l’activitat de proteïnes secretades. La figura següent mostra un proteoglicà (sindecan) del tipus proteïna integral de membrana: les cadenes d’heparan sulfat uneixen una sèrie de lligands extracel.lulars i modulen la interacció d’aquests lligands amb receptors específics de la cèl.lula.
La taula següent recull les característiques estructurals i el paper funcional d’alguns dels polisacàrids més importants. La figura mostra les diferències entre les estructures que envolten als bacteris gram-positius i gram- negatius, que inclouen la paret cel.lular del polisacàrid peptidoglicà format per residus de N- acetilmuràmic i N-acetilglucosamina.
La figura següent mostra l’estructura d’un glicolípid o lipopolisacàrid (LPS) de la membrana externa d’un bacteri gram-negatiu. Aquestes molècules són les dianes principals dels anticossos produïts pel sistema immunitari dels vetebrats en resposta a la infecció bacteriana i són per tant determinants importants del serotip de les soques bacterianes. La figura següent resumeix algunes de les funcions dels oligosacàrids presents en glicoproteïnes i glicolípids: (a) glicoproteïnes i glicolípids que contenen certes cadenes d’oligosacàrids interaccionen amb lectines del medi extracel.lular; (b) virus que infecten cèl·lules animals (p.e., el de la grip) s’uneixen a certes glicoproteïnes de la superfície cel.lular com a primera etapa de la infecció; (c) algunes toxines bacterianes s’uneixen als oligosacàrids de glicolípids abans d’entrar a les cèl.lules; (d) alguns bacteris (p.e., Helicobacter pylori, causant de la ulceració d’estòmac) s’uneixen i colonitzen cèl.lules animals, interaccionant amb certes seqüències d’oligosacàrids; (e) les selectines (un tipus de lectines) de la membrana d’algunes cèl.lules fan possible les interaccions cèl.lula-cèl.lula, com les dels linfòcits T amb les cèl.lules endotelials de les parets dels capil.lars; i, (f) transport a l’organel.la intracel.lular correcta.
Un grup important d’oligosacàrids estan associats als grups sanguinis: les superfícies externes dels eritròcits (glòbuls vermells de la sang) i d’altres cèl.lules estan recobertes amb glúcids complexes, que són components de glicoproteïnes de membrana i de glicolípids. Els oligosacàrids que determinen els tipus de grups sanguinis (en el sistema ABO: A, B, AB i O) en els éssers humans són els indicats a la figura següent: L’antigen H (marcat O a la figura) és el que hi ha en els individus del grup O i és el precursor dels oligosacàrids dels grups A i B. Els individus del tipus A tenen un enzim que afegeix de forma específica un residu de N-acetilgalactosamina a la posició terminal de l’antigen H, i els del tipus B tenen un enzim que afegeix un residu de galactosa. En el tipus O, l’enzim és defectuós i no afegeix cap altre monosacàrid a l’extrem. Els éssers humans produïm anticossos contra els antigens A i B, però no contra l’O. Normalment una persona no produeix anticossos contra els seus propis antigens, però sí ho fa contra els altres grups antigènics. Per tant, una persona del tipus A porta anticossos contra el polisacàrid B. Si se li fa una transfusió de sang d’un donant del tipus B, els seus anticossos provocaran l’agregació i precipitació de les cèl·lules sanguínees incorporades per la transfusió. Una persona del tipus B, tampoc pot rebre sense perill sang del tipus A. Les persones del grup O, tenen normalment anticossos contra A i contra B, per tant no poden rebre sang de cap d’aquests dos grups. Per contra, les persones AB, no tenen anticossos contra A ni contra B i, per tant, poden rebre sang de tots. Aquestes “combinacions” estan recullides en la taula següent:
