Lecture 1. Introduction to Biochemistry · I carboidrati sono le molecole organiche più abbondanti...
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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
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).
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