Francesca Anna Scaramuzzo, PhD Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria - Centro di Nanotecnologie Applicate all’Ingegneria

francesca.scaramuzzo@uniroma1.it

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica Complementi di Chimica e Biochimica per le Tecnologie

Biomediche

Carboidrati Strutture di base ed esempi dal mondo naturale

• Generalità

• I monosaccaridi: aldosi e chetosi

• La chiralità nei monosaccaridi

• Conformazione e configurazione

• Derivati degli zuccheri

• Il legame glicosidico

• Disaccaridi, polisaccaridi, glicosamminoglicani

Saccaridi: dal greco sákcharon, zucchero Carboidrati: dalla loro formula generale, (C ∙ H2O)n con n ≥ 3 Monosaccaridi: unità base Polisaccaridi: polimeri formati da n monosaccaridi

Funzioni dei Carboidrati: • Riserva di energia • Funzione strutturale • Funzione di riconoscimento e comunicazione intra- ed extra-cellulare

Generalità

I Monosaccaridi

• Sono sintetizzati da precursori semplici (CO2 e H2O) durante la fotosintesi

• Hanno almeno 3 atomi di carbonio • Strutturalmente sono derivati

aldeidici o chetonici di alcoli poliossidrilici a catena lineare Aldosi

H

CHOH n

O

CH2OH

CHOH

CHOH

O

CH2OH

CH2OH

m

n

Chetosi

n° C totale = 3, 4, 5, 6….. Triosi, tetrosi, pentosi, esosi…

Gliceraldeide

H

CHOH

O

CH2OH

CH2OH

CH2OH

O

Diidrossiacetone

La chiralità nei monosaccaridi H

CHOH n

O

CH2OH

C asimmetrico (chirale)

Se n è il numero di centri stereogenici, per ogni aldoso sono possibili 2n steroisomeri

DOMANDA: Come si può estendere questo calcolo ai chetosi?

• Ai monosaccaridi si applica la convenzione di Fisher per la configurazione dei centri asimmetrici

CHO

C

CH2OH

HO H

CHO

C

CH2OH

H OH

CHO

C

CH2OH

HO H

CHO

C

CH2OH

H OHFormule geometriche

Proiezioni di Fisher

L-gliceraldeide D-gliceraldeide

Isomeria e Molecole Chirali

Enantiomeri Stereoisomeri le cui molecole sono immagini speculari non sovrapponibili

Isomeri: Composti diversi che hanno la stessa formula molecolare

Isomeri Strutturali Isomeri con un diverso ordine con cui gli atomi sono legati tra di loro in una molecola

Stereoisomeri Isomeri con lo stesso ordine con cui gli atomi sono legati tra di loro in una molecola, ma diversa orientazione nello spazio tra atomi o gruppi di atomi

Le molecole otticamente attive non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare

Diastereomeri Stereoisomeri le cui molecole non sono l’una l’immagine speculare dell’altra

La serie dei D-aldosi con 3 ≤ n°C ≤ 6 HO

CH2OH

CHO

OHH

OHH

OHH

OHH

CH2OH

CHO

HHO

OHH

OHH

OHH

CH2OH

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

CHO

HHO

HHO

OHH

OHH

CH2OH

CHO

OHH

OHH

HHO

OHH

CH2OH

CHO

HHO

OHH

HHO

OHH

CH2OH

CHO

OHH

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CHO

HHO

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CHO

OHH

OHH

OHH

CH2OH

CHO

HHO

OHH

OHH

CH2OH

OHH

HHO

OHH

CH2OH

CHO

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CHO

CHO

OHH

OHH

CH2OH

CHO

HHO

OHH

CH2OH

OHH

D-gliceraldeide

D-eritrosio D-treosio

D-lixosio D-xilosio D-arabinosio D-ribosio

D-allosio D-altrosio D-glucosio D-mannosio D-gulosio D-idosio D-galattosio D-talosio

• Epimeri: zuccheri che differiscono soltanto per la configurazione intorno a un atomo di C

La serie dei D-chetosi con –CO– in 2 e 3 ≤ n°C ≤ 6

CH2OH

CH2OH

O

OHH

OHH

OHH

CH2OH

CH2OH

O

HHO

OHH

OHH

CH2OH

CH2OH

O

OHH

HHO

OHH

CH2OH

CH2OH

O

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CH2OH

O

OHH

OHH

CH2OH

CH2OH

O

OHH

CH2OH

O

CH2OH

CH2OH

O

HHO

OHH

CH2OH

diidrossiacetone

D-eritrulosio

D-xilulosio D-ribulosio

D-psicosio D-fruttosio D-sorbosio D-tagatosio

Conformazione e configurazione

Dalla chimica organica si ricordi che:

R' H

O

R OH R' H

OH

O

R

R' R''

O

R OH R' R''

OH

O

R

Emiacetale

Emichetale

• C anomerico: Stereocentro che si ottiene quando si forma un emiacetale / emichetale ciclico

I monosaccaridi formano emiacetali ed emichetali ciclici per reazione intramolecolare

R' H

OH

O

R

R' R''

OH

O

R

• Conformazioni: Disposizioni tridimensionali degli atomi in una molecola risultanti dalla rotazione attorno a legami σ

• Configurazioni: Forme ottenibili per rottura e formazione di legami covalenti

Emiacetale ciclico

Emichetale ciclico

Conformazione e configurazione

CH2OH

O

HHO

OHH

OHH

CH2OH

HOH2C

H

OH

HOH

O

CH2OHOH

OH

CH2OH

H

CH2OH

OH H

H OH

O

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

H O

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

OH

O

H OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

D-fruttosio (forma lineare)

D-glucosio (forma lineare)

a-D-fruttofuranosio (proiezione di Haworth)

a-D-glucopiranosio (proiezione di Haworth)

furano

oo

pirano

Nella ciclizzazione il C carbonilico, detto anomerico, diventa chirale

Conformazione e configurazione

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

H O

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

a-D-glucopiranosio b-D-glucopiranosio

O

H

HO

H

HO

H

H

OHHOH

OH

O

OH

H

OH

H

OH

OH

H

H

H

HO

I monosaccaridi in forma furanosica o piranosica non sono planari

Derivati degli zuccheri Gruppi reattivi degli zuccheri: –CO– (aldeidico o chetonico) –OH

Derivati degli zuccheri Gruppi reattivi degli zuccheri: –CO– (aldeidico o chetonico) –OH

Ossidazione del gruppo aldeidico ad acido carbossilico per via chimica o enzimatica

H

CHOHn

O

CH2OH

OH

CHOHn

O

CH2OH

Aldoso Acido aldonico

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O H

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O OH

D-glucosio Acido D-gluconico

Derivati degli zuccheri Gruppi reattivi degli zuccheri: –CO– (aldeidico o chetonico) –OH

Riduzione del gruppo aldeidico o chetonico ad alcol (es. NaBH4)

H

CHOHn

O

CH2OH

CH2OH

CHOHn

CH2OH

Aldoso Alditolo

D-gliceraldeide

HO

CH2OH

CH2OH

CH2OH

OHH OHH

OHH

HHO

OHH

CH2OH

O HCH2OH

OHH

HHO

OHH

CH2OH

D-glicerolo

D-xilosio D-xilitolo

D-glucosio D-sorbitolo

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O HCH2OH

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

Derivati degli zuccheri Gruppi reattivi degli zuccheri: –CO– (aldeidico o chetonico) –OH

Ossidazione specifica di un gruppo alcolico primario degli aldosi ad acido carbossilico produce acidi uronici

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O H

OHH

HHO

OHH

OHH

O H

OHO

D-glucosio Acido D-glucuronico

Derivati degli zuccheri Gruppi reattivi degli zuccheri: –CO– (aldeidico o chetonico) –OH

Sostituzione di un –OH con –H produce deossizuccheri

b-D-2-ribosio

H

OH

H

CH2OH

OH OH

H H

O

H

OH

H

CH2OH

OH H

H H

O

b-D-2-deossiribosio

Sostituzione di uno o più –OH con –NH2 produce amminozuccheri con produce acetilamminozuccheri N

HCH3

O

OH

OH

H

OH

H

NH2H

OH

CH2OHOH

OH

OH

H

H

NH

OH

CH2OH

HCH3

Oa-D-glucosammina (2-ammino-2-deossi-a-D-glucopiranosio) N-acetil-b-D-glucosammina

Il legame glicosidico

R' H

OR''

O

R

R' R''

OR''

O

R

Il gruppo anomerico di uno zucchero può dare reazione di condensazione con un alcol, formando acetali o chetali ciclici, detti glicosidi

Acetale ciclico Chetale ciclico

Legame glicosidico: legame tra C anomerico e O dell’alcol

Legame N-glicosidico: legame tra C anomerico e un gruppo amminico

CH3OH

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H+

H+ OH

OH

H

OCH3

H

OHH

OH

CH2OH

H+

OH

OH

OCH3

H

H

OHH

OH

CH2OH

HH2O+

Legame glicosidico

a-D-glucosio Metil-a-D-glucoside Metil-b-D-glucoside

Polisaccaridi (Glicani)

Generalità • Polimeri formati da n monosaccaridi • Possono essere formati da un solo tipo di monosaccaridi (omopolisaccaridi) o da

più tipi di monosaccaridi (eteropolisaccaridi) • Possono essere lineari o ramificati

Tecniche di indagine per capire la struttura • Uso di enzimi (es. esoglicosidasi, endoglicosidasi) che idrolizzano i singoli residui • NMR

Funzione degli oligosaccaridi • Funzione strutturale • Funzione di riconoscimento (es. antigeni dei gruppi sanguigni AB0 come

marcatori immunologici) • Regolazione di processi intracellulari (es. trasporto di proteine) • Riconoscimento extracellulare • In alcuni casi, la presenza di glicoforme rende difficile individuare la funzione

della glicosilazione

Lattosio O-b-D-galattopiranosil-(1→4)-D-glucopiranosio

OOH

H H

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O1(b)

1(b)4

4

glucosio galattosio

• Ha un gruppo anomerico libero: è uno zucchero riducente

• In vivo è idrolizzato dalla b-D-galattosidasi (lattasi) nell’intestino

• In vivo il galattosio è epimerizzato in glucosio • In assenza di b-galattosidasi subisce

fermentazione batterica nel colon, con formazione di CO2, H2 e acidi organici

Saccarosio O-a-D-glucopiranosil-(1→2)-b-D-fruttofuranoside

OH

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H 2(b)

1(a)

4

CH2OH

HCH2OH

OH H

H OH

OH

O

glucosio fruttosio

• È il comune zucchero da tavola • È la forma principale in cui vengono trasferiti i

carboidrati nelle piante

Cellulosa

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O1(b)1(b)

4

4

n

glucosio glucosio

• Polimero lineare di 15k unità di D-glucosio unite da legami b (1→4) glicosidici

• Componente strutturale della parete delle piante

• Ogni fibra è composta da 40 catene parallele con legami H intermolecolari

• Ogni anno ne vengono prodotti e degradati 1015 kg

• È degradata dalle cellulasi nell’intestino degli erbivori

Chitina

OH

H

H

HNH

OH

CH2OH

H

OH

H

H

HNH

OH

CH2OH

H

O1(b)1(b)

4

4

n

O

CH3 O

CH3

N-acetil-glucosammina N-acetil-glucosammina

• Omopolimero di N-acetil-D-glucosammina unite da legami b (1→4) glicosidici

• Componente strutturale principale dell’esoscheletro di crostacei, insetti e ragni

• Componente della parete cellulare di funghi e alghe

Amido

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

1(a) 1(a)

44

n

O

H H

O

• Principale forma di conservazione degli zuccheri nelle piante • Miscela di a-amilosio e amilopectina

OH

O

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H

OHH

OH

H

1(a)

1(a)4

4

O

H

O

H

O

6

• Polimero lineare di D-glucosio uniti da legami a (1→4) glicosidici

• Conformazione elicoidale

a-amilosio amilopectina

• Polimero ramificato costituito da unità di D-glucosio unite da legami a (1→4) glicosidici, con ramificazioni a (1→6) ogni 24-30 residui

• La conservazione del glucosio sotto forma di amido permette il controllo della pressione osmotica

• La digestione dell’amido avviene tramite amilasi, a-glucosidasi ed enzima deramificante

Glicogeno • Principale forma di conservazione degli zuccheri negli animali • Si trova soprattutto in granuli presenti in muscolo scheletrico e fegato • Struttura simile ad amilopectina, ma con più ramificazioni

Glicosamminoglicani • Polisaccaridi non ramificati contenenti acidi uronici e esosammine • Si trovano negli spazi extracellulari del tessuto connettivo (cartilagini, tendini…)

acido ialuronico

OH

H

H

OHH

OH

COOH

H

OH

H

H

HNH

CH2OH

H1(b)

1(b)

4

4O

HO

O

CH3

• Polimero lineare di 250 25k disaccaridi uniti da legami b (1→4) glicosidici

• Le unità del disaccaride sono unite con legami b

(1→3) glicosidici • Si trova nel tessuto connettivo, nel liquido

sinoviale, nell’umor vitreo • Molecola rigida con gruppi anionici esposti e

molecole di H2O

eparina

OH

H

OSO3-H

OH

H

COO-

OH

H

NHOSO3-H

OH

CH2OSO3-

H

1(a) 1(a)

44

O

H H

O2 2

N-acetil-D-glucosammina

acido D-glucuronico N-solfo-D-

glucosammina-6-solfato

D-iduronato-2-solfato

• Polimero con in media 2.5 gruppi solforici per disaccaride

• È il polimero più carico nei tessuti dei mammiferi

• Si trova nei granuli dei mastociti sulle pareti delle arterie

• Inibisce la coagulazione del sangue e viene rilasciata a seguito di un danno

• È largamente usata in ambito clinico