Glúcidos e glicobiologia

frutose glucose sacarose

Os glúcidos constituem a maior parte da matéria orgânica da Terra, devido aos seus múltiplos papéis: •Servem como armazém de energia, combustíveis e intermediários metabólicos (amido, glicogénio, glucose, ATP). •A flexibilidade conformacional da ribose e desoxiribose (DNA e RNA) é importante no armazenamento da informação genética.

•Os glúcidos estão ligados a proteínas e lípidos envolvidos em muitos processos biológicos.

•Elementos estruturais das paredes celulares de plantas, bactérias e dos exoesqueletos de artrópodes. A celulose é o composto mais abundante da biosfera.

Hidratos de carbono Cn(H2O)n Carbohidratos (CH2O)n

Glúcidos Oses e ósidos Monossacáridos e polissacáridos Açúcares

Glúcidos são polihidroxialdeidos ou polihidroxicetonas ou substâncias que os originam por hidrólise. Fórmula geral ? Cn (H2O)n

C5H10O4 – desoxiribose não obedece C6H12O5 - ramnose não obedece C(H2O) – aldeído fórmico obedece não é glúcido C2 (H2O)2 – ácido acético obedece não é glúcido C3 (H2O)3 - ácido láctico obedece não é glúcido.

“monossacáridos” ou oses (açúcares simples) Classes “oligossacáridos” ou oligósidos “polissacáridos” ou poliósidos

a)“Monossacáridos” ou oses Uma unidade de polihidroxialdeído ou polihidroxicetona 3C= trioses 4C=tetroses 5C=pentoses 6C=hexoses 7C=heptose Com mais de 4C tendem para estruturas cíclicas

b)“Oligossacáridos” ou oligósidos

associações de algumas oses ligadas por

ligações osídicas.

ex: sacarose=diósido de glucose e frutose

(“dissacárido”)

c) “polissacáridos” ou poliósidos + de 20 resíduos de oses ex: celulose = cadeia linear com milhares de resíduos de D-glucose; glucogénio = cadeia ramificada de milhares de resíduos de D-glucose

Estruturas ≠ funções ≠

Oses - monossacáridos Aldoses e cetoses: sólidos cristalinos incolores solúveis em água

Gliceraldeído aldotriose

Hidroxicetona cetotriose

D-ribose

Aldopentose

2-desoxi-D-ribose

Aldopentose

RNA DNA

D-glucose

Aldohexose

D-frutose

Cetohexose

Todas contêm um ou mais átomos de

C quirais (excepção dihidroxiacetona)

Formas ópticamente

activas

gliceraldeído

enantiómeros

D-gliceraldeído L-gliceraldeído

Projecções de Fischer

N=nº de centros quirais

2n estereoisómeros

3 carbonos 4 carbonos

D-gliceraldeído D-eritrose D-treose

D-ribose D-xilose D-lixose

5 carbonos

6 carbonos

D- altrose D- alose D- glucose D- manose

D- galactose D- idose D- gulose D- talose

D-CETOSES

3 carbonos 4 carbonos

dihidroxiacetona D-eritrulose

D-CETOSES

D-xilulose

D-ribulose

5 carbonos 6 carbonos

D-frutose

D-sorbose

D-psicose

D-tagatose

D-Glucose e dois dos seus epímeros. Cada epímero difere na configuração de um centro quiral

Epímero em C-2 Epímero em C-4

A maioria das hexoses dos organismos vivos são isómeros D Alguns monosacáridos ocorrem naturalmente na forma L. Ex: L-arabinose e isomeros L de derivados de glúcidos (componentes de glicoconjugados).

Formação de hemi(a)cetais:

aldeído alcool hemiacetal acetal

cetona alcool hemicetal cetal

Novo C assimétrico - 2 estereoisómeros α e β

α-D-glucopiranose β-D-glucopiranose mutarrotação

α-D-glucopiranose

β-D-glucopiranose

α-D-frutofuranose

β-D-frutofuranose

pirano furano

α-D-glucopiranose

β-D-glucopiranose

α-D-frutofuranose

β-D-frutofuranose

Anómeros-isómeros que se

distinguem apenas no C quiral

da ciclização - C anomérico

α-D-glucopiranose

β-D-glucopiranose

α-D-frutofuranose

β-D-frutofuranose

pirano furano

D-Glucose em sol. ~2/3 β-D-glucopiranose +

1/3 α-D-glucopiranose

+ pequenas quantidades de formas lineares de

Fischer e furanose

α-D-glucopiranose

β-D-glucopiranose

α-D-frutofuranose

β-D-frutofuranose

pirano furano

D-Frutose em sol.~ β -D-

frutofuranose

Conformações de piranoses

2 formas possíveis em cadeira

α-D-glucopiranose

(interconversão~46

KJ/mol)

As conformações das

oses são determinantes

da estrutura e função

dos poliósidos

Os organismos contêm uma grande variedade de derivados de hexoses

hexoses simples - glucose, galactose e manose Derivados de hexoses em que um -OH foi substituído ou um grupo carbonilo foi oxidado a carboxilo.

Família da glucose

6-P-β-D-Glucose Intermediário metabólico

Poliósidos de paredes celulares bacterianas

Oxidação da glucose em C6 ác. glucurónico

Oxidação de outras aldoses ác. urónicos

Oxidação da glucose em C1 ác. glucónico

Oxidação de outras aldoses ác. aldónicos

Ácidos aldónicos e urónicos formam

ésteres estáveis (intramolecular)-lactonas

β-D-glucoronato D-gluconato D-glucono-δ-lactona

Glúcidos aminados

β-D-galactosamina β-D-manosamina

Componente de hormonas (glicoproteínas) : follicle-stimulating hormone (FSH) e luteinizing hormone (LH)

α-L-fucose α-L-ramnose

Desoxi - oses

Glicanos (N-linked) em

mamíferos,

insectos

e nas células superficiais

de plantas

Alergias mediadas por fucose

β-L-fucose β-L-ramnose

Desoxi - oses

Metilpentose

L-isómero encontrado naturalmente em muitos glúcidos vegetais e em glicolípidos de algumas bactérias Gram-negativas

Oses ácidas

ac.N-acetilneuraminico

(ac.siálico)

Derivado da N-acetilmanosamina. Existe em tecidos

animais; menos abundante noutras espécies, plantas,

fungos, leveduras e bactérias, principalmente como

glicoproteínas e glicolípidos

As oses podem ser facilmente oxidadas:

D-Gluconato

Forma linear

A reacção de oxidação da glucose é usada no doseamento da glucose do sangue

D-Glucono-δ-lactona

Um segundo enzima (peroxidase) catalisa a reacção da H2O2 com um substrato incolor dando origem a um produto corado que é medido por espectrofotometria.

Doseamento de glucose no sangue no diagnóstico e tratamento da Diabetes.

+ H2N – R hemoglobina

→ → → AGEs Advanced Glication End products

“Crosslinking” de proteínas

Danos nos rins, retina, sistema cardiovascular

Reacção não enzimática

Diósidos - dissacáridos

Ex: sacarose, maltose, lactose 2 oses ligadas por ligação O-osídica (ou O-glicosídica)-ligação covalente

álcool

alcool

condensação hidrólise

α-D-glucopiranosil-(1→4)-D-glucopiranose

abreviado:

Glc(α1→4)Glc

Lactose (forma β) Gal(β1→4)Glc β-D-galactopiranosil-(1→ 4)-β-D-glucopiranose

redutor

Sacarose Glc(α1→2β)Fru α-D-glucopiranosil-(1→ 2)-β-D-frutofuranose

Não

redutor

Produto intermediário da fotossíntese

Trealose Glc(α1→1α)Glc α-D-glucopiranosil-(1→ 1)-α-D-glucopiranose

Não redutor

Constituinte da hemolinfa(insectos)

Poliósidos, “polissacáridos”ou glicanos

Distinguem-se por: •Identidade das oses •Comprimento da cadeia •Tipos de ligações osídicas •Grau de ramificação

Homopoliósidos Heteropoliósidos

lineares ramificados 2 oses múltiplas oses

linear ramificado

A dimensão é muito variável (durante a síntese não há molde; processo enzimático sem sinais de stop)

Homopoliósidos Heteropoliósidos

lineares ramificados 2 oses múltiplas oses

linear ramificado

Funções: •armazenamento de ose “combustível” (amido e glucogénio) •elemento estrutural em paredes de cel. vegetais e exoesqueleto de animais (celulose e quitina)

Homopoliósidos Heteropoliósidos

lineares ramificados 2 oses múltiplas oses

linear ramificado

•Suporte extracelular para todos os tipos de organismos ex1: Paredes de células bacterianas (peptidoglicanos). ex2: Matriz extracelular (glicosaminoglicanos).Confere protecção, forma, suporte das células, dos tecidos e dos órgãos.

Funções:

Homopolisacáridos de armazenamento: Amido e glucogénio As moléculas de amido e o glicogénio estão altamente hidratadas devido ao elevado nº de grupos hidroxilo disponíveis para interacções com a água

Grânulos de amido

Grãos de amido nas células de batata

Grânulos de glucogénio

Amilose

O amido é constituído por dois tipos de polímeros de glucose: amilose e amilopectina

Amilopectina

Ramificação (período 24-30res.)

Ramo

Cadeia

principal

Amilose

Amilopectina

Terminais redutores

Terminais não redutores

Mr > 100 000 000

Um agregado de amilose e amilopectina tal como se pensa que existirá nos grânulos de amido

•Principal molécula de armazenamento em animais

•Fígado ~7% peso seco (associado com os enzimas de síntese e degradação)

•Músculo esquelético •Estrutura ramificada compacta (período de ramificação 8-12 resíduos)

Glucogénio

Por que razão a glucose não é armazenada na forma monomérica? Os hepatócitos armazenam glucogénio equivalente a uma concentração de glucose de 0,4M. A concentração de glucogénio é cerca de 0,01 µM, contribuindo pouco para a osmolaridade do citosol. A concentração de glucose no exterior das células é cerca de 5 mM(concentração de glucose no sangue de um mamífero).

Pressão osmótica e osmolaridade

Π = i c RT Equação de van’t Hoff

i c é a osmolaridade da solução c – concentração molar

i – nº de espécies iónicas geradas em solução

Osmose é o movimento da água através de uma membrana semipermeável devido a diferenças na pressão osmótica.

Efeito da osmolaridade extracelular no movimento da água através da membrana plasmática

As células em geral contêm uma concentração mais elevada em iões do que o seu ambiente exterior.

Mecanismos para evitar a entrada de água e a lise das células: Paredes celulares das bactérias Organitos que bombeiam água para fora da célula (vacúolo contractil de protozoários) Em organismos multicelulares o plasma e o fluido intersticial são mantidos a uma osmolaridade próxima do citosol (elevadas concentrações de albumina e outras proteínas).

•Fibra insolúvel em água

•Algodão~100% celulose

Celulose

Resíduos de D-glucose com ligações (β 1 4)

10 000 a 15 000 resíduos

Homopolissacáridos com funções estruturais

A celulose é hidrolisada pelas celulases de fungos da madeira

Quitina

Homopolímero de N-acetil-D-glucosamina (β 1→4)

Pelidnota punctata

Exoesqueleto de quitina

Quitina - usada para fabricar fio cirúrgico (forte e flexível).

Ligações covalentes- ligações osídicas – nível primário

Estabilização por: Ligações de hidrogénio Interações hidrófobas Interacções de van der Waals; Interacções electroestáticas

Folding de homopoliósidos

Amilose Unidades glucose unidas por ligações (α1→4)

A estrutura tridimensional mais estável

para as cadeias unidas por ligações α1→4

do amido e glicogénio é uma hélice

fortemente enrolada, estabilizada por

ligações de hidrogénio entre as cadeias.

Estrutura do amido

Celulose Repetições glucose

β(1→4)

Estrutura da celulose

A conformação mais estável da celulose é

aquela em que cada resíduo glucose tem

uma volta de 180º relativamente aos

vizinhos dando origem a uma cadeia linear

estendida.

Todos os grupos –OH podem fazer ligações

de H com as cadeias vizinhas.

As cadeias organizam-se em fibras

supramoleculares.

Le coton et le

papier sont

presque

entièrement

faits de fibres

de cellulose.

cadeias de glucose

fibra de celulose

Microfibrila microfibrila

macrofibrila

Heteropoliósidos estruturais - peptidoglicano

Parede da celula bacteriana contém um polímero de N-acetilglucosamina alternada com ácido N-acetilmurâmico (β1→4)

N-acetilglucosamina

(GlcNAc)

ácido N-acetilmurâmico

Mur2Ac

Local de clivagem por lisosima

“cross-link “de pentaglicina

terminal redutor

Matriz extracelular

Glicosaminoglicanos (GAGs): dissacáridos de

N-acetilglucosamina ou N-acetilgalactosamina e

ácido glucurónico ou ácido idurónico.

Frequentemente contêm cargas -

Ex. Hialuronato

Resíduos alternados de

D-ácido glucorónico e N-acetilglucosa

mina

Hialuronano

~ 50 000 unidades GAGs Mr >1 000 000

Soluções altamente viscosas – lubrificantes no líquido sinovial e humor vítreo dos olhos. Componente da matriz extracelular das cartilagens e tendões. Algumas bactérias patogénicas secretam hialuronidase – invasão dos tecidos

Os polissacáridos e oligossacáridos têm papéis relevantes no transporte de informação: Marcadores de destino para proteínas, Mediadores em interacções célula- célula, Mediadores em interacções célula – matriz, Adesão, migração celular, resposta imune, etc. O glúcido está ligado covalentemente a uma proteína ou um lípido – glicoconjugado – molécula biologicamente activa

O glicocálice

A superfície da célula está coberta por uma camada de

glúcidos – o glicocálice formado pelos oligosacáridos dos

glicolípidos e proteínas transmembranares.

Glicoconjugados: Proteoglicanos – macromoléculas da superfície celular ou matriz extracelular. Cadeias de GAGs sulfatados estão ligadas a proteínas de membrana ou secretadas.

Glicoproteínas – oligossacáridos ligados covalentemente a proteínas da membrana plasmática ou de organitos.

Glicolípidos - lípidos membranares em que as “cabeças” hidrofílicas “ são oligossacáridos.

Proteoglicanos

Estrutura de um proteoglicano

Sulfato de condroitina Proteina

Proteínas transmembranares podem estar covalentemente ligadas a glicosaminoglicanos

Ex. A proteina transmembranar do sindecano tem um domínio transmembranar e um domínio extracelular constituído por glicosaminoglicanos (3 cadeias de sulfato de heparano e duas de sulfato de condroitina)

Alguns proteoglicanos formam agregados supramoleculares de grandes dimensões. ex. agrecano

Os proteoglicanos interactuam com o colagéneo e outras proteínas da matriz extracelular

Os proteoglicanos da matriz extracelular são essenciais na resposta das células a factores de crescimento extracelulares. Ex. O FGF (fibroblast growth factor) liga-se às moléculas de sindecano antes de se ligar ao receptor da membrana que irá desencadear a divisão celular.

Glicoproteínas

Conjugados de glúcidos- proteínas em que o a parte glúcidica é menor e mais diversa do que os GAGs dos proteoglicanos. Contêm oligossacáridos covalentemente ligados a resíduos Asn ou Ser/Thr. Os glicanos são ramificados.

start

8 oses básicas nas glicoproteinas

Oligósidos constituem uma zona de variação

(ao contrário dos glicosaminoglicanos )

Locais de reconhecimento e especificidade

de ligação(dão à proteína + informação)

Exemplos: Exemplos:

A superfície externa da membrana plasmática tem muitas glicoproteínas com oligósidos que variam em tamanho e número

Glicoforina A (membrana do GV)–

a primeira a ser caracterizada

Glicoforina A (membrana do

glóbulo vermelho)– a primeira a ser caracterizada

tetraósido(2

ac.siálicos, Gal e

GalNAc) O-

linked a Ser ou

Thr

oligósido

N-linked a

Asn in

out

A maior parte das proteínas secretadas pelas células eucariotas são glicoproteínas

imunoglobulinas(AC), hormonas, proteínas do leite(lactalbumina…) proteinas pancreáticas (ribonuclease) maior parte das proteínas lisossomais

Lípidos de membrana em que as “cabeças” hidrófilas são oligósidos. Ex. gangliósidos Têm uma função semelhante às glicoproteínas. Lipopolissacáridos das bactérias Gram- . Determinantes

antigénicos.

Glicolípidos

Glúcidos como moléculas de informação

Glicobiologia - estudo da estrutura

e função dos glicoconjugados

É das áreas em maior desenvolvimento da

bioquímica e biologia celular!

A célula usa oligósidos específicos para

codificar informação importante sobre

•Interacção célula-célula

•Marcação do local-alvo (targeting)

das proteínas

•Desenvolvimento dos tecidos

•Sinais extracelulares

...

Lectinas-proteínas ubíquas que ligam glúcidos

com elevadas especifidade e afinidade

As lectinas intervêm em processos de reconhecimento,

sinalização e adesão celular e no targetting

intracelular de novas proteínas

Lectina Abreviatura Ligando(s)

Plantas

Concanavalina A ConA Manα-1-OCH3

Aglutinina WGA Neu5Ac(α2→3)Gal(

β1→4)Glc

Animais

Galectina Gal(β1→4)Glc

Vírus

Hemaglutinina do

vírus da influenza

HA Neu5Ac(α2α6)Gal(β

1→4)Glc

Bactérias

Toxina da cólera CT Gal

Algumas lectinas e ligandos

Papel das interacções lectina-ligando no movimento dos linfócitos para o local de infecção

Exemplo: Alguns agentes microbianos patogénicos têm lectinas que medeiam a adesão da bactéria à célula-hospedeira

Uma úlcera em evolução

Helicobacter pylori adere à superfície interna da parede do estômago (interacção lectinas bacterianas- oligósidos Leb de glicoproteínas das células do epitélio gástrico)

Úlcera gástrica

Análogos químicos do oligósido Leb administrados oralmente são medicamento curativo porque competem para a ligação à lectina bacteriana

Análogos osídicos-

antivirais influenza

Oligossacáridos no reconhecimento e adesão à superfície celular

A frutose no mel está fundamentalmente na forma de β-D-piranose. Este é um dos glúcidos mais doces que se conhecem, cerca de 2x mais doce do que a glucose; a forma β-D-furanose da frutose é muito menos doce. A doçura do mel, a altas temperaturas diminui gradualmente. Também o xarope de milho com alta concentração de frutose (um produto comercial), é usado para adoçar bebidas frias e não quentes. Que propriedade química da frutose é responsável por estas observações?

A heparina, um glicosaminoglicano com muitas cargas negativas, é usado como anti-coagulante. Na sua acção, liga-se a várias proteínas plasmáticas, incluindo a anti-trombina III, um inibidor da coagulação do sangue. Esta ligação provoca uma alteração conformacional na proteína que aumenta a sua capacidade de inibir a coagulação. Quais os resíduos de aminoácidos da anti-trombina III que em princípio, deverão interactuar com a heparina?

A parte glucídica de algumas glicoproteínas pode servir como local de reconhecimento celular. Para executar esta função, o oligosscárido deve ter a capacidade de existir numa grande variedade de formas. Quais podem produzir uma maior variedade de estruturas: os oligopéptidos compostos de cinco resíduos de aminoácidos diferentes ou os oligossacáridos compostos de 5 resíduos de diferentes oses . Explicar.