Biochimica descrittiva - schemi

Carboidrati

Definizione

I carboidrati vengono chiamati anche in molti altri modi: glicidi osaccaridi. Si chiamano carboidrati per il fatto che sono composti di carbonio, idrogeno e ossigeno rispettivamente in numero n, 2n e n.

Funzioni

• Ci forniscono ATP: servono come riserva e fonti di energia: glucosio, lattosio, saccarosio (rispettivamente monosaccaride, disaccaride e polisaccaride).
• Sono elementi strutturali e di supporto (sono collanti e connettivi), spesso lubrificano, visto che sono quasi un gel (soprattutto i polisaccaridi per questa funzione).
• Adesione cellulare ad altre cellule e/o alla matrice extracellulare: soprattutto polisaccaridi.
• Meccanismi di riconoscimento e identificazione della specificità biologica: oligosaccaridi.
• Componenti di acidi nucleici.
• Farmaci: glicosidi.

Classificazione

La loro divisione si basa sulla complessità: monosaccaridi (un monomero non scindibile e possono essere aldosi o chetosi a seconda della funzione che hanno), oligosaccaridi (2-10 unità di saccaridi o residui) e polisaccaridi (10-10⁵ unità o residui).

Monosaccaridi

Sono alcoli polifunzionali e polivalenti con una funzione aldeidica o chetonica. Solitamente nelle formule di struttura di un aldoso si mette il C più ossidato in cima, poi si ha un numero n di carboni con una funzione alcolica secondaria e poi una funzione alcolica primaria CH₂OH. Invece i chetosi hanno in cima un C con una funzione alcolica primaria CH₂OH, poi un chetone, un numero n di C con una funzione alcolica secondaria e infine un C con funzione alcolica primaria CH₂OH. Appaiono come solidi cristallini incolori, solubili in acqua, insolubili in solventi apolari e con un sapore dolce. A seconda del numero di C si parla di triosi, tetrosi, pentosi e così via.

Aldosi

Andando a osservare la proiezione lineare di Fischer si può notare che il più semplice è la gliceraldeide che è un aldotrioso. Tutti gli altri aldosi si ricavano aggiungendo un C con una funzione alcolica primaria, notando che a seconda della posizione di OH si hanno aldosi diversi. Fondamentali sono quelli cerchiati: gliceraldeide, eritroso e treoso, riboso e infine glucoso, mannoso e galattoso. Sono tutti in forma D poiché in natura rappresenta la forma più comune.

Chetosi

La cosa è uguale agli aldosi, ma cambiano i nomi, poiché la desinenza è -uloso, mentre il prefisso resta lo stesso, tranne per il capostipite che è il più semplice chetoso: il diossiacetone. Fondamentali sono quelli cerchiati: diossiacetone, eritruloso, ribuloso e xiluloso, fruttoso.

Composti chirali

Tali composti sono chirali, poiché si può avere un asse di simmetria e forme D e L. Per decidere se si considera la forma D o L, senza avere un polarimetro che misuri l'angolo di deviazione della luce polarizzata, basta sfruttare le proiezioni di Fischer ponendo in cima il gruppo aldeidico negli aldosi. Poi osservando l'ultimo C con una funzione alcolica primaria, o il più contiguo con il C terminale (CH₂OH), se OH è a destra si ha la forma D altrimenti la L. Stessa situazione si ha nei chetosi. Inoltre, bisogna ricordarsi che per la regola di van't Hoff il numero massimo possibile di stereoisomeri è di 2ⁿ, dove n indica il numero di C asimmetrici. I C asimmetrici nei monosaccaridi sono quelli con la funzione alcolica primaria e che non sono terminali. La forma destrorsa devia la luce polarizzata a destra (+), la sinistrorsa a sinistra (-). Fa eccezione il fruttoso: la forma D devia a sinistra e la L a destra. Per questo motivo spesso il glucoso è chiamato destroso e il fruttoso levuloso. In natura vi sono poche forme L.

Epimeri

Stereoisomeri che differiscono tra loro per la configurazione intorno ad uno solo degli atomi di C asimmetrici. Il galattoso è un epimero del glucoso.

Mutarotazione

Se il numero di C è maggiore o uguale a 5 spesso in soluzione si hanno delle forme cicliche. La mutarotazione è un fenomeno che indica una diversa deviazione della luce polarizzata a seconda del solvente in cui si trova la sostanza, in questo caso i monosaccaridi. Il D-glucoso in acqua ha un valore di +112,2 gradi (alfa-D-glucoso), in piridina +18,7 gradi (beta-D-glucoso). Questi sono valori misurati al tempo zero: infatti, dopo un po' di tempo in acqua la deviazione passa a 52,7 gradi. Se cambia la forma di ciclizzazione diminuisce la capacità di cambiare il piano della polarizzazione: così all'equilibrio si ha il 33% di alfa-D e il 67% di beta-D glucoso e una minuscola percentuale di forma intermedia che consente l'interconversione fra i due (molto instabile perché aperta). Il valore diverso dopo del tempo è dovuto al fatto che si ha una media ponderata delle deviazioni dei due monosaccaridi: (112,2x33%+18,7x67%)/2=52,7 gradi.

Ciclizzazione glucoso

Si ha la chiusura del C5 sul C1. Si ha attacco di un doppietto dell'ossigeno sul carbonio: il C1 si attacca all'O del C5. Poi, per la forza di repulsione dovuta agli e- di O, questi si spostano sul gruppo aldeidico.

Anomeri

Stereoisomeri che differiscono per la posizione dell'ossidrile emiacetalico, cioè per la configurazione intorno al nuovo centro di asimmetria generato dalla ciclizzazione.

Proiezioni di Haworth

La struttura ciclica esagonale senza doppi legami viene interpretata come un piano a cui si sono aggiunti 4H+ generando un tetraidropirano. Il glucoso viene anche chiamato infatti alfa/beta-D/L-glucopiranoso. Alfa ha OH emiacetalico in alto, beta in basso.

Fruttoso

È un chetoesoso con due possibili ciclizzazioni. Libero in soluzione dà un esagono altrimenti un pentagono. In quest'ultima si ha una reazione tra OH del C5 e il gruppo chetonico su C2. Uno dei doppietti non condivisi dell'O del gruppo OH del C5 fa ciclizzare la struttura attaccandosi al gruppo chetonico. Data l'analogia di struttura con il tetraidrofurano (aggiunta di 4 H+ al furano: un pentagono con un O come vertice in alto), il fruttoso viene detto anche alfa/beta-D/L-fruttofuranoso (alfa se OH in basso e beta se in alto). Se la struttura è esagonale si parla di fruttopiranoso. Spesso il riboso ciclizza e si comporta come il fruttoso: molto più frequente la forma a pentagono. Gli aldofuranosi e gli aldopiranosi sono emiacetali, mentre i chetofuranosi e i chetopiranosi sono emichetali.

Conformazioni del glucoso

Possono essere 3: a barca (C1 e C4 sopra o sotto il piano) e a sedia (C2, C3, C5 e O sullo stesso piano) di cui se ne hanno due tipi. Se C1 è sotto il piano si ha conformazione a sedia C1, se sta sopra si ha configurazione a sedia 1C. Dato che la forma a barca ha la struttura del C6 in poco spazio, risulta poco stabile, nella forma a sedia si ha più spazio e quindi risulta preferibile poiché più stabile. Inoltre, nella C1 gli OH sono equatoriali e non perpendicolari al piano come in 1C e questo fa distanziare di più i gruppi polari rendendo la configurazione a sedia C1 la più stabile. Così tutti i piranosi tendono a tale forma.

Conformazione furanosi

La loro conformazione è quella a busta di lettera dove si hanno 4 C sullo stesso piano e O (il quinto vertice) sopra o sotto il piano.

Reazioni dei monosaccaridi

• Riduzione: da monosaccaridi ad alditoli (alcol-zuccheri). Il D-glucoso e L-sorboso danno con riduzione il glucitolo o sorbitolo. Molto importante verificare questa situazione nell'iperglicemia: dato l'eccesso di glucoso, la glicolisi e le altre vie di demolizione del glucoso sono saturate, quindi il glucoso cerca altre vie che in un sano sono a livelli minori dell'1%. Per tale reazione serve un riducente, il NADPH, che se viene consumato tutto causa il diabete e un più facile danneggiamento delle cellule. Il sorbitolo che si crea è un tappo e necessita di tempo per essere smaltito: stando così le cose, si accumula, crea un gradiente e richiama acqua facendo rigonfiare la cellula e danneggiandone gli organuli. Spesso sono causa di edemi. Anche il fruttoso può ridursi rendendo il gruppo chetonico un gruppo alcolico. Se OH è sulla destra si ha di nuovo sorbitolo, altrimenti mannitolo (si ha anche per riduzione del mannoso). Tali composti sono usati come dolcificanti e per curare gli edemi: il mannitolo iniettato in sangue con degli osmoliti richiama acqua dai tessuti dov'è in eccesso.
• Ossidazione: molto più comune della riduzione. Gli aldosi divengono acidi aldonici/aldarici/alduronici mentre i chetosi dato l'aumento di densità di e- si rompono nella catena vicino al gruppo chetonico. D-glucoso ha ossidazione sul gruppo semiacetalico del C1: si perde uno ione idruro, provocando instabilità poiché si ha un C trivalente; questo attrae gli elettroni dell'O formando con esso un doppio legame e facendo rilasciate a O un protone. Si forma così un delta-lattone dell'acido D-gluconico, un estere ciclico. Data la sua instabilità, spesso tende a passare alla forma lineare con aggiunta di acqua e un protone: si ha ossidazione che fa formare da un gruppo aldeidico sul C1 un gruppo carbonilico e dà un acido gluconico. Con un'ulteriore ossidazione sul C6 si ha un altro gruppo carbonilico e un acido glucarico. Perché a ossidarsi non sia il C1 ma il C6 per primo serve aggiungere al C1 un alcolo (R-OH) rendendo il glucoso un glucoside. Ora con un ossidante si può ossidare il C6 ottenendo un glucuronide. Poi con idrolisi si scinde il legame alcolo-semiacetale e si ha l'acido glucuronico, sia in forma lineare sia ciclica. Gli alduronici compongono i mucopolisaccaridi. Nelle piante e negli animali dal D-guloso si può passare all'acido ascorbico, noto come vitamina C e come gamma-lattone della forma enolica dell'acido 2-cheto-L-gulonico. La vitamina C va incontro a ossidazione perdendo un idruro e un H+. Si origina una struttura con tre strutture chetoniche di fila e molto favorita poiché si ha una delocalizzazione degli elettroni lungo questi 3 C. Un forte riducente può portare alla reazione inversa. Spesso l'ossidazione viene sfruttata per vedere la concentrazione di glucoso: infatti dalla sua ossidazione si ottengono acido gluconico e un metallo che precipita e rende la soluzione colorata. Maggiore è l'intensità del colore maggiore è la concentrazione del glucoso nel campione. Attraverso poi una taratura dell'intensità del colore si può ricavare il livello di glucoso. Il processo avviene in questo modo: glucoso + ossigeno dà delta-lattone dell'acido D-gluconico e acqua ossigenata. L'acqua ossigenata e il reattivo ridotto (incolore) attraverso la perossidasi fanno avere due molecole di acqua e il reattivo ossidato (colorato).
• Esterificazione: spesso nelle cellule si ha per reazione con l'acido ortofosforico. La gliceraldeide e il diossiacetone possono reagire sui gruppi OH con acido ortofosforico e formare degli esteri: per esempio, D-gliceraldeide-3-fosfato. Anche il glucoso può subire esterificazione fosforilandosi sulle funzioni alcoliche (spesso in posizione 1 o 6) e il fruttoso con una doppia fosforilazione sul C1 e C6. Questa fosforilazione rende le molecole estremamente polari e cariche, divenendo così più instabili e passibili di reazione. Spesso la cellula fosforila queste sostanze nella glicolisi impedendo a questi intermedi di fare il percorso inverso e uscire dalle cellule (glucoso-6-fosfato per esempio).
• Deossigenazione: questa è una reazione che toglie un O di un gruppo alcolico. Per esempio, 2-deossi-alfa-D-riboso.
• Monosaccaridi aminati: monosaccaridi in cui un gruppo alcolico è sostituito da NH₂. L'ammina a sua volta può essere sito di attacco di altri sostituenti, come un acetato (si attacca a N al posto di un H). Questi amino-monosaccaridi caratterizzano spesso la superficie delle cellule, garantendone la specificità. Spesso attaccare un gruppo ulteriore all'amina consente a tale struttura di non ripiegarsi dato l'ingombro e di assumere una specifica struttura/forma. Spesso sono aminati i galattosi. Importante è l'acido neuraminico e soprattutto la sua forma acetilata, detta NANA o acido sialico, ovvero l'acido N-acetilneuraminico. Questa struttura è fondamentale nei tessuti cellulari, soprattutto nella mielina e nei gangliosidi, che sono dei glucolipidi la cui parte glucidica è rappresentata dal NANA.
• Reazione di Mallard: si riferisce a una glicazione, ovvero un attacco spontaneo di un monosaccaride su una proteina, senza bisogno di un enzima (mentre la glicosilazione richiede un catalizzatore). Una proteina che ha come residuo finale una lisina (NH₂) può legarsi a un glucide. Viene eliminata acqua e si ha una base di Schiff, o immina secondaria (ammina primaria con composti carbonilici). Più passa il tempo più è probabile che N si stacchi dal glucide. Tali basi portano alla perdita dell'elasticità dei tessuti. Le basi di Schiff possono portare alle AGE (quando le basi non sono più reversibili si hanno le advanced glycation endproducts), sono risultati di prodotti di scissione volatili e portano a polimeri azotati. Perché tale reazione avvenga il glucoso deve essere lineare, così che l'aldeide sia libero: la percentuale di quello lineare e dello 0,2%. Nel diabetico tale percentuale tende a salire e crea vari danni: l'emoglobina, infatti, se viene glicata cede con minor facilità O₂ e così si ossigenano meno i tessuti e si hanno complicazioni croniche. L'emoglobina glicata in un sano è di 1-2%, in un diabetico supera il 7%. Chi è diabetico tende ad avere anche il collagene glicato e quindi una rigidità ancora maggiore. Si glicano le proteine del cristallino con problemi di opacità per la vista, anche le LDL che favoriscono così la formazione di placche aterosclerotiche, le mieline limitandone la mobilità e anche l'albumina necessaria per mantenere l'osmolarità costante e svolgere funzioni di trasporto.
• Glicosidi: un saccaride con un alcol dà un O-glicoside, mentre un saccaride con un'ammina un N-glicoside. I vari glicosidi possono reagire fra loro e dare omoglicosidi se i legami sono tra saccaridi o eteroglicosidi se tra un saccaride e un non saccaride. Quando un alcol si aggiunge a un glucoso, esso reagisce con la funzione emiacetalica attaccandovi la struttura carboniosa e facendo perdere un H+ al glucoso che va a formare con il gruppo alcolico perso dall'alcol una molecola di acqua. Tale reazione avviene solo grazie a un innesco. Il legame O-glicosidico può essere alfa o beta a seconda della funzione emiacetalica. Sopporta molto bene un pH alcalino, mentre tale legame si scinde a pH acido e una temperatura di 100 gradi circa. Invece gli N-glicosidi (N-glicosilammina) si formano da un'ammina aggiunta a un saccaride: nella reazione l'ammina perde un idrogeno che si lega al gruppo emiacetalico/emichetalico formando una molecola d'acqua, mentre il resto dell'ammina si lega con C-N al resto della struttura dell'ammina. L'ATP ne è un esempio: il ribosio lega l'adenina con un legame N-glicosidico. Ouabaina e digitossina hanno legami O-glicosidici e sono degli inibitori della pompa sodio-potassio del cuore: il potassio non esce più e questo accresce il livello del sodio e del calcio, aumentando la contrazione del cuore. Questo aiuta a curare lo scompenso cardiaco, ma se le dosi sono eccessive possono risultare anche mortali. La streptomicina, che è il primo modo di combattere i batteri Gram negativi, è un esempio di N-glicoside.

Disaccaridi

Sono dati dall'unione di due monosaccaridi che si uniscono con legami O-glicosidici che vedono reagire insieme un OH emiacetalico e un altro OH del carbonio dell'altro monosaccaride. Dalla reazione viene liberata acqua.

Maltoso

Nasce dalla reazione di due D-glucosi: si parla di legame (1→4) alfa-glicosidico se reagiscono insieme due alfa-D-glucoso e di legame (1→4) beta-glicosidico se il secondo monosaccaride è un beta-glucoso. Il primo si chiama alfa-maltoso (o meglio: α-D-glucopiranosil(1→4)α-D-glucopiranoso), il secondo beta-maltosio (o meglio: α-D-glucopiranosil(1→4)β-D-glucopiranoso). Il legame alfa è piuttosto flessibile e consente al maltoso di ripiegarsi.

Cellobioso

Disaccaride formato dall'unione di due glucosi. Fa parte della cellulosa e anche qui il legame è 1→4, ma questa volta non alfa ma beta poiché il primo glucoso è un beta-D-glucoso. Si parla di alfa-cellobioso se il secondo glucoso è alfa, di beta-cellobioso se il secondo è dunque beta. Il legame beta è molto rigido e pone i vari monosaccaridi sullo stesso piano impedendo la rotazione o il ripiegamento del legame. L'uomo non è in grado di scindere questo legame.

Lattoso

Dato dall'unione di un beta-D-galattoso con un alfa/beta-D-glucoso. Il legame che si forma, visto che dipende sempre dal primo saccaride è un legame 1→4 beta. Il lattoso viene detto alfa o beta a seconda che il glucoso che lega il galattoso sia alfa o beta. La lattasi scinde questo legame ed è un enzima che con il passare degli anni riduce la sua funzionalità, scendendo fino al 5%.

Isomaltoso

Unione di due glucosi ma con un legame 1→6 alfa glucosidico. Cambia solo il legame e per questo è un isomero del maltoso. Ovviamente a seconda del secondo glucoso si ha alfa/beta-isomaltoso.

Saccaroso

Il legame è 1→2 alfa, beta-diglicosidico. A unirsi sono una molecola di glucoso e una di fruttoso, tramite i due gruppi semiacetali. Si ha un alfa glucoso unito con il suo gruppo emiacetale al corrispondente emiacetale del beta fruttoso.

Trealoso

Due glucosi uniti.