Carboidrati Idrati del carbonio (C ● H20)n con n = 3 o più Classe versatile e molto abbondante L’energia del sole catturata da piante verdi, alghe e alcuni batteri viene immagazzinata sotto forma di carboidrati I carboidrati sono i precursori metabolici di praticamente tutte le altre biomolecole La scissione dei carboidrati fornisce l’energia per sostenere la vita animale

Si trovano come monomeri, oligomeri e polimeri Da soli o legati ad altre molecole Glicoproteine Glicolipidi Questi glicoconiugati costituiscono le strutture esterne di piante, animali e batteri Sono importanti per i riconoscimenti cellulari

Possiedono almeno un centro chirale Possono avere strutture lineari o cicliche Sono in grado di unirsi in polimeri (legami glicosidici) Sono in grado di formare numerosi legami idrogeno

Numero di atomi di carbonio CARBOIDRATI Numero di atomi di carbonio Gruppi funzionali struttura Triosi Tetrosi Pentosi Esosi ecc aldosi chetosi monosaccaridi oligosaccaridi polisaccaridi

MONOSACCARIDI (zuccheri semplici) da tre a sette atomi di carbonio aldosi o chetosi

I monosaccaridi hanno centri asimmetrici Tutti i monosaccaridi (eccetto il diidrossiacetone) hanno uno o più atomi di carbonio asimmetrici Sono presenti in natura in forme isomeriche otticamente attive La gliceraldeide contiene un atomo di carbonio asimmetrico (chirale) e quindi ha due diversi stereoisomeri (enantiomeri) che sono immagini speculari l’uno dell’altro

D(+)glucosio D(-)fruttosio

Le forme D degli zuccheri predominano in natura Alcuni zuccheri L sono presenti L-Galattosio in alcuni polisaccaridi L-Arabinosio nelle pareti batteriche Più di 2 centri chirali = più di due stereoisomeri enantiomeri Stereoisomeri diastereoisomeri

Enantiomeri Secondo la convenzione le forme D- e L- di un monosaccaride sono immagini speculari l’uno dell’altro

Epimeri Differiscono soltanto nella configurazione intorno ad un atomo di carbonio D-Glucosio e D-mannosio sono due epimeri

Formazione di un nuovo centro chirale ANOMERI, isomeri che differiscono per la configurazione di tale centro CARBONIO ANOMERICO (a, b) Le forme più stabili sono quelle cicliche (furanosio e piranosio). La forma lineare rappresenta solo l’1% in soluzione. MUTAROTAZIONE a-D-glucosio [a]D = 112,2° b-D-glucosio [b]D = 18,7°

Reazione tra gruppo alcolico e gruppo aldeidico Reazione catalizzata da acidi e basi, prontamente reversibile

H Carbonio ANOMERICO

Reazione tra gruppo alcolico e gruppo chetonico Reazione catalizzata da acidi e basi, prontamente reversibile

OH OH H

La forma più stabile dipende da fattori strutturali (gruppi sostituenti e configurazione dei carboni asimmetrici) Anelli a 3,4,7 termini non sono stabili La forma furanosica del ribosio è la più rappresentata nei polisaccaridi, ma il ribosio libero è presente anche nella forma piranosica (es. struttura del miele, 67% b-D-fruttopiranosio)

Nel b-D-glucosio, tutti i sostituenti sono equatoriali: è la molecola organica più rappresentata in natura ed è al centro del metabolismo degli esosi

Derivati dei monosaccaridi Zuccheri acidi RC-H + 2Cu2+ + 5OH- RC-O- + Cu2 + 3H2O CuSO4 alcalino, soluzione di Fehling, si forma un precipitato rosso. Gli zuccheri riducenti agiscono su perossido di idrogeno, ferricianuro e altri metalli. O O

Ossidazioni enzimatiche COOH

Zuccheri alcolici (ALDITOLI, -ITOLI) Vengono preparati mediante riduzione blanda con agenti quali NaBH4 sul carbonio aldeidico o chetonico Sono molecole lineari, non possono ciclizzare

Desossizuccheri Uno o più gruppi idrossilici sono rimpiazzati da idrogeno Componenti di glicoproteine e polisaccaridi

Esteri degli zuccheri Esteri forsforici, importanti intermedi metabolici

Amminozuccheri Contengono un gruppo amminico invece di un gruppo idrossilico Si trovano in molti oligo- e polisaccaridi, nelle glicoproteine

Importanti costituenti delle glicoproteine e dei glicolipidi

Acetali, chetali, glicosidi in presenza di acido Condensazione con eliminazione di una molecola d’acqua LEGAMI GLICOSIDICI Ritenzione della configurazione del carbonio anomerico

Formazione dei glicosidi Il legame che unisce il carbonio anomerico all’ossigeno dell’alcool è detto legame glicosidico. I saccaridi che portano atomi di carbonio anomerici non impegnati nel legame glicosidico sono detti riducenti

OLIGOSACCARIDI lattasi disaccaridi invertasi nell’orzo germinato la diastasi produce maltosio maltasi, fermentazione lattasi disaccaridi invertasi

Formazione del maltosio

OLIGOSACCARIDI SUPERIORI Costituenti del miele, del nettare e delle resine

Antibiotici contenenti oligosaccaridi

POLISACCARIDI (glicani) Notevole complessità strutturale nonostante i monomeri di partenza siano pochi: Glucosio Galattosio Mannosio Fruttosio Arabinosio Ribosio, Xilosio La maggior parte degli zuccheri in natura è presente sotto forma di polisaccaridi La definizione di POLISACCARIDI comprende anche strutture più complesse in cui la parte glucidica è legata covalentemente a proteine, peptidi, lipidi. esosi pentosi

I polisaccaridi differiscono per la natura dei loro costituenti, la lunghezza e la presenza e la posizione delle ramificazioni Ogni residuo ha un solo carbonio anomerico per formare legami glicosidici, ma molti gruppi idrossilici accettori di altri legami glicosidici Le ramificazioni sono caratteristiche dei polisaccaridi, non sono presenti nelle proteine e negli acidi nucleici

Funzione dei polisaccaridi Riserva  Amido, glicogeno Strutturale  Cellulosa, chitina Protezione  Mucopolisaccaridi, acidi ialuronici Comunicazione cellulare, riconoscimento  etero-oligo-polisaccaridi

A differenza delle proteine, i polisaccaridi non hanno in genere una massa molecolare definita Le proteine sono sintetizzate su uno stampo Per la sintesi dei polisaccaridi non esiste uno stampo e il programma di sintesi è intrinseco agli enzimi che catalizzano la polimerizzazione e non c’è uno specifico punto di interruzione nel processo sintetico

Amido a-Amilosio (10-30%) Amilopectina (70-90%), peso molecolare fino a 100 milioni Ramificazioni ogni 12-30 residui, lunghe 24-30 residui Insolubili, micelle, granuli Immagazzinati nel plastidi (cloroplasti, amiloplasti)

L’amilosio e l’amilopectina: i polisaccaridi dell’amido

Degradazione dell’amido Amido fosforilasi a (16) Glucosidasi per le ramificazioni a-Amilasi salivare e pancreatica (maltosio, maltotriosio e destrine) a-Glucosidasi rilascia i monosaccaridi uno alla volta Assorbimento intestinale e trasporto al sangue

La forma di stoccaggio del glucosio negli animali è il GLICOGENO Simile all’amilopectina ma con ramificazioni più frequenti Deposito di grasso Mitocondrio Granuli di glicogeno Epatocita, fino al 10% di glicogeno

CELLULOSA Materiale più abbondante nel mondo Insieme alla lignina forma legno e corteccia Cotone e “acetato” Omopolimero di b-glucosio Struttura a nastro esteso Non digeribile. Batteri del rumine e delle termiti CELLULASI (b-glucosidasi) 180°

Modello della cellulosa Parete cellulare (filamenti paralleli) Tutti i gruppi –OH sono utilizzabili per formare legami idrogeno con le catene vicine. Quando numerose catene si affiancano le une alle altre, l’insieme dei legami idrogeno intra- e intercatena che si originano producono fibre lineari e stabili con notevole resistenza alla tensione

La natura dei legami glicosidici determina la struttura dei polisaccaridi I legami b-1,4 favoriscono la formazione di catene lineari allungate, ottimali ai fini strutturali. I legami a-1,4 favoriscono invece la formazione di strutture piegate, più adatte a svolgere funzioni di riserva

Chitina Secondo in abbondanza Parete cellulare dei funghi, esoscherletro degli insetti, crostacei, ragni Ricoperture per la conservazione della frutta e della carne

GLICOSAMMINOGLICANI Catena lineare di unità disaccaridiche ripetute 1 amminozucchero 1 o più gruppi acidi (carbossilici o solforici) Polimero enorme, 25000 unità, PM = 107! Umor vitreo, liquido sinoviale Tendini, cartilagine, tessui connettivi

Ampio utilizzo clinico Contrariamente agli altri glicosamminoglicani, l’eparina non fa parte del tessuto connettivo. Si trova soprattutto nei granuli intracellulari dei mastociti presenti nelle pareti delle arterie. Inibisce la coagulazione del sangue Ampio utilizzo clinico

PEPTIDOGLICANO (mureina) b(14) N-acetilglucosamina/N-acetil acido muramico Crosslik attraverso l’acido lattico del NAM Tetrapeptide con D-aminoacidi

Lisozima Penicillina

I carboidrati si legano alle proteine per formare le glicoproteine Le glicoproteine sono componenti delle membrane cellulari, dove svolgono molteplici ruoli; molte proteine secrete sono glicoproteine

N-glicosilazione Consensus Asn-X-Thr Asn-X-Ser Il primo residuo di N-acetilglucosamina è legato in forma b

La N-glicosilazione è una modificazione co-traduttiva Processamento nel reticolo endoplasmatico e nel Golgi da parte di glucosidasi e glicosiltrasferasi Microeterogeneità notevole (GLICOFORME)

O-glicosilazione Avviene nel Golgi dopo la sintesi del polipeptide Non esiste sequenza consensus (determinata dalla struttura tridimensionale) Anche Galattosio, Xilosio e Mannosio Da pochi zuccheri a migliaio di unità

Complesso di Golgi: un centro di smistamento La glicosilazione agevola l’indirizzamento delle proteine verso la loro destinazione finale. Es: proteine con oligosaccaridi contenenti mannosio 6-fosfato sono indirizzate dal Golgi verso i lisosomi

Esempio di glicoproteina : l’ERITROPOIETINA (EPO) L’ormone glicoproteico EPO viene secreto dal rene e stimola la produzione degli eritrociti. L’EPO matura contiene il 40% in peso di carboidrati e la glicosilazione aumenta la sua stabilità nel sangue. La proteina non glicosilata può produrre solo il 10% dell’attività di quella glicosilata, in quanto viene rapidamente rimossa dal sangue attraverso i reni. L’eritropoietina è una piccola proteina composta da 165 aminoacidi ed N- glicosilata a livello di tre residui di asparagina e O- glicosilata a livello di un Residuo di serina

Sono le glicosiltrasferasi Enzimi specifici catalizzano la sintesi degli oligo- e polisaccaridi Sono le glicosiltrasferasi Data la vasta gamma di legami glicosidici possibili tra le unità monosaccaridiche sono necessari molti enzimi con specificità differenti. Le glicosiltrasferasi rappresentano dall’1% al 2% dei prodotti genici di tutti gli organismi esaminati Reazione generale catalizzata dalle glicosiltrasferasi

FUNZIONE DEGLI OLIGOSACCARIDI Funzione strutturale Strutture a stelo Limitare la libertà conformazionale Modulare l’attività Protezione dalle proteasi

Fotografia al micoscopio elettronico della superficie di un eritrocita Glicolipidi e glicoproteine di membrana formano il GLICOCALICE 140 nm Fotografia al micoscopio elettronico della superficie di un eritrocita

Mediazione degli eventi di riconoscimento cellulare Presenza ubiquitaria di proteine che legano i carboidrati  LECTINE

Legame di una lectina ai carboidrati I carboidrati sono perfetti per il riconoscimento Hanno una enorme variabilità strutturale Possono legarsi alle proteine tramite legami idrogeno e van der Waals stacking Legame di una lectina ai carboidrati

Ruolo di trasporto nei lisosomi: mannosio-6-fosfato (I-cell desease) Regolano il tempo di invecchiamento delle proteine circolanti (acidi sialici, distruzione via fegato) C’è una significativa differenza nei carboidrati di superficie di cellule cancerose e normali (inibizione da contatto) Riconoscimento tra carboidrati sulla superficie della cellula uovo e proteine dello spermatozoo nell’attivazione della fertilizzazione Legame di virus, batteri e parassiti alle cellule target: è il primo passo dell’infettività Proteine antigelo: (Ala-Ala-Thr)n-Ala-Ala, n = fino a 50

le SELECTINE mediano l’interazione leucociti/endotelio nelle infiammazioni

L’immagine al microscopo elettronico a scansione mostra linfociti aderenti al rivestimento endoteliale di un linfonodo

una delle proteine più importanti espresse sulla superficie del virus RECETTORI VIRALI Il virus dell’influenza riconosce le cellule bersaglio legandosi ai residui di acido sialico localizzati all’estremità degli oligosaccaridi presenti nelle glicoproteine e nei glicolipidi della superficie cellulare. Questi carboidrati si legano alla emoagglutinina, una delle proteine più importanti espresse sulla superficie del virus

Sistema antigenico A, B, 0

PROTEOGLICANI Ser Gly O glicosamminoglicani Famiglia di proteine la cui parte oligosaccaridica è formata dai glucosamminoglicani Varietà strutturale Ripetizioni di Sono presenti anche oligosaccaridi legati con legami O- e N-glicosidici Ser Gly O glicosamminoglicani

Interazione con altre proteine nella matrice extracellulare (FIBRONECTINA) Interazione con la membrana e con le proteine del cito- scheletro (ACTINA) Mediazione del legame con fattori di crescita

cellule e il proteoglicano della matrice extracellulare associazione tra le cellule e il proteoglicano della matrice extracellulare mediata dall’integrina e fibronectina Numerose proteine fibrose della matrice (collageno, elastina, fibronectina) sono intercalate in questa enorme struttura extracellulare del proteoglicano formando un intreccio complesso che conferisce forza e resistenza meccanica alla matrice extra cellulare

PROTEOGLICANO DELLA CARTILAGINE Acido ialuronico, fino a 4 mm fino a 100 molecole di proteoglicano PM = 2 milioni di Dalton PROTEOGLICANO DELLA CARTILAGINE