Glúcids PDF - Apunts 1 PDF

Preview

Summary

Apunts bioquímica...

Description

GLÚCIDS Objectius d’aprenentatge: 1.- En relació als glúcids monosacàrids: a) Identificar les fórmules empírica i molecular i les dues representacions, linear de Fischer i de projecció de Haworth, de hexoses pentoses. I b) Reconèixer els grups funcionals polars característics: -OH, -CHO, C=O c) Distingir aldoses i cetoses. I d) Descriure com els oligosacàrids permeten la comunicació entre cèl·lules i la codificació d’informació a nivell de la membrana plasmàtica. 2.- Descriure què és l’enllaç glicosídic. 3.- Relacionar l’estructura i composició dels di- i polisacàrids de la dieta amb la funció energètica i de reserva. 4.- Relacionar la composició i estructura dels polisacàrids de la fibra dietètica amb les avantatges per la digestió, el transit intestinal i la salut. 5.- Relacionar l’estructura dels glicosaminoglicans dels proteoglicans amb el seu rol estructural de la matriu extracel·lular Els glúcids són les biomolècules més abundants de la biosfera, donat que sons els principals components estructurals de l'exosquelet (quitina) de molts tipus d’insectes, a més a més, són els constituents de las reserves energètiques (midó) de moltes llavors i tubèrculs i els components de la paret cel·lular (a base de cel·lulosa, hemicel·lulosa i altres) de les cèl·lules vegetals que en nutrició es coneixen com a fibra dietètica. En els animals vertebrats els glúcids són menys abundants però realitzen funcions ben importants com veurem en parlar del metabolisme energètic de la glucosa, fructosa, midó i del glicogen. Els glicosaminoglicans que trobem en els macropolímers combinats de proteïna i glúcids (proteoglicans i de glucoproteïnes) tenen un paper estructural fonamental. Els glúcids també poden dir-se glícids, hidrats de carboni, carbohidrats i sucres, tanmateix aquest últim terme és adient pels monosacàrids que són les molècules que percebem com dolces quan les mengem.

DELS FUNCIONS DE LS GLÚCIDS Els glúcids poden tenir funcions energètiques, estructurals i de comunicació cel·lular. o Funció energètica. Els carbohidrats que ingerim són la nostra principal font d'energia. La dieta equilibrada proposa que el 50 % de les kilocalories ingerides diàriament provinguin dels glúcids, majoritàriament polisacàrids d’absorció lenta. Aquests, durant la digestió, alliberen els seus monòmers de α-D-glucosa. Totes les cèl·lules han desenvolupat sistemes enzimàtics per a extreure part de la energia continguda en la seva estructura. Més endavant en el curs estudiarem les reaccions que permeten això, i que s’organitzen en les anomenades vies metabòliques. La glucosa és el principal substrat energètic per a moltes cèl·lules del nostre organisme i les vies metabòliques s’organitzen al voltant del seu paper com a protagonista. A més, els organismes han desenvolupat molècules que són reserves de glucosa. En els animals, és el polímer que anomenem glicogen, que s'utilitza quan disminueix el nivell de glucosa en sang. En els vegetals, sobre tot en els cereals, és el que coneixem com a midó.

o

Funció estructural. Els polímers de monosacàrids compleixen funcions estructurals, tant des d’un punt de vista molecular com macroscòpic, tal i com es representa a la figura. Per una banda, hi ha glúcids que participen en l’estructura dels àcids nucleics, formant la seva “columna vertebral” que permet la formació de la doble hèlix de l’ADN o les estructures lineals dels ARN. Per altra banda, la cel·lulosa, un polímer a base de β-D-glucosa, és un component estructural molt important de la paret cel·lular de les cèl·lules vegetals i permet la solidesa de les seves estructures aèries. El fet que la cel·lulosa no es pugui digerir en el sistema digestiu humà fa que formi part de la fibra vegetal alimentària, que compleix funcions molt importants en la salut.

o Funció en la comunicació cel·lular. La complexitat estructural de les cadenes a base de glúcids senzills permet que les cèl·lules els utilitzin per a tasques d’informació. Així, un polímer curt de sucres (un oligosacàrid) que estigui unit a una altra molècula, com un lípid o una proteïna de la membrana cel·lular i situat en la superfície, aportarà informació a la cèl·lula, modificant-ne el seu comportament o el seu reconeixement per altres molècules. Aquest tipus de mecanisme participa, per exemple, en la comunicació entre dues cèl·lules que contacten físicament. Els glúcids també es coneixen com a hidrats de carboni o sacàrids. A la diapositiva veiem les diverses maneres de representar un exemple de glúcid: la molècula de glucosa (un monosacàrid). Totes són representacions de la mateixa molècula. Hidrats de carboni o carbohidrats, aquest nom deriva de la proporció entre carbonis, hidrògens i oxígens dels monosacàrids que és la de carbonis hidratats: C n (H2O)n aquesta és la fórmula empírica. Per a la glucosa, la fórmula molecular és la C6H12O6 La resta de representacions de la diapositiva són la fórmula estructural: ➔ de cadena oberta (dalt dreta) ➔ de projecció de Haworth (baix dreta) Model tridimensional de boles i pals sobre fons negre (carbonis boles grises, oxígens boles vermelles i hidrògens boles blanques, els enllaços covalents entre ells són els pals blaus.

QUIRALITAT LA QUIRALI TAT Els isòmers posicionals i geomètrics, són molècules que tenen distintes propietats físico-químiques (punt de fusió i d’ebullició, diferent solubilitat i estructura cristal·lina), en canvi els isòmers òptics (enantiòmers) són idèntics en tot i sols es poden diferenciar per la direcció en que desvien la llum polaritzada quan la fem passar a través d’una dissolució aquosa d’ells. La quiralitat dels monosacàrids i d'altres biomolècules té repercussions funcionals, atès que totes les activitats cel·lulars impliquen el reconeixement i interacció entre distintes molècules, per exemple: un transportador o un enzim que reconegui un dels dos enantiòmers de la glucosa, probablement no reconeixerà l’altre (les mans són com els enantiòmers, són imatges especulars l’una de l’altra, i encara que en girem una, no és exactament igual que l’altra. Com els enzims, el guant de la ma dreta no encaixa

còmodament en la ma esquerra). D’aquí és desprèn la importància d'aquests isòmers per a la biologia i el disseny de fàrmacs. Una idea fonamental, doncs, d'aquesta diapositiva és que dels compostos orgànics, els carbonis que tenen 4 substituents distints diem que són asimètrics o centres quirals, que poden adoptar dues conformacions distintes especulars l'una de l'altra i que es comporten com molècules distintes. En les imatges inferiors de la diapositiva, en a) l’àtom de carboni central de la molècula és quiral i la del mirall és el seu isòmer òptic o enantiòmer, encara que les girem no les podrem superposar mai, en canvi la molècula del panel b) no és quiral, el carboni sols té tres substituents distints, girant la molècula comprovem que és idèntica a la imatge del mirall. Aquí no hi ha dos isòmers òptics, aquí la reflectida i la original són la mateixa molècula. Alguns dels carbonis que formen les molècules dels monosacàrids estableixen enllaços amb 4 substituents diferents. Això fa que tinguin una propietat anomenada quiralitat, que vol dir que no és possible aconseguir la estructura que representa la seva imatge especular simplement girant un àtom quiral; s’ha de trencar l’enllaç i tornar-lo a formar. Això està representat a la imatge superior, on es compara amb el concepte intuïtiu segons el qual les mans són imatges especulars l’una de l’altra, i encara que en girem una, no és exactament igual que l’altra. El mateix es mostra a les imatges inferiors de la diapositiva, en a) l’àtom de carboni central (gris) amb els quatre substituents distints (representats per les 4 boles de distint color) és quiral, en canvi el del panel b) en tenir sols tres substituents distints no ho és, doncs girant la molècula podem aconseguir que ara aquesta sigui idèntica a la imatge del mirall. Dels carbonis que tenen aquesta propietat en diem que són carbonis asimètrics o centres quirals. Un àtom de carboni enllaçat a tres grups químics diferents no es quiral. La molècula quiral i la que és la seva imatge especular tenen propietats òptiques i biològiques distintes. Es diu que són isòmers enantiòmers, òptics o especulars. La quiralitat no està limitada als monosacàrids, s’observa també als aminoàcids, constituents de les proteïnes i a molts altres tipus de molècules orgàniques naturals (com els terpens que són les molècules de les essències naturals, un exemple curiós és el del D-limonè que trobem a la pell dels cítrics i que té aroma a llimona, en canvi la seva imatge especular, el S-limonè, fa olor a pi) i de síntesi d’us farmacològic ( talidomida, ibuprofè, Penicil·lina V...) Aquesta diapositiva mostra els 4 centres quirals o carbonis asimètrics de la D-glucosa, corresponents als carbonis 2,3,4,5. per a cada un d’ells es donen les dues conformacions espacials, per exemple pel carboni 2 tenim la molècula de la diapositiva i la que tindrà el grup –OH a l’esquerra i el –H a la dreta, en aquest cas parlem de D-manosa. D-glucosa i D- manosa són diferents quant a propietats bioquímiques. I així amb cada centre quiral.

D’ISÒMERSS TIPUS D’ISÒMER Les propietats biològiques de les biomolècules venen determinades no sols per la seva composició sinó també per la seva geometria. Els isòmers són molècules amb idèntica composició atòmica, però amb diferent geometria, el que fa que siguin molècules química i biològicament distintes. Hi ha tres tipus distints d’isòmers: 1) Isòmers posicionals o estructurals: difereixen en la posició dels grups funcionals dins la molècula, per exemple: La D-fructosa i la D-glucosa ho són, per què malgrat tenir la mateixa composició d’àtoms, difereixen en la posició del grup funcional carbonil: en la D- glucosa està en l’extrem superior (és el grup aldehid, carboni 1), mentre que en la D fructosa està en l’interior (grup ceto, carboni 2). Veurem com aquesta diferència en la posició del grup carbonil és un dels criteris de classificació dels monosacàrids en aldoses i cetoses. 2) Isòmers geomètrics o diastereoisòmers: difereixen en la posició dels substituents (substituent= allò que s’enllaça amb un àtom de carboni) en relació al pla espacial de la molècula, per exemple: la D-tal·losa i la D-glucosa ho són perquè difereixen en la orientació espacial dels substituents dels carbonis 2 i 4. Quan la orientació diferent afecta a un sol carboni parlem d’epímers: la D-glucosa i la D-galactosa ho són en relació al carboni 4 i la D-tal·losa i D-galactosa ho són en relació al carboni 2. 3) Isòmers òptics o enantiòmers: Com s’ha vist en els aminoàcids, els isòmers òptics són dues molècules idèntiques però imatge especulars l'una de l’altra degut a que tenen un C asimètric o quiral (unit a 4 grups funcionals distints). L’isomerisme òptic també es denomina quiralitat (pròxima diapositiva). La L- Glucosa i la D- Glucosa ho són. Ambdues tenen la mateixa composició i posició relativa entre els seus àtoms, però tenen quiralitat oposada. Dalt esquerra de la diapositiva estan representats els dos enantiòmers de la glucosa: la D-glucosa i la L-glucosa. Per convenció, l'isòmer L té el grup –OH de l'últim carboni asimètric a l’esquerra, mentre que l'isòmer D el té a la dreta. Dues molècules de les que les seves estructures són imatge especular l’una de l’altra s’anomenen ENANTIÒMERS. Ambdues tenen la mateixa composició i posició relativa entre els seus àtoms, però els seus àtoms tenen quiralitat oposada. La presència de la quiralitat en els monosacàrids té repercussions funcionals, atès que totes les funcions cel·lulars impliquen el reconeixement d’estructures. Així, una proteïna que reconegui un enantiòmer determinat d’una altra molècula pot no reconèixer l’altre enantiòmer. A la figura tenim representats els dos enantiòmers de la glucosa, la D-glucosa i la L-glucosa (per convenció el isòmer L té el carboni asimètric més allunyat del grup CHO a l’esquerra, mentre que el isòmer D el té a la dreta). Fixeu-vos en la disposició en les dues molècules dels substituents dels àtoms de carbonis ressaltats amb color blau. Per altra banda, la D-fructosa és un ISÒMER ESTRUCTURAL de la D-glucosa, per què malgrat tenir la mateixa composició d’àtoms, el grup funcional carbonil (-C=O) no està present com a aldehid (D-glucosa) si no com a grup ceto (D-fructosa). Veurem més endavant com aquesta diferència –la presència d’un grup aldehid o un

grup ceto- és un dels criteris de classificació dels monosacàrids. La galactosa, un altre monosacàrid habitual, malgrat té també la mateixa composició que la glucosa, és un EPÍMER per que només varia la orientació d’un dels carbonis asimètrics respecte la de la glucosa. Malgrat aquest canvi tan petit, els dos monosacàrids tenen propietats diferents. De forma general, dues molècules que es diferencien per la orientació dels grups substituents dels carbonis asimètrics es diu que són diaesteroisòmers l’un de l’altre. Els epímers són un cas dins d’aquesta categoria, en que la diferència afecta únicament a un carboni asimètric (la D-galactosa i la Dglucosa, ho són). Parlem de ESTEREOISÒMERS O ISÒMERS ESPACIALS de molècules que malgrat tenir la mateixa fórmula empírica es diferencien per tenir una col·locació espacial distinta dels seus àtoms. Els monosacàrids s’anomenen amb el sufix –osa, i poden tenir entre tres (trioses) i set carbonis (heptoses). A més, poden tenir en la seva estructura un grup funcional ceto (-CO-) o un grup funcional aldehid (-CHO) i d’això resulta que es classifiquin com a cetoses o aldoses, respectivament. El carboni més llunyà del grup funcional és el que s’agafa com a referència per anomenar el monosacàrid com a enantiòmer (isòmer òptic) forma D- o forma L-. Per convenció científica, si l’OH està a la dreta, es tracta el enantiomer D- (del llatí dexterus), i si està a l’esquerra es tracta del enantiòmer L- (del llatí laevus). Veiem com a partir del gliceraldehid podem generar la resta de aldoses importants per la seva freqüència en els polímers d’interès. Hem dit que el nombre d’estereoisòmers d’un monosacàrid es igual a 2n, essent n=nombre de carbonis asimètrics. La glucosa té 24 estereoisòmers, es a dir 16 estereoisòmers, a la diapositiva en veiem 8...i els altres ? Com en la diapositiva anterior, tots els monosacàrids representants aquí són els enantiòmers D (perquè l’ – OH de l'últim carboni quiral més allunyat del grup funcional està situat a la dreta). Amb molt poques excepcions, els enantiòmers D dels monosacàrids són els que es troben als organismes vius formant part dels oligo i polisacàrids... La família d’enantiòmers L tant d’aldoses com de cetoses és inexistent a l’excepció dels glúcids d’algunes formes bacterianes. A l’extrem esquerre d’aquests diagrames observem la representació linear o de Fischer de la D-glucosa (a) i la D-fructosa (b). De forma general, quan les aldopentoses (5C), les aldohexoses (6C) o les cetohexoses (6C) es troben dissoltes, només un petita proporció de les molècules es troben en forma lineal. El més freqüent és que es produeixi una reacció intramolecular entre l’oxigen del grup aldehid de la aldosa (carboni 1) o el del grup ceto de la fructosa (carboni 2), i el grup hidroxil del penúltim carboni de la mateixa molècula (el 5 en les aldohexoses i les cetohexoses, i el 4 en les aldopentoses). Aquesta reacció s’anomena “reacció hemiacetal” en el cas de les aldoses, i “reacció hemicetal” en el cas de les cetohexoses. Això provoca que el sucre adopti una conformació cíclica, que es representa tal i com es veu a la figura, amb la projecció de Haworth per als exemples de la glucosa i la fructosa. La projecció de Haworth de la glucosa té forma d’hexàgon, i de pentàgon per a la fructosa. Com que l’hexàgon i el pentàgon recorden la molècula de pirà i de furà, respectivament (extrem dret de la figura), a la D-glucosa i a la D-fructosa aquí representdes se les anomena alfa-D-glucopiranosa i alfa-D-fructofuranosa. Tanmateix, el sufix –piranosa o –furanosa s’utilitzaria per a qualsevol monosacàrid qu e tingués aquesta estructura cíclica hexagonal o pentagonal, respectivament (per exemple, galactopiranosa).

Noteu que a la representació de Haworth, l’hexàgon i pentàgon formats pels carbonis ocupen un plano horitzontal amb les línies gruixudes cap el lector i l’oxigen cap el darrera. els substituents dels àtoms de carboni, és a dir els àtoms de hidrogen o grups –OH, que queden per sota de l’anell de carbonis són els que estaven a la dreta a la representació de Fischer i els que queden per sota de l’anell són els que en Fisher estan situats a l’esquerra.

Numeració dels carbonis Aquesta és la manera en que s’enumeren els carbonis en una molècula ciclitzada de monosacàrid, prenent com a exemple la ribosa i el seu derivat, la 2’-desoxi-ribosa. El carboni número 1 és aquell que en la projecció de Fischer està al capdamunt de la molècula. En una altra lliçó veurem que aquests dos monosacàrids de l’exemple són components essencials de l’àcid ribonucleic (ARN) i l’àcid desoxiribonucleic (ADN), respectivament. Fixeu-vos que en aquestes dues representacions s’han estalviat representar els hidrogens units a cada carboni per simplificar la imatge.

MONOSACÀRIIDS MONOSACÀR Els monosacàrids són les unitats estructurals de tots els carbohidrats. Cada monosacàrid consta d’una cadena de carbonis més o menys llarga, cada carboni està unit a un grup hidroxil i hidrògens, excepte el carboni del grup carbonil que pot ser ceto (>C=O) o aldehid (-CHO). D’això resulta que es classifiquin com a cetoses o aldoses, respectivament, a més a més la cadena pot tenir entre tres (trioses) i set carbonis (heptoses). De la combinació d’aquestes dues propietats (número de carbonis, i presència de grup carbonil ceto o aldehid) resulta la classificació que es veu en aquesta diapositiva i a la següent. Els monosacàrids són les unitats estructurals de tots els carbohidrats. Cada monosacàrid consta d’una cadena de carbonis més o menys llarga, cada carboni està unit a un grup hidroxil i hidrògens, excepte el carboni del grup carbonil que pot ser ceto (>C=O) o aldehid (-CHO). D’això resulta que es classifiquin com a cetoses o aldoses, respectivament, a més a més la cadena pot tenir entre tres (trioses) i set carbonis (heptoses). De la combinació d’aquestes dues propietats (número de carbonis, i presència de grup carbonil ceto o aldehid) resulta la classificació que es veu en aquesta diapositiva i a la següent.

ALDOSES En aquesta diapositiva veiem les ALDOSES (aldotriosa, aldotetroses, aldopentoses, aldohexoses). Ressaltades en fons blau veiem les aldoses que tenen més rellevància en la nostra alimentació i el nostre metabolisme. Fixeu-vos que totes les aldoses representades tenen l’hidroxil de l'últim carboni asimètric a la dreta, per convenció s’agafa aquest com a referència per identificar de quin enantiòmer es tracta. Aquí són tots isòmers D. ***Si mirem aquesta col·lecció d’aldoses reflectides a un mirall, veurem els isòmers.....................? ***Els monosacàrids presents en els organismes vius són enantiòmers D o L?

CETOSES El mateix que hem descrit a la diapositiva anterior s’aplica en aquest cas per a la classificació de les cetoses (cetotriosa, cetotetroses, cetopentoses, cetohexoses). Noteu que mentre el gliceraldehid (aldosa) té un carboni asimètric, la dihidroxiacetona (cetosa) és una molècula simètrica, no té cap àtom quiral. Veiem ressaltades en fons blau les cetoses que tenen més rellevància en el nostre metabolisme i dieta. Com en la diapositiva anterior, tots els monosacàrids representants aquí són els enantiòmers D perquè l’–OH de l'últim carboni quiral, el més allunyat del grup funcional, està situat a la dreta. Els enantiòmers D són els que es troben als organismes vius. La família d’enantiòmers L tant d’aldoses com de cetoses és inexistent a la natura, a excepció d’algunes formes bacterianes.

En dissolució aquosa, la llargada de les pentoses i hexoses permet que la cadena es ciclitzi per la formació d’un enllaç hemiacetal (o hemicetal) intramolecular, reacció entre el grup carbonil (aldehid o ceto) i el grup hidroxil del carboni asimètric més allunyat. De fet, sols una de cada 40.000 molècules de glucosa es troba en forma de cadena oberta. Quan es forma l’anell, el carboni 1 (C1) de la glucosa es torna asimètric...