2° Lezione - Zuccheri - Scuola1024

I carboidrati

ZUCCHERI o CARBOIDRATI o SACCARIDI
formula bruta:
CnH2n 2nOn o Cn(H (H2O) O) n (dove
(dove n= 3-9) 9)
struttura monomerica o polimerica
Classi:
Monosaccaridi
Oligosaccaridi (2 (2-11 11 monomeri monomeri)
Polisaccaridi (> 11 monomeri monomeri)
fonte energetica (es. glucosio e amido)
materiali strutturali (es. cellulosa e lignina)
riconoscimento proteina proteina-proteina proteina e cellula cellula-cellula cellula

P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Ripassiamo un po’: la formula planare di Fisher
Alcuni zuccheri presentano una particolare isomeria: quando
uno è l’immagine speculare dell’altro si parla di enantiomeria
C2, carbonio
asimmetrico
Forma destrogira, D Forma levogira, L

Il D-glucosio e L-glucosio
sono enantiomeri, cioè sono
immagini speculari.
I Diasteroisomeri sono isomeri che
non sono immagini speculari.
Il D-glucosio e D-galattosio sono
diasteroisomeri e cambia solo la
configurazione attorno al C4. Si
definiscono epimeri.

Epimeri o isomeri?
Isomero: stessa formula
chimica ma struttura
differente
Epimero: differiscono
solo per la
configurazione di un
atomo di C (non
carbonilico)
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

L’albero “genealogico”
degli aldosi
In rosso, il C
asimmetrico
più lontano dal
gruppo
aldeidico che
determina la
designazione D
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

… e quello
dei chetosi
In rosso, il C
asimmetrico più
lontano dal gruppo
cheto che
determina la
designazione D

Gli anomeri α e β sono in
equilibrio tra loro in un
processo denominato
mutarotazione
mutarotazione, , passando
attraverso l'apertura della
forma ciclica dello zucchero.
I pentosi e gli esosi possono dare
origine ad anelli da cinque ( (furanosi furanosi) )
o da sei atomi ( (piranosi piranosi). ). La
formazione dell'anello crea un nuovo
centro chirale sul C1 con la
formazione di due anomeri anomeri.
Gli anelli possono assumere due
conformazioni: a barca o a sedia.
La sedia è più stabile perchè nella
barca sono presenti repulsione tra
i gruppi in posizione assiale

Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007
Formazione dei piranosi
In soluzione acquosa il
glucosio si “piega” e
l'ossidrile in posizione 5 si
avvicina al carbonio
carbonilico. E' possibile un
solo tipo di ripiegamento
per motivi di ingombro
sterico e di repulsione
elettronica tra il doppietto
non condiviso dell'ossidrile
in 5 e il doppietto
dell'ossigeno carbonilico.
L'attacco del carbonio porta alla formazione di glucosio
con catena chiusa ed è caratterizzato dalla reazione tra
aldeidi ed alcoli che forma i cosidetti emiacetali.

Formazione dei furanosi
Il gruppo OH sul C5 attacca il gruppo chetonico in C2 per formare
un emichetale intramolecolare. Sono possibili due anomeri (α e β).
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

Il fruttosio può
formare sia anelli
furanosici che
piranosici esatomici
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

Reattività dei monosaccaridi
Reazioni di ossidazione Reazioni di riduzione
CHO
HCOH
HOCH
HCOH
HCOH
CH CH2OH OH
D-glucosio glucosio
COOH
HCOH
HOCH
HCOH
HCOH
CH CH2OH OH
Acido DD-gluconico
gluconico
CHO
HCOH
HOCH
HCOH
HCOH
COOH
Acido DD-glucuronico
glucuronico
CH CH2OH OH
C = O
HOCH
HCOH
HCOH
CH CH2OH OH
D-fruttosio fruttosio
CH CH2OH OH
OHCH
HOCH
HCOH
HCOH
CH CH2OH OH
D-mannitolo mannitolo
CH CH2OH OH
HCOH
HOCH
HCOH
HCOH
CH CH2OH OH
D-sorbitolo sorbitolo

Il legame glicosidico tra due monosaccaridi genera un
disaccaride…..
del ß-galattosio
………ma, per fortuna, non è indissolubile!

Il legame glicosidico
e il feeling con le proteine

Gli zuccheri semplici nella cellula sono fosforilati. Perché?
PO 2-
3
Diidrossiacetone fosfato
(DHPA)
PO 2-
3
Gliceraldeide 3 fosfato
PO 2-
3
Glucosio 6 fosfato
La fosforilazione rende gli zuccheri anionici: rimangono
intrappolati nella cellula
La fosforilazione crea intermedi reattivi (vedere lezione sui
composti ad alta energia): formano facilmente legami con altre
molecole

Derivati dei monosaccaridi
Sono spesso esposti sulle superfici
cellulari
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

DISACCARIDI
Lattosio Lattosio: 1 molecola di glucosio e 1 molecola di galattosio
legati con legame b-glicosidico glicosidico tra il carbonio anomerico (C (C1)
del galattosio ed il C4 del glucosio glucosio. E’ uno zucchero
riducente (l’O l’O legato al carbonio anomerico non è impegnato in legami e
può ossidarsi ossidarsi)
E’ lo zucchero del
latte
Viene idrolizzato dall’enzima ββ--galattosidasi
galattosidasi oo lattasi lattasi.. Il
galattosio viene poi epimerizzato a glucosio e quindi assorbito assorbito.

L’intolleranza al lattosio
La b- galattosidasi è un’enzima
intestinale.
In caso di carenza/assenza
della b- galattosidasi, lo
zucchero non scisso transita
velocemente verso il colon.
Nel colon, la fermentazione batterica genera CO 2 e
H 2O e acidi organici irritanti.
E’ ora disponibile un tipo di latte in cui il lattosio è
stato già idrolizzato.

L’intolleranza al
lattosio: come si
riconosce?

DISACCARIDI
Maltosio Maltosio: 2 molecole di glucosio legate con legame a-1,4glicosidico
glicosidico. E’ uno zucchero riducente riducente. In natura si trova
in quantità discrete solamente nei semi germogliati.
Si produce per idrolisi
dall’amido che è
costituito da amilosio e
amilopectina, un
polimero ramificato,
legami (14) e (16)
glucosidici.
Viene idrolizzato dalla maltasi maltasi (stessa localizzazione
della lattasi)

DISACCARIDI
Saccarosio (lo zucchero da tavola) tavola): 1 molecola di
glucosio + 1 molecola di fruttosio legati con legame
glicosidico (configurazione α nel glucosio e β nel
fruttosio) che unisce i due carboni anomerici (C (C1 del
glucosio e C2 del fruttosio) . Non è quindi uno
zucchero riducente
Si ottiene per
estrazione dalla
barbabietola e dalla
canna da zucchero
Viene scisso nei due componenti monosaccaridici
dall’enzima saccarasi saccarasi

Un piccolo inciso: i dolcificanti artificiali
La saccarina: transita attraverso l'apparato
digerente senza alterare l’insulinemia e senza
fornire elevata energia all'organismo.
Problema: cancerogeno???
Aspartame: È composto da due aa: acido
aspartico e fenilalanina. Pur avendo la stessa
quantità di calorie del saccarosio, il suo potere
dolcificante è 200 volte maggiore. Le persone che
soffrono di fenilchetonuria, (difficoltà nel
metabolizzare la fenilalanina), devono controllare
l'assunzione di aspartame in quanto fonte di
fenilalanina.

Un piccolo inciso: i dolcificanti artificiali
Acesulfame Dolcificante (5,6dimetil
dimetil-1,2,3,ossa ,ossa-tiazina tiazina-4(3H) H)-uno uno-
2,2-biossido) biossido) circa 200 volte più
dolce dello zucchero zucchero.
A differenza dell'aspartame, è a
contenuto calorico nullo (come la
saccarina) saccarina).
Resiste ad alte temperature e può
essere utilizzato con cibi da
cuocere cuocere.
Fu approvato nel 1988 dall'FDA, con un'assunzione
consigliata non superiore a 15 mg/kg di peso peso.

Non solo pane!
La birra viene prodotta dalla
fermentazione alcoolica dei carboidrati
presenti nei cereali come polisaccaridi.
Inizialmente si demoliscono i polisaccaridi con il processo della
maltazione (germinazione dell’orzo fino ad ottenere gli enzimi
necessari all’idrolisi dei legami β della cellulosa e altri enzimi
quali la maltasi e la α-amilasi).
Quindi si aggiunge il lievito che ossida il piruvato formato dalla
glicolisi a CO 2 e H 2O. Quando tutto l’ossigeno presente nel
mosto è consumato, il lievito innesca il metabolismo anaerobico
del glucosio a etanolo e CO 2.
La schiuma dipende dalla quantità di proteine disciolte e non
digerite dagli enzimi proteolitici liberati dal processo di
maltazione

P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

I Polisaccaridi o glicani
Omopolisaccaridi
costituiti da un unico tipo di
unità monomerica es. amido,
glicogeno, destrani destrani)
Ruolo prevalente:
Strutturale (chitina
nell’esoscheletro dei
coleotteri) e riserva
energetica (glicogeno)
Eteropolisaccaridi
costituiti da diverse
unità monomeriche
Ruolo prevalente:
Strutturale (agar nelle alghe
rosse) e signalling (interazione
cellula cellula-cellula cellula e risposta
immunitaria, coagulazione del
sangue)

I carboidrati complessi: la struttura
Il cellobiosio ha un legame glicosidico
β-(1 4) tra le due molecole di glucosio glucosio.
E’ il monomero della cellulosa cellulosa.
La conformazione del legame
glicosidico ß-(1 (1 4) comporta la
formazione di una struttura
piatta, a nastro stabilizzata da
catene interne di legami ad
idrogeno

L'amilosio è un polimero con legami
glucosidici α(1 4).
La conformazione del legame α(1 4)
comporta la formazione
tridimensionale di una struttura ad
elica. Ciò produce granuli visibili in
molte cellule
Glicogeno e l'amido sono
polisaccaridi di riserva con
strutture altamente
ramificate.
I residui di glucosio sono in
entrambi i casi legati da
legami α(14), mentre la
ramificazione si crea con
legami α(16).

Cellulosa ed amilosio: ottimizziamo gli spazi e non solo…… solo…….
1
1
Amilosio
Cellulosa
1b
1b

La catena lineare formata dai
legami β è adatta alla
costruzione di fibre con
elevata resistenza alla
trazione.
Al contrario l’elica formata dai
legami α è adatta a formare
una riserva di zucchero,
facilmente utilizzabile
L’uomo non ha la cellulasi cellulasi quindi non può digerire la cellulosa.
Ciononostante, nella dieta le fibre sono importanti perché quelle insolubili
(cellulosa) aumentano la velocità del transito intestinale, quelle solubili
(pectine) migliorano l’assorbimento di nutrienti.
Inoltre aumentano il senso di sazietà!
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

il livello ematico di glucosio ( (glicemia glicemia) ) deve essere
mantenuto entro un intervallo molto stretto (70 (70-110 110
mg/dl)
l’eccesso di glucosio proveniente dalla dieta viene
immagazzinato sotto forma di glicogeno
(glicogenosintesi
glicogenosintesi) ) (fegato, muscolo)
per correggere l’ipoglicemia il glucosio viene
mobilizzato dal glicogeno ( (glicogenolisi
glicogenolisi) ) o sintetizzato
ex novo ( (gluconeogenesi
gluconeogenesi)

Estremità
non riducenti
Estremità
non riducente
Punto di
ramificazione
Struttura del glicogeno
Estremità
riducente
legame (1 (1-- -->6) >6)
Punto di
ramificazione
legame (1 (1-- -->4) >4)
Estremità
riducente

Demolizione del glicogeno: l’enzima glicogeno fosforilasi
Nelson & Cox Principi di Biochimica del Lehninger IV edizione - Zanichelli

Glicogeno
fosforilasi
Att ività
tranferasica
dell’enzima
deramificante
Att ività
glucosidasica
(1-6)
dell’enzima
deramificante
Polimero (1-4) deramificato: può
subire ancora l’azione della fosforilasi
L’enzima deramificante
I residui di glucosio vicini
alla ramificazione vengono
rimossi con un processo a
due tappe:
1. L’enzima trasferisce 3
residui di glucosio
sull’estremità riducente più
vicina legandolo con legame
α-14 4 (attività
transferasica
transferasica)
2. il residuo di glucosio
attaccato alla catena con
legame α -16, 6, viene
rilasciato dall’attività α -
16 6 glucosidasica
dell’enzima
Nelson & Cox Principi di Biochimica del Lehninger IV edizione -
Zanichelli

La parete cellulare dei
batteri e delle alghe
contiene oligosaccaridi
strutturali: i
peptidoglicani
Le catene polipeptidiche
(palline colorate) uniscono
le catene polisaccaridiche
formando una struttura
che avvolge strettamente
la cellula e ne impedisce il
rigonfiamento e la lisi per
effetto dell’ingresso
osmotico dell’acqua
Nelson & Cox Principi di Biochimica del Lehninger IV edizione -
Zanichelli

Glicosaminoglicani (GAG) costituenti di matrici
extracellulari e tessuti connettivi
•Sono polisaccaridi complessi di elevate dimensioni fino a
milioni di Dalton.
•Costituiscono complessi di membrana o matrici extracellulari.
•Alcuni GAG presenti sulle cellule legano fattori di crescita e
hanno (forse) la funzione di immagazzinare questi fattori.
•Nei tessuti connettivi, i complessi igroscopici assorbono
l'acqua e funzionano da giunture cuscinetto.
•La cartilagine è flessibile e resistente per la presenza di
proteoglicani (glicosaminoglicani associati a specifiche
proteine).

L’elevata densità di
cariche negative, per
effetto di repulsione di
carica, impone la
conformazione distesa
tipica
molecole molecole.
di queste
GlcNAc GlcNAc6P = N-
acetilglucosamina 6
fosfato fosfato; GlcU = acido
glucuronico
glucuronico; IdoA= ß-Liduronato
iduronato.
Glicosaminoglicani
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Proteoglicani o
mucopolisaccaridi
mucopolisaccaridi:
le proteine
integrali di
membrana
In alcuni casi le
proteine sono
transmembrana
(sindecani), in altri
casi possono essere
ancorate mediante un
glicolipide legato
covalentemente alla
membrana
Nelson & Cox Principi di Biochimica del
Lehninger IV edizione - Zanichelli

Interazioni
proteiche con i
domini S
dell’ dell’eparan eparan
solfato: non
solo
anticoagulante
Nelson & Cox Principi di Biochimica del Lehninger IV edizione -
Zanichelli

Glicoproteine
Glicoproteine: coniugati carboidrati carboidrati-proteine proteine in cui la parte
oligosaccaridica ha una massa molecolare molto più piccola e
strutturalmente diversa da quella dei glicosaminoglicani che
costituiscono i proteoglicani
proteoglicani.
Nei globuli rossi, i glicani sono
ancorati a una glicoproteina
della superficie cellulare
chiamata glicoforina A, che
agisce anche come recettore
per il parassita della malaria
(plasmodium falciparum).

Le glicoproteine come trappole per virus
Perché cercare di uccidere virus come l'Hiv con farmaci
quando si potrebbe approntare per loro una trappola chimica?
Due team di ricercatori, indipendentemente l'uno dall'altro,
stanno cercando di individuare un metodo per costruire
“trappole” di questo genere
La strategia è tanto perfida quanto diretta ed efficace:
tendere una trappola ai virus inducendoli a entrare nelle
cellule "sbagliate", nelle quali il microrganismo non troverebbe
le strutture necessarie alla sua replicazione e, quindi, alla sua
sopravvivenza.
Gli eritrociti maturi mancano di DNA o delle strutture di
replicazione dello stesso, e sono quindi inutilizzabili per la
crescita da parte di qualsiasi invasore virale.

Riassumiamo….
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA
BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright
© 2006

Il codice saccaridico
Le cellule utilizzano
specifici oligosaccaridi per
codificare informazioni
come localizzazione
intracellulare delle
proteine, interazioni
cellula-cellula e
segnalazione extracellulare
Il ruolo delle selectine
(mediatori dei processi di
riconoscimento e adesione)
nel movimento dei linfociti
verso il sito di danno
tissutale o infiammatorio
infiammatorio.