Resumo Carboidratos

Resumo Carboidratos

Estrutura e função de carboidratos

Os carboidratos, conhecidos como açúcares, são as biomoléculas mais abundantes na Terra, que exercem diversas funções como fonte e armazenamento de energia, elementos estruturais de paredes celulares, componentes de tecidos conectivos, reconhecimento e adesão celular, bem como sinalização celular. Este texto abordará a definição de carboidratos, monossacarídeos, dissacarídeos, polissacarídeos e glicoconjugados. Serão apresentadas as principais classes de carboidratos, destacando a estrutura e como a função de cada tipo de carboidrato é determinada pela estrutura. Também será brevemente discutido as lectinas e o papel dos carboidratos como moléculas informativas.

1. Introdução

Definição: Os carboidratos são poli-hidroxialdeídos ou poli-hidroxicetonas ou substâncias que geram estes compostos quando hidrolisados. A maioria dos carboidratos apresentam a fórmula empírica (CHO)n; entretanto, alguns contêm nitrogênio, fósforo ou enxofre. Os carboidratos são divididos nos seguintes grupos: monossacarídeos, que são os açúcares simples que são constituídos por uma única unidade poli-hidroxicetona ou poli-hidroxialdeído; oligossacarídeos, que são cadeias curtas de unidades de monossacarídeos, ou resíduos, unidos por ligação glicosídica; polissacarídeos, que são polímeros de açúcares que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeos, sendo lineares ou ramificados; e os glicoconjugados, polímeros de carboidratos complexos covalentemente ligados a proteínas ou lipídeos.

2. Os monossacarídeos

Os monossacarídeos, os mais simples carboidratos, são sólidos cristalinos e incolores, solúveis em água e a maioria tem sabor doce. Geralmente, os monossacarídeos apresentam cadeias não-ramificadas com os átomos de carbono unidos por ligação simples. Um dos átomos de carbono está duplamente ligado a um átomo de oxigênio, formando um grupo carbonil; os outros átomos de carbono estão ligados, cada um, a um grupo hidroxila. Quando o grupo carbonil é um grupo aldeído, o monossacarídeo é uma aldose; quando o grupo carbonil é um grupo cetona, o monossacarídeo é uma cetose. Os monossacarídeos mais comuns, que são os produtos da fotossíntese e os intermediários das sequências de reações produtivas de energia, são os com quatro, cinco, seis e sete átomos de carbono.

Os monossacarídeos são caracterizados por sua diversidade estereoisômérica. Todos os monossacarídeos, com exceção da di-hidroxicetona, contêm um ou mais átomos de carbonos assimétricos ou centros quirais e, portanto, ocorrem em formas isoméricas opticamente ativas. O gliceraldeído é a aldose mais simples e contém um centro quiral e assim tem dois enantiômeros (isômeros ópticos diferentes). A figura a seguir mostra os dois enantiômeros do gliceraldeído.

Geralmente, uma molécula com n centros quirais pode ter 2n estereoisômeros. Para cada um dos comprimentos de cadeia carbônica, os estereoisômeros dos monossacarídeos podem ser divididos em dois grupos, os quais diferem quanto à configuração do centro quiral mais distante do carbono do carbonil. Aqueles no quais a configuração desse carbono de referência é a mesma daquela do D-gliceraldeído são designados isômeros D, e aqueles com a mesma configuração do L-gliceraldeído são isômeros L. A maioria dos açúcares dos organismos vivos são isômeros D, entretanto alguns açúcares como a L-arabinose ocorrem na forma L.

O monossacarídeo mais comum, que serve como fonte de energia para todas as células, é a hexoaldose D-glicose. Outro monossacarídeos abundante nas frutas é a cetohexose D-frutose. A D-ribose é o monossacarídeo encontrado nos ribonucleotídeos. Epímeros são dois açúcares que diferem apenas na configuração de um carbono. São exemplos de epímeros a D-glicose e a D-manose (esteoquiometria do carbono 2) e D-glicose e D-galactose (esteoquiometria do carbono 4). A seguir é mostrada a estrutura dos açúcares citados neste parágrafo.

Em solução aquosa, as aldotetroses e todos os monossacarídeos com cinco ou mais átomos de carbono ocorrem predominantemente como estruturas cíclicas, nas quais o grupo carbonil liga-se covalentemente com o oxigênio de um grupo hidroxila presente na cadeia. O produto do ataque do grupo carbonil pelo álcool é chamado de hemiacetal e hemicetal, quando se tratar de uma aldose e uma cetose, respectivamente. Essa reação cria um centro quiral adicional e este átomo da carbonila é chamado de carbono anomérico. O álcool pode ser adicionado de duas maneiras diferentes ao carbono do carbonil, produzindo qualquer uma das duas configurações estereoisoméricas, denominadas α e β. As formas isoméricas de monossacarídeos que diferem apenas na configuração do átomo de carbono hemiacetal ou hemicetal são chamadas de anômericas. A figura a seguir mostra os dois anômeros da D-glicose.

Os compostos com anéis de seis membros são chamados de piranoses e os compostos com anéis de cinco membros são as furanoses. As aldohexoses podem existir na forma de piranose ou de furanose, sendo que esta última é menos estável e predomina a estrutura piranosídica. O anel piranosídico pode existir nas conformações cadeira e barco. A conformação em cadeira é a mais comum e pode ser axial (substituintes estão paralelos ao plano vertical) ou equatorial (substituintes estão perpendiculares ao plano), sendo que na conformação equatorial, os substituintes sofrem menos impedimento estérico. A conformação em barco é adotada quando os substituintes são muito volumosos. Os anômeros α e β da D-glicose podem interconverter em solução aquosa por um processo denominado mutarrotação, no qual uma forma em anel se abre brevemente na forma linear e se fecha novamente produzindo o outro anômero. A mistura em equilíbrio das duas configurações têm propriedades ópticas idênticas. Essa mistura consiste de um terço de α-D-glicose e dois terços de β-D-glicose, e quantidades muito pequenas das formas linear e furanose.

Além de existirem na forma simples, ou seja, esqueleto carbônico com um grupo carbonil e os demais carbonos hidroxilados, as hexoses podem apresentar derivados, nos quais o grupo carbonil oxidado a grupo carboxil sendo denominados açúcares ácidos (ácido N-acetilneuramínico, glicuronato, dentre outros), o qual apresenta carga negativa em pH neutro. Em outros derivados, a hidroxila é substituída por outro grupamento como o grupo amino dos aminoaçúcares (glicosamina, galactosamina, manosamina, N-acetil-glicosamina, ácido murânico) ou por um hidrogênio, originando os desoxiaçúcares (desoxirribose, fucose, ramnose). Estes derivados geralmente fazem parte de polímeros complexos ou de glicoconjugados. Além disso, as reações dos carboidratos envolvem intermediários que apresentam-se na forma fosforilada (um ácido fosfórico condensado a um dos grupos hidroxilas formando uma ligação do tipo éster de fosfato). As consequências da fosforilação são confinamento do açúcar dentro da célula e/ou ativação para posterior transformação química. Alguns derivados de açúcares fosforilados são componentes dos nucleotídeos.

Por fim, alguns monossacarídeos na sua forma linear podem reduzir o íon cúprico (Cu2+, um agente oxidante suave), sendo então denominados açúcares redutores. Nesses açúcares, o grupo carbonil é oxidado a um grupo carboxil. A reação de oxidação de um açúcar pelo íon cúprico é conhecida como reação de Fehling e foi por muitos anos utilizada para dosar os níveis de glicose nos fluidos biológicos.

3. Dissacarídeos

Os dissacarídeos são monossacarídeos unidos pela ligação covalente entre um grupo hidroxila de um açúcar e o carbono anomérico de outro, formando um acetal ou cetal. O composto resultante é denominado glicosídeo e a ligação covalente é chamada de ligação O-glicosídica. A ligação glicosídica também pode ser do tipo N-glicosídica quando o carbono anomérico está ligado a um átomo de nitrogênio como observado em glicoproteínas e gliconjugados. A ligação glicosídica não se forma diretamente entre dois monossacarídeos, o carbono anomérico de uma monossacarídeo é ativado pela ligação a um nucleotídeo (ligação fosfodiester) e o os nucleotídeos são excelentes grupos abandonadores, facilitando o ataque nucleofílico. Esta condensação envolve a eliminação de uma molécula de água e é prontamente hidrolizada por ácidos, mas resistente à clivagem por bases. Outra consequência da formação da ligação glicosídica é a formação de um açúcar não-redutor, pois pelo menos um dos carbonos anoméricos está envolvido na ligação glicosídica. Se o outro átomo de carbono não estiver envolvido em ligação glicosídica, a extremidade da cadeia com o carbono anômérico livre é denominada extremidade redutora. A nomenclatura comum para di ou oligossacarídeos especifica a ordem das unidades monossacarídeas, a configuração da cada carbono anómerico e os átomos de carbono participantes da ligação glicosídica. Além disso, é necessário também distinguir a estrutura em anel, inserindo pirano ou furano no nome; quanto a terminação do nome dos resíduos, o primeiro resíduo sempre recebe a terminação -sil e, o segundo -ose ou sídeo, se for um resíduo redutor ou não-redutor, respectivamente. Alguns dissacarídeos são a maltose (α-D-glicopiranosil-(1,4)-β-D-glicopiranose), lactose (açúcar do leite, β-D-galactopiranosil-(1,4)-β-D-glicopiranose), sacarose (açúcar das frutas, β-D-frutofuranosil-(2,1)-α-D-glicopiranosídeo) e trealose (açúcar da hemolinfa de insetos e utilizado como adoçante; α-D-glicopiranosil-(1,1)- α -D-glicopiranosídeo). A seguir é mostrada a estrutura de um açúcar redutor (lactose) e um açúcar não redutor (frutose).

4. Polissacarídeos

Polissacarídeos são polímeros de monossacarídeos com massa maior que 20000 Da, entretanto não existem massas moleculares definidas, uma vez que os polissacarídeos não são sintetizados a partir de um molde, em vez disso, o programa de síntese de polissacárideos é intrínseco às enzimas que catalisam a polimerização, e não há um ponto de parada específico, assim os produtos variam em comprimento. Os polissacarídeos diferem uns dos outros na identidade das unidades monossacarídicas repetitivas, no comprimento das cadeias, nos tipos de ligações unindo as unidades e no grau de ramificação. Existem os homopolissacarídeos e os heteropolissacarídeos. Os homopolissacarídeos contêm uma única espécie monomérica e servem como armazenamento de energia (amido e glicogênio) ou como elementos estruturais (quitina e celulose). Os heteropolissacarídeos fornecem suporte extracelular para organismos de todos os reinos.

a) Homopolissacarídeos

Os principais polissacarídeos de armazenamento são o amido, em células vegetais, e o glicogênio, em células animais, sendo ambos polímeros de glicose que ocorrem intracelularmente em grânulos. As moléculas de amido e glicogênio são extremamente hidratadas devido aos muitos grupos hidroxilas expostos e disponíveis para fazer ligação de hidrogênio com a água. As células preferem estocar glicose na forma de polímeros que na forma livre, porque enquanto na forma de polímero a glicose estocada corresponde a 0,01µM, na forma livre esta concentração seria de 0,4M, o que causaria a entrada de água e rompimento da célula, além do fato de que fora da célula a concentração de glicose é da ordem de 5mM, tornando difícil o transporte de glicose para dentro da célula.

O amido contém dois tipos de polímeros de glicose, amilose e amilopectina. A amilose consiste em longas cadeias não-ramificadas de resíduos de D-glicose conectados por ligações (α1,4). A amilopectina é altamente ramificada, sendo que as ligações glicosídicas que unem os resíduos de glicose sucessivos nas cadeias são (α1,4) e nos pontos de ramificação (que ocorrem a cada 24 a 30 resíduos) são ligações (α1,6).

O glicogênio é um polímero de subunidade de glicose ligadas por ligações (α1,4), como ligações (α1,6) nas ramificações (em média a cada 8 a 12 resíduos), tornando-se mais compacto que o amido. O glicogênio é armazenado no músculo esquelético e predominantemente no fígado, em grânulos com as enzimas da sua síntese e degradação. Cada ramificação do glicogênio termina em uma extremidade não-redutora e assim, um molécula com n ramificações tem n+1 extremidades não redutoras, que são as extremidades por onde as enzimas iniciam a degradação do glicogênio, e apenas uma extremidade redutora.

Bactérias e leveduras apresentam dextranas como polímeros de glicose, unidas por ligações do tipo (α1,6) e ramificações (α1,3). A adesão das bactérias entre si e ao dente na placa bacteriana devem-se as dextranas. As dextranas também são utilizadas na fabricação de produtos comercias, como a Sephadex que é utilizado para o fracionamento de proteínas.

A celulose é um homopolissacarídeo de glicose linear e não ramificado, que apresenta ligações glicosídicas do tipo (β1,4), que conferem propriedades físicas e macroscópicas diferentes em relação a amilose do amido. A celulose é fibrosa, resistente, insolúvel em água e é encontrada na parede celular de plantas, constituindo grande parte da massa de madeira. É um dos principais componentes do papelão, algodão e linho. Além disso, a maioria dos vertebrados não consegue utilizar a celulose como fonte de energia, pois eles carecem de uma enzima que hidrolise ligações (β1,4). Os cupins e ruminantes conseguem digerir a celulose, porque apresentam microrganismos simbióticos em seus tratos gastrointestinais capazes de hidrolisar estas ligações glicosídicas. As α-amilases e as glicosidases hidrolisam das ligações (α1,4) do amido e glicogênio e assim, estes são usados como fonte de combustível.

A quitina é um homopolissacarídeo linear composto por resíduos de N-acetilglicosamina (o grupamento hidrolixa do carbono 2 da glicose é substituído por uma amina acetilada) em ligações glicosídicas do tipo (β1,4). A quitina também não pode ser digerida por vertebrados e é o principal componente do exoesqueleto dos artrópodes.

Os homopolissacarídeos se dobram em três dimensões. A forma em cadeira do anel piranose é essencialmente rígida, de modo que a conformação dos polímeros é determinada pela rotação das ligações entre os anéis e o átomo de oxigênio na ligação glicosídica, além do volume dos substituintes. O amido e o glicogênio formam estruturas helicoidais com ligações de hidrogênio dentro da própria cadeia, enquanto que a celulose e a quitina formam fitas longas e retas que interagem com as fitas vizinhas, por ligações de hidrogênio inter e intracadeias, produzindo fibras supramoleculares retas e estáveis, resistentes à tensão. Sendo assim, o enovelamento dos homopolissacarídeos é influenciado por fatores estéricos e ligações de hidrogênio.

b) Heteropolissacarídeos

As paredes das células bacterianas são rígidas devido a ligação glicosídica (β1,4) que une de forma alternada os resíduos de N-acetilglicosamina e N-acetilmurânico. Os polímeros lineares encontram-se lado a lado na parede celular e são cruzadamente ligados por peptídeos curtos. A lisozima das lágrimas tem efeito bactericida porque é capaz de hidrolisar as ligações glicosídicas (β1,4), protegendo assim os olhos de infecções bacterianas. A penicilina por sua vez atua impedindo a formação das ligações cruzadas, tornando a parede celular mais fraca.

A parede celular de algumas algas vermelhas é formada por ágar, um heteropolissacarídeo sulfatado composto por D-galactose e 3,6-anidro-L-galactose unidos por ligação glicosídica (β1,4). A quantidade de sulfato varia entre as espécies. A agarose é o componente do ágar que possui menos grupos sulfatos e pode forma géis, sendo muita utilizada nos laboratórios de bioquímica. Além disso, o ágar é utilizado no encapsulamento de vitaminas e medicamentos; pois o ágar seco dissolve-se prontamente no estômago e é metabolicamente inerte.

Na matriz extracelular dos tecidos animais são encontrados os glicosaminoglicanos, que são uma família de heteropolissacarídeos lineares compostos por unidades dissacarídeas repetidas, sendo que uma das duas unidades de monossacarídeos é um ácido urônico (exceto no queratan sulfato) e a outra é um aminoaçúcar N-acetilado. Ésteres de sulfalto em alguns dos grupos hidroxila e em alguns dos grupos amino de resíduos de glicosaminaglicanos (exceto no ácido hialurônico) dão a esses polímeros alta densidade de cargas negativas, forçando-os a adotarem conformações estendidas. Além disso, os segmentos sulfatados da cadeia permitem a interação com um grande número de proteínas. As principais classes de glicosaminoglicanos são: a) ácido hialurônico, que com contém resíduos de ácido D-glucorônico e N-acetilglicosamina ligados por ligação (β1,3), forma soluções viscosas que lubrificam as articulações, dão a consistência gelatinosa do humor vítreo nos olhos, e é também um componente da matriz extracelular (interagindo de forma não-covalente com outros elementos da matriz) de cartilagem e tendões, conferindo resistência e elasticidade; b) sulfato de condroitina, que contém resíduos de ácido D-glucorônico e N-acetilglicosamina sulfatada ligados por ligação (β1,3), auxilia na flexibilidade da pele e também está presente nos vasos sanguíneos e válvulas cardíacas; c) queratan-sulfato, que contém resíduos de D-galactose e N-acetilglicosamina sulfatada ligados por ligação (β1,4) e estão presentes em cartilagens, ossos e estruturas córneas formadas por células mortas, como chifres, unhas, cabelos, cascos e garrras; d) heparan-sulfato, que contém resíduos de ácido L-idurônico e N-acetilglicosamina sulfatada ligados por ligação (α1,4) que interage com várias proteínas, interferindo na sua atividade.

5. Glicoconjugados

Os glicoconjugados são moléculas biologicamente ativas em que o carboidrato que carrega uma informação está ligado a uma proteína ou lipídeo. Existem três tipos de glicoconjugados: proteoglicanos, glicoproteínas e glicoesfingolipídeos. Os proteoglicanos são glicoconjugados nos quais os glicosaminoglicanos sulfatados estão ligados a uma proteína central. Estão voltados à superfície externa da membrana plasmática, fornecendo pontos de adesão, reconhecimento e transferência de informação entre a célula ou entre as células e a matriz extracelular.

As glicoproteínas contêm oligossacarídeos covalentemente ligados a resíduos de aspartato, serina ou treonina. Muitas proteínas extracelulares ou da superfície celular são glicoproteínas, assim como a maioria das proteínas secretadas. Os oligossacarídeos covalentemente ligados influenciam o enovelamento e a estabilidade das proteínas, fornecem informações cruciais sobre o destino das proteínas recentemente sintetizadas e permitem o reconhecimento específico por outras proteínas.

Os glicolipídeos são lipídeos covalentemente ligados a oligossacarídeos. Em vegetais e animais, os oligossacarídeos se ligam aos esfingolipídeos, sendo denominados como gangliosídeos e atuam na comunicação extracelular. Nas bactérias, oligossacarídeos complexos se ligam a lipídeos da membrana de bactérias gram-negativa, sendo denominados lipopolissacarídeos, os quais podem ser tóxicos para humanos e são o alvo primordial dos antibióticos.

6. Carboidratos como moléculas informativas e lectinas

Os monossacarídeos podem ser organizados em uma variedade quase ilimitada de oligossacarídeos, os quais diferem na estereoquímica e a na posição das ligações glicosídicas, no tipo de orientação dos grupos substituintes e no número e no tipo de ramificações. Os glicanos contêm muito mais densidade de informação do que os ácidos nucleicos ou as proteínas. Neste contexto, surgiu a glicômica, que é a determinação da totalidade das moléculas contendo açúcar em uma célula ou tecido, assim como a determinação da função de cada uma dessas moléculas.

As lectinas são proteínas com domínios de ligação a carboidratos com especificidade alta e são comumente encontradas na superfície externa das células, onde iniciam interações com outras células por meio do reconhecimento de glicoprotéinas ou glicolipídeos. Em vertebrados, oligossacarídeos marcados como lidos por lectinas determinam a taxa de degradação de certos hormônios peptídicos, proteínas da circulação e células sanguíneas. Patógenos bacterianos e virais, e alguns parasitas eucariotos, aderem-se às células-alvo animais por meio da ligação de lectinas dos patógenos a oligossacarídeos da superfícies da célula-alvo.

Conclusão

Os carboidratos são biomoléculas complexas do ponto de vista estereoisomêrico, que acaba determinando uma complexidade também estrutural. A diferença entre uma única hidroxila por exemplo, distingue a glicose da maltose. Quando em forma cíclica, a conformação anomérica em α ou β de um resíduo de monossacarídeo forma um determinado dissacarídeo. Os polissacarídeos apesar de apresentarem pouco heterogeneidade quanto aos monossacarídeos, basta uma diferença no tipo de conformação do carbono anomérico que participa das ligaçãoes glicosídicas para assumir conformações tridimensionais distintas e mudar completamente a função, aqueles que apresentam α são de armazenamento, enquanto quase todos os polissacarídeos estruturais estão na conformação β. Por fim, os glicosaminoglicanos e os oligossacarídeos podem se ligar covalentemente a proteínas e lipídeos, participando de vias de reconhecimento e informativas, sendo as vezes reconhecidos por proteínas altamente específicas, as lectinas.

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