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Maria Assunta Bevilacqua » 5.I Carboidrati-struttura

I carboidrati

Sono i composti organici più abbondanti sulla terra

Contengono: C, H, O con formula bruta (CH₂O)_n.
Sono Aldeidi o Chetoni poliossidrilici
Possono essere suddivisi in:

Monosaccaridi:
- Glucosio, Fruttosio, Galattosio;
- Ribosio.
Disaccaridi:
- Maltosio, Saccarosio, Lattosio.
Polisaccaridi:
- Amido, Glicogeno, Cellulosa.
Carboidrati complessi:
- Proteoglicani, Glicosamminoglicani, Glicoproteine.

La lezione è della Prof. Marina De Rosa

I monosaccaridi

Lo scheletro dei monosaccaridi è costituito da una catena di atomi di carbonio non ramificata in cui tutti gli atomi di carbonio sono uniti da legami singoli.
Tutti gli altri atomi di C hanno come sostituente un gruppo ossidrilico. Se il gruppo carbonilico è all’estremità (è quindi in un gruppo aldeidico), viene detto aldosio, se è in altra posizione (cioè in un gruppo chetonico), è detto chetosio.
Un atomo di carbonio con quattro sostituenti diversi è asimmetrico e viene detto chiralico. Alcuni stereoisomeri sono immagini speculari l’uno dell’altro e vengono detti enantiometi. Gli enantiomeri differiscono per la loro interazione con la luce polarizzata. Due enantiomeri posti in soluzioni separate ruotano il piano della luce polarizzata in direzioni opposte, mentre soluzioni equimolecolari dei due enantiomeri non mostrano alcuna attività ottica.
I monosaccaridi sono solidi cristallini solubili in acqua, ma non in solventi apolari chimicamente sono aldeidi o chetoni con due o più gruppi ossidrilici.
Nella forma a catena aperta uno degli atomi di carbonio è legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno.
Tutti i monosaccaridi (eccetto il diidrossiacetone) contengono uno o più atomi di carbonio asimmetrici e quindi sono presenti in natura molti stereoisomeri (forme isomeriche otticamente attive).

Fig. 5.1: struttura di monosaccaridi a tre (a) ed a sei atomo di Carbonio (b, c)

Stereoisomeri della gliceraldeide

Gli stereoisomeri sono immagini speculari l’uno dell’altro.

Isomero D: il gruppo ossidrilico dell’atomo di carbonio asimmetrico di riferimento (più lontano dal gruppo carbonilico) è a destra della formula di proiezione.

Isomero L: il gruppo ossidrilico dell’atomo di carbonio asimmetrico di riferimento è a sinistra della formula di proiezione;

Due zuccheri che differiscono solo nella configurazione attorno ad un atomo di carbonio vengono detti epimeri.

Fig. 5.2.1: isomeri della gliceraldeide

Fig. 5.2.2: gli epimeri del D-Glucosio cioè il D-Mannosio e il D-Galattosio

Monosaccaridi

Fig. 5.3

Formazione della forma ciclica del D-glucosio

In soluzione il D-glucosio è in forma di emiacetale intramolecolare in cui il gruppo OH libero sul C-5 reagisce con il C carbonilico, reazione che rende questo atomo di carbonio asimmetrico e genera le forme alfa e beta. Se il gruppo OH è sopra l’anello la configurazione è beta, se è sotto l’anello, la configurazione è alfa.

Le forme isomeriche dei monosaccaridi che differiscono soltanto per la configurazione intorno al carbonio emiacetalico o emichetalico vengono detti anomeri e l’atomo di carbonio emiacetalico (o emichetalico) è detto carbonio anomerico.

Le forme α e β del D-glucosio si interconvertono in soluzione mediante un processo chiamato mutuarotazione e formano all’equilibrio una miscela composta da circa 1/3 di α-D-glucosio, 2/3 di β-D-glucosio e quantità molto piccole di forme lineari ed anelli a cinque atomi.

Fig. 5.4.1: formazione della forma ciclica del D-Glucosio

Fig. 5.4.2: piranosi e Furanosi

Disaccaridi

I disaccaridi sono costituiti da due monosaccaridi uniti da un legame O-glicosidico; questo si forma quando un gruppo ossidrilico di uno zucchero reagisce con l’atomo di carbonio anomerico dell’altro zucchero.

I legami glicosidici sono facilmente idrolizzati dagli acidi, ma sono resistenti alle basi.

I disaccaridi contengono un legame glicosidico. Nei disaccaridi o polisaccaridi, l’estremità di una catena con un carbonio anomerico libero viene chiamata estremità riducente della catena.

Fig. 5.5.1: i disaccaridi contengono un legame glicosidico: formazione del Maltosio

Fig. 5.5.2: struttura dei principali disaccaridi

Polisaccaridi

La maggior parte dei carboidrati che si ritrovano in natura sono polimeri ad alto peso, molecolare chiamati polisaccaridi; l’unità monosaccaridica più frequente nei polisaccaridi è il D-glucosio. I più comuni polisaccaridi sono amido, glicogeno e cellulosa.

Amido: Miscela di catene lineari di glucosio e catene ramificate con ramificazioni ogni 24-30 unità;
Glicogeno: Catene con ramificazioni ogni 8-12 unità di glucosio.

L’amido costituisce la principale riserva vegetale, PM 100 Kda, formato da una miscela di:

Amilosio: catene lineari di a-D-glucosio 5-20 % unite da legame glicosidico (α-1,4);
Amilopectina: catene ramificate di α-D-glucosio 80-85 % unite da legami glicosidici (α-1,4) e (α-1,6) nei punti di ramificazione.

Fig. 5.6.1: omopolisaccaridi ed Eteropolisaccaridi

Fig. 5.6.2: amilosio e amilopectina

Il glicogeno

Negli animali, il glicogeno è la principale fonte di riserva di carboidrati, esso viene accumulato sopratutto nel fegato e nel muscolo scheletrico; è un omopolimero ramificato costituito da molecole di glucosio tenute insieme da legami α-(1,4) e α-(1,6) nei punti di ramificazione (8- 12 residui).
Ogni ramificazione termina con una unità di zucchero non riducente, quindi la molecola presenterà tante unità non riducenti quante sono le ramificazioni, ma una sola estremità riducente.
Amido e glicogeno sono accumulati nelle cellule sotto forma di grossi granuli (vedi figura).

Fig. 5.7.1: struttura del glicogeno

Fig. 5.7.2: una Immagine al microscopio elettronico di granuli di amido e granuli di glicogeno

Struttura della cellulosa

La cellulosa è una Sostanza fibrosa, insolubile in acqua, è presente in tutte le pareti cellulari delle piante.

è un omopolimero lineare, non ramificato, composto da circa 10.000-15.000 unità di β-D-glucosio legati da legami β1->4;

La cellulasi, che idrolizza i legami β1->4, manca nella maggior parte degli animali, per tale motivo la cellulosa non può essere utilizzata a scopi nutrizionali
Tutti i gruppi –OH sono utilizzabili per formare legami idrogeno con le catene vicine; numerose catene, legate insieme da legami idrogeno inter ed intra catena danno luogo alla formazione di fibre lineari e stabili con notevole resistenza alla tensione.

Fig. 5.8.1: struttura della cellulosa

Fig. 5.8.2: struttura della cellulosa

Eteropolisaccaridi

I glucosaminoglicani sono una classe di eteropolisaccaridi della matrice extracellulare, carichi negativamente, coinvolta in una serie di funzioni generalmente strutturali.
Consistono di una catena lineare di unità ripetitive di disaccaridi, in cui una delle unità monosaccaridiche, è costituita da un amminozucchero (N-acetilglucosamina o N-acetilgalattosamina o uno dei loro derivati) e l’altra, contiene almeno un gruppo solfato o carbossilato, carico negativamente.
Per rendere minime le forze repulsive tra i gruppi carichi vicini, queste molecole assumono in soluzione una conformazione estesa.

I proteoglicani sono macromolecole della superfice cellulare o della matrice extracellulare; rappresentano i principali costituenti del tessuto connettivo.
I proteoglicani sono formati da una piccola componente proteica (5%) e abbondante componente polisaccaridica (95%), costituita da glicosaminoglicani.

Le glicoproteine contengono uno o più oligosaccaridi di varia complessità uniti covalentemente a proteine; molte proteine della superficie cellulare o proteine secrete sono glicoproteine.

La glicolisi

Il glucosio è la forma principale in cui sono convertiti i carboidrati della dieta.
Sono indicati in figura gli organi Organi e tessuti che utilizzano la glicolisi quale principale meccanismo di produzione di ATP:

Glicolisi in anaerobiosi

Nei microorganismi anaerobi
Nelle cellule muscolari
Negli eritrociti

Glicolisi in aerobiosi
In cellule dove, in presenza di O₂ avviene la respirazione cellulare.

Fig. 5.9

Principali vie di utilizzo del glucosio

Fig. 5.10: le vie di utilizzazzione del glucosio in aerobiosi ed in anaerobiosi

Funzioni metaboliche della glicolisi

Produzione di ATP;
Produzione di Piruvato;
Formazione di intermedi necessari per altri processi biochimici come ad esempio la produzione di glicerolo per la sintesi dei trigliceridi.

Gli intermedi della glicolisi sono fosforilati, ciò offre alcuni vantaggi:

i gruppi fosfato, completamente ionizzati al pH cellulare, non possono attraversare la membrana citoplasmatica;
i gruppi fosfato degli intermedi ad alta energia vengono ceduti all’ADP per formare ATP;
spesso i gruppi fosfato si legano alle molecole enzimatiche.

Funzioni metaboliche della glicolisi (segue)

La glicolisi è una via metabolica in 10 reazioni per trasformare 1 molecola di glucosio in 2 molecole di piruvato con produzione di energia.
Nel processo glicolitico possiamo distinguere due fasi:

fase di investimento;
fase di produzione di energia.

La glicolisi avviene nel citosol.
Si producono 2 ATP, 2 NADH⁺ H⁺ per ogni molecola di glucosio.

La glicosi

Fig. 5.11

Fase di investimento energetico

Fig. 5.12: le reazioni della glicolisi da 1 a 5 di investimento energetico

Glicolisi: reazione 1 e 2

Reazione 1 della glicolisi è una reazione esoergonica irreversibile, catalizzata dalla esochinasi, con consumo di una molecola di ATP. L’esochinasi è un enzima allosterico che va incontro ad una profonda modificazione della sua forma quando lega la molecola di esoso (adattamento indotto); questa modificazione avvicina l’ATP alla molecola di glucosio legato all’enzima.

Il trasferimento dell’ossigeno carbonilico dal C1 al C2 fa si che il gruppo ossidrilico creato al livello del C1 possa essere facilmente fosforilato nella reazione successiva.

Reazione 2 il glucosio-6-P viene isomerizzato a fruttosio-6-P ad opera di una isomerasi.

Fig. 5.13.1: la fosforilazione del glucosio a glucosio-6.fosfato

Fig. 5.13.2

Glicolisi: reazione 3, 4 e 5

Reazione 3 è una fosforilazione con consumo di una seconda molecola di ATP, del fruttosio-6-P a Fruttosio-1-6-bisfosfato. La reazione è catalizzata dalla fosfofruttochinasi 1. Reazione esoergonica irreversibile nelle condizioni cellulari.
Tappa di regolazione della via glicolitica.

Reazione 4 è una reazione di scissione, catalizzata dall’enzima aldolasi, del fruttosio1,6-bisfosfato in diidrossiacetone-P e 3-fosfogliceraldeide.

Reazione 5 è una reazione di isomerizzazione. Il diidrossiacetone-P viene isomerizzato a 3-fosfogliceraldeide, ad opera di una isomerasi.
Soltanto la gliceralodeide-3-fosfato può essere utilizzata nelle reazioni successive della glicolisi.

Fig. 5.14.1: la terza reazione della glicolisi: la fosforilazione, ATP dipendente del fruttosio-6-P

Fig. 5.14.2: la quarta reazione della glicolisi: la scissione del fruttosio1,6-bisfosfato in diidrossiacetone-P e 3-fosfogliceraldeide

Fase di produzione di energia

Fig. 5.15

Glicolisi: reazione 6 e 7

Reazione 6
Prima reazione in cui si ha conservazione di energia: il gruppo aldeidico della gliceraldeide-3-fosfato viene deidrogenato ad anidride mista con l’acido fosforico formando un acil fosfato, composto ad elevata energia libera di idrolisi. L’Enzima gliceraldeide – 3P deidrogenasi ha le seguenti caratterisctiche: è un Tetramero; ciascuna subunità lega un NAD⁺; nel citosol la quantità di NAD⁺ è limitata.

La riduzione del NAD⁺ha luogo mediante il trasferimento di uno ione idruro, da parte dell’enzima, dalla gliceraldeide 3-P all’anello nicotinamidico del NAD⁺ generando NADH; l’altro atomo di idrogeno del substrato compare nella soluzione sotto forma di H⁺. Il NADH che si forma deve essere ossidato a NAD⁺ affinchè la glicolisi possa continuare.

Reazione 7

Reazione di fosforilazione a livello del substrato. A questo punto il bilancio netto di ATP della glicolisi è zero. Le reazioni 6 e 7 costituiscono un esempio di processo di accoppiamento energetico. L’1,3-bisfosfoglicerato è l’intermedio comune che si forma nella reazione 6 che da sola potrebbe essere endoergonica; Il suo gruppo fosforico impegnato nell’acil fosfato viene poi trasferito All’ADP per formare ATP nella reazione successiva 7.

Fig. 5.16.1: la sesta reazione della glicolisi

Fig. 5.16.2: la reazione di fosforilazione a livello del substrato (settima reazione della glicolisi)

Glicolisi: reazione 8 e 9

Reazione 8: è una Reazione di isomerizzazione reversibile nella quale è richiesto Mg2+

Reazione 9: è un Processo di ossido riduzione intramolecolare.
L’enolasi catalizza la rimozione reversibile di una molecola di H₂O producendo un metabolita ad alto contenuto d’energia (PEP) che nella reazione successiva cede un Pi all’ADP. La variazione di energia libera complessiva è piuttosto modesta, aumenta enormemente l’energia libera di idrolisi del legame fosfato: da – 17,6 kcal/mol (2-PG) a -61,9 kcal/mol (PEP).

Fig. 5.17.1: l'ottava reazione di isomerizzazzione

Fig. 5.17.2: la nona reazione catalizzata dall'enolasi

Glicolisi: reazione 10

Reazione 10: Fosforilazione al livello del substrato catalizzata dalla piruvato chinasi, richede K⁺ e Mg₂⁺ (o Mn₂⁺).
La reazione, essenzialmente irreversibile nelle condizioni intracellulari, rappresenta un importante sito di regolazione.

La tautomerizzazione spontanea dell’enol-pirunato nella forma chetonica (piruvato) rende la sintesi endoergonica di ATP un processo fortemente esoergonico.

Fig. 5.18.1: reazione 10 di fosforilazione a livello del substrato

Fig. 5.18.2: la tautomerizzazione dell'enolpiruvato nella sua forma chetonica di piruvato

Regolazione della glicolisi

Effetto Pasteur: la velocità della glicolisi e la quantità di glucosio consumato sono molto più elevate in condizioni aerobiche che anaerobiche; si ha un’inibizione della glicolisi da parte dell’ossigeno.

Oscillazioni di intermedi della glicolisi: i livelli intracellulari di NADH variano periodicamente ed in fase con quelli di ADP ed AMP, mentre I livelli di ATP sono sfasati di 180°: quindi l’attività della glicolisi dipende dalla carica energetica dell’adenilato.

La regolazione allosterica è ottenuta grazie agli enzimi: Esochinasi e Glucochinasi, Fosfofruttochinasi e Piruvatochinasi.

Regolazione ormonale: in tempi più lunghi la glicolisi è regolata da ormoni quali glucagone, adrenalina ed insulina.

Esochinasi e Glucochinasi

Esochinasi (isoenzima muscolare)

Ha una bassa specificità ed un’alta affinità per il glucosio, valore di Km di circa 0,1 mM; livelli glucosio entro 5mM/L, è il principale responsabile della fosforilazione del glucosio. La bassa specificità permette la fosforilazione di vari esosi (fruttosio e mannosio) promuovendo il loro utilizzo attraverso la glicolisi;
Enzima allosterico;
Viene inibita dal glucosio-6-P.

Glucochinasi (isoenzima epatico)

Il valore di Km per il glucosio (circa 10 mM) specifico per il glucosio;
Se I livelli di glucosio nel sangue aumentano oltre 5mM la glucochinasi è attiva e consente al fegato di rimuovere il glucosio, mentre l’esochinasi è completamente saturata (vedi figura);
La sua attività continua ad aumentare anche se la concentrazione di glucosio raggiunge valori pari o superiori a 10 mM (dopo un pasto ricco di carboidrati);
Non è inibita dal glucosio-6-P.

Fig. 5.19: quando i livelli di glucosio nel sangue aumentano oltre 5mM la glucochinasi è attiva e consente al fegato di rimuovere il glucosio, mentre l'esochinasi è completamente saturata

Fosfofruttochinasi PFK1

Enzima complesso composto da più subunità; alcuni degli attivatori ed inibitori allosterici agiscono influenzando l’interconversione tra dimero e tetramero.

Ogni subunità ha un sito catalitico, dove l’ADP ed il fruttosio sono quasi in contatto, ed un sito di legame per un regolatore allosterico.

La reazione catalizzata da PFK1 determina in modo irreversibile l’ingresso del glucosio nella glicolisi.

Fig. 5.20.1: struttura della Fosfofruttochinasi

Fig. 5.20.2

Regolazione allosterica della fosfofruttochinasi

A basse concentrazioni di ATP il valore di Km per il fruttosio-6-P è relativamente basso; ad alte concentrazioni di ATP, il valore di Km per il fruttosio-6-P aumenta molto (vedi figura).

Il fruttosio 2,6-bisfosfato ha effetti opposti sulle attività enzimatiche della PFK-1 (enzima glicolitico) e della FBPasi-1 (enzima gluconeogenico).

Regolazione della fosfofruttochinasi-1e della Fruttosio 1,6-bisfosfatasi (vedi figura e pagina successiva).

Figur Fig. 5.21.1: regolazione allosterica della fosfofruttochinasi da parte dell'ATP

Fig. 5.21.2: attivazione della PFK1 da parte del Fruttosio-2,6-bisfosfato

Regolazione allosterica della fosfofruttochinasi (segue)

Fig. 5.22

Regolazione della piruvato chinasi

Nei vertebrati esistono diversi isoenzimi della piruvato chinasi che differiscono per la distribuzione nei tessuti e per la risposta ai modulatori.
La piruvato chinasi (isoenzima epatico) è regolata mediante fosforilazione/defosforilazione.
La forma più attiva è defosforilata.

Piruvato chinasi in altri tessuti glicolitici.
È attivata dal fruttosio-1,6_-TP

Fig. 5.23: regolazione della piruvato-chinasi epatica

Vie di alimentazione della glicolisi

Molti carboidrati possono entrare nella via glicolitica dopo essere stati trasformati in uno degli intermedi della glicolisi.

Polisaccaridi: amido e glicogeno.
Disaccaridi: maltosio, lattosio, saccarosio.
Monosaccaridi: fruttosio, galattosio, mannosio.

I Polisaccaridi e disaccaridi della dieta vengono idrolizzati a monosaccaridi.
Nella bocca l’alfa-amilasi salivare inizia la digestione dell’amido e del glicogeno introdotti con la dieta.

Nelle cellule epiteliali che rivestono il lume dell’intestino tenue agisce l’alfa-amilasi pancreatica e altre idrolasi (lattasi, maltasi, saccarasi).

Disaccaridi e destrine presenti nel lume intestinale vengono idrolizzati a monosaccaridi. I monosaccaridi così formati passano dall’intestino al sangue e vengono trasportati al fegato e agli altri tessuti.

Lattosio e Galattosio

Intolleranza al lattosio

Malattia molto diffusa dovuta alla carenza dell’enzima lattasi. Il lattosio viene accumulato al livello intestinale, dove i batteri del colon lo convertono in sostanze tossiche quali acido lattico, metano e idrogeno. L’acido lattico, osmoticamente attivo, fa affluire acqua nell’intestino causando crampi addominali e diarrea.

Metabolismo del galattosio
Tale conversione prevede:

fosforilazione del galattosio sull’atomo di carbonio 1;
formazione di UDP-galattosio dall’UDP-glucosio;
l’UDP-galattosio viene convertito nel suo epimero UDP-glucosio dalla UDP-glucosio-4-epimerasi, in una reazione che comporta l’ossidazione del C4 da parte del NAD+ e quindi la sua riduzione da parte del NADH;
l’UDP-glucosio viene riciclato in un altro giro delle stesse reazioni.

Fig. 5.24.1: conversione del galattosio in glucosio-1-fosfato

Fig. 5.24.2

Lattosio e Galattosio (segue)

La Galattosemia è una Malattia ereditaria rara caratterizzata da carenza di uno dei tre enzimi della via di conversione di galattosio in glucosio. La carenza dell’enzima galattosio-1Puridiltransferasi causa la forma più grave di Galattosemia con Vomito, diarrea, epatomegalia, ittero che può progredire fino a cirrosi epatica, cataratte, ritardo mentale. La concentrazione di galattosio nel sangue è elevata.
Nel cristallino il galattosio, se manca la transferasi, è ridotto a galattilolo, composto osmoticamente attivo che determina ingresso di acqua inducendo la formazione di cataratte.