Fórmula geral. Definição e classificação.
Os carbohidratos são as biomoléculas mais abundantes na face da terra. Cada ano, o processo de fotossíntese, converte mais de 100 bilhões de toneladas de CO2 em celulose e outros produtos vegetais. Certos carbohidratos (açúcar comum e amido) são a base da dieta da maior parte do mundo e a oxidação dos açúcares é a principal via metabólica fornecedora de energia na maioria das células que não fazem a fotossíntese .
Polímeros insolúveis de carbohidratos funcionam tanto como elementos estruturais, quanto de protecção nas paredes celulares bacterianas e vegetais e nos tecidos conjuntivos dos animais. Outros polímeros de carbohidratos, agem como lubrificantes das articulações esqueléticas e participam do reconhecimento e coesão entre as células. Polímeros mais complexos de carbohidratos, ligados covalentemente a proteínas ou lipídios, agem como sinais que determinam a localização intracelular ou o destino metabólico destas moléculas híbridas, denominadas de glicoconjugados.
Os glúcidos são poliidroxialdeídos ou poliidroxiacetonas (ou seus derivados), ou polímeros capazes de libertar por hidrólise aqueles compostos. Distinguem-se as oses, (glúcidos simples ou monossacáridos) e os ósidos que são aqueles cuja hidrólise origina vária oses (oligo e polissacáridos).
DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO:
Muitos destes compostos constituem uma fonte de energia para os organismos vivos imediatamente uilizável (glucose), ou como reserva (amido e glicogénio). Outros desempenham uma função estrutural (celulose e quitina).
O termo hidratos de carbono (carbohidratos), deriva do facto de muitos destes compostos (mas não todos) terem a formula geral: (CH2O)n. Alguns também contêm nitrogénio, fósforo ou enxofre. O termo açúcar, deriva do grego "sachkaron" que significa açúcar. Este termo deve contudo ser reservado para as oses simples (glicose, fructose etc) e para os di e trissacáridos.
Os carbohidratos estão divididos em três classes fundamentais, de acordo com o seu tamanho, a saber:
-Monossacáridos
-Oligossacáridos-Polissacáridos
Monossacáridos – ou açúcares simples, são constituídos por uma única unidade de polihidroxialdeído ou cetona. O monossacárido mais abundante na natureza, é a D-Glicose, também chamado de dextrose. Os monossacáridos com mais de quatro átomos de carbono, tendem a ter estrutura cíclica.
Oligossacáridos – são compostos por cadeias curtas de unidades monossacarídicas, ou resíduos unidos entre si por ligações glicosídicas. Dos oligossacáridos, os mais abundantes são os dissacáridos, formados por duas unidades de monossacáridos. A sacarose ou açúcar da cana, é o representante típico desta classe. Ela é composta por dois monossacáridos, cada um deles com 6 áomos de carbono: A D-glucose e a D-fructose. Nas células, a maioria dos oligossacáridos com três ou mais unidades, não ocorrem livres mas, são uidos a moléculas de não-açúcares, tais como lípidos e proteínas, formando glicoconjugados.
Os polissacáridos – São polímeros que contêm mais de 20 unidades de monossacáridos e podem ter até centenas ou milhares de unidades (glicogênio e amido). Alguns, como a celulose têm cadeias lineares, enquanto que outros, como o glicogénio, têm cadeias ramificadas. Glicogénio e celulose consistem em unidades repetitivas de D-glucose, mas eles diferem entre si no tipo de ligação glicosídica e consequentemente têm propriedades e funções biológicas diferentes.
MONOSSACÁRIDOS
As duas famílias de Monossacáridos: Aldoses e Cetoses:
Os monossacáridos são os carbohidratos mais simples e químicamente são aldeídos ou cetonas, contendo um ou mais grupos hidroxila na molécula. Os átomos de carbono nos quais os grupos hidroxila estão unidos, são centros quirais (carbonos assimétricos) e por isso, dão origem a numerosos açúcares estereoisómeros encontrados na natureza. Os açúcares não substituídos (isto é os não derivados), normalmente têm entre 3 a 7 átomos de arbono. São solúveis na água e insolúveis nos solventes polares. A maior parte deles tem sabor doce.
Químicamente eles são:
Aldeídos (polihidroxialdeídos) – Quando possuem vários grupos hidroxila e um grupo carbonilo situado na extremidade da cadeia. Neste caso, formam a família das aldoses.
Aldeídos (polihidroxialdeídos) – Quando possuem vários grupos hidroxila e um grupo carbonilo situado na extremidade da cadeia. Neste caso, formam a família das aldoses.
Cetonas (polihidroxicetonas) - Quando possuem vários grupos hidroxila e um grupo carbonilo situado em outra posição da cadeia. Neste caso formam a família das cetoses.
A aldose mais simples, possuei três átomos de carbono e denomina-se gliceraldeído (aldotriose). A cetose mais simples, também tem 3 átomos de carbono e denomina-se dihidroxiacetona (cetotriose).
Figura: Monossacáridos mais simples. (Lehninger, 4ª edição).
Existem monossacáridos com: 4 átomos de carbono – tetroses (aldotetroses e cetotetroses).
5 átomos de carbono – pentoses (aldopentoses e cetopentoses). A ribose e a dsoxiribose, são componentes dos ácidos nucleicos.
6 átomos de carbono – hexoses (aldohexoses e cetohexoses). A D-glicose e a D-fructose, são os monossacáridos mais comuns na natureza.
7 átomos de carbono – heptoses (aldoheptoses e cetoheptoses). São mais raros ocorrem principalmente como intermediários no metabolismo dos carbohidratos.
ESTEREOISOMERIA
Todos os monossacáridos com três ou mais átomos de carbono, excepto a dihidroxiacetona, contêm um ou mais átomos de carbono assimétrico (quiral), e assim ocorrem em formas isoméricas opticamente activas. O carbono assimétrico, é aquele que possui as suas quatro ligações comprometidas por átomos ou grupos de átomos, todos diferentes.
Figura: Uma das maneiras de repesentar os dois isómeros do gliceraldeído. Os dois estereoisómeros, são imagens especulares um do outro. (Lenhinger, 4ª edição)
A aldose mais simples que tem um carbono assimétrico é o gliceraldeído, ele possui um centro quiral e portanto, tem dois enantiómeros (dois isómeros ópticos diferentes que são a imagem especular um do outro). Por convenção, uma das fórmas é denominada D-isômero e outra L-isômero. Para representar estruturas de açúcares de maneira tridimensional no papel, empregamos correntemente as fórmulas de projecção de Fisher.
Figura: Fórmula de projeção de Fisher. Nesta fórmula, as ligações horizontais, são as que estão projectadas para a frente no modelo bola e bastão e as ligações verticais, são as que estão projectadas para trás. (Lehninger, 4ª edição).
Em geral, uma molécula com n carbonos assimétricos (n centros quirais), pode ter 2n estereoisómeros. Assim, as aldohexoses com quatro centros quirais têm 24 estereoisómeros = 16 estereoisómeros.
Os estereoisómeros dos monossacáridos podem ser divididos em 2 séries: Série D e série L. Aqueles cujo último carbono de referência se assemelha ao carbono assimétrico do D-gliceraldeído, pertencem á série D. Os que se assemelham ao L-gliceraldeído, pertencem á série L. A maioria dos açúcares encontrados nos organismos, pertence a série D.
Dois açúcares que diferem sómente na configuração ao redor de um único átomo de carbono, são chamados de epímeros (ex: a D-glicose e a D-manose, que diferem apenas no carbono 2, ou a D-glicose e a D-galactose, que diferem no carbono 4).
A maioria dos açúcares, ocorre naturalmente na forma D mas há excepções, como a L-arabinose e os L-isômeros de alguns derivados de açúcares componentes de glicoconjugados.
NOMENCLATURA: Os átomos de carbono de um açúcar são numerados começando-se pela extremidade da cadeia mais próxima ao carbono carbonila. Cada uma das aldoses, tem nome próprio e as cetoses com cinco átomos de carbono, são designadas inserindo o "ul" no nome da aldose correspondente. Por exemplo,: D-ribulose é o nome da cetopentose correspondente à aldopentose ribose. Quanto às cetohexoses, elas fogem a esta regra : Por exemplo a frutose, é a cetose com seis átomos de carbono, não tendo o seu nome derivado de nenhuma aldohexose, mas sim do facto de ser um açúcar muito abundante nas frutas.
ESTRUTURA CÍCLICA DOS MONOSSACÁRIDOS:
Os monossacáridos comuns, possuem estrutura cíclica: Quando em solução aquosa, as aldotetroses e todos os monossacáridos com cinco ou mais átomos de carbono ocorrem predominantemente como estruturas cíclicas (anel) nos quais, o grupo carbonilo forma uma ligação covalente com o oxigênio de um grupo hidroxila ao longo da cadeia. A formação destas estrturas em anel, é o resultado da reacção geral entre aldeídos ou cetonas e alcoois, formando derivados denominados hemiacetais, que apresentam um átomo de carbono assimétrico adicional e assim podem existir mais duas formas estereoisómeras. Por exemplo, quando em solução aquosa a D-glicose existe como um hemiacetal intramolecular. Assim o grupo hidroxila do C-5, reagiu com o grupo aldeído em C-1 e o C-1 passou a ser um novo carbono assimétrico (novo centro quiral), produzindo dois novos estereoisómeros: a e b. É assim formado um anel de 6 átomos, conhecido como piranose, porque se considera semelhante ao anel de seis átomos do pirano. A nomenclatura sitemática para os dois aneis de D-glicose são a-D-glicopiranose e b-D-glicopiranose. Existem aneis de 5 átomos de carbono denominadas de furanoses, pela sua semelhança ao anel de cinco átomos de furano.
Figura: Fórmula de Haworth representando a D-glucopiranose. (Campos; Entender a Bioquímica; 1ª edição).
Neste tipo de fórmula, para a série D, os isómeros a são aqueles em que o oxidrilo ligado ao carbono 1 (aldoses) ou ao carbono 2 (cetoses) está à direita (isto é, mesmo ao lado da ponte oxídica), enquanto os isómeros b são representados com este oxidrilo á esquerda .
As formas isoméricas dos monossacáridos, que diferem uma da outra apenas na ua configuração ao redor do átomo de carbono hemiacetal, são chamadas de anômeros e o átomo de carbono hemiacetal (antigo carbonila), é chamada de carbono anomêrico.
As cetohexoses também existem nas formas anoméricas a e b. Nestes compostos, o grupo hidroxila em C-5 (ou C-6) reage com o grupo cetônico em C-2, formando um anel furanosídico contendo uma ligação hemiacetal. A D-fructose forma predominantemente uma anel furanosídico, sendo que o anômero mais comum é a b-D-frutofuranose.
As formas cíclicas, são comunmente representadas como fórmulas em perspectiva de Haworth.
DERIVADOS DAS HEXOSES
Existem hexoses simples muito importantes, tais como a glucose, a galactose e a manose, qu além disso possuem derivados, também de grande importância. Neste derivados em geral, um grupo hidroxila no composto original é substituído por um outro grupo, ou um átomo de carbono é oxidado a áxido carboxílico.
-Desoxirribose
-Osaminas
-Ácidos aldónicos
-Ácidos urónicos
-Ácidos Aldáricos
-Ácidos siálicos
-Viamina C
-Ésteres fósfóricos das oses
-Glicósidos
-Ciclitois
Figura: Desoxirribose, componente do DNA. (Campos, 1ª Edição).
OSAMINAS – São açúcares (normalmente a glicose, galactose e manose), nos quais o grupo hidroxila em C-2 do açúcar original é substituído por um grupo amino. As osaminas mais comuns, são a glicosamina, galactosamina e a manosamina.
Figura: Osaminas biológicamente mais relevantes. (Campos 1ª edição).
ÁCIDOS ALDÓNICOS- São derivados das aldoses, por oxidação do carbono carbonilo que passa de COH, para COOH. São nomeados substituindo o sufixo "ose" por "ónico".
ÁCIDOS URÓNICOS: -São formados a partir das aldoses, em que o grupo terminal –CH2OH, é oxidado a COOH. O nome é formado pela palavra ácido e a substituição do sufixo "ose" por ácido -urónico.
ÁCIDOS ALDÁRICOS: - São ácidos dicarboxílicos de açúcares, formados por oxidação das aldoses, nos dois átomos de carbono terminais. O nome é formado antepondo a palavra ácido e depois o sufixo –árico.
ÁCIDOS SIÁLICOS: -São constituintes de várias glicoprotteínas e glicolípidos. São derivados do ácido neuramínico. O ácido neuramínico é formado por condensação de uma molécula de ácido pirúvico e uma molécula de D-manosamina.
Figura: Ácido N-acetilneuramínico. Campos, 1ª edição).
VITAMINA C - O termo vitamina C, é usado para designar compostos que têem a atividade do ácido ascórbico.
Figura: O ácido ascórbico, o representante mais importante do grupo da vitamina C. (Campos, 1ª edição)
ÉSTERES FOSFÓRICOS DAS OSES - Resultam da esterificação da função alcool primária, ou do oxidrilo hemiacetálico ou de ambos.
Figura: Ésteres fosfóricos das oses. (Campos, 1ª edição).
OLIGOSSACÁRIDOS: DISSACÁRIDOS - Os dissacáridos biológicamente mais importantes, são a maltose, a lactose e a sacarose. Eles são constituídos por dois monossacáridos unidos por uma ligação O-glicosídica. A ligação O-glicosídica, é formada entre o grupo hidroxila de um monossacárido e o átomo de carbono anomérico da outra molécula de açúcar.
Maltose: É formada por duas moléculas de glucose. Para a nomenclatura de um oligossacárido. Usam-se as seguintes regras:
Escreve-se a configuração (a ou b) do carbono anomérico do primeiro (o que está á esquerda) monossacarído. O nome desta unidade, tem adicionado o termo piranosil ou furanosil.
- Depois escrevem-se o nome do monossacárido a seguir e, se for o último, adicionam-se os termos pirano ou furano, conforme a estrutura dos aneis.
Os dois átomos de carbono envolvidos na ligação glicosídica, são representados entre parêntesis, com uma seta ligando os dois números. Por exemplo os símbolos (a-1®4) indicam que a ligação glicosídica é entre o C-1 do primeiro monossacárido (anómero a) e o C-4 do segundo monossacárido.
A sacarose é formada por uma molécula de glucose e outra de frutose (ligação O-glicosídica a-1,2): a-D-glucopiranosil-b-D-frutofuranósido. A lactose, é formada por uma molécula de glucose e outra de galactose (ligação O-glicosídica b -1,4): b -D-galactopiranosil-D-glicopiranose.
POLISSSACÁRIDOS
A maioria dos carbohidratos encontrados na natureza, ocorre como polissacáridos, polímeros de média e alta massa molecular. Os polissacáridos, são também chamados de glicanos e diferem entre si em:
-Unidades monossacarídeas repetitivas.
-Tipo de ligação que as une.
-Cumprimento das suas cadeias
-Grau de ramificação das cadeias.
Quanto aos monossacáridos que os formam, os polissacáridos dividem-se em:
-Homopolissacáridos
-HetreopolissacáridosQuanto á sua função nos organismos, os polissacáridos dividem-se em:
-De reserva combustível (amido e glicogenio)
-Elementos estruturais (celulose e quitina) -Suporte extracelular (peptidioglicanos das paredes celulares)
-Matriz do tecido conjuntivoHOMOPOLISSACÁRIDOS DE RESERVA: Amido (células vegetais) e glicogénio (células animais).
Estes dois polissacáridos ocorrem intracelularmente como grandes agregados ou grânulos. A maioria das células vegetais tem a capacidade de sintetizar amido. Porém, ele é particularmente abundante nos tubérculos, como a batata, mandioca, inhame e nas sementes como o milho, trigo, arroz, etc.
O mido composto por dois tipos de polímero da glicose: Amilose e amilopectina. A amilose consiste em unidades de D-glicose, unidas entre si por ligações glicosídicas (a1®4), e as cadeias são longas e não ramificadas. Tais cadeias podem ter massa molecular de uns poucos milhares até um milhão. A amilopectina, ao contrário da milose, é muito ramificada. As ligações glicosídicas encontradas entre as unidades de glicose nas cadeias de amilopectina são (a1®4) mas, nos pontos de ramificação (a cada 20 a 30 unidades), são do tipo (a1®6).
Figura: Cadeias de amilose e de amilopectina. (Campos, 1ª edição)Glicogénio: É o principal polissacarídeo de reserva nos animais. Também é composto só por unidades de glicose e possui cadeias semelhantes á amilopectina (ligações (a1®4) e ramificações com ligações (a1®6)mas no glicogénio as cadeias são muito mais ramificadas que as da amilopectina (a cada 10 a 12 unidades). O glicogénio é particularmente abundante no fígado e nos músculos.
As moléculas de glicogênio e amido são altamente hidratadas são altamente hidratadas porque elas possuem muitos grupos hidroxila livres, capazes de formar pontes de hidrogênio com a água.
DEXTRANOS: São homopolissacáridos existentes nas bactérias e fungos, constituídos por unidades de glicose unidos por ligações (a1®6)mas, também existem ligações (a1®3); (a1®2) e (a1®4). A placa bacterina, sintetizada por microorganismos que se multiplicam na superfície dos dentes, é rica em dextranos.
Celulose: É um homoplissacárido com funções estruturais. É uma substância fibrosa, resistente e insolúvel na água, que é encontrada na parede celular dos vegetais, particularmente nos troncos, galhos e em todas as partes lenhosas da planta. É composta por unidades de D-glicose unidas por ligações glicosídicas do tipo (b1®4). Esta diferença confere à celulose estrutura tridimensional muito diferente da do amido. O glicogênio e amido da dieta são hidrolizados por a-amilases (enzimas presentes na saliva e na secreçã pancreática), que rompem as ligações (a1®4). A celulose não pode ser usada pela maioria dos animais como fonte de energia, porque falta-lhes a enzima para hidrolizar as ligações (b1®4).
HETEROPOLISSACÁRIDOS:
Glicosaminoglicanos – O espaço extracelular nos tecidos de animais multicelulares é preenchido com material gelificado (forma de gel), chamado de matrix extracelular, ou substância fundamental, a qual mantém unidas as células de um tecido e fornece uma via porosa para a difusão dos nutrientes e do oxigênio para uma das células. A matrix extracelularé composta por uma rede de heteropolissacáridos chamados de glicosaminoglicanos. Os glicosaminoglicanos, são compostos por unidades repetitivas de dissacáridos, que podem ser compostos por:
N-acetilglicosamina (ou galactosamina), sempre presente.
- Ácido glucorônico (ou idurônico) presente na maioria dos casos
Alguns hidroxilas destes açúcares, estão estirificados com sulfato, o que dá a estas moléculas uma alta densidade de cargas negativas.
O exemplo clássico de um glicosaminoglucano, é o ácido hialurônico, que contém unidades alternadas de ácido D-glucorônico e N-acetilglucosamina. Para além de outras funções, o ácido hialurônico forma soluções claras altamente viscosas, que serve como lubrificante nos fluídos sinoviais das articulações.
Alguns dos glicosaminoglicanos biológicamente importantes, são:- Heparina (hepar = fígado em grego), um potente anticoagulante sintetizada nos mastócitos do fígado e é liberado no sangue onde inibe a coagulação, através da sua ligação com a proteína anti-trombina. Essa união, faz com que a trombina se ligue e iniba a trombina que é uma protease essencial para a coagulação.
- Condroitina sulfato (que compõe a matrix das cartilagens, tendões, ligamente e paredes arteriais).
- Dermatana sulfato, que colabora na flexibilidade da pele.
- Queratina sulfato (presente na córnea, cartilagens, ossos, cabelos, unhas, garras)
MÉTODOS DE ESTUDO DOS CARBOHIDRATOS:
O estudo dos carbohidratos, é complexo porque os polissacáridos são muito ramificados e unidos por vários tipos de ligações. Para serem analizados, os oligossacáridos devem ser separados das proteínas, a que estão unidos e depois degradados com detergentes específicos.
Para o estudo dos glúcidos, usam-se os seguintes métodos:
-Cromatografia de troca iónica
-Cromatografia de exclusão por tamanho molecular
-Cromatografia por afinidade
-Cromatografia líquido-gás
-Espectrometria de massa
-Espectroscopia por RNM.
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