Corso di Laurea in Farmacia
Insegnamento di
BIOCHIMICA
Angela Chambery
Lezione 15
Monosaccaridi
Concetti chiave:
• Gli zuccheri sono aldosi o chetosi aventi la formula (C·H2O)n.
• I monosaccaridi ciclizzano per formare anomeri α o β.
• I derivati dei monosaccaridi comprendono gli acidi aldonici, gli acidi uronici, gli alditoli, i
deossi-zuccheri e gli amminozuccheri.
• I monosaccaridi possono essere legati l'uno all'altro o ad altre molecole non saccaridiche
con legami glicosidici.
• I monosaccaridi, o zuccheri semplici, sono sintetizzati tramite la fotosintesi a partire da
precursori più semplici che a loro volta derivano da CO2 e H2O.
Carboidrati
I carboidrati o saccaridi (dal greco sàkcharon, zucchero) sono le molecole biologiche più
abbondanti. Chimicamente sono costituiti da C, H e O combinati secondo la formula
≥3.
generale (C·H2O)n con n≥
Le unità di base dei carboidrati sono i monosaccaridi che si uniscono poi a dare i
polisaccaridi.
Funzioni dei carboidrati
• I carboidrati svolgono una funzione strutturale ed energetica sia come sostanze nutrienti
che come intermedi metabolici.
• Il ribosio e il deossiribosio (due monosaccaridi) fanno parte della struttura del DNA e
dell’RNA.
• I carboidrati come polisaccaridi sono elementi strutturali della parete dei batteri e delle
piante.
• I carboidrati possono essere legati a proteine e lipidi.
Carboidrati
I monosaccaridi sono aldeidi o chetoni con catene laterali poliossidriliche contenenti
almeno tre atomi di carbonio. Sono classificati in base alla natura chimica del loro gruppo
carbonilico e al numero dei loro atomi di C.
Se il gruppo carbonilico è aldeidico, lo zucchero è un aldosio, se è chetonico lo zucchero è
un chetosio. I monosaccaridi più piccoli (n=3) sono i triosi.
Tautomeri
Molte aldeidi e chetoni esistono come miscela in equilibrio tra due forme, dette forma
chetonica e forma enolica. Le due forme differiscono per la posizione di un protone e di un
doppio legame. La tautomeria cheto-enolica è caratteristica di specie carboniliche che
hanno almeno un atomo di idrogeno legato al carbonio in posizione α rispetto al gruppo
funzionale (-CHO o -C=O).
Il doppio legame del carbonile si rompe e si forma un ossidrile, trasformando così l'aldeide
o il chetone di partenza in un enolo (alcool con un doppio legame fra gli atomi di carbonio e
il gruppo ossidrile direttamente legato ad uno di essi).
Carboidrati
I monosaccaridi con 4, 5, 6, 7 atomi di carbonio sono chiamati tetrosi, pentosi, esosi, eptosi
ecc., rispettivamente. L’aldoesosio D-glucosio e il chetoesosio D-fruttosio sono i
monosaccaridi più comuni in natura.
Carboidrati
Gli aldopentosi D-ribosio e 2-deossi deossi-D-ribosio sono componenti dei nucleotidi e degli
acidi nucleici.
Enantiomeri
La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico (centro chirale). La D- e la Lgliceraldeide sono enantiomeri. Il diidrossiacetone non ha atomi di carbonio asimmetrici.
Stereoisomeri
Una molecola con n centri chiralici può avere 2n stereoisomeri.
La gliceraldeide ha 21 = 2 stereoisomeri; gli aldoesosi con 4 centri chirali, hanno 24 = 16
stereoisomeri.
Gli stereoisomeri dei monosaccaridi, qualunque sia la lunghezza della loro catena, possono
essere divisi in due gruppi che differiscono per la configurazione intorno al centro chirale più
lontano dal gruppo carbonilico.
Quelli che hanno una configurazione a livello di questo atomo di carbonio di riferimento
identica a quella della D-gliceraldeide vengono detti isomeri D. Quelli con configurazione identica
alla L-gliceraldeide sono gli isomeri L.
La maggior parte degli zuccheri presenti negli organismi viventi sono isomeri D
D-Glucosio
L-Glucosio
Enantiomeri
Stereoisomeri degli aldosi della serie D che contengono da 3 a 6 atomi di C
I D-aldosi a 3-4 atomi di carbonio
I D-aldosi a 4-5 atomi di carbonio
I D-aldosi a 5-6 atomi di carbonio
Il D-glucosio (C•H2O)6
Stereoisomeri dei chetosi della serie D che contengono da 3 a 6 atomi di C
I D-chetosi a 3-4 atomi di carbonio
I D-chetosi a 4-5 atomi di carbonio
I D-chetosi a 5-6 atomi di carbonio
Epimeri
Gli zuccheri che si differenziano esclusivamente per la configurazione intorno a un atomo di
C sono detti epimeri.
Aldeidi e chetoni formano emiacetali ed emichetali
Gli alcoli reagiscono con i gruppi carbonilici delle aldeidi o dei chetoni formando,
rispettivamente emiacetali o emichetali.
Ciclizzazione del glucosio
Le funzioni ossidriliche e quelle aldeidiche o chetoniche dei
monosaccaridi possono reagire tra loro per dare emiacetali
o emichetali ciclici.
Ciclizzazione del fruttosio
Le funzioni ossidriliche e quelle aldeidiche o chetoniche dei
monosaccaridi possono reagire tra loro per dare emiacetali
o emichetali ciclici.
Il nome degli zuccheri deriva dall'analogo strutturale eterociclico
Uno zucchero che genera un anello a sei atomi è detto piranosio, in analogia con il pirano.
Gli zuccheri con anelli a cinque atomi sono definiti furanosi per le analogie con il furano.
Le forme predominanti del glucosio e del fruttosio in soluzione non sono catene aperte. Le
forme cicliche del glucosio e del fruttosio con anelli a sei e cinque membri sono note come
glucopiranosio e fruttofuranosio.
Gli anomeri α e β possono interconvertirsi
Quando un monosaccaride va incontro a ciclizzazione, il gruppo carbonilico si trasforma in
un centro chirale, chiamato carbonio anomerico. I due stereoisomeri che differiscono per
configurazione a livello del carbonio anomerico sono detti anomeri.
36.4%
63.6%
Nell’anomero α, il sostituente OH del carbonio anomerico giace dal lato opposto dell’anello
dello zucchero rispetto al gruppo CH2OH situato in corrispondenza del centro chirale che
indica le configurazioni D ed L (C5 negli esosi). L’altra forma è l’anomero β. Gli anomeri si
interconvertono liberamente in soluzione acquosa.
Conformazioni a sedia del β-D-glucosio
Gli anelli delle forme furanosiche o piranosiche degli zuccheri non sono planari perché tutti
gli orbitali atomici degli atomi di carbonio dell’anello presentano un’ibridazione sp3.
L’anello piranosico come quello del cicloesano può assumere una conformazione a sedia in
cui i sostituenti assumono disposizioni tetraedriche.
Delle due conformazioni possibili la disposizione predominante è quella in cui i sostituenti
occupano posizioni equatoriali piuttosto che le più addensate conformazioni assiali.
Le modificazioni degli zuccheri
Gli zuccheri possono andare incontro a processi di interconversione mediante le reazioni
tipiche delle aldeidi e dei chetoni. L'ossidazione del gruppo aldeidico lo converte in gruppo
carbossilico portando alla formazione degli acidi aldonici.
Le modificazioni degli zuccheri
L'ossidazione del gruppo alcolico primario porta alla formazione degli acidi uronici.
Le modificazioni degli zuccheri
La riduzione del gruppo aldeidico porta alla formazione degli alditoli.
Dolcificante
Componenti dei lipidi
Le modificazioni degli zuccheri
La riduzione di un gruppo alcolico porta alla formazione dei deossi-zuccheri.
Le modificazioni degli zuccheri
La sostituzione di un gruppo alcolico con un gruppo amminico porta alla formazione degli
amminozuccheri.
Le modificazioni degli zuccheri
Gli amminozuccheri possono essere acetilati sul gruppo amminico.
Altre modificazioni degli zuccheri: gli acidi sialici
L’acido N-acetilneuramminico e i suoi derivati (acidi sialici) sono importanti costituenti di
glicoproteine e glicolipidi. Nella forma ciclica questo monosaccaride a nove atomi di C
l’anello piranosico incorpora il residuo di acido piruvico.
Formazione degli O-glicosidi
Il gruppo anomerico di uno zucchero può condensarsi con un alcol per formare α- e βglicosidi (dal greco glykys, dolce) con legame glicosidico.
I saccaridi con atomi di carbonio anomerici che non hanno dato origine a glucosidi sono
definiti zuccheri riducenti dal momento chi il gruppo aldeidico libero in equilibrio con la
forma ciclica dello zucchero riduce blandi agenti ossidanti. La mancanza di attività
riducente in uno zucchero indica che si tratta di un glucoside.
Legame α-1,4-glicosidico
Legame α-1,4-glicosidico e α-1,6-glicosidico
Formazione degli N-glicosidi
I legami N-glicosidici si instaurano tra il C anomerico di uno zucchero e un’ammina.
I polisaccaridi
Concetti chiave:
• I disaccaridi come il lattosio e il saccarosio sono formati da due zuccheri legati da specifici
legami glicosidici.
• La cellulosa e la chitina sono polimeri di residui di glucosio legati da legami β (1→4).
• Nell'amido e nel glicogeno i residui di glucosio sono legati tra loro principalmente da
legami α (1→4).
• I glicosamminoglicani e gli altri grandi eteropolisaccaridi hanno generalmente una struttura
tipo gel.
Polisaccaridi
I polisaccaridi (glicani) sono formati da monosaccaridi uniti insieme da legami glicosidici.
Sono classificati in omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi a seconda che siano costituiti da
uno stesso monosaccaride o da più monosaccaridi diversi.
Contrariamente alle proteine e agli acidi nucleici, i polisaccaridi formano polimeri sia lineari
sia ramificati grazie alla presenza di più gruppi ossidrilici su un singolo monosaccaride.
Il lattosio: un disaccaride riducente
I disaccaridi, i polisaccaridi più semplici, sono ottenuti dall’idrolisi di molecole di dimensioni
maggiori. Il lattosio è formato dal legame glicosidico (1→4) tra l’atomo C1 dell’anomero β
del galattosio con l’atomo O4 del glucosio.
Il saccarosio: un disaccaride non riducente
Il saccarosio è formato dal legame glicosidico (1→2) tra l’atomo C1 dell’anomero α del
glucosio con l’atomo C2 dell’anomero β del fruttosio.
I dolcificanti artificiali
In alcuni alimenti e bevande sono presenti molecole dolcificanti di origine non saccaridica
che hanno un sapore simile al saccarosio.
I dolcificanti artificiali
Le fibre di cellulosa
La cellulosa è la componente strutturale primaria delle pareti delle cellule vegetali. Metà
del C della biosfera è presente nella cellulosa.
Cellulosa: un polimero di D-glucosio con legami β(1→4)
La cellulosa è un polimero lineare formato da fino a 15000 residui di D-glucosio uniti da
legami β(1→4) glicosidici.
Conformazione strettamente condensata della cellulosa
Le catene di cellulosa hanno una forma a nastro piatto in cui gli anelli di glucosio sono
ruotati di 180° l’uno rispetto all’altro.
Il gruppo C3-OH di ogni residuo di glucosio forma un legame H con l’O in posizione 5
dell’anello del residuo successivo. In aggiunta ci sono legami H intercatena e interazioni di
van der Waals che creano una struttura stabile e compatta che conferisce alla fibra una
straordinaria resistenza.
Cellulasi
Sebbene i vertebrati non possiedono gli enzimi che idrolizzano la cellulosa, il tratto
digestivo degli erbivori contiene microrganismi simbiontici che secernono cellulasi. La
degradazione della cellulosa è un processo lento pertanto i bovini devono ruminare a
lungo.
Chitina
La chitina, principale componente strutturale dell’esoscheletro di crostacei, insetti e ragni e
componente delle pareti fungine, è un omopolimero di N-acetil-D-glucosammina con
legami β(1→4). Presenta analogie strutturali con la cellulosa.
Amido
L’ amido, principale riserva energetica delle piante, è depositato nei cloroplasti delle cellule
vegetali sottoforma di granuli insolubili costituiti da α-amilosio e amilopectina.
L'α-amilosio: un polimero di D-glucosio con legami α(1→4)
L'α-amilosio è un polimero lineare con molte migliaia di residui di D-glucosio con legami
α(1→4).
L'α-amilosio: un polimero di D-glucosio con legami α(1→4)
L'α-amilosio assume una conformazione ad avvolgimento avvolto irregolarmente aggregato
a causa dei legami α glicosidici.
Ramificazioni α(1→6) dell'amilopectina
L‘amilopectina consiste prevalentemente di residui di residui di D-glucosio uniti da legami
α(1→4) ma è una molecola ramificata con ramificazioni α(1→6) ogni 24-30 residui di
glucosio. L’amilopectina contiene fino a 106 residui di glucosio e sono tra le molecole di
maggiori dimensioni in natura.
Amilosio e amilopectina
Digestione dell’amido
La digestione dell’amido costituisce la fonte prevalente di carboidrati nella dieta umana.
L’amilasi salivare idrolizza in modo casuale i residui α(1→4) dell’amido. Tale processo
digestivo prosegue poi nell’intestino tenue ad opera dell’amilasi pancreatica che degrada
l’amido in una miscela di piccoli oligosccaridi.
Una α-glucosidasi rimuove un glucosio per volta ed un enzima deramificante idrolizzano i
legami α(1→4) e α(1→6) producendo monosaccaridi liberi assorbiti dall’intestino che sono
poi trasportati nel sangue.
Glicogeno
Il glicogeno è il polisaccaride di riserva degli animali. E’ contenuto in tutte le cellule
soprattutto nel fegato come granuli citoplasmatici. Il contenuto di glicogeno nel fegato può
arrivare al 10% del suo peso netto.
Glicogeno
La struttura è simile a quella dell’amilopectina ma è più fittamente ramificata con
ramificazioni ogni 8-14 residui di glucosio.
Il glicogeno è degradato dalla glicogeno fosforilasi che scinde i legami α(1→4) a partire dalle
estremità non riducenti della molecola. La struttura altamente ramificata consente di
mobilizzare in modo rapido il glucosio nei momenti di necessità metabolica. Le
ramificazioni α(1→6) sono poi idrolizzate dall’enzima deramificante del glicogeno.
I glicosamminoglicani: unità disaccaridiche ripetute
Gli spazi extracellulari, in particolare quelli dei tessuti connettivi (i.e. cartilagine, tendini,
pelle e pareti dei vasi sanguigni) contengono collageno ed altre proteine incluse in una
matrice gelatinosa composta di glicosamminoglicani, polisaccaridi non ramificati formati da
acido uronico ed esosammina.
L’acido ialuronico è un componente del tessuto connettivo, del fluido sinoviale e dell’umor
vitreo dell’occhio. Le molecole sono costituite da 250-25000 unità disaccaridiche costituite
da β(1→3) acido D-glucoronico/N-Acetil-D-glucosammina unite da ponti β(1→4).
Le glicoproteine
Concetti chiave:
• I proteoglicani sono proteine di grandi dimensioni contenenti glicosamminoglicani.
• La parete cellulare batterica è costituita da catene di glicani unite con legami trasversali da
peptidi.
• Le catene oligosaccaridiche legate covalentemente alle glicoproteine eucariotiche possono
determinare la struttura e il riconoscimento delle proteine.
Peptidoglicano
Le pareti cellulari dei batteri sono formate da catene polisaccaridiche e polipeptidiche
legate covalentemente. Tale struttura, nota come peptidogliocano, è costituita da unità
ripetute di N-Acetilglucosammina e acido N-acetilmuramico la cui catena laterale lattilica
forma un legame ammidico con un tetrapeptide.
Gli antibiotici specifici per i peptidoglicani
La pennicillina si lega specificamente a enzimi che formano legami trasversali tra i filamenti
di peptidoglicano delle pareti delle cellule batteriche e li inattivano.
Le glicoproteine
Quasi tutte le proteine secrete ed associate alle membrane delle cellule eucariotiche sono
glicosilate. Gli oligosaccaridi sono uniti covalentemente alle proteine per mezzo di legami
N-glicosidici oppure O-glicosidici.
N-glicosilazione
Alcuni oligosaccaridi sono uniti all’asparagina mediante legami N-glicosidici. In questo tipo
di glicosilazione un residuo di N-acetilglucosammina dell’oligosaccaride è sempre unito
tramite legame β-glicosidico all’azoto ammidico di un residuo di asparagina appartenente
alla sequenza Asn-X-Ser oppure Asn-X-Thr dove X è un qualsiasi amminoacido ad eccezione
di Pro e raramente di Asp, Glu, Leu o Trp.
Sintesi di oligosaccaridi uniti con legami N-glicosidici durante la traduzione
Struttura pentasaccaridica di un oligosaccaride con legame N-glicosidico
Le tappe del processo di maturazione dell’oligosaccaride possono variare con l’identità
della glicoproteina e con la serie di endoglicosidasi contenuta nella cellula ma tutti gli
oligosaccaridi prodotti in questo modo presentano lo stesso nucleo pentasaccaridico con la
struttura seguente:
O-glicosilazione
Alcuni oligosaccaridi sono uniti alla serina o alla treonina con legami O-glicosidici. Il legame
O-glicosidico più comune coinvolge il nucleo β-Galattosil-(1→3)-α-N-acetilgalattosammina
legato al gruppo OH della catena laterale dei residui di Ser o Thr non inserite in una
specifica sequenza segnale.
N- ed O-glicosilazione a confronto
Gli oligosaccaridi sono determinanti antigenici
I carboidrati sulla superficie delle cellule sono noti marcatori immunochimici. Gli antigeni
dei gruppi sanguigni A, B, 0 sono componenti oligosaccaridiche delle glicoproteine e dei
glicolipidi superficiali delle cellule di un individuo, non solo dei globuli rossi.
Gli oligosaccaridi sono determinanti antigenici
La trasfusione di sangue di tipo A in una persona di tipo B conduce una reazione tra
anticorpo anti-A e antigene A che determina agglutinazione ossia aggregazione degli
eritrociti trasfusi, il cui esito è un blocco spesso fatale dei vasi sanguigni.
Antigene sulla superficie cellulare
Anticorpi nel sangue
Antigene A
Anticorpi anti-B
Antigene B
Anticorpi anti-A
Antigene AB
-
Antigene 0
Anticorpi anti-A e anti-B