Glucide Part II

transcript

GLUCIDE = Carbohidrații

Se numesc compuşii polioxicarbonilici şi derivaţii lor.

Deosebirea caracteristică este prezenţa a cel puţin 2 grupe hidroxil (OH) şi a grupării carbonil (aldehidică COH) sau cetonică (C=O).

I (CH2O)n or H - C - OH

Glucidele (glicanii) au următoarea compoziţie de bază

GLUCIDE

Grupa aldehidică

aldoze

Grupa cetonică

cetoze

Clasificarea glucidelor

După structură După proprietățile fizico-chimice

Neutre(conţin numai grupe hidroxil

şi carbonil)

Bazice(pe lângă

grupele hidroxil şi carbonil

conţin grupe aminice)

aminoglucide

Acide(pe lângă

grupele hidroxil şi carbonil

conţin grupe carboxilice)

Acizii uronici şi arici

Clasificarea după structurăoligozaharide(2-10 resturi de monozah.,di-, tri-,tetra zaharide

monozaharide polizaharide

Monozaharide propriu-zise

Derivaţii monozaharidelor

Trioze (C-3)Tetroze (C-4)Pentoze (C-5)Hexoze (C-6)Heptoze (C-8)Nonoze (C-9)Decoze (C-10)

homopolizaharide

heteropolizaharide

Acizii uronici(a.glucaric)

Acizii arici( a. glucuronic)

Aminozaharide(glucozamina)

Glicozidele (nucleozide, nucleotide)

Fosfozaharide (glucozo6 fosfat)

Monozaharide - nomeclatura

Aldoze(e.g., glucose) au gruparea aldehidică

Ketoze (e.g., fructose) au gruparea cetonică la C2.

D-glucose

D-fructose

Toate monozaharidele au terminația oza

Seriile izomerice D şi L

D & L desemnările se bazează pe configuraţia în jurul atomul de C asimetric în gliceraldehidă.

Imaginile de jos sunt Proiectările Fischer.

L-glyceraldehydeD-glyceraldehyde

Pentru monozaharidele cu mai multe centre chirale, formele D sau L se referă al atomul de C asimetric cel mai departe de gruparea carbonil.

Majoritatea zaharidelor naturale sunt D izomeri.

O H O H C C H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glucose L-glucose

Seriile D & L a monozaharidelor sunt imaginile în oglindă a uneia faţă de alta. Au acelaşi nume, spre ex. D-glucoza şi L-glucoza. Alte forme de stereoizomerie la monozaharide poartă nume unice (se consideră a fi diferite tipuri de monozaharide).Ex. glucoza, manoza, galactoza, etc.

O H O H C C H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glucose L-glucose

Numărul de stereoizomeri este 2n, unde n este numărul de centre asimetrice.

C-6 aldozele au 4 centre asimetrice. Astfel sunt 16 stereoizomeri (8 D- şi 8 L-monozaharide).

Hemiacetal & hemiketal formation

An aldehyde can react with an alcohol to form a hemiacetal.

A ketone can react with an alcohol to form a hemiketal.

aldehyde alcohol hemiacetal

ketone alcohol hemiketal

O R'R' OH

"R OH "R

În soluţii apoase monozaharidele se află sub formă de catenă desfăşurată sau ciclică

Pentozele şi hexozele pot forma cicluri

Glucoza formează un hemiacetal intra-molecular, la reacţionarea grupării C1 aldehidice cu C5 OH , formând un inel hexaedric (piranozice) numit piran, sau unul pentaedric (furanozice) numit furan

Reprezentarea ciclică a monozaharodelor se mai numeşte proiectare Haworth.

-D-glucose -D-glucose

D-glucose (linear form)

Fructoza formează sau Un inel hexaedric (piranozic), prin reacţia C2 ceto

grupei cu grupa OH în C6, sau Un inel pentaedric (furanozic) , prin reacţia C2 ceto

grupei cu grupa OH în C5.

D-fructose (linear) -D-fructofuranose

Ciclizarea glucozei sau altor monozaharide contribuie la formarea unui nou centru asimetric în poziţia C1. Cei doi izomeri formaţi se numesc anomeri, & .

Proiectarea Haworth reprezintă formele izomere ale manozaharidelor ciclice având inele planare cu poziţie diferită a grupei OH faţă de C1 vanomeric:

(OH mai jos de inel) (OH mai sus de inel).

-D-glucose

Because of the tetrahedral nature of carbon bonds, pyranose sugars actually assume a "chair" or "boat" configuration, depending on the sugar.

The representation above reflects the chair configuration of the glucopyranose ring more accurately than the Haworth projection.

-D-glucopyranose -D-glucopyranose

Derivaţii monozaharidelor

Alcoolii monozaharidelor – nu au grupe aldehidice sau cetonice ; e.g., ribitol.

D-ribitol

D-gluconic acid D-glucuronic acid

Acizii monozaharidelor –

Acizii uronici

sauau aldonici şi alduronici

Gruparea aldehiică în C1 sau OH dîn C6 este oxidată până la gruparea carboxilică formînd acizi

-acidul gluconic în cazul oxidării grupei aldehidice

- acidul glucuronic – în cazul oxidării grupei OH în poziţia C-6

Acizii monozaharidelor –

Acizii arici

se formează la oxidarea concomitentă a grupării aldehidice în C1 şi a celei OH dîn C6 până la gruparea carboxilică

Ex. acidul glucaric

Amino zaharurile - o grupare aminică substituie o grupă hidroxil .

Ex. glucozamina.

Gruparea aminică paote fi acetilată formând N-acetilglucozamina.

-D-glucosamine

-D-N-acetylglucosamine

N-acetylneuraminate (acidul N-acetylneuraminic, denumit şi acidul sialic ) este frecvent un rest terminal a catenei oligozaharide din componenţa glicoproteinelor .

Acidul sialic conferă sarcină negativă glicoproteinelor, deoarece gruparea sa carboxilică tinde să disocieze în protoni la valoarea fiziologică a pH-ului.

N-acetylneuraminate (sialic acid)

NUCLEOZIDE, NUCLEOTIDE

Eterii fosforici ai monozaharidelor

- o grupă vastă de derivaţi , care se formează în cursul transformărilor glucidelor în celule.

Legăturile glicozidiceGruparea anomerică hidroxilică a unui monozaharid cu gruparea hidroxil a altui monozaharid (sau alt compus( se pot uni, eliminând apa şi formând legături glicozidice:

R-OH + HO-R' R-O-R' + H2O

E.g., metanolul reacţionează cu guparea OH a glucozei formând methyl glucosida (methyl-glucopyranose).

-D-glucopyranose

methyl- -D-glucopyranose

CH 3-O H+

methanol

Oligozaharide

• Se numesc glucidele, care conţin de doi până la 10 resturi de monozaharide. Se deosebesc după componenţa monozaharidică şi după tipul legăturii glicozidice.

Zaharoza, numită și sucroză este o dizaharidă foarte răspândită în natură, întâlnindu-se în special în sfecla de zahăr (Beta vulgaris) 12-23% și în trestia de zahăr (Saccharum officinarum) 20-27%, fiind cea mai comună formă de zahăr utilizată în alimentație.

zaharoza are legătură glicozidică între grupa hidroxilică anomerică a glucozei şi fructozei .

Deoarece configuraţia C anomeric al glucozei este în poziţia (O este mai jos de inel), legătura este (12).

Astfel denumirea deplină a zaharozei este -D-glucopyranosyl-(12)--D-fructopyranose.)

Maltoza, produsul hidrolizei parţiale a amidonului în plante. Este un disaharid cu legătură glicozidică (1 4) între C1 - C4 OH a două resturi de glucoză. Este un

anomer (C1 O este mai jos de inel).

maltose

Maltoza se gaseste in mod natural in cerealele germinate.

Celobioza, un produs al scindării celulozei, format din resturi de glucoză.

Este un anomer (O în C1 se află de asupra inelului).

Legăturile glicozidice (1 4) sunt repreznetate ca a zig-zag, dar un rest de glucoză este în poziţie inversată

(răsturnată) în comparaţie cu al doilea rest-

cellobiose

Lactoza, este un dizaharid din lapte, format din galactoză şi glucoză unite prin legături (14) glicozidice.

Denumrea deplină este : -D-galactopyranosyl-(1 4)--D-glucopyranose

POLIZAHARIDELE SAU GLICANII

Se numesc glucidele macromoleculare, care conţin mai mult de zece monozaharide, legate prin legături glicozidice.Cel mai frecvent monomer este glucoza.Se întâlnesc şi alte monozaharide cum ar fi: galactoza, manoza, fructoza, precum şi derivaţii ai monozaharidelor.

Homopolizaharide Heteropolizaharide

Formate din acelaşi tip de monozaharide. Ex. amidonul sau celuloza formate numai din D-glucoză

Sunt formate din monozaharide diferite. De regulă din derivaţi ai monozaharidelor

Cel mai frecvent întâlnit homopolizaharid la plante este amidonul. Constă din α-amiloză şi amilopectin.

Homopolizaharide - homoglicani

α-amiloză – polizaharid liniar, format din molecule de D-glucoză, unite prin legături α-(1-4) – glicozidice.

CH 2 OH

HH H O

CH 2 OH

HH H O

CH 2 OH

a m y lo s e

Amilopectina este un polimer ramificat în care catenele sunt formate din legături (14) glicozide. Aproximativ peste fiecare 12 resturi de monozaharide în catenă apar puncte de ramificare, formate din legături (16) glicozidice.

Această ramificare contribuie la o structură mai compactă a amidonului.

HH H O

amylopectin

Glicogenul, este un polizaharid principal de rezervă la om şi animale. Este similar după structură cu amilopectina.

Glycogen are mai multe puncte de ramificare (16).

Această structură extrem de ramificată permite o scindare mai rapidă a glicogenului până la glucoză, de ex. în timpul exerciţiilor fizice în muşchi.

CH 2OH

HH H O

CH 2OH

HH H O

CH 2OH

glycogen

Structura ramificată a glicogenului În molecula glicogenului se deosebesc ramurile interne şi externe, precum şi catenele A, B şi C.Catena C constituie pivotul şi conţine singurul rest de glucoză cu proprietăţi reductive. Cele mai ramificate sunt catenele B, iar catena A nu conţine alte ramuri, se uneşte cu catenele B care formează ramurile interne.

Celuloza, este un polizaharid constituient al peretelui celular la plante . Este o catenă liniară formată din molecule de glucoză, unite prin legături (14) glicozidice.

c e l lu lo s e

CH 2 OH

H H H H

Schematic of arrangement of cellulose chains in a microfibril.

Datorită acestor legături, fiecare moleculă de glucoză este în poziţie inversată, una faţă de alta, ceea ce contribuie la formarea legăturilor de H şi Van der Waals, ce cauzează ca catenele de celuloză să fie puternice şi rigide, formând microfibrile

Multisubunit Cellulose Synthase complexes in the plasma membrane spin out from the cell surface microfibrils consisting of 36 parallel, interacting cellulose chains.

These microfibrils are very strong.

The role of cellulose is to impart strength and rigidity to plant cell walls, which can withstand high hydrostatic pressure gradients. Osmotic swelling is prevented.

Explore and compare structures of amylose & cellulose using Chime.

c e l lu lo s e

CH 2 OH

H H H H

Heteropolizaharidele acide sau mucopolizaharidele

• Substanţe puternic hidratate, cu sarcină negativă pronunţată. Se conţin în substanţa intercelulară sub formă conjugată cu proteinele – formân proteoglicani sau glucozaminproteoglicani

HeteropolizaharideleÎn dependenţă de structura catenelor heteropolizaharidele se împart în 7 tipuri principale.

•Condroitin-4-sulfat•Condroitin-6-sulfat•Dermatansulfatul•Heparina•Heparansulfatul

Conţin verigi dizaharidice alternative asemănătore

Acidul D-glucuronic şi N-acetil D-glucozamina

Aminozaharuri sulfatate şi acidul D-glucuronic sau L-iduronic

•Acidul hialuronic

• keratansulfatul În loc de acizi uronici conţine D-galactoza

Glycosaminoglycans (mucopolysaccharides) are linear polymers of repeating disaccharides.

The constituent monosaccharides tend to be modified, with acidic groups, amino groups, sulfated hydroxyl and amino groups, etc.

Glycosaminoglycans tend to be negatively charged, because of the prevalence of acidic groups.

NH COCH 3H

CH 2O H

D -g lucuronate

N -acetyl-D -g lucosam ine

hyaluronate

Acidul hialuronic este polizaharid nesulfatat cu strucută liniară. Este format din acidul D-glucuronic şi N-acetilglozamina.

Legăturile glicozidice sunt de tipul (13) & (14).

NH COCH 3H

CH 2O H

D -g lucuronate

hyaluronate

CondroitinsulfaţiiCele mai răspândite heteropolizaharide acide.Se disting:

Denumirea Locul sulfatării Denumirea sistematică

Chondroitin sulfate Acarbon 4 of the N-

acetylgalactosamine (GalNAc) sugar

chondroitin-4-sulfate

Condroitin suflate B Dermatan sulfatul

Chondroitin sulfate C carbon 6 of the GalNAc sugar chondroitin-6-sulfate

Chondroitin sulfate Dcarbon 2 of the glucuronic

acid and 6 of the GalNAc sugar

chondroitin-2,6-sulfate

Chondroitin sulfate Ecarbons 4 and 6 of the

GalNAc sugarchondroitin-4,6-sulfate

Condroitinsulfaţii

Se conţin în piele, oase cartilaje, trahee, aortă, arterii. În celule se găsesc în complex cu proteina ca parte a proteinglicanilor.

Chondroitin-4-sulfate:

R1 = H; R2 = SO3H; R3 =

H. Chondroitin-6-sulfate:

R1 = SO3H; R2, R3 = H.

Dermatansulfatul se conţine în aortă şi spre deosebire de alţi condroitinsulfaţi posedă proprităţi antcoagulante

Keratansulfatul – se conţine în cornee, legat covalent cu proteina şi asigură transparenţa optică a acesteia

Heparina şi Heparan sulfatul – nu intră în componenţa substanţei intercelulare. Sunt produse de matocitele ţesutului conjuctiv. Complexul heparină-glucoproteidă manifestă proprietăţi anticoagulante.

Proteoglycans are glycosaminoglycans that are covalently linked to serine residues of specific core proteins.

The glycosaminoglycan chain is synthesized by sequential addition of sugar residues to the core protein.

heparan sulfate glycosaminoglycan

cytosol

core protein

transmembrane -helix

Some proteoglycans of the extracellular matrix bind non-covalently to hyaluronate via protein domains called link modules. E.g.:

• Multiple copies of the aggrecan proteoglycan associate with hyaluronate in cartilage to form large complexes.

• Versican, another proteoglycan, binds hyaluronate in the extracellular matrix of loose connective tissues.

NH COCH 3H

CH 2O H

D -g lucuronate

hyaluronate

Websites on:

Aggrecan

Aggrecan & versican.

Heparan sulfate is initially synthesized on a membrane-embedded core protein as a polymer of alternating N-acetylglucosamine and glucuronate residues.

Later, in segments of the polymer, glucuronate residues may be converted to the sulfated sugar iduronic acid, while N-acetylglucosamine residues may be deacetylated and/or sulfated.

COOO H

NHSO3H

CH2OSO3

heparin or heparan sulfate - examples of residues

iduronate-2-sulfate N-sulfo-glucosamine-6-sulfate

Heparin, a soluble glycosaminoglycan found in granules of mast cells, has a structure similar to that of heparan sulfates, but is more highly sulfated.

When released into the blood, it inhibits clot formation by interacting with the protein antithrombin.

Heparin has an extended helical conformation.

heparin: (IDS-SGN)5

PDB 1RID

C O N S

Charge repulsion by the many negatively charged groups may contribute to this conformation.

Heparin shown has 10 residues, alternating IDS (iduronate-2-sulfate) & SGN (N-sulfo-glucosamine-6-sulfate).

The core protein of a syndecan heparan sulfate proteoglycan includes a single transmembrane -helix, as in the simplified diagram above.

The core protein of a glypican heparan sulfate proteoglycan is attached to the outer surface of the plasma membrane via covalent linkage to a modified phosphatidylinositol lipid.

heparan sulfate glycosaminoglycan

cytosol

core protein

Some cell surface heparan sulfate glycosaminoglycans remain covalently linked to core proteins embedded in the plasma membrane.

Proteins involved in signaling & adhesion at the cell surface recognize & bind heparan sulfate chains.

E.g., binding of some growth factors (small proteins) to cell surface receptors is enhanced by their binding also to heparan sulfates.

Regulated cell surface Sulf enzymes may remove sulfate groups at particular locations on heparan sulfate chains to alter affinity for signal proteins, e.g.,growth factors.

COOO H

NHSO3H

CH2OSO3

heparin or heparan sulfate - examples of residues

iduronate-2-sulfate N-sulfo-glucosamine-6-sulfate

Diagram by Kirkpatrick & Selleck.

O-linked oligosaccharide chains of glycoproteins vary in complexity.

They link to a protein via a glycosidic bond between a sugar residue & a serine or threonine OH.

O-linked oligosaccharides have roles in recognition, interaction, and enzyme regulation.

CH2 CH

serine residue

Oligosaccharides that are covalently attached to proteins or to membrane lipids may be linear or branched chains.

CH2 CH

serine residue

N-acetylglucosamine (GlcNAc) is a common O-linked glycosylation of protein serine or threonine residues.

Many cellular proteins, including enzymes & transcription factors, are regulated by reversible GlcNAc attachment.

Often attachment of GlcNAc to a protein OH alternates with phosphorylation, with these 2 modifications having opposite regulatory effects (stimulation or inhibition).

N-linked oligosaccharides of glycoproteins tend to be complex and branched.

First N-acetylglucosamine is linked to a protein via the side-chain N of an asparagine residue in a particular 3-amino acid sequence.

C CH2 CH

Ser or ThrN-acetylglucosamine

Initial sugar in N-linked glycoprotein oligosaccharide

Additional monosaccharides are added, and the N-linked oligosaccharide chain is modified by removal and addition of residues, to yield a characteristic branched structure.

N-linked oligosaccharide

Key:NAN = N-acetylneuraminateGal = galactoseNAG = N-acetylglucosamineMan = mannoseFuc = fucose

Many proteins secreted by cells have attached N-linked oligosaccharide chains.

Genetic diseases have been attributed to deficiency of particular enzymes involved in synthesizing or modifying oligosaccharide chains of these glycoproteins.

Such diseases, and gene knockout studies in mice, have been used to define pathways of modification of oligosaccharide chains of glycoproteins and glycolipids.

Carbohydrate chains of plasma membrane glycoproteins and glycolipids usually face the outside of the cell.

They have roles in cell-cell interaction and signaling, and in forming a protective layer on the surface of some cells.

Lectins are glycoproteins that recognize and bind to specific oligosaccharides.

Concanavalin A & wheat germ agglutinin are plant lectins that have been useful research tools.

The C-type lectin-like domain is a Ca++-binding carbohydrate recognition domain in many animal lectins.

Recognition/binding of CHO moieties of glycoproteins, glycolipids & proteoglycans by animal lectins is a factor in: • cell-cell recognition• adhesion of cells to the extracellular matrix• interaction of cells with chemokines and growth factors• recognition of disease-causing microorganisms• initiation and control of inflammation.

Examples of animal lectins:

Mannan-binding lectin (MBL) is a glycoprotein found in blood plasma.

It binds cell surface carbohydrates of disease-causing microorganisms & promotes phagocytosis of these organisms as part of the immune response.

A cleavage site just outside the transmembrane -helix provides a mechanism for regulated release of some lectins from the cell surface.

A cytosolic domain participates in regulated interaction with the actin cytoskeleton.

lectin domain selectin

cytoskeleton binding domain

cytosol

outside

Selectins are integral proteins of mammalian cell plasma membranes with roles in cell-cell recognition & binding.

The C-type lectin-like domain is at the end of a multi-domain extracellular segment extending out from the cell surface.

Glucide Part II

Documents