carbohidratos parte 1

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USAC. Facultad de Ciencias MUSAC. Facultad de Ciencias MéédicasdicasPrograma Para FormaciPrograma Para Formacióón de Docentes n de Docentes -- Fase IV Fase IV --

CARBOHIDRATOSCARBOHIDRATOSEstructura y funciEstructura y funcióónn

Dr. RubDr. Rubéén Veln Veláásquez, Biol. squez, Biol. PhDPhDFacultad de Ciencias QuFacultad de Ciencias Quíímicas y Farmacia, USACmicas y Farmacia, USAC


ObjetivoObjetivo

Describir las principales caracterDescribir las principales caracteríísticas sticas estructurales de los carbohidratos y estructurales de los carbohidratos y relacionarlas con sus funciones biolrelacionarlas con sus funciones biolóógicasgicas

Explicar las bases moleculares de las Explicar las bases moleculares de las funciones biolfunciones biolóógicas de los carbohidratosgicas de los carbohidratos

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ContenidoContenido•• Funciones biolFunciones biolóógicas y celularesgicas y celulares•• CaracterCaracteríísticas qusticas quíímicas y estructuralesmicas y estructurales•• Tipos (tamaTipos (tamañño y complejidad)o y complejidad)

–– MonosacMonosacááridosridos–– OligosacOligosacááridosridos–– PolisacPolisacááridosridos

•• GlucoconjugadosGlucoconjugados::–– ProteoglicanosProteoglicanos–– GlucoproteGlucoproteíínasnas–– GlucolGlucolíípidospidos

•• Carbohidratos como molCarbohidratos como molééculas de informaciculas de informacióón: el cn: el cóódigo digo de azde azúúcarescares






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Funciones biolFunciones biolóógicas y celularesgicas y celulares

•• Fuente y almacenamiento de energFuente y almacenamiento de energííaa

•• Elementos estructurales y de protecciElementos estructurales y de proteccióónn

•• Reconocimiento y adhesiReconocimiento y adhesióón entre cn entre céélulaslulas

•• UniUnióón n covalentementecovalentemente a protea proteíínas o lnas o líípidos pidos ((glicoconjugadosglicoconjugados), determinan localizaci), determinan localizacióón n celular o destino metabcelular o destino metabóólicolico






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CaracterCaracteríística qustica quíímicasmicas•• Compuestos de C, N y O (CHCompuestos de C, N y O (CH22O)O)nn

•• Grupos funcionalesGrupos funcionales–– Carbono Carbono carboncarboníílicolico (C=O)(C=O)–– Hidroxilo (Hidroxilo (--OH)OH)

•• La posiciLa posicióón del n del carboncarboníílicolico determina formacidetermina formacióón de:n de:–– AldosasAldosas ((polihidroxialdehidospolihidroxialdehidos))–– CetosasCetosas ((polihidroxicetonaspolihidroxicetonas))

•• Carbonos Carbonos quiralesquirales (m(múúltiples estructuras)ltiples estructuras)

•• Carbohidratos derivados pueden contener N, P, SCarbohidratos derivados pueden contener N, P, S


Por la posiciPor la posicióón del n del carboncarboníílicolico::aldosasaldosas cetosascetosas

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Presencia de carbonos Presencia de carbonos quiralesquirales::dos distintas disposiciones espacialesdos distintas disposiciones espaciales

espejo


PosiciPosicióón del OH determina estructuran del OH determina estructuraD o LD o L

1 carbono 1 carbono quiralquiral, dos estructuras tridimensionales distintas, dos estructuras tridimensionales distintas

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ConfiguraciConfiguracióón de cada carbono n de cada carbono quiralquiral es es independiente de los demindependiente de los demááss

2 carbonos 2 carbonos quiralesquirales, cuatro estructuras tridimensionales distintas, cuatro estructuras tridimensionales distintas-- aquaquíí se representan las dos formas D se representan las dos formas D --


El nEl núúmero de estructuras distintasmero de estructuras distintasse calcula mediante 2se calcula mediante 2nn

donde n = # de carbonos donde n = # de carbonos quiralesquirales

4 carbonos 4 carbonos quiralesquirales, 16 estructuras tridimensionales distintas, 16 estructuras tridimensionales distintas-- aquaquíí se representan las 8 formas D se representan las 8 formas D --

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Formas cFormas cííclicas determina la existencia declicas determina la existencia deotro carbono otro carbono quiralquiral (dos formas extras: (dos formas extras: αα y y ββ))


Estructura tridimensional:Estructura tridimensional:enlaces axiales (paralelos al eje) oenlaces axiales (paralelos al eje) o

enlaces ecuatoriales (paralelos al plano)enlaces ecuatoriales (paralelos al plano)

β

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δ+δ-

δ-

Polaridad de enlaces determina Polaridad de enlaces determina interaccionesinteracciones

•• Enlaces polaresEnlaces polares

•• InteracciInteraccióón con n con sustancias polaressustancias polares

•• Dador o aceptor de Dador o aceptor de puentes de hidrpuentes de hidróógenogeno

•• HidrofHidrofíílicoslicos


Polaridad de enlaces determina Polaridad de enlaces determina interaccionesinteracciones

•• Enlaces Enlaces apolaresapolares

•• InteracciInteraccióón con n con sustancias sustancias apolaresapolares

•• HidrofHidrofóóbicosbicos

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Grupos funcionales pueden formar puentes Grupos funcionales pueden formar puentes de hidrde hidróógenogeno


Los carbohidratos son solubles en aguaLos carbohidratos son solubles en agua(se hidratan)(se hidratan)

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MonosacMonosacááridosridos

•• Una sola unidad de Una sola unidad de aldosaaldosa o o cetosacetosa

•• Cristales blancos, Cristales blancos, Solubles en aguaSolubles en agua

•• ReductoresReductores

•• DulcesDulces

•• Fuente primaria de Fuente primaria de energenergííaa

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•• Grupos del receptor son Grupos del receptor son donadores (AH) o donadores (AH) o aceptores (B) de puentes aceptores (B) de puentes de hidrde hidróógeno con el geno con el azazúúcarcar

•• Un grupo Un grupo hidrofhidrofóóbicobico ((γγ), ), modifica dulzura al influir modifica dulzura al influir el tiempo de impacto del el tiempo de impacto del azazúúcar con el receptorcar con el receptor

Dulzura = eficiencia en interacciDulzura = eficiencia en interaccióón con n con receptorreceptor


Dulzura = eficiencia en interacciDulzura = eficiencia en interaccióón con n con receptor = estructura tridimensionalreceptor = estructura tridimensional

60 00060 000SucralosaSucralosa30 00030 000AspartameAspartame40 00040 000SacarinaSacarina

1616LactosaLactosa3030MaltosaMaltosa

170170FructosaFructosa7070GlucosaGlucosa

100100SacarosaSacarosa

DULZURA RELATIVADULZURA RELATIVACARBOHIDRATOCARBOHIDRATO

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MonosacMonosacááridos como fuente de energridos como fuente de energííaa

•• Cada carbono tiene Cada carbono tiene siguiente estructura:siguiente estructura:HH--CC--OH (promedio )OH (promedio )

•• Electrones liberados Electrones liberados durante degradacidurante degradacióónn--oxidacioxidacióón son aceptados n son aceptados finalmente por el Ofinalmente por el O22

•• COCO22 y Hy H22O (no se O (no se muestra) productos muestra) productos finalesfinales

Ener

gía

libre

(G)

reduccireduccióónn

oxidacioxidacióónn

H-C-OH

O=C=OH2O

O2

H-C-H

O=C=OH2O

11/2O2


OligosacOligosacááridosridos

•• Dos o mDos o máás (<20) s (<20) monosacmonosacááridosridos

•• Uniones Uniones glucosglucosíídicasdicas(reductores/no reductores)(reductores/no reductores)

•• Solubles en agua, dulcesSolubles en agua, dulces

•• Su hidrSu hidróólisis produce sustratos lisis produce sustratos energenergééticosticos

•• Algunos ramificados forman Algunos ramificados forman glucoconjugadosglucoconjugados

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PolisacPolisacááridosridos

•• Mas de 20 monosacMas de 20 monosacááridosridos

•• Uniones Uniones glucosglucosíídicasdicas (importante configuraci(importante configuracióón de carbono n de carbono acetacetáálicolico))

•• Por componentes:Por componentes:–– HomopolisacHomopolisacááridosridos–– HeteropolisacHeteropolisacááridosridos

•• Por estructura:Por estructura:–– LinealesLineales–– RamificadosRamificados

•• Por su funciPor su funcióón:n:–– Almacenamiento energAlmacenamiento energééticotico–– Estructurales/protecciEstructurales/proteccióónn


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PolisacPolisacááridos de reservaridos de reserva

•• UniUnióón de unidades n de unidades monosacmonosacááridasridas (5 000 a (5 000 a 101066) evita presi) evita presióón n osmosmóótica en la ctica en la céélulalula

•• MolMolééculas culas ááltamenteltamentehidratadashidratadas

•• Se sintetizan y degradan Se sintetizan y degradan ffáácilmente (sitios no cilmente (sitios no reductores)reductores)

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AlmidAlmidóón: n: αα--DD--glucopiranosaglucopiranosaamilosaamilosa 20% 20% enlaces (enlaces (11→→4)4) ––lineallineal--

Un extremo reductor y uno NO reductorUn extremo reductor y uno NO reductor


AlmidAlmidóón: n: αα--DD--glucopiranosaglucopiranosaamilopectinaamilopectina 80% (80% (11→→4) y ramificaciones 4) y ramificaciones (1(1→→6)6) c/ 24c/ 24--30 u30 u

UnUn extremo reductor y extremo reductor y variosvarios extremos NO reductoresextremos NO reductores-- uno por cada ramificaciuno por cada ramificacióón n --

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GlucGlucóógeno: geno: αα--DD--glucopiranosaglucopiranosaenlaces (enlaces (11→→4) y ramificaciones 4) y ramificaciones (1(1→→6)6) c/ 8c/ 8--12 u12 u

6-10 u

UnUn extremo reductor y extremo reductor y variosvarios extremos NO reductoresextremos NO reductores-- uno por cada ramificaciuno por cada ramificacióón n --


SSííntesis y degradacintesis y degradacióón de glucn de glucóógenogenoSe agregan o separan residuos en extremo NO reductorSe agregan o separan residuos en extremo NO reductor

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Enlaces Enlaces αα 11→→44Residuos en distintos planos = enrollamiento helicoidalResiduos en distintos planos = enrollamiento helicoidal


Enlaces Enlaces αα 11→→44Enrollamiento helicoidal, hidrataciEnrollamiento helicoidal, hidratacióón, complejos con n, complejos con II--33/I/I--55

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PolisacPolisacááridos estructurales y de protecciridos estructurales y de proteccióónn

•• HomoHomo-- o o heterohetero--polisacpolisacááridosridos

•• MolMolééculas con estructuras culas con estructuras fibrosasfibrosas

•• Se disponen en forma paralela Se disponen en forma paralela para formar fibras mpara formar fibras máás s resistentesresistentes

•• MolMolééculas no se hidratanculas no se hidratan

•• Algunas dan origen a Algunas dan origen a sustaciassustacias hidratadas y hidratadas y viscosasviscosas


Celulosa: Celulosa: DD--glucopiranosaglucopiranosa (e(enlaces nlaces ββ 11→→4)4)Residuos en mismo plano, girados 180Residuos en mismo plano, girados 180ºº = fibras= fibras

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Enlaces Enlaces ββ 11→→44Fibras, disposiciFibras, disposicióón paralela, poco hidratacin paralela, poco hidratacióón, resistencian, resistencia


Quitina: Quitina: NN--acetilacetil--DD--glucosaminaglucosamina (e(enlaces nlaces ββ 11→→4)4)Residuos en mismo plano, girados 180Residuos en mismo plano, girados 180ºº = fibras= fibras

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PeptidoglicanoPeptidoglicanoProtecciProteccióón en pared celular de bacteriasn en pared celular de bacterias


HeteropolisacHeteropolisacááridosridos de la de la matrmatríízz extracelularextracelular

•• Espacio extracelular estEspacio extracelular estáá ocupado por una sustancia ocupado por una sustancia parecida a un parecida a un gelgel (sustancia fundamental)(sustancia fundamental)

•• Componentes: Componentes: heteropolisacheteropolisacááridosridos y protey proteíínas fibrosas nas fibrosas (col(coláágeno, elastina, geno, elastina, fibronectinafibronectina y y lamininalaminina))

•• HeteropolisacHeteropolisacááridosridos proporcionanproporcionan viscosidadviscosidad, , adherenciaadherencia y y fuerzafuerza tensoratensora a la a la matrmatríízz extracelularextracelular

•• Las funciones de los Las funciones de los heteropolisacheteropolisacááridosridos estestáán n propiciados por su estructura qupropiciados por su estructura quíímicamica””

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GlicosilaminoglicanosGlicosilaminoglicanos

•• PolPolíímeros lineales: Nmeros lineales: N--acetilacetil--glucosaminaglucosamina ((--galactosaminagalactosamina) ) y y áácido cido glucurglucuróóniconico ((iduriduróóniconico))

•• Algunos residuos estAlgunos residuos estáán n sulfatadossulfatados

•• Altamente hidratados y Altamente hidratados y altamente extendidos altamente extendidos (repulsi(repulsióón electrostn electrostáática)tica)

•• Patrones de sulfataciPatrones de sulfatacióón n proporcionan sitios de proporcionan sitios de reconocimiento para protereconocimiento para proteíínasnas

•• Se unen a proteSe unen a proteíínas para nas para formar formar proteoglicanosproteoglicanos


GlicosilaminoglicanosGlicosilaminoglicanos

•• HialuronatoHialuronato::proporciona claridad y proporciona claridad y viscosidad a lviscosidad a lííquido sinovial, quido sinovial, humos vhumos víítreo, carttreo, cartíílago, lago, tendonestendones

•• CondroitinCondroitin sulfato:sulfato:Contribuye a fuerza tensora de Contribuye a fuerza tensora de cartcartíílago, tendones, ligamentos lago, tendones, ligamentos y paredes de aortay paredes de aorta

• Queratán sulfato:Córnea, cartílago, hueso y estructuras formadas de células muertas: cuerno, pelo, uñas y garras

•• DermatDermatáánn sulfato, heparinasulfato, heparina

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Funciones de Funciones de glucoconjugadosglucoconjugados

•• Sirven como Sirven como ““etiquetas molecularesetiquetas moleculares”” para indicar el para indicar el destino de algunas protedestino de algunas proteíínasnas

•• Mediadores en interacciones especMediadores en interacciones especííficas cficas céélulalula--ccéélulalula y y ccéélulaslulas--matriz extracelular.matriz extracelular.

•• MolMolééculas culas contienendocontienendo carbohidratos especcarbohidratos especííficos actficos actúúan an en:en:–– reconocimiento y adherencia creconocimiento y adherencia céélulalula--ccéélulalula–– migracimigracióón de la cn de la céélula durante el desarrollolula durante el desarrollo–– CoagulaciCoagulacióón sangun sanguííneanea–– Respuesta inmuneRespuesta inmune–– CuraciCuracióón de heridasn de heridas

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GlucoconjugadosGlucoconjugados

•• ProteoglicanosProteoglicanos::Formados por Formados por glicosilaminoglicanosglicosilaminoglicanos en asociacien asociacióón con n con proteproteíínas. La porcinas. La porcióón proteica es la mayor fraccin proteica es la mayor fraccióón. Principal n. Principal componente de componente de matrmatríízz extracelular. Interacciones no extracelular. Interacciones no covalentes con otras molcovalentes con otras molééculas.culas.

•• GlucoproteGlucoproteíínana::Uno o varios Uno o varios oligosacoligosacááridosridos unidos unidos covalentementecovalentemente a a proteproteíína. Presente en superficie de membrana, na. Presente en superficie de membrana, matrmatríízzextracelular y plasma. Ricos en informaciextracelular y plasma. Ricos en informacióón, lugar de unin, lugar de unióón n de alta afinidad de protede alta afinidad de proteíínas.nas.

•• GlucolGlucolíípidospidos::LLíípidos de membrana, cuya cabeza polar son carbohidratos. pidos de membrana, cuya cabeza polar son carbohidratos. Sitios de reconocimiento para proteSitios de reconocimiento para proteíínas que unen nas que unen carbohidratos.carbohidratos.


ProteoglicanosProteoglicanos

• En mamíferos al menos 30 tipos de moléculas de esta superfamilia

• Funciones– Organizadores de los tejidos– Influencian el desarrollo de

tejidos especializados– Mediadores de actividades

de varios factores de crecimiento

– Regulan el ensamble extracelular de fibras de colágeno

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• La fracción de heparán sulfato une una variedad de ligandos y modula su interacción con receptores celulares

• Existe heterogeneidad en la secuencia de heparán sulfato, no es al azar

• Algunos dominios difieren en su secuencia (3-8 disacáridos de longitud) con dominios vecinos

• Existe también diferencia en su afinidad a proteínas específicas

• Heparan sulfato, se sintetiza como polímeros largos (50 to200 unidades disacáridas: GlcNAc-GlcA) modificación química posterior produce 32 diferentes disacáridos


InteracciInteraccióón de proten de proteíínas con el dominio S nas con el dominio S del del haparhaparáánn sulfatosulfato

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UniUnióón de n de heparanheparan sulfato a sulfato a Factor de Crecimiento de Fibroblastos (FGF1)Factor de Crecimiento de Fibroblastos (FGF1)

Glycosaminoglicanos (GAGs)

Célula productora de citocinas/quimiocinas

Cc/Qc

Interacción Cc/Qc - GAGs

Células endoteliales

Reconocimiento de complejos Cc/Qc -

GAGs

Leucocito

Migración de leucocitosINFLAMACIÓN

Papel de Papel de proteoglicanosproteoglicanos en inflamacien inflamacióónn

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Agregados de Agregados de ProteoglicanosProteoglicanos


GlucoproteGlucoproteíínasnas•• Una o varias unidades Una o varias unidades

oligosacoligosacááridasridas unidas unidas covalentementecovalentemente

•• FunciFuncióón en la superficie de la n en la superficie de la membrana, en el ambiente membrana, en el ambiente intracelular o la sangre intracelular o la sangre (prote(proteíínas secretadas)nas secretadas)

•• Los Los oligosacoligosacááridosridos modifican modifican su polaridad y su capacidad su polaridad y su capacidad para interactuar con otras para interactuar con otras molmolééculasculas

•• Las puede proteger de su Las puede proteger de su degradacidegradacióón por n por proteasasproteasas

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GlucoproteGlucoproteíínasnas::Riqueza de informaciRiqueza de informacióón en n en oligosacoligosacááridosridos

•• OligosacOligosacááridosridos <14 <14 monosacmonosacááridosridos

•• Uniones (1Uniones (1→→2), (12), (1→→3), (13), (1→→4), 4), (1(1→→6), (26), (2→→3) y (23) y (2→→6), 6), αα o o ββ

•• Con 20 distintos monosacCon 20 distintos monosacááridos ridos se pueden formar 1.44 x 10se pueden formar 1.44 x 101515

distintos distintos hexasachexasacááridosridos

•• NNúúmero se incrementa al mero se incrementa al considerar la adiciconsiderar la adicióón de sulfatosn de sulfatos

•• OligosacOligosacááridosridos son molson molééculas culas ricas en informaciricas en informacióónn

•• Cada Cada oligosacoligosacááridorido representa representa una estructura tridimensional una estructura tridimensional úúnicanica

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Carbohidratos derivadosCarbohidratos derivados

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Edulcorantes artificialesEdulcorantes artificiales

Sacarina

Aspartame


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MaMaíízz CentenoCenteno CebadaCebada

AvenaAvena HabaHaba PapaPapa

Granos de almidGranos de almidóónnForma y tamaForma y tamañño son caractero son caracteríísticas de grupo taxonsticas de grupo taxonóómicomico

carbohidratos parte 1

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