Hidratos de carbono (com animações interactivas)

Hidratos de carbono

Professor Associado, Universidade Fernando Pessoa

Outros modelos interactivos:

Vias metabólicas:

Os hidratos de carbono (também chamados carboidratos, sacarídeos, oses ou açúcares) são moléculas biológicas constituídas por carbono, oxigénio e hidrogénio nas proporções de 1:1:2. Nos hidratos de carbono simples (ou monosacarídeos) de n carbonos existe:

um grupo carbonilo - Consoante o grupo carbonilo seja terminal (i.e., aldeído) ou cetónico, o açúcar será uma aldose ou uma cetose.

n-1 grupos hidroxilo, cada um ligado a um átomo de carbono diferente:

aldoses e cetoses

Como se pode observar nos exemplos acima, cada monossacarídeo pode conter n-2 (no caso das aldoses), ou n-3 (no caso das cetoses) carbonos assimétricos, i.e. com quatro substituintes diferentes. A presença de carbonos assimétricos implica geralmente que a molécula não seja sobreponível com a sua imagem no espelho, conforme se pode ver no exemplo abaixo:

quiralidade

Cada açúcar pode portanto ter vários isómeros. Dois açúcares de igual composição que sejam reflexões não-sobreponíveis um do outro dizem-se enantiómeros. Caso contrário, dizem-se diasteroisómeros. Um caso especial de diasteroisómeros são os epímeros, que diferem entre si apenas na configuração de um dos carbonos.

enantiómeros, diasteroisómeros e epímeros

No exemplo acima, 1 e 2 são enantiómeros, 1 e 3 são diasteroisómeros, 2 e 3 são epímeros. As estruturas de monossacarídeos escrevem-se geralmente sob a forma de fórmulas de Fischer, uma representação especial onde se observa a molécula segundo o eixo carbonado e com os substituintes voltados para o observador, e se omitem os símbolos químicos dos carbonos assimétricos e dos hidrogénios a eles ligados. Os açúcares acima representam-se assim da forma abaixo:

fórmulas de Fischer

Em baixo à esquerda apresenta-se a molécula da glucose, e à direita a correspondente fórmula de Fischer

Os monossacarídeos naturais têm uma característica comum: quando escritos sob a forma de fórmulas de Fischer, o carbono assimétrico mais afastado do carbonilo contém o grupo OH no lado direito. Estes açúcares (como p.ex. o açúcar (1) acima) são chamados açúcares D- ( de direito), e os seus enantiómeros são de série L- (do latim levo, que significa esquerdo), como p.ex. os açúcares (2) e (3) acima.

Os monossacarídeos podem converter-se em formas cíclicas, mediante o ataque do seu carbonilo por um dos seus grupos hidroxilo. Esta reacção é um exemplo relevante da formação de hemicetais em biologia. As formas cíclias só são estáveis se o anel tiver cinco ou mais lados (caso contrário os ângulos das ligações serão muito diferentes do valor ideal de ≈ 109^o ). Na prática os açúcares mais comuns formam anéis de cinco lados (chamados furanoses) ou de seis lados (chamados piranoses). Em solução aquosa as formas cíclicas são frequentemente muito mais estáveis do que as formas lineares.

Note que são possíveis duas formas cíclicas, devido à posição inicial do carbonilo ser variável. O carbono hemicetálico (normalmente chamado carbono anomérico) que se forma a partir do carbonilo pode portanto ter o grupo OH em duas orientações diferentes: se o OH estiver do mesmo lado numa projecção de Fischer que o OH do último carbono assimétrico, diz-se uma forma α ; se estiver do lado oposto é uma forma β. Para as hexopiranoses de série D, isto significa que na forma α o OH do carbono anomérico e o CH₂OH do último carbono assimétrico estão em lados opostos do anel.

Dissacarídeos

É possível criar uma ligação química entre dois açúcares (ligação glicosídica). Nesta reacção, o OH do carbono anomérico ataca um átomo de carbono de outra molécula de açúcar, provocando a saída do OH ligado a esse carbono:

Como o açúcar atacado possui vários grupos OH, são possíveis várias ligações glicosídicas diferentes, e é necessário distingui-las. Isto pode ser feito facilmente se em cada açúcar se numerarem os carbonos de forma consecutiva, atribuindo o menor número possível ao carbono anomérico. Basta então indicar explicitamente quais os carbonos envolvidos na ligação glicosídica, e a configuração do carbono anomérico que faz parte da ligação. Por exemplo, a ligação glicosídica acima envolve o carbono 1 do açúcar A e o carbono 4 do açúcar B. Além disso, o carbono anomérico envolvido na ligação tem configuração α. A ligação glicosídica acima é por isso uma ligação α-1,4.

	(Glucose α-1,4 glucose) É o produto da degradação do amido pelas amilases.
	(Glucose α-1 β-2 frutose) É o açúcar extraído da cana sacarina.
	(Galactose β-1,4 glucose) É o açúcar presente no leite. Na maior parte dos mamíferos, a enzima responsável pela sua hidrólise (a lactase) só é sintetizada durante o período de aleitamento. Na ausência de lactase, a lactose não pode ser digerida, tornando-se por isso uma fonte de alimento abundante para a flora intestinal (que então começa a crescer descontroladamente), e originando por isso náuseas e vómitos, assim como diarreia (por afectar a osmolaridade do intestino delgado). No entanto, desde a domesticação do gado, algumas populações humanas desenvolveram a capacidade de continuarem a sintetizar a lactase durante toda a vida.

Alguns polissacarídeos importantes

Celulose – polímero linear de moléculas de glucose unidas entre si por ligações glicosídicas β-1,4.

celulose

A conformação da celulose - com todos os grupos polares em posição equatorial - permite o estabelecimento de muitas pontes de hidrogénio entre duas moléculase paralelas de celulose, oque lhe confere bastante resistência mecânica.

Amilose – polímero linear de moléculas de glucose unidas entre si por ligações glicosídicas α-1,4. Possui estrutura helicoidal e é solúvel em água. É um dos constituintes do amido.

Amilopectina – O outro constituinte do amido. Polímero ramificado de moléculas de glucose unidas entre si por ligações glicosídicas α-1,4 e α-1,6 (nas ramificações). As ramificações estão presentes em cerca de 1/25 das moléculas de glucose.

Glicogénio – Semelhante à amilopectina, mas característico de células animais. É bastante mais ramificado do que a amilopectina (aproximadamente a cada 10 moléculas de glucose), e encontra-se ligado a uma proteína (a glicogenina) na sua extremidade redutora.

Bibliografia

	Biochemistry, by Donald Voet & Judith Voet Um excelente livro. Expõe a Bioquímica com referências constantes à química orgânica e à lógica bioquímica. A inspiração destas páginas.... Particularmente indicado a estudantes de Licenciaturas em Bioquímica, Ciências Farmacêuticas ou Química.		Biochemistry, Stryer Um texto clássico, frequentemente actualizado e re-editado.
	Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, Thomas Devlin Aconselhado a estudantes de licenciaturas em Medicina, Enfermagem, etc. Imensos exemplos da aplicação da bioquímica a casos clínicos		Principles of Biochemistry, Lehninger Um texto clássico, frequentemente actualizado e re-editado.