1 HIDRATOS DE CARBONO Carboidratos → Moléculas orgânicas que apresentam C, H, O Relacionados com aldeídos e cetonas, contendo hidroxilas Podem ser definidos: Poliidroxialdeídos Poliidroxicetonas ou como substâncias que produzem estes compostos por hidrólise Carboidratos simples → Também conhecidos como açúcares ou sacarídeos → Terminação da maioria dos açúcares “ose”. Classificação → Realizada em função do tamanho molecular Hidratos de carbono Monossacarídeos Oligossacarídeos (2-10 unidades) Polissacarídeos Carboidratos mais simples Intermediários (mais importantes Dissacarídeos) Produtos de condensação (muitos monossacarídeos interligados através de uma reação de desidratação) ! Os polissacarídeos podem ser hidrolisados, degradados numa reação com água (na presença de ácido) para produzir monossacarídeos. Os monossacarídeos, porém, não podem desta forma ser convertidos em moléculas mais simples. 2 Carboidratos → Componentes mais abundantes das plantas, por absorção da Esolar realizam a Fotossíntese. Fótons da luz solar capturados pela clorofila Absorção de luz Fotossíntese Clorofila Energia química (Extenso sist. Conjugado) Habilidade de absorver a luz na região do visível. Fica a disposição da planta Pode ser usada para promover as reações de oxi-redução. Reduz o CO2 a carboidrato e oxida a água a oxigênio. Equação geral da fotossíntese x CO2 + y H2O + Esolar Cx(H2O)y + x O2 ! O metabolismo dos carboidratos também ocorre através de uma série de reações catalisadas por enzimas, em que cada etapa liberadora de energia é uma oxidação (ou conseqüência de uma oxidação) HC Importantes reservatórios de Energia (Liberada quando as plantas e animais os metabolizam a CO2 e H2O) Cx(H2O)y + x O2 x CO2 + y H2O + E ADP + Calor Fosfato Maior parte de energia é convertida em uma nova forma química. inorgânico ATP Parte de energia perdida Direcionamento Processos que Requerem energia (Ex: Contração de um músculo, síntese de uma macromolécula) 3 Classificação de monossacarídeos (1) N° de átomos de C presentes na molécula Monossacarídeos (2) Presença de grupos aldeídicos ou cetônicos Assim, um monossacarídeo contendo: 3 átomos de C (Triose) Aldeídico (Aldose) 5 átomos de C (Pentose) Cetônico (Cetose) 6 átomos de C (Hexose) Classificações freqüentemente combinadas Aldotriose Cetopentose - Aldose com 3 átomos de C. Monossacarídeo com 5 átomos de carbono e um grupo cetônico. O gliceraldeído, um dos mais monossacarídeos é uma aldotriose. simples de todos os No organismo é formado da degradação de hexoses no tecido muscular. Contém 3 átomos de carbono, um dos quais é parte do grupo aldeídico. Gliceraldeído Cada um dos outros dois átomos de carbono está ligado a um grupo hidroxila. Os outros monossacarídeos maiores (tipo aldose) derivados do gliceraldeído por alongamento da cadeia. são 4 Monossacarídeos mais simples: Gliceraldeído (Contém 1 carbono quiral) Diidroxiacetona Dá origem às cetoses maiores (+) Gliceraldeído (-) Gliceraldeído Enantiômeros Início do século, um sistema de indicação estereoquímica foi introduzido: (Antes que as configurações absolutas de qualquer composto orgânico fossem conhecidas) (+) Gliceraldeído → D (-) Gliceraldeído → L ! Referências configuracionais para todos os monossacarídeos 5 Se um monossacarídeo cujo carbono quiral de numeração mais alta, possui a mesma configuração do D-gliceraldeído, ele é designado como um açúcar D. Se tiver a do L-gliceraldeído → um açúcar L. Designações (D) e (L) não estão necessariamente relacionadas com as rotações ópticas D(+) ; D(-) ; L(+) ; L(-) Monossacarídeos comuns na natureza → Forma D (Configurações D ou L) → Grande importância biológica. Enzimas altamente específicas reconhecem apenas 1 enantiômero) Série de monossacarídeos (Fórmulas de Fischer) 6 (+) D-Glicose → Monossacarídeo mais abundante na natureza Maior fonte de energia para a vida Ex: No sangue (carboidrato encontrado em maior quantidade na corrente sangüínea) Concentração usual → 90 mg de glicose / 100 ml de sangue A glicose pode ser administrada endovenosamente (5% isotônica) (pacientes que não podem ingerir alimentos) Diabetes mellitus – Quantidade de glicose acima do normal Métodos usados p/det. de glicose no sangue (na urina) Oxidação (Benedict ou Fehling) Redução de íon Cu → Precipitado vermelho-laranja Diferença de coloração indica a quantidade de glicose na urina Testes modernos (específicos) → Reação catalisada por enzima Glucose Oxidase D-Glicose + O2 D-glicuronato-δ-lactona + H2O2 Incolor Peroxidase Composto colorido (Determinado espectroscopicamente) D-Galactose → Encontrada nas glândulas mamárias Junto com a glicose formam a lactose (Dissacarídeo) Membranas cerebrais – “Cerebrose” Substância dos grupos sangüíneos (Superfície externa das hemácias e que determinam o grupo sanguineo) D-Frutose (Cetohexose) – Levulose CH2OH C=O - Açúcares das frutas. Mais hidrossolúvel e mais doce de todos. - Alimentação endovenosa (5 a 10%) HO C H H C OH H C OH CH2OH ! A D-galactose e a D-frutose são isômeros da D-glicose. 7 Fórmulas estruturais para os monossacarídeos Fórmulas de Fischer → Cadeia aberta Apesar de todas as propriedades serem explicadas em termos de cadeia aberta, existem evidências que a estrutura em cadeia aberta encontra-se em equilíbrio com duas formas cíclicas. Nesta aldose, um dos grupos hidroxila (carbono 5) reage com o grupo aldeídico. Como resultado, forma-se um hemiacetal, e o grupo carbonila não fica mais livre (hemiacetal cíclico). ! Se o monossacarídeo fosse uma cetose, iria-se formar um hemicetal. Dependendo da orientação do grupo aldeídico, quando o anel se fecha, podem ser formados 2 hemiacetais cíclicos. Eles diferem apenas no arranjo em volta do carbono 1 e são designados α e β. ! Isômeros que diferem no carbono hemiacetálico → Anômeros O átomo de carbono, que vem do grupo carbonila do aldeído, é conhecido como carbono anomérico. Quando um anômero é dissolvido em água, a outra forma logo aparece Ela se forma por Mutarrotação (conversão dos anômeros α e β através da forma aberta da molécula) Forma cíclica α ↔ Forma aberta ↔ Forma cíclica β Glicose (64% forma β e 36% na forma α em solução) (forma aberta – Qde muito pequena. Mesmo assim → Análise clínica) Como resultado deste processo, os anômeros α e β existem em equilíbrio em solução. 8 Nem todos existem em equilíbrio com anéis hemiacetálicos de 6 carbonos, às vezes anéis de 5. Sistema de nomenclatura baseado no n° de átomos de C. α-D-glicopiranose β -D-glicopiranose Pirano α -D-frutofuranose β -D-frutofuranose Furano ! Estes nomes são derivados dos heterocíclicos com oxigênio com oxigênio no anel, pirano e furano. Anel de 6 membros Anel de 5 membros ______________________________________________ Reações de monossacarídeos Oxidação 1) Reagentes de Benedict ou de Tollens Ag(NH3)2+ OH- Íon complexo de citrato cúprico Complexos de prata Oxidam e dão testes positivos para aldoses e cetoses (Açúcares redutores) Úteis para testes diagnóstico. (Não servem como reagentes sintéticos em oxidações de carboidratos) Sol. Alcalina (meio) → Reações complexas que levam a isomerizações e fragmentações. 9 2) Água de bromo Sol. Ligeiramente ácidas→Não sofrem isomerizações nem fragmentações. Conversão de uma aldose em um ácido aldônico A água de bromo oxida especificamente o anômero β. As α-aldopiranoses demoram 250 vezes mais (provavelmente devido à sua conversão no anômero β, seguida de oxidação) 3) Oxidação com ácido nítrico (diluído) Agente oxidante mais forte que a água de bromo Oxida tanto o grupo CHO como CH2OH terminais de uma aldose a grupos COOH. Os ácidos dicarboxílicos gerados são conhecidos como ácidos aldáricos. 10 4) Oxidação com periodato (HIO4) Quebra oxidativa dos compostos poliidroxilados → A reação quebra as ligações C-C e produz compostos carbonílicos (aldeídos, cetonas, ácidos) Glicerol Rç processada em rendimento quantitativo. Serve para a identificação dos produtos formados. - Determinação do n° de moles de ácido periódico consumido na reação. - Identificação dos produtos carbonílicos formados. 5) Redução de monossacarídeos Aldoses e cetoses reduzidos para alditóis. ! A redução da D-glicose, por exemplo, produz, o D-glicitol. 11 Síntese de monossacarídeos (Kiliani – Fischer) Hoje, o método para aumentar a cadeia de carbono de uma aldose é chamada de síntese de Kiliani-Fischer. 12 Degradação de Ruff ! Da mesma maneira que a síntese de Kiliani-Fischer pode ser usada para aumentar a cadeia de uma aldose (de 1 átomo de carbono), a degradação de Ruff, pode ser usada para diminuir a cadeia de um número semelhante. Envolve: (a) A oxidação da aldose a um ácido aldônico (água e bromo) (b) Descarboxilação oxidativa do ácido aldônico a uma aldose inferior. [H2O2 e Fe2(SO4)3] _______________________________________________ Dissacarídeos Consistem de 2 unidades de monossacarídeos interligados por um átomo de oxigênio. Maltose → Consiste de 2 unidades de glicose Uma molécula de H2O é liberada para cada ligação glicosídica formada. O carbono anomêrico da glicose β ainda existe como hemiacetal. Ligação glicosídica (α-1,4) O glicosídeo final é uma mistura das forma α e β. Não ocorre em abundância na natureza (grãos em germinação) Produto principal da hidrólise do amido (No nosso organismo, a maltose é hidrolisada a glicose. A maltose é usada em “fórmulas” para alimentação de crianças). 13 Celobiose Igual à maltose, exceto na configuração da ligação glicosídica (β β-1,4) Lactose Encontrado no leite humano e de outros mamíferos. O leite humano tem cerca de 2 vezes mais lactose que o leite da vaca. Açúcar redutor que se hidrolisa fornecendo glicose e galactose. Enzima que está presente nas crianças e ativa em adultos descendentes de europeus nórdicos e alguns outros grupos étnicos. Para digerir a lactose é necessária a enzima “lactase”. A maioria dos adultos descendentes de povos orientais, africanos, médio-orientais, indianos e mediterrânicos têm pouco da enzima e mostram graus variáveis de “intolerância” à lactose. Sacarose Dissacarídeo mais comum (açúcar de mesa ou açúcar comum). Encontrada em todas as plantas fotossintetizadoras. Comercialmente (cana de açúcar ou beterraba) Usado como padrão edulcorante (α α-1,2) → Ligação glicosídica que envolve 2 carbonos anomêricos. Como resultado, nenhum dos aneis pode sofrer mutarrotação, e a sacarose não tem formas α e β. A hidrólise fornece glicose e frutose. 14 Polissacarídeos Polímeros de condensação que geralmente centenas de moléculas de monossacarídeos. contêm Pontes oxídicas (glicosídicas) Pesos moleculares típicos – Milhares a milhões. Três polissacarídeos mais importantes (polímeros da glicose) Amido Glicogênio Celulose Amido → Reserva alimentar das plantas. Glicogênio → Reserva de carboidratos para os animais Celulose → Material estrutural das plantas. ! Cada um destes polissacarídeos é especialmente adequado para a sua função. 15 Amido Grânulos microscópicos nas raízes, tubérculos e sementes das plantas. Milho, batata, trigo arroz – Mais importantes fontes comerciais Aquecimento em água (inchamento) → Suspensão coloidal Amilose (10-20%) Amilopectina (80-90%) Medidas físicas (constituída de mais de 1000 moléculas de α-D-glicose 1→4) Cadeias α-glicosídicas Tendem a assumir um arranjo helicoidal (Forma compacta) Apesar do alto PM 16 Amilopectina Estrutura semelhante com ramificações. (Lig. 1→6) em intervalos de 24-30 unidades de glicose. PM ∼1 a 6 milhões. Amilopectina Alto grau de ramificação, conhecido como polissacarídeo “dentrítico”. 17 Amido (plantas armazenam a energia obtida da luz solar) Digerido(homens e animais) Decomposto em fragmentos menores Dextrinas Hidrólise Maltose Hidrólise Glicose ! Quando o pão é torrado, parte do amido é convertido em dextrinas, dando-lhe um sabor e texturas diferentes. No processo comercial para a obtenção de dextrinas, o amido é altamente degradado, convertendo-se em glicose. No resfriamento e neutralização, ocorre um rearranjo de moléculas (formam-se macromoléculas com ramificações curtas). Dextrinas podem formar pastas pegajosas (usadas em mucilagens) Ex: Verso dos selos dos correios Cerca de 40% (Formulações adesivas) Outros grandes consumidores (Indústrias de papel, têxtil, farmacêutica e alimentícia) Ex. Formulações alimentares infantis (dextrinas, maltose e leite) Facilmente digeridas. (Impedem que o leite forme grandes e pesados coágulos no estômago das crianças) 18 Glicogênio “Amido animal” Estruturalmente semelhante à amilopectina do amido. Moléculas muito maiores, pesos moleculares de milhões. Muito mais ramificadas (8-12 resíduos de glicose) Polissacarídeo de reserva dos animais. Ocorre na maioria dos tecidos, mas é principalmente encontrado no fígado e no tecido muscular esquelético. Usado quando necessário como fonte de energia. Glicogênio (Glicogênese) Parte armazenada (Glicose Glicose (Após digestão) na corrente sanguínea) Hidrolisado a glicose (Glicogenólise) ! O glicogênio é bem adaptado para armazenamento. Tamanho grande → Impede difusão através das membranas celulares (permanece dentro das células) Milhares de moléculas numa só (não gera problemas osmóticos) ! Se tantas moléculas de glicose estivessem presentes na célula como “moléculas individuais”, a pressão osmótica dentro da célula seria enorme, tão grande, que fatalmente a célula se romperia. A amilopectina (plantas) é menos ramificada que o glicogênio pois a taxa metabólica é mais baixa do que a dos animais. ! Não requer despreendimentos repentinos de energia. Os animais também armazenam energia sob a forma de gorduras (triacilgliceróis) → Energia a longo prazo (maior energia) 19 Celulose Substância orgânica mais abundante na natureza. (paredes celulares de proteção das plantas como seu principal componente estrutural) Ligações glicosídicas β(1→4) Cadeias essencialmente lineares. Arranjo linear β → OH para fora da cadeia. Quando 2 ou mais cadeias de celulose entram em contato, os grupos hidroxila encontram-se em posição ideal para unir as cadeias formando ligações de hidrogênio Ligações hidrogênio → Tornam o polímero fibroso (Insolúvel e rígido) Ideal como material de parede celular das plantas. Não pode ser digerido pelo organismo humano Somente cupim, vaca e outros ruminantes contêm microorganismos que secretam a enzima necessária. Algodão (quase que inteiramente celulose). Madeira (40-50%) Para outros produtos comerciais (necessitam tratamento químico) Para a introdução de substituintes Carboximetilcelulose, hidroxipropilcelulose, metilcelulose, nitrato de celulose, etc → Derivados mais facilmente solúveis. 20 Outros polissacarídeos Quitina - Polissacarídeo linear existente no exoesqueleto de milhares de artrópodos, crustáceos e insetos. - Provavelmente o segundo polissacarídeo em abundância perto da celulose. Características estruturais similares à celulose (Diferença no grupo acetamida substituinte no C2) Forma longas fibras (Insolúvel em água e soluções alcalinas) Apropriado para servir em funções estruturais. ! Não pode ser digerido por animais vertebrados ______________________________________________________ Hidrocolóides Biopolímeros hidrossolúveis. Exercem papel importante no controle da textura e estabilização de muitos produtos industrializados. Agentes espessantes, estabilizantes e gelificantes. Capacidade de modificar o comportamento da água presente nesses sistemas, prevenindo ou retardando uma série de fenômenos físicos, como a sedimentação de partículas sólidas, cristalização ou evaporação da água, agregação de partículas e a sinérese de sistemas gelificados. 21 Podem ser obtidos de diversas fontes. As principais indústrias que se beneficiam são a alimentícia, farmacêutica, de cosméticos, petrolífera, têxtil, tintas, entre outras. Origem Exsudatos de plantas Extratos de algas (Vermelhas, marrons) Extratos de sementes (Leguminosas) Exemplo Goma arábica, goma caraia, goma Ghatti Agar-agar, carragenanas, alginatos Goma guar, goma alfarroba (LBG), goma tara Extratos de plantas terrestre Pectinas (Cítricos,maçã, etc) Biossintéticas (Microorganismos) Dextrana, xantana, gelana Extratos de algas – Alginatos (algas pardas) – Ácidos manurônico e gulurônico Gelificante (com íons cálcio) Carragenanas (algas vermelhas) – Polissacarídeos mais ou menos sulfatados Kapa, Iota, Lambda (usados em sistemas lácteos) Extratos de sementes – Encontrados como materiais de reserva alimentar em sementes de árvores leguminosas (galactomananas) Usos: Espessantes Extratos de plantas terrestres – Encontram-se associados à celulose sob forma de compostos pécticos. Essencialmente Ácidos α-D-galacturônicos, parcialmente esterificados Conferem às células vegetais a capacidade de absorver água em grande quantidade. Dependendo do grau de metoxilação: HMP (alto grau de metoxilação: 80%) LMP (baixo grau de metoxilação: 20-50%) Biossintéticas – A mais importante é a goma xantana (fermentação da bactéria Xantomonas campestris) Características: Alta estabilidade térmica, a sais, ácidos, bases, etc.