Resumo Carboidratos

Química

São as biomoléculas mais abundantes. Sua oxidação é a principal fonte de energia para a maioria das células não fotossintéticas. Podem agir como elementos estruturais, lubrificantes em articulações, auxiliam o reconhecimento e a adesão intercelular, formam glicoconjugados com proteínas e lipídeos.

Definição

Carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas; ou substâncias que geram esses compostos quando hidrolisadas.

Classificação

São divididos em três classes principais: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos.

Monossacarídeos

Os monossacarídeos são açucares simples, solúveis em água e possuem sabor adocicado. Podem ser aldoses ou cetoses, a primeira é caracterizada pela presença de um grupo carbonil em uma das extremidades, já as cetoses possuem grupo carbonil em qualquer outra posição. Podem ser divididos em: trioses, tetroses, pentoses e hexoses (Figura 1). Tetroses a hexoses diferem na configuração do carbono quiral, dando origem aos epímeros (Figura 2). 

Figura 1. Aldoses e Cetoses. (A) D-Aldoses e (B) D-Cetoses com três a seis carbonos. Os carbonos em vermelho indicam centro quiral (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).  

Figura 2. D-Glicose e dois de seus epímeros, diferindo na configuração em um centro quiral (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Em solução aquosa as aldotetroses e todos os monossacarídeos com cinco ou mais carbonos ocorrem em estruturas cíclicas. O grupo carbonil se liga covalentemente ao oxigênio de um grupo hidroxil dando origem aos hemiacetais e hemicetais. O carbono (do grupo carbonil) envolvido nessa ligação, agora é denominado anomérico. Podendo ocorrer nas formas α e β (Figura 3).          

Figura 3. Formação das duas formas cíclicas da D-Glicose. Reação entre o C1 (grupo aldeido) com o grupo hidroxil do C5, podendo formar dois estereoisômeros alfa e beta (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

          Alguns monossacarídeos são capazes de reduzir certos íons, por conta dessa capacidade são denominados açucares redutores. Podem ser oxidados por alguns agentes oxidantes como o íon férrico (Fe³⁺) e cúprico (Cu²⁺). Essa característica permite estimar a concentração dos açúcares em solução (Figura 4).

Figura 4. Açucares como agentes redutores. Em estrutura cíclica a glicose não pode ser oxidada, contudo, quando em cadeia aberta (exposição do grupo carbonil) adquire sua característica redutora (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Dissacarídeos

Dissacarídeos consistem em dois monossacarídeos unidos covalentemente por ligação D-glicosídica (Figura 5). Alguns Dissacarídeos e polissacarídeos possuem extremidades redutoras, ou seja, extremidade com carbono anomérico livre (ex.: redutor - maltase; ex.: não redutor - sacarose e trealose). Tal fato se deve a possibilidade do retorno a forma linear. Essa característica permite que o grupo cabonil reaja com íons.

        

Figura 5. Formação da maltose. Os dissacarídeos são formados por dois monossacarídeos em ligação O-glicosídica beta ou alfa. A formação da ligação ocorre por meio da condensação do grupo hidroxil (álcool) com o grupo hemeacetal ou hemecetal (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Oligossacarídeos e Polissacarídeos

Oligossacarídeos são cadeias curtas formadas por monossacarídeos. Já os polissacarídeos contêm mais de 20 unidades de açúcares. A maioria dos carboidratos encontrados na natureza ocorrem como polissacarídeos. Diferem em suas unidades ao longo da cadeia, no seu comprimento, tipos de ligação que unem as unidades e grau de ramificação. Podem ser classificados como homopolissacarídeos (ex.: glicogênio e amido) e heteropolissacarídeos (peptioglicano). Servem como formas de armazenamento, elementos estruturais, suporte extracelular. Não possuem peso molecular definido.

Polissacarídeos e oligossacarídeos são importantes no transporte de informação, comunicação entre células, sinalização de proteínas de transporte e degradação. Podem realizar tais funções em conjunto com proteínas ou lipídeos, dando origem aos glicoconjugados.

Os mais importantes polissacarídeos de reserva são o amido (vegetais) e glicogênio (animais). Ambos são extremamente hidratados por possuírem muitos grupos OH expostos. O amido é formado por dois tipos de polímeros de glicose, amilose e amilopectina. O primeiro possui cadeias longas, não ramificadas com resíduos de D-glicose conectados por ligação α1  4. A amilopectina é altamente ramificada, em cadeia os resíduos estão conectados por α1   4 e α1    6 nos pontos de ramificação ( a cada 24 ou 30 resíduos).

O glicogênio é um polímero formado por subunidades de glicose ligadas por ligações α 1   4 e alfa 1   6 nas ramificações (de 8 a 12 resíduos). É mais compacto que o amido. Encontra-se em abundancia no fígado e também está presente no músculo esquelético.

A celulose é um homopolissacarídeo com funções estruturais.  É uma substância fibrosa, resistente e insolúvel em água, encontrada na parede celular de plantas. Os monômeros de glicose estão conectados por ligações β 1    4, dando propriedades estruturais e físicas diferentes da amilose.

Glicoconjugados

Os glicoconjugados podem ser divididos em proteoglicanos, glicoproteínas e glicolípideos.

Proteoglicanos: são cadeias de glicosaminoglicanos sulfatados covalentemente unidas a proteínas de membrana ou proteínas excretadas.

Glicoproteínas: são proteínas que possuem um ou alguns oligossacarídeos de complexidade variada. A porção açúcar da molécula é rica em informação e serve como local extremamente específico para a ligação a lectinas.

        Glicolipídeos: são lipídeos de membrana que possuem como grupo de cabeça um oligossacarídeo. Auxiliam formação de mielina e transdução do sinal celular.

Metabolismo

Glicólise

A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microrganismos. Segue quatro destinos principais em animais e vegetais: estocagem (glicogênio, amido, sacarose), pode servir para fins estruturais (fazer parte da matriz extracelular, parede celular), síntese de ácido nucleicos (via das pentoses-fosfato) e piruvato (geração de energia).

A glicólise foi a primeira via metabólica elucidada e provavelmente é a melhor entendida. Essa via ocorre no citosol e consiste em uma molécula de glicose sendo degradada em uma séria de reações catalisadas por enzimas, gerando duas moléculas de piruvato. Parte da energia é conservada em ATP e NADH. É uma via central do catabolismo da glicose. Em algumas células e tecidos, representa a única fonte de energia (ex.: eritrócitos, medula renal).

A glicólise ocorre em 10 etapas e pode ser dividida em duas fases (Figura 6). As cinco primeiras etapas constituem a fase preparatória. Nessa fase ocorre o gasto de duas moléculas de ATP. As outras cinco etapas constituem a fase de compensação ou pagamento, ocorrendo ganho energético na forma de ATP e NADH (posteriormente usado na cadeia transportadora de elétrons). Ao final da glicólise ocorre a produção de duas moléculas de piruvato. Essas moléculas podem seguir três vias catabólicas principais: transformam-se em Acetil-Coa para seguir oxidação pelo ciclo do acido cítrico, fermentação alcoólica ou fermentação láctica.

Figura 6. As duas fases da Glicólise. (a) fase de preparação e (b) fase de pagamento, ambas possuem cinco etapas (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Equação geral da glicólise:

Glicose + 2 NAD⁺ +2 ADP + 2 Pi à 2 Piruvato + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

Muitos carboidratos encontram seus destinos catabólicos na glicólise após transformação em intermediários glicolíticos (glicogênio, amido, maltose, lactose, trealose e sacarose, etc).

          A regulação da glicólise é feita para manter níveis de ATP praticamente constantes. Ocorre através da interação complexa entre o consumo de ATP, regeneração de NADH e regulação alostérica de algumas enzimas. Em uma escala de tempo maior é feita por alguns hormônios (glucagon, adrenalina e insulina) e variações da expressão de genes de várias enzimas glicolíticas. Regulações anormais de velocidade da glicólise são vistas no câncer, pois tumores possuem velocidades de glicólise maiores do que tecidos normais mesmo na presença de O₂ (Efeito Warburg, base para vários métodos de detecção do câncer).

Gliconeogênese

          Quando a glicose ou seus precursores se esgotam, os organismos precisam sintetizar glicose a partir de precursores que não são carboidratos. A via responsável por essa conversão é conhecida como gliconeogênese. Essa via compartilha etapas com a glicólise, tais reações ocorrem em direções opostas (Figura 7). Suas reações ocorrem principalmente no citosol. A regulação separada das vias é atingida por meio de controles exercidos nas etapas enzimáticas que existem em apenas uma delas.

Figura 7. Reações opostas da Gliconeogênese (vermelho) e glicólise (azul) (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

É um processo relativamente dispendioso. O alto custo energético é necessário para assegurar a irreversibilidade da gliconeogênese (assim com a glicólise). Possui equação geral:

2 Piruvato + 4ATP + 2NADH + 2H⁺ + 4H₂O à Glicose + 4 ADP⁺ + 2GDP + 6Pi + 2NAD⁺

         Intermediários do ciclo do ácido cítrico e alguns aminoácidos são gliconeogênicos, ou seja, podem ser prontamente transformados em glicose. Em mamíferos não ocorre a conversão líquida de ácidos graxos em glicose, pois seu catabolismo gera Acetil-CoA, sendo usado diretamente no ciclo do acido cítrico.

Via das pentoses fosfato

Outro destino catabólico da glicose é a oxidação da glicose-6-fosfato a Ribose-5-fosfato. A via das pentoses fostato ocorre no citosol. Ela divide varias enzimas com a glicólise e gliconeogênese, ou seja, são vias conectadas. Seu produto final pode ser utilizado para a produção de RNA, DNA e Coenzimas (Figura 8). Em tecidos onde ocorre a síntese de elevadas quantidades de ácidos graxos (ex: fígado, tecido adiposo, glândulas mamárias durante a lactação) e síntese muito ativa de colesterol ou hormônios esteroides,  o produto essencial da via das pentoses-fosfato não é a pentose e sim os doadores de elétrons NADPH, necessários para as reações de redução na biossíntese dessas moléculas. 

          

Figura 8. Esquema geral da via das pentoses fosfato (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

A entrada da glicose-6-fosfato na glicólise ou via das pentoses fosfato depende das necessidades momentâneas da célula e concentração de NADP⁺ no citosol. Aumentos na concentração de NADP⁺ estimulam alostericamente enzimas especificas, aumentando o fluxo de glicose para a via das pentoses fosfato. Em concentrações baixas de NADP⁺ a glicose é direcionada para alimentação da glicólise.

Ciclo do acido cítrico

           O ciclo do ácido cítrico é um pivô do metabolismo com vias catabólicas chegando e vias anabólicas partindo. Ocorre nas mitocôndrias e é constituído de oito etapas, sendo que quatro delas são oxidações (Figura 9). A energia das oxidações é conservada eficientemente na forma de coenzimas reduzidas: FADH₂ e NADH. Antes de entrarem no ciclo, esqueletos carbônicos de açúcar, ácidos graxos e aminoácidos são convertidos ao grupo Acetil-CoA (alguns aminoácidos entram no ciclo na forma de algum intermediário do mesmo).

Figura 9. Reações do ciclo do acido cítrico (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

É um ciclo fundamentalmente gerador de energia. Desde a glicólise, ciclo do ácido cítrico e cadeia transportadoras de elétrons são produzidos cerca de 30 à 32 ATPs. Contudo, intermediários do ciclo servem como precursores em diferentes vias de biossíntese. Por exemplo, α-cetoglutarato e oxaloacetato podem ser percursores de aspartato de glutamato, estes por sua vez, podem ser utilizados para a síntese de outros aminoácidos e nucleotídeos. Alguns microrganismos utilizam o ciclo em uma forma incompleta para produção de precursores para biossíntese de aminoácidos.

Figura 10. Ciclo do acido cítrico no anabolismo (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

           Por conta de sua importância o ciclo é cuidadosamente regulado em coordenação com outras vias, garantindo a produção de intermediários nas taxas necessárias. O ciclo do ácido cítrico é regulado principalmente nas três etapas exergônicas. Três fatores controlam a velocidade de fluxo no ciclo: disponibilidade de substrato, inibição pelos produtos acumulados e inibição alostérica por retroalimentação de enzimas das etapas iniciais do ciclo (Citrato-sintase, Isocitrato-desidrogenase e α-Cetoglutarato-desidrogenase).

Ciclo do glioxilato

      Plantas e alguns microrganismos conseguem converter ácidos graxos a carboidratos. Fazem isso através do ciclo do glioxilato. Em plantas o ciclo ocorre nos glioxissomos. Nessa via o acetato pode ser tanto um combustível rico em energia, assim como fonte de fosfoenolpiruvato (entra na gliconeogênese).

Figura 11. Ciclo do acido do glioxilato (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

          O ciclo do glioxilato está interligado com o ciclo do acido cítrico por dividir alguns intermediários (succinato, oxoloacetato e isocitrato), ocorrendo constante intercambio de metabolitos. Por conta dessa característica devem ser regulados de forma coordenada.  Isso ocorre por meio da regulação de enzimas-chave (Isocitrato desidrogenase, Isocitrato liase), baixas concetrações de AMP e ADP, intermediários da glicólise e ciclo do ácido cítrico.

Cadeia transportadora de elétrons

        A fosforilação oxidativa é a culminação do metabolismo produtor de energia em organismos aeróbios. Esse processo ocorre nas mitocôndrias. Envolve a redução de O₂ a H₂O, sendo os elétrons doados por NADH e FADH₂. A teoria quimiosmótica é a base para o entendimento atual sobre a síntese de ATP. No modelo quimiosmótico os elétrons passam do NADH e de outros extratos oxidáveis através de uma cadeia carreadora assimetricamente arranjada na membrana plasmática interna (ubiquinona-oxidoredutase à succinato-desidrogenase à citocromo C à citocromo oxidase). O fluxo de elétrons é acompanhado pela transferência de H⁺ através da membrana plasmática, tendo como produto a formação de gradiente químico e elétrico. A membrana plasmática interna é impermeável a H⁺, assim os íons H⁺ só podem retornar a matriz através de canais específicos de H⁺ (Fo). A força próton-motriz que direciona os H⁺ de volta a matriz proporciona a energia para a síntese de ATP catalisada pelo complexo F₁ e associado a Fo ( F₁ e Fo fazem parte da ATP sintase) (Vídeo 1).

Vídeo 1. Fosforilação oxidativa (Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=md6JdC98dTU, publicado em 23/05/08 por Biocistron).

Texto Base:

NELSON, David L.; COX, Michael M. LEHNINGER. Princípios de Bioquímica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006. 1202 p. ISBN 8573781661 (enc.)