Noções Básicas de Hidratos de Carbono

Nomenclatura e Estrutura

Nomenclatura

Os hidratos de carbono (ou carboidratos) são compostos por carbono, hidrogénio e oxigénio; são definidos como aldeídos ou cetonas de poliálcoois e têm uma fórmula molecular geral de C_n(H₂O)_n. Os carboidratos são identificados com base no número de polímeros (número de unidades) presentes na molécula:

• Açúcares: compostos por 1 ou 2 unidades
  • Monossacarídeos: moléculas que contêm apenas 1 grupo de açúcar verdadeiro ou potencial; não podem ser mais hidrolisadas em unidades menores.
  • Dissacarídeos: combinação de 2 monossacarídeos com a eliminação de uma molécula de água
• Oligossacarídeos: combinação de 3–10 unidades de açúcar
• Polissacarídeos: combinação de > 10 unidades de açúcar
• Glicolípidos: ma molécula de sacarídeo ligada a um lípido
• Glicosaminoglicanos (GAG):
  • Também conhecidos como mucopolissacarídeos
  • Unidades repetitivas de dissacarídeos que contêm ácido urónico e um aminoaçúcar
• Proteoglicano: cadeia de carboidratos ligada a uma cadeia polipeptídica

Estrutura

• Os carboidratos são constituídos por carbono, hidrogénio e oxigénio.
• A base de todos os carboidratos é uma unidade de um monossacarídeo.
• Um monossacarídeo pode ser um polihidroxi aldeído (aldose) ou uma polihidroxi-cetona (cetose).
• A estrutura empírica geral é C_n(H₂O)_n.
• Os carboidratos são compostos orgânicos organizados sob a forma de aldeídos ou cetonas com vários grupos hidroxil ligados a uma cadeia de carbonos.
• Os carboidratos podem ser representados estruturalmente tanto como cadeia linear como em forma de anel:
  • Estrutura de cadeia aberta: uma forma de carboidratos de cadeia longa e linear
  • Estrutura hemiacetal: O 1.º carbono da glucose condensa-se com o grupo hidroxil do 5.º carbono para formar uma estrutura em anel (anéis de 6 lados como a glucose são conhecidos como piranoses).
  • Estrutura de Haworth: uma representação em 3D comum que usa a estrutura do anel de piranose

Classificação

Os carboidratos são classificados em carboidratos simples e complexos, com base na sua polimerização.

Monossacarídeos

• Um açúcar simples que forma a unidade de carboidrato mais básica
• Não pode ser mais hidrolisado em unidades menores
• Os monossacarídeos são subclassificados dependendo do número de átomos de carbono:
  • Triose (C3)
  • Tetrose (C4)
  • Pentose (C5)
  • Hexose (C6)
  • Heptose (C7), e assim sucessivamente
• Os monossacarídeos também podem ser classificados com base no seu grupo funcional primário:
  • Aldose: contém um grupo aldeído
  • Cetose: contém um grupo cetona
• A glucose é o monossacarídeo mais conhecido:
  • Uma aldose hexose
  • O monossacarídeo mais abundante
  • Desempenha um papel central no metabolismo como fonte de energia para o organismo
  • É muitas vezes armazenada como amido em plantas e como glicogénio em animais

Dissacarídeos

• 2 monossacarídeos combinados por uma ligação glicosídica
• Os dissacarídeos são açúcares simples solúveis em água.
• A ligação glicosídica é formada por uma reação de desidratação (isto é, pela eliminação de uma molécula de água).
• Os dissacarídeos podem ser mais hidrolisados em 2 monossacarídeos por enzimas conhecidas como dissacaridases.

Oligossacarídeos

• Polímero sacarídeo que contem 3–10 unidades de monossacarídeo
• Geralmente presentes como glicanos, ou seja, ligados a outras moléculas como lípidos, ou a cadeias de aminoácidos compatíveis.
• As principais funções dos oligossacarídeos incluem o reconhecimento e a adesão celular.

Polissacarídeos

• Produtos polimerizados que contêm > 10 unidades monossacarídeo
• Categorizados ainda em homopolissacarídeos e heteropolissacarídeos
• Homopolissacarídeos:
  • Compostos por um único tipo de monossacarídeo
  • Exemplo: glicogénio (composto inteiramente por moléculas de glucose e serve como reserva de carboidratos em animais).
• Heteropolissacarídeos:
  • Polissacarídeos contendo > 1 tipo de unidade de açúcar
  • Exemplo: peptidoglicanos (sacarídeos ligados a polipéptidos)

Glicosaminoglicanos (GAG)

• Anteriormente conhecidos por mucopolissacarídeos
• Presente em animais e bactérias
• Os GAG são polissacarídeos longos e lineares que consistem em unidades repetitivas de dissacarídeos.
• As unidades repetitivas de dissacarídeos são constituídos por uma galactose ou açúcar urónico e um aminoácido.
• Os GAG são altamente polares (carga negativa) e hidrofílicos; portanto, eles funcionam como lubrificantes ou amortecedores.
• As 4 categorias de GAG principais incluem:
  • Ácido hialurónico
  • Sulfato de heparina
  • Sulfato de condroitina
  • Sulfato de queratano

Moléculas de proteínas-carboidratos

• Proteoglicanos (também conhecidos por mucoproteínas):
  • Proteínas ligadas covalentemente a 1 ou mais GAG (açúcar >> proteína)
  • Ligam catiões e água
  • Funções:
    • Regulam o movimento de moléculas através da matriz extracelular
    • Lubrificantes articulares no líquido sinovial
    • Podem afetar a sinalização molecular
    • Componentes das paredes celulares das bactérias
• Glicoproteínas:
  • Proteínas ligadas a oligossacarídeos (proteína >> aúcar)
  • Envolvidas em:
    • Identidade celular
    • Funções do sistema imune: anticorpos, MHC
    • Tipos sanguíneos ABO
    • Algumas hormonas (por exemplo, hormona foliculoestimulante (FSH), eritropoietina)
• Ligações proteína-carboidrato (tipos de ligação glicosídica):
  • Glicosilação com ligação-N: o açúcar liga-se via carbono anomérico ao nitrogénio na asparagina (Asn)
  • Glicosilação com ligação-O: o açúcar liga-se via carbono anomérico ao grupo hidroxil da serina, treonina ou tirosina
  • Outros tipos:
    • Fosfoglicosilação: o açúcar liga-se a uma fosfoserina
    • Glipiação: a proteína liga-se ao glicosilfosfatidilinositol (GPI, pela sigla em inglês)
    • Glicosilação com ligação-C: o açúcar liga-se ao triptofano

Descrição Geral

Propriedades

Propriedades físicas

Estereoisomerismo:

Compostos que têm a mesma fórmula estrutural mas que diferem na configuração espacial são chamados estereoisómeros:

• Diferentes arranjos espaciais dos grupos H e OH em volta de átomos de carbono assimétricas criam estereoisómeos diferentes, que podem ter propriedades diferentes.
• O número de possíveis estereoisómeros depende do número de átomos de carbono assimétricos e pode ser determinado através da fórmula 2ⁿ, onde n = número de átomos de carbono assimétricos.

Enantiómeros: refere-se a dois estereoisómeros que são imagens espelho um do outro

• As 2 formas espelho são denotadas como D ou L.
• A molécula de referência é o gliceraldeído.
• D: O grupo OH está à direita do “carbono ao lado do último” na cadeia (o carbono de referência, que é C5 na glucose).
• L: O grupo OH está à esquerda do carbono de referência.

Diastereoisómeros:

Os diastereoisómeros são estereoisómeros não sobreponíveis que não são imagens espelhadas uns dos outros.

• Ou seja, estereoisómeros que não são enantiómeros
• Diferenças de configuração em torno dos outros carbonos presentes na cadeia ou anel
• No corpo humano são encontrados três diastereoisómeros de hexoses primárias: glicose, galactose e manose.
• Um epímero é um diastereoisómero que difere apenas por 1 estereocentro.

Epímeros:

Os epímeros são compostos que diferem uns dos outros apenas na configuração em relação a um único átomo de carbono que não seja o átomo de carbono de referência. A glucose e a galactose são epímeros.

Anomerismo:

O anomerismo refere-se a diferentes configurações espaciais em redor dos carbonos anoméricos.

• Os carbonos anoméricos:
  • C1 nas aldoses (o carbono no grupo aldeído)
  • C2 nas cetoses (o carbono no grupo cetona)
  • O termo é usado quando a molécula está na forma de anel.
• Anómeros diferentes das mesmas moléculas são designadas como configurações  α e β (por exemplo, α-D-Glucose vs. β-D-Glucose)

Atividade ótica:

A atividade ótica é a capacidade dos estereoisómeros para rodar a luz polarizada-plana. As moléculas designam-se dextrorotatórias (+) ou levorotatórias (-) dependendo da direção da rotação da luz

• As classificações D e L não se relacionam com a atividade ótica.
• Uma mistura equimolecular de isómeros óticos não tem rotação e é conhecida como mistura racémica.

Propriedades químicas

Ligações glicosídicas:

• Ligam uma molécula de açúcar a qualquer outra coisa
• Ligações covalentes entre:
  • O grupo OH e o carbono anomérico (C1)
  • O grupo OH e outro composto (pode ser outra molécula de açúcar ou qualquer outra coisa)
• A formação da ligação resulta na perda de H₂O
• Nomenclatura baseada nos carbonos ligados e no anomerismo do carbono anomérico (por exemplo, ligações glicosídicas α-1,4 ligam o carbono C1 (anomérico) ao 1.º sacarídeo (com um grupo hidroxil orientado na configuração α) ao grupo hidroxil no carbono C4 do sacarídeo seguinte)
• Glicosídeos: açúcares com uma ligação glicosídica a outra molécula.

Reduções de oxidação e redução:

• Redução a álcoois:
  • Os grupos C=O dos carboidratos nas formas de cadeia aberta podem ser reduzidos a álcoois usando borohidreto de sódio ou por hidrogenação catalítica.
  • Os produtos finais são chamados alditóis.
• Oxidação:
  • A maior parte dos monossacarídeos (e alguns dissacarídeos) podem ser prontamente oxidados, o que faz com que as outras moléculas que reagem com eles sejam reduzidas.
  • Estes monossacarídeos são conhecidos como “açúcares redutores”.
  • Os monossacarídeos são açúcares redutores se os seus grupos carbonil podem ser oxidados para produzir ácido carboxílico.
• Reação de Benedict:
  • O reagente de Benedict é frequentemente usado para detetar a presença de açúcares redutores (tipicamente glucose) na urina.
  • Princípio: Os açúcares redutores reduzem os iões Cu²⁺ do reagente de Benedict (o Cu²⁺ normalmente é azul em solução) a Cu⁺ formando rapidamente Cu₂O laranja brilhante → a alteração da cor de azul para laranja indica a presença de açúcar reduzido

Nutrição e Funções

Os carboidratos desempenham muitos papéis no sustento da vida. Essencialmente, os carboidratos servem como uma fonte de nutrição. Além disso, são componentes estruturais das células e participam da defesa imunológica e da comunicação intracelular.

Nutrição

• Os carboidratos são 1 dos 3 principais macronutrientes (os outros são as proteínas e as gorduras)
• Os carboidratos são a principal fonte de energia no corpo:
  • As células cerebrais e os eritrócitos são quase completamente dependentes dos carboidratos como fonte de energia.
  • Os carboidratos servem como uma fonte instantânea de energia (por exemplo, decomposição da glicose).
  • A ingestão recomendada de carboidratos por dia numa dieta de 2000 calorias é de 275 gramas.
  • Os carboidratos contribuem para 45%–65% do total de calorias.
  • 1 grama de carboidratos fornece 4 calorias.
• Fontes:
  • Vegetais, frutas, cereais integrais, leguminosas e produtos láteos são fontes importantes de carboidratos.
  • Os grãos e certos vegetais, incluindo milho e batatas, são ricos em amido. A batata-doce contem principalmente sacarose e não amido.
  • Frutas e vegetais de cor verde-escura contêm pouco ou nenhum amido, mas fornecem açúcares e fibras dietéticas.
• Armazenamento:
  • Os carboidratos armazenados podem ser usados como uma fonte de energia em vez de proteínas.
  • Os carboidratos pode ser armazenados como:
    • Glicogénio em animais
    • Amido em plantas

Funções

• Servem como intermediários na biossíntese de gorduras e proteínas
• Os carboidratos associam-se com lipídios e proteínas:
  • Formam antigénios de superfície, moléculas recetoras, vitaminas e antibióticos.
  • Importantes na comunicação célula-a-célula e nas interações entre células e outros elementos do ambiente celular.
• Componente importante dos tecidos conjuntivos nos animais
• Os carboidratos ricos em fibra ajudam a prevenir a obstipação.
• Ajudam a formar a estrutura-base do RNA e do DNA (os esqueletos de ribose e desoxirribose)

Metabolismo

Os carboidratos são centrais para muitas vias metabólicas do organismo que incluem a formação, decomposição e interconversão dos carboidratos.

Vias metabólicas fundamentais:

• Glicólise: conversão da glicose em piruvato em condições aeróbicas e em lactato em condições anaeróbicas
• Gluconeogénese: conversão de substratos de carbono não-carboidratos em glicose
• Glicogenólise: degradação do glicogénio em moléculas de glucose individuais no fígado, músculos e rins
• Glicogénese: ligação de moléculas de glucose individuais para formar glicogénio
• Via das pentoses-fosfato:
  • Via alternativa da oxidação da glucose
  • Via anabólica
  • Ocorre principalmente em eritrócitos
  • Gera pentose e nicotinamida adenina dinucleótido fosfato
• Metabolismo da frutose: fosforilada em frutose-1-fosfato → convertida a gliceraldeído-3-fosfato (entra nas vias da glicólise/gluconeogénese)
• Metabolismo da galactose: fosforilada em galactose-1-fosfato → convertida a glucose-6-fosfato(entra nas vias da glicólise/gluconeogénese)

Relevância Clínica

Várias condições estão associadas a doenças no metabolismo dos carboidratos:

• Doenças do armazenamento do glicogénio: existem vários tipos de doenças do armazenamento do glicogénio que estão todos relacionados com a incapacidade de processar o glicogénio. As doenças mais frequentemente testadas desta família de patologias são a doença de von Gierke, a doença de Pompe e a doença de McArdle. O tratamento depende da patologia e pode incluir alterações alimentares ou tratamento com medicamentos, incluindo alopurinol e/ou transplante hepático.
• Galactosemia: uma doença autossómica recessiva que provoca um metabolismo da galactose defeituoso. A galactosemia apresenta-se em bebés com sintomas como letargia, náuseas, vómitos, diarreia e icterícia. A modificação da alimentação para eliminar a lactose e a galactose é uma opção de tratamento. As complicações neurológicas graves incluem défices da fala e motoras.
• Doenças no metabolismo da frutose: 3 patologias principais (frutosúria essencial, intolerância hereditária à frutose e défice de frutose-1,6-bifosfatase) são consideradas doenças importantes do metabolismo da frutose. Dependendo da patologia, os pacientes podem estar assintomáticos ou apresentar sintomas de vómito, inchaço, flatulência e diarreia. O tratamento fundamental é a modificação alimentar.
• Intolerância à lactose: uma patologia causada pela falta da enzima lactase no intestino delgado. Existem 4 classificações desta doença: primária, secundária, de desenvolvimento e congénita. A intolerância à lactose leva a uma diminuição da capacidade de digestão da lactose. Os sintomas incluem dor abdominal, inchaço, diarreia, flatulência e náuseas.