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Paolo Arcari » 12.I carboidrati

I carboidrati

I carboidrati hanno numerose funzioni biologiche tra cui quella di riserva energetica e trasporto dell’energia (amido, glicogeno); sono componenti delle strutture di sostegno delle piante (cellulosa) e delle pareti batteriche (mucopolisaccaridi). Inoltre sono componenti essenziali degli acidi nucleici (ribosio e deossiribosio).

Il nome carboidrato, o idrato di carbonio, deriva dal fatto che contengono nella loro formula una molecola di H₂O per ogni atomo di C. La loro formula generale è: C_n(H₂O)_n dove n è compreso tra 3 e 7. Essi vengono anche definiti zuccheri, glucidi (o glicidi) o saccaridi.

A livello molecolare, i carboidrati sono poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni e quindi la chimica dei carboidrati è essenzialmente quella dei gruppi ossidrilici e carbonilici.

I carboidrati vengono divisi in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi

I monosaccaridi, o zuccheri semplici, sono i monomeri che costituiscono i carboidrati più complessi. I monosaccaridi che contengono un gruppo aldeico vengono classificati come aldosi, quelli che contengono un gruppo chetonico come chetosi.

Il suffisso -oso indica che la molecola è un carboidrato ed i prefissi tri-, tetr-, pent- e così via indicano il numero di atomi di carbonio della catena.

I monosaccaridi si presentano come solidi cristallini di sapore dolce, sono solubili in acqua perché possiedono molti gruppi alcolici che formano legami a idrogeno con le molecole d’acqua e non sono elettroliti perché non si dissociano in soluzione acquosa.

Aldosi

L’aldoso più semplice, a tre atomi di carbonio (aldotrioso), è la gliceraldeide. Gli aldosi a più di tre atomi di carbonio derivano dalla gliceraldeide per graduale aggiunta di atomi di carbonio, ad ognuno dei quali è legato un gruppo ossidrile.

Aldosi a cinque atomi di carbonio, componenti essenziali degli acidi nucleici RNA e DNA, sono il ribosio ed il deossiribosio, rispettivamente.

Al gruppo degli aldosi appartiene il glucosio, a sei atomi di carbonio. Rapprsenta il composto organico più diffuso in natura, sia libero sia sotto forma di polimeri. Nel corpo umano si trova nella maggior parte dei liquidi organici, nel fegato, nel sangue e nella milza. È uno dei carboidrati più importanti ed è usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante: è il principale prodotto della fotosintesi ed è il combustibile della respirazione. A questa molecola è legata una malattia che negli ultimi anni si sta sempre più diffondendo, il diabete, che determina una instabilità del livello di glucosio nel sangue.

Esempi di aldosi

Chetosi

Il chetoso più semplice, a tre atomi di carbonio (chetotrioso), è il diidrossiacetone. Come avviene per gli aldosi, i chetosi a più di tre atomi di carbonio derivano dal diidrossiacetone per graduale aggiunta di atomi di carbonio, ad ognuno dei quali è legato un gruppo ossidrile.

Al gruppo dei chetosi appartiene il fruttosio, a sei atomi di carbonio. Esso si trova nella maggior parte dei frutti zuccherini, nel miele ed in diversi vegetali. Il fruttosio è il più dolce tra tutti gli zuccheri e viene convertito facilmente in glucosio sia nel fegato che nell’intestino. L’uso del fruttosio è fortemente aumentato negli ultimi anni a causa della sua presenza come dolcificante in molte bevande.

Esempi di chetosi

Forme cicliche dei carboidrati

Aldosi e chetosi presentano nella stessa molecola un carbonio carbonilico (C=O) e diversi gruppi ossidrilici (OH). Ciò significa che queste molecole possono formare semiacetali e semichetali interni con la formazione di anelli a cinque o a sei membri.

Tra forma aperta e forma ciclica di un monosaccaride si instaura un equilibrio molto spostato verso la forma ciclica (circa il 99% delle molecole è in forma ciclica).

Nella formazione della forma ciclica è sempre il penultimo OH a reagire con C=O.

Esempi di ciclizzazione di aldosi e chetosi

Forma ciclica del glucosio e del fruttosio

Disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi

Generalmente i carboidrati contengono più di una unità monosaccaridica. Quelli che contengono due unità vengono definiti disaccaridi, quelli che ne contengono tre sono chiamati trisaccaridi, e così via.

Il termine generico di oligosaccaride è usato per i carboidrati che contengono fino a 10 unità monosaccaridiche.

I carboidrati che contengono un numero maggiore di unità vengono definiti polisaccaridi.

Legame glicosidico

Nei disaccaridi, così come nei polisaccaridi, le unità monosaccaridiche sono unite insieme dal legame glicosidico. Esso si stabilisce tra il cabonio semiacetalico/semichetalico di una unità monosaccaridica ed un carbonio dell’altra unità.

Il legame glicosidico può assumere un diverso orientamento nello spazio e infatti si distingue un lagame α-glicosidico e un legame β-glicosidico.

In particolare per ogni unità monosaccaridica che si lega ad un’altra unità, si ha la formazione di un legame glicosidico e la liberazione di una molecola di acqua.

Disaccaridi-Saccarosio

Il saccarosio (commune zucchero da tavola) è il disaccaride più abbondante in natura. Esso si ottiene principalmente dal succo della canna e della barbabietola da zucchero. In questa molecola, il carbonio 1 del glucosio è legato al carbonio 2 del fruttosio tramite un legame 1,2 α glicosidico. Il glucosio si trova nella forma ciclica a 6 termini, mentre il fruttosio nella forma ciclica a 5 termini.

Struttura del saccarosio

Lattosio

Il lattosio è lo zucchero principale presente nel latte. Esso raggiunge il 5-8% nel latte umano e il 4-6% nel latte di mucca. Nel lattosio il carbonio 1 di una molecola di galattosio è legato al carbonio 4 di una molecola di glucosio attraverso un legame 1,4 β glicosidico. Entrambe le unità monisaccaridiche sono presenti in forma ciclica a 6 termini.

Struttura del lattosio

Polisaccaridi-Amido

I polisaccaridi più comuni sono amido, glicogeno e cellulosa. Essi vengono detti anche omopolisaccaridi in quanto sono costituiti da una unica unità monosaccaridica, il glucosio.

L’amido rappresenta la riserva energetica delle piante, esso si trova in tutti i semi e tuberi e costituisce la forma nella quale il glucosio viene conservato. E’ formato da due polisaccaridi: l’amilosio e l’amilopectina, entrambi formati da glucosio.

L’ amilosio è costituito da catene continue, non ramificate di circa 4000 unità di glucosio legate attraverso legami 1,4 α-glicosidici.

L’ amilopectina ha invece una struttura altamente ramificata e presenta due diversi tipi di legami glicosidici. Essa contiene catene di glucosio formate da 24-30 unità legate da legami 1,4 α-glicosidici (come l’amilosio) dalle quali, ogni 12-30 unità di glucosio, si dipartono delle ramificazioni attraverso legami 1,6 α-glicosidici. In genere le ramificazioni sono formate da 12 unità.

Struttura dell'amilosio e dell'amilopectina

Polisaccaridi-Glicogeno

Il glicogeno rappresenta la riserva di carboidrati negli animali. Ha una struttura molto simile all’amilopectina: è un polimero non lineare formato da molecole di glucosio unite da legami 1,4 e 1,6 α-glicosidici. Rispetto all’amilopectina le ramificazioni sono molto più frequenti, ogni 8-12 unità di glucosio, rendendo la molecola più compatta.

La quantità di glicogeno presente in un adulto è di circa 300-400 grammi ed è equamente distribuito tra fegato e muscoli.

Polisaccaridi-Cellulosa

La cellulosa è il polisaccaride strutturale delle piante. Essa rappresenta la metà del materiale che forma la parete delle cellule del legno. Il cotone è cellulosa quasi pura.

E’ un polimero lineare di unità di glucosio unite da legami 1,4 β-glicosidici.

Gli esseri umani e altri animali non possono utilizzare la cellulosa come cibo poiché non producono l’enzima capace di idrolizzare i legami β-glicosidici. Gli erbivori, invece, possiedono nel loro apparato digerente microorganismi che producono l’enzima necessario per l’idrolisi di questo legame.