I carboidrati

CARATTERISTICHE GENERALI

I carboidrati sono i composti più diffusi in natura e hanno una funzione energetica, basti pensare che il glucosio è un importantissimo carboidrato.
Tale molecola può essere polimerizzata in modi differenti dando origine alla cellulosa (presente soltanto nel mondo vegetale con una funzione di sostegno), l’amido (che nelle piane offre materiale di riserva, mentre nell’uomo è un’importante fonte energetica) e il glicogeno (si trova soltanto nel mondo animale e ha una funzione energetica). 



La formula bruta dei carboidrati è la seguente: 

$C_n(H_2O)_m$

Con n diverso da m nel caso di carboidrati polimerizzati. 

$C_6H_12O_6$ = glucosio 

$C_12H_22O_11$ = saccarosio 

Il nome corretto di questi composti è glucidi: composti organici che contengono funzioni carboniliche (C=O), aldeidiche o chetoniche, e funzioni alcoliche (-OH). 

I glucidi si dividono in Monosaccaridi e Osidi rispettivamente nel caso in cui non subiscono o subiscono idrolisi. 

Di seguito uno schema che permette la schematizzazione dei glucidi in maniera chiara e sintetica. Tieni presente che, per quanto concerne gli olosidi, N sta ad indicare il numero di unità monosaccaridiche. 

STEREOCHIMICA DEI MONOSACCARIDI

Si suddividono in ALDOSI e CHETOSI e si prendono in considerazione principalmente solo quelli che contengono 5 (pentosi) o 6 (esosi) atomi di carbonio.
La loro struttura è lineare con le funzioni aldeidiche o chetoniche libere. La struttura è quindi aperta.
Al gruppo carbonile viene dato il numero più basso possibile, secondo la regola IUPAC. Nei chetosi questa funzione carbonilica è praticamente sempre in posizione 2.
Negli aldosi e nei chetosi vi sono dei carboni chirali (con quattro sostituenti differenti): questo comporta la presenza di diasteroisomeri.
Prendiamo l’esempio di un ALDOESOSO che ha 4 carboni chirali. Secondo la regola di Van’t Hoff esisteranno 24=16 diasteroisomeri, ovvero 8 coppie di enantiomeri. Di questi 16 diasteroisomeri non tutti esistono in natura. Il più importante è senza dubbio il glucosio. Nell'animazione presente si può vedere il glucosio sia nella sua struttura aperta (di Fisher) che in quella chiusa, in assoluto la più abbondante in natura.

LE CATEGORIE DEI CARBOIDRATI

Come già si è potuto vedere nella prima immagine della pagina, in cui viene illustrata la classificazione dei carboidrati, possiamo passare alla descrizione dei carboidrati che si dividono in tre grandi categorie: i monosaccaridi, gli oligosaccaridi e i polisaccaridi. 

I monosaccaridi sono classificati in base alla caratteristica del loro gruppo carbonilico (aldosi e chetosi) e in base al numero di atomi di carbonio nella molecola (pentosi, esosi, ecc…). Gli oligosaccaridi sono classificati in base al numero di molecole di monosaccaridi che li costituiscono (di, tri, tetra… saccaridi).
I polisaccaridi, che sono i carboidrati più abbondanti in natura, danno per idrolisi dei monosaccaridi, tra questi il glucosio è sicuramente il più comune e importante per tutti gli organismi viventi. Gli altri, galattosio, fruttosio, mannosio, lattosio, maltosio e saccarosio, sono meno comuni, ma non per questo poco importanti.

LE REAZIONI PRINCIPALI DEI CARBOIDRATI

Le reazioni dei carboidrati sono date dal gruppo carbonilico e dai gruppi alcolici degli aldosi e degli esosi. Le reazioni sono di due tipi: quelle legate alla forma aperta (ossidazione e riduzione) e quella relative alla forma chiusa (reazioni acetaliche e esterificazione). 

Forma aperta:
Ossidazione: consiste nell’aggiunta di un ossigeno nel gruppo aldeidico. Il gruppo H-C=O (carbonio 1) diventa HO-C=O (l’aldoso si trasforma in un acido carbossilico). Questo stesso tipo di reazione può avvenire o sul carbonio 1 o anche sul carbonio terminale che da CH2OH diventa HO-C=O. 
Nel primo caso si parlerà di acidi gluconici, nel secondo di acidi glucuronici.
Queste reazioni non avvengono nei chetosi.
Un ultimo tipo di ossidazione è quella che interessa il gruppo aldeidico e il gruppo terminale alcolico (quindi carbonio 1 e carbonio terminale contemporaneamente). I due gruppi si trasformeranno entrambi, per ossidazione, in HO-C=O dando origine a quelli che sono noti come acidi glucarici. 

Riduzione: Il gruppo aldeidico viene ridotto ad un gruppo alcolico:
da H-C=O a H2–C–OH
Come reagente si utilizza: $NaBH_4$
Questo tipo di reazione, che dà origine agli alditoli, è possibile anche nei chetosi. 

Forma chiusa:
Acetalizzazione: interessa l’OH anomerico e, a seconda o meno che si aggiunga un gruppo alcolico o amminico si otterranno O-Glicosidi oppure N-Glicosidi. 

Esterificazione: Avviene con $H_3PO_4$ sull’OH non anomerico. La molecola ottenuta diventa biologicamente attiva. L’esterificazione avviene sempre sull’ultimo carbonio grazie ad un particolare enzima. Nel glucosio in C6.

LA MUTAROTAZIONE

Quando si scioglie D-glucosio in  acqua e si osserva la sua proprietà ottica, ci si accorge che man mano che passa il tempo, la rotazione della luce polarizzata si modifica continuamente, fino a raggiungere un valore costante (+52°). Questo fenomeno, chiamato muta rotazione, è interpretato come il raggiungimento di un equilibrio tra forme alfa e beta del Glucosio. La muta rotazione è l’attività ottica dei composti chirali che modificano, fino al raggiungimento dell’equilibrio, la propria capacità di ruotare il piano della luce polarizzata in seguito a modificazioni interne della propria struttura.

LE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI MONOSACCARIDI

a) Esosi: il D-glucosio è il più importante di tutti i monosaccaridi (si può chiamare destrosio, zucchero d’uva, zucchero del sangue)=. E’ il carburante fondamentale per il metabolismo delle cellule e deve essere in continua circolazione nel sangue. I carboidrati ingeriti con gli alimenti, una volta degradati a monosaccaridi sono costituiti per il 90% da glucosio. I restanti monosaccaridi una volta assorbiti dal tratto intestinale sono convertiti in glucosio.

b) Aldoesosi: un epimero del glucosio in C4 (galattosio). E’ prodotto in piccole quantità dal nostro organismo ed è utilizzato per la sintesi di molecole complesse. La maggior parte del galattosio usato nel nostro organismo ha origine esogene, esso infatti è il costituente di un monosaccaride importante del lattosio. Quando si eccede di galattosio, esso è utilizzato per produrre energia. Per svolgere questa funzione è convertito in glucosio

LE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI DISACCARIDI

I principali sono il maltosio, il cellobiosio, il lattosio ed il saccarosio. 

Il maltosio per idrolisi dà due molecole di glucosio legate tra di loro grazie ad un legame alfa 1-4. Il maltosio dà mutarotazione.
Il cellobiosio per idrolisi dà due molecole di glucosio legate tra di loro grazie ad un legame beta 1-4. Il cellobiosio dà mutarotazione.
Il lattosio per idrolisi dà una molecola di glucosio e una di galattosio, legate tra di loro grazie ad un legame beta 1-4. Il lattosio dà mutarotazione.
Il saccarosio (estratto in Europa dalla barbabietola e dalle canne in tutto il resto del mondo) per idrolisi dà una molecola di glucosio e una di fruttosio. Il saccarosio non dà mutarotazione in quanto si legano tra di loro i due –OH anomerici. Il saccarosio non è uno zucchero riducente (ha tutti gli –OH anomerici impegnati). 

Tutti questi zuccheri si presentano in polvere bianca, sono dolci e solubili in acqua.

LE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI POLISACCARIDI

Sono i carboidrati più presenti in natura e possono essere omopolisaccaridi (caratterizzati da un unico monomero) oppure etero polisaccaridi (quando hanno differenti monosi).
I polisaccaridi sono insolubili in acqua, non sono dolci e hanno differenti funzioni:
- riserva energetica
- funzione strutturale
- altre funzioni biochimiche


I principali polisaccaridi sono l’amido, il glicogeno e la cellulosa.
Ne citiamo a titolo informativo altri come la condroitina, l’agar, la pectina e la chitina.

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