I carboidrati sono composti organici essenziali, abbondanti soprattutto nel mondo vegetale. Essi sono, chimicamente parlando, poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni e sono formati da Carbonio, Idrogeno e Ossigeno. Ciò significa che sono molecole aventi gruppi aldeidici o chetonici, che posseggono numerosi gruppi ossidrilici e che molecole più grandi possono essere scomposte per idrolisi in unità più piccole. I carboidrati infatti sono polimeri di cui i monomeri sono i monosaccaridi.
I carboidrati sono i composti organici più abbondanti nel mondo vegetale. Essi infatti sono il risultato di biochimismi quale la fotosintesi clorofilliana, sono componenti delle strutture membranose cellulari e sono fondamentali molecole di riserva energetica. Negli animali svolgono similmente le stesse funzioni. Ciò che cambia è sia quali carboidrati vengono usati sia la quantità che ne viene accumulata.
Definizione e Struttura dei Carboidrati
I carboidrati possono essere definiti polimeri, ovvero molecole caratterizzate da unità assemblate a formare strutture più complesse e di dimensioni maggiori. Tali unità sono dette monosaccaridi. Ogni monosaccaride presenta uno di quei gruppi di cui parlavamo prima: aldeidico o chetonico. Questi sono i due più noti.
Inoltre, in base a quanti atomi di carbonio posseggono vengono loro assegnati altri nomi: triosi se ne hanno tre, tetrosi se ne hanno 4, pentosi se ne ne hanno 5, esosi se ne hanno 6…e così via.
Stereoisomeria
Con stereoisomeria si intende, brevemente, l’insieme delle proprietà strutturali e spaziali di una molecola che ne permettono una migliore classificazione in base alle conseguenti proprietà chimiche. Se in una molecola è presente almeno un centro chirale, allora hanno degli isomeri. Con centro chirale si intende un atomo all’interno della molecola (il carbonio nel caso dei carboidrati) legato a quattro “gruppi” differenti.
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Se, come in questo caso, il centro chirale è uno si parla di epimeri. In più essendo le molecole speculari e non sovrapponibili sono enantiomeri. Il numero di enantiomeri aumenta con l’aumentare dei centri chirali secondo la seguente formula: 2^n. Dove n è il numero di centri chirali. Nel caso ci siano più centri chirali si considera anche l’orientamento nello spazio ottenendo così diastereoisomeri. Oltretutto nel nostro caso sono presenti le diciture D ed L.
Forme Cicliche dei Monosaccaridi
Nonostante siamo abituati a vedere i monosaccaridi rappresentati linearmente, come nelle immagini fin qui inserite, in natura sono quasi sempre ciclizzati. Infatti il gruppo ossidrilico del penultimo carbonio, lo stesso considerato per le diciture D e L, reagisce con il carbonio carbonilico formando un emiacetale ciclico. In base al numero di atomi si otterranno strutture cicliche con diverse strutture.
Per rappresentare dunque un carbonio ciclico e tener conto della sua posizione nello spazio, è utile utilizzare le proiezioni di Haworth. Esse consistono nel tener conto del fatto che i gruppi legati ai carboni dell’anello principale si trovino al di sopra o al di sotto del piano su cui giace l’anello stesso. Il carbonio emiacetalico, quello che nella struttura lineare era il carbonio carbonilico, è detto anomerico. In base al fatto che il gruppo ossidrilico del carbonio anomerico si trovi sotto o sopra il piano già citato si parlerà di configurazione α, si trova sotto, β, si trova sopra.
Per esempio, il glucosio, in una miscela all’equilibrio, presenta il 64% di β-D-glucopiranosio, il 36% di α-d-glucopiranosio e qualche traccia della forma lineare. Tale caratteristica è importante in quanto responsabile della mutarotazione. Questa consiste nella capacità di ruotare il piano di un raggio di luce polarizzata.
Ovviamente le strutture di Haworth sono solo teoriche. Nella realtà tali molecole assumono sì una forma ciclica, ma questa è più similmente detta “a sedia”. Infatti le estremità delle molecole tendono a piegarsi in direzioni spaziali opposte (verso l’alto e verso il basso) per allontanare il più possibile i gruppi legati ai carboni. Infatti si parla di ingombro sterico per indicare che più una molecola è grande più occuperà spazio e tenderà a respingere altri gruppi, causando instabilità.
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Ossidazione degli Zuccheri
Gli zuccheri, in quanto portatori di gruppi aldeidici e chetonici, possono essere ossidati. Basta un blando ossidante come l’O2. Tutti gli aldosi sono ossidabili ad acidi aldonici (acidi carbossilici di derivazione aldeidica). Per quanto riguarda i chetoni la storia è diversa. Infatti un chetone è ossidabile solo se soggetto a tautomeria cheto-enolica. Gli acidi formati da tali processi vengono nominati con l’aggiunta di -olo.
Disaccaridi
I monosaccaridi finora esaminati tendono a legare tra loro per formare catene complesse. In base al numero di monosaccaridi coinvolti si assegnano nomi che esprimano tale numero, appunto. Esso consiste nella reazione tra un gruppo ossidrilico di un monosaccaride e il gruppo emiacetalico dell’altro. Dunque si tratta di una reazione di formazione di un acetale, ovvero una molecola con un carbonio cui sono legati due gruppi alchilici risultati dall’interazione tra un aldeide o un chetone e un’abbondanza di alcool.
Il saccarosio è un disaccaride formato da un glucosio e un fruttosio tramite un legame α-1,2 glicosidico (il carbonio 1 del glucosio in posizione α è legato al carbonio 2 in β del fruttosio). Il lattosio, principale zucchero presente nel latte, è il risultato del legame β-1,4 glicosidico tra galattosio e glucosio. Il maltosio consiste di un legame α-1,4 glicosidico tra due molecole di glucosio: una in alfa, l’altra in beta. Esso è così chiamato perché è prodotto dalla germinazione del mais e altri cereali.
Polisaccaridi
Con polisaccaridi si intendo le catene composte da più di 810 (vedi sopra) monosaccaridi. La loro struttura può essere più o meno complessa in base a come le unità di base si associano tra loro. Da ciò ne derivano le caratteristiche chimicofisiche della molecola. In generale gli organismi, vegetali e animali che siano, tendono a favorire la formazione di polisaccaridi in quanto la pressione osmotica conseguente risulta essere minore. Essa infatti non dipende dalle dimensioni, ma dal numero di molecole.
- L‘amilosio è la componente lineare senza le ramificazioni. Esso costituisce il 20-25% delle riserve di amido.
- L’amilopectina è caratterizzata da una struttura lineare come quella dell’amilosio, che può arrivare anche a 10.000 unità, e delle ramificazioni che si “innestano” su questa con legami α-1,6 glicosidici. Esso rappresenta l’80-75% delle riserve di amido.
- Senza entrare nel dettaglio possiamo dire che il glicogeno, riserva per i mammiferi, è strutturalmente come l’amilopectina. Esso viene immagazzinato nelle cellule epatiche e successivamente idrolizzato se l’organismo lo richiede.
- La cellulosa è un polisaccaride lineare caratterizzato da sole unità di glucosio. La differenza con i precedenti sta nel legame glicosidico che si va a formare. Infatti questo è un legame β-1,4 glicosidico che porta le molecole di glucosio a disporsi linearmente. Questa caratteristica è fondamentale in quanto le fibre di cellulosa vanno a posizionarsi trasversalmente e longitudinalmente nella parete secondaria delle cellule vegetali; grazie a ciò queste posseggono una notevole resistenza a stimoli meccanici differenti.
Classificazione dei Carboidrati
I carboidrati (o glucidi) sono sostanze ternarie composte di carbonio, idrogeno e ossigeno, dette anche carboidrati perché molte di esse contengono idrogeno e ossigeno nelle stesse proporzioni dell’acqua. Dal punto di vista chimico sono poliossialdeidi, poliossichetoni o composti che possono formarli per idrolisi. In base alla loro complessità chimica si distinguono:
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- Monosaccaridi: glucosio, fruttosio e galattosio
- Disaccaridi: saccarosio, lattosio e maltosio
- Polioli: isomalto, maltitolo, mannitolo, sorbitolo, smaltitilo, xilitolo
- Oligosaccaridi: maltodestrine, frutto-oligosaccaridi
- Polisaccaridi: amido, cellulosa e glicogeno
I g. costituiscono un vasto e piuttosto eterogeneo gruppo di sostanze organiche di fondamentale interesse biologico (e anche di notevole importanza industriale), assai più diffuse nel mondo vegetale che in quello animale. Ai g. di origine vegetale appartengono, fra l’altro, il glucosio, il saccarosio, l’amido, la cellulosa, l’emicellulosa, le pectine, le gomme, le mucillagini; il loro significato biologico è diverso perché rappresentano o prodotti ottenuti nel corso di processi di maturazione (alcuni mono- o disaccaridi) o sostanze di riserva (amido) o ‘unità costruttive’ (cellulosa, emicellulosa, pectine) o, infine, presunti prodotti di rifiuto (gomme vegetali).
Negli organismi animali i g. hanno ancora struttura semplice (come il glucosio) o complessa (come il glicogeno); possono essere presenti in forma libera o in combinazione con altri composti, come i lipidi (➔ glicolipidi) e i protidi (➔ glicoproteina). Alcuni di essi, anzi, sono parte integrante di complesse molecole dotate di peculiari funzioni biologiche (coenzimi, acidi nucleici ecc.): così per es.
Monosaccaridi: Struttura e Funzione
I monosaccaridi contengono da 3 a 9 atomi di carbonio, sono le strutture più semplici dei g. e sono suddivisi in: aldosi, se possiedono un gruppo aldeidico, e chetosi, se hanno un gruppo chetonico. A seconda, poi, del numero di atomi di carbonio che formano la catena del monosaccaride, si definiscono triosi (tre atomi di carbonio), tetrosi, pentosi, esosi e così via; per es., un aldoesoso è un monosaccaride con un gruppo aldeidico, sei atomi di carbonio e con formula generale C6H12O6 [oppure C6(H2O)6]. La maggior parte dei monosaccaridi in natura sono pentosi o esosi.
In generale, la formazione del semiacetale tra un alcol e un’aldeide è una reazione sfavorita ed è quindi spostata verso sinistra; anche se i legami formati sono globalmente più stabili di quelli di partenza, la reazione è svantaggiosa in termini di entropia, dato che due molecole condensano per darne una. I monosaccaridi costituiscono un’eccezione a questa regola generale poiché possiedono contemporaneamente il gruppo aldeidico e quello alcolico nella stessa molecola e possono formare un semiacetale ciclico per condensazione intramolecolare.
Nel glucosio, monosaccaride aldeidico, la formazione del legame semiacetalico porta alla chiusura di un anello a sei atomi privo di tensioni. Questa reazione risulta altamente favorita dato che non comporta diminuzione del numero di molecole e quindi l’entropia non è più sfavorevole. In linea di principio, tutti e cinque gli ossidrili potrebbero sommarsi al gruppo carbonilico per formare semiacetali ciclici di diversa grandezza. Di solito, però, risulta preferita la formazione del’anello a sei atomi che viene chiamato piranosio, nome derivato dal pirano, un etere ciclico.
Il glucosio è il composto organico più diffuso in natura, sia libero sia sotto forma di polimeri. La sua molecola è chirale; esistono quindi due enantiomeri, l’uno speculare all’altro, il D-glucosio e l’L-glucosio. Dei due, solo il primo (D) è quello utilizzato e prodotto dagli organismi viventi. In natura si trova principalmente l’enantiomero D (D-glucosio o destrosio), presente allo stato libero in numerosi frutti zuccherini e anche nella maggior parte dei liquidi organici.
Il fruttosio (o levulosio) è un monosaccaride chetoso e si trova in natura nella maggior parte dei frutti zuccherini e nel miele. La sua struttura atomica vede un anello pentatomico, ed è quindi diversa da quella del glucosio che è esatomico, nonostante la formula bruta sia la stessa: C6H12O6. È un carboidrato importante poiché combinato con il glucosio forma il disaccaride saccarosio, lo zucchero più diffuso nell’ambito alimentare.
Il galattosio è un aldoso destrogiro, monosaccaride epimero del glucosio, uguale nella composizione e simile a esso nella struttura, l’unica differenza fra i due esosi è nella posizione dell’-OH sul C-4. Quando due zuccheri semplici si combinano formano i disaccaridi, che si possono considerare come l’unione di due molecole di monosaccaridi legati tra loro da legami glucosidici.
Disaccaridi: Formazione e Tipi
Il saccarosio è il disaccaride chiamato comunemente ‘zucchero’, composto da una molecola di glucosio e da una di fruttosio. Il legame interessa la funzione aldeidica del glucosio e quella chetonica del fruttosio: poiché entrambe le funzioni riducenti sono impegnate nel legame 1→2 glicosidico, il saccarosio è uno zucchero non riducente.
Il lattosio è un disaccaride riducente e costituisce circa il 5% del latte dei mammiferi e si ottiene commercialmente come sottoprodotto nella fabbricazione dei formaggi. È composto da una molecola di D-glucosio e da una di D-galattosio ed è destrogiro, con formula bruta C12H22O11. Per idrolisi acida si trasforma in quantità uguali di D(+)galattosio e D(+) glucosio.
Il maltosio è un disaccaride destrogiro composto da due molecole di α-d-glucosio, che si scindono a contatto con l’enzima maltasi. Può essere altresì ottenuto, insieme ad altri prodotti, per parziale idrolisi dell’amido con acidi acquosi.
Polioli e Oligosaccaridi
Chiamati anche polialcoli, i polioli sono composti chimici che contengono più gruppi ossidrile. Non sono presenti in natura, ma sono ottenuti industrialmente dagli zuccheri per idrogenazione di carboidrati semplici o complessi. Rivestono una grande importanza nelle scienze dell’alimentazione: sono comunemente aggiunti al cibo per il loro valore calorico inferiore o analogo rispetto allo zucchero; tuttavia, sono normalmente meno dolci e quindi spesso uniti ai dolcificanti.
Quando si combinano da 3 a 9 unità zuccherine si formano gli oligosaccaridi, g. biologicamente attivi se coniugati con proteine (glicoproteine) e lipidi (glicolipidi). Le maltodestrine sono oligosaccaridi derivanti dal processo di idrolisi (o scomposizione) parziale degli amidi. Vengono impiegate come integratori energetici e possono essere utili negli sport di durata, fornendo energia a breve e medio termine senza affaticare troppo l’apparato digerente. I frutto-oligosaccaridi sono catene polisaccaridiche a basso numero di unità che si ottengono per idrolisi enzimatica dell’inulina, polisaccaride di origine vegetale e, in natura, sono presenti solamente in piccole quantità in alcuni legumi, cereali e vegetali.
Polisaccaridi: Struttura e Funzione
Un polisaccaride è costituito da un gran numero di monosaccaridi (da 10 a migliaia) legati insieme, tramite legami glicosidici, per formare molecole grandi e complesse. Sono i carboidrati più abbondanti in natura e si distinguono polisaccaridi vegetali (amidi e fibre) e polisaccaridi di origine animale (glicogeno). I polisaccaridi contenenti un unico tipo di zuccheri vengono chiamati omopolisaccaridi, mentre quelli contenenti tipi diversi di monosaccaridi vengono detti eteropolisaccaridi. Si trovano comunemente nelle piante dove costituiscono dal 50 al 90% del loro peso secco. Negli animali si trovano in quantità minori, ma la loro presenza è essenziale. Poiché il loro peso molecolare è molto variabile, per la maggior parte dei polisaccaridi è impossibile fissare un peso o una formula.
Le proprietà dei polisaccaridi sono, per molti aspetti, il contrario di quelle che caratterizzano gli altri carboidrati. Nell’alimentazione dell’uomo e degli animali i g. occupano un posto di grande rilievo, almeno dal punto di vista quantitativo. Il loro ruolo è prevalentemente energetico, nel senso che essi costituiscono - per la maggior parte delle popolazioni umane - la maggiore fonte di calorie. Le principali sorgenti alimentari di g. Per metabolismo glicidico si intende il complesso delle vie di utilizzazione dei substrati glicidici e delle vie biosintetiche capaci di produrre tali composti a partire da precursori elementari o da riserve precedentemente accumulate e di struttura più complessa. La funzione catabolica ha lo scopo di fornire l’energia necessaria per lo svolgimento di numerosissime funzioni cellulari ed extracellulari vitali ed è esplicata da sistemi enzimatici specifici attraverso vie anaerobiche (glicolisi, fermentazione) o aerobiche (ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa). L’anabolismo, di contro (gluconeogenesi, glicogenosintesi, fotosintesi), è preposto alla sintesi dei g. difficilmente reperibili attraverso l’alimentazione rispetto alle richieste fisiologiche cellulari, così come alla formazione di molecole glicidiche complesse (destinate a costituire il materiale energetico di riserva) e alla sintesi di molecole glicidiche a partire da prodotti del catabolismo delle proteine e dei g.
Formula Grezza dei Carboidrati
Monosaccaridi ( zuccheri semplici ), contengono una sola molecola di zucchero, in proporzione. Formula Grezza -> (CH2O)n. Questi rapporti numerici hanno dato origine al termine "carboidrato". I monosaccaridi sono costituiti da una catena a 3, 4, 5, 6 atomi di carbonio e in base a ciò vengono definiti triosi, tetrosi, pentosi o esosi.
Gli zuccheri si possono legare insieme a formare piccole catene che si chiamano oligosaccaridi, tali catene si legano a lipidi e a proteine formando glicolipidi e oligoproteine. Polisaccaridi sono zuccheri ottenuti dalla condensazione di numerosi monosaccaridi. Il principale polisaccaride di riserva negli animali e nei funghi è il glicogeno (polimero insolubile del glucosio). Amido scisso da 6000 circa molecole di maltosio.
Metabolismo dei Carboidrati
Il corpo umano immagazzina tra 300 e 500 g di carboidrati, sotto forma di glicogeno, a seconda del peso corporeo; il muscolo scheletrico contribuisce a gran parte dell'immagazzinamento, seguito dal fegato. L'energia ottenuta dalla glicolisi anaerobica e dall''ossidazione del glucosio viene immagazzinata temporaneamente sotto forma di ATP (adenosina-tri-fosfato).
Il catabolismo è la reazione metabolica che le cellule adottano per smantellare le molecole più grandi e distruggerle, estraendo energia. Nella glicolisi, oligo- e polisaccaridi vengono scissi in monosaccaridi da enzimi glicoside idrolasi. In alcuni casi, come per l'uomo, non tutti i tipi di carboidrati sono direttamente utilizzabili, poiché non sono presenti gli enzimi digestivi e metabolici necessari.
Nella glicolisi, oligo- e polisaccaridi vengono scissi in monosaccaridi da enzimi glicoside idrolasi. In alcuni casi, come per l'uomo, non tutti i tipi di carboidrati sono direttamente utilizzabili, poiché non sono presenti gli enzimi digestivi e metabolici necessari.
Fruttosio e Glucosio
Fruttosio e glucosio sono due monosaccaridi, cioè carboidrati semplici costituiti da una sola molecola, tra i più comuni in natura e i più utilizzati dal tuo organismo. Proprio perché il fruttosio è bloccato a livello epatico, il fruttosio ha un indice glicemico basso (tra 19 e 23) e non stimola l’insulina in quanto non entra nelle cellule muscolari grazie ad essa, diversamente dal glucosio.
Il fruttosio e il glucosio sono isomeri. Grazie alla sua forma, il fruttosio ha un potere dolcificante doppio rispetto al glucosio, tuttavia questa funzione è annullata, anzi il potere dolcificante si dimezza se l’alimento ingerito è caldo. Questi due zuccheri, da soli o legati tra loro si trovano in molti alimenti e più sono presenti più l’alimento è dolce. Inoltre, il fruttosio può essere utilizzato nell’industria per formare lo sciroppo di fruttosio o anche come zucchero aggiunto nei prodotti da forno o nelle bevande zuccherate (succhi di frutta inclusi).
In un vasetto di miele il 20% è acqua, mentre il restante 80% sono carboidrati semplici: metà fruttosio e metà glucosio, approssimativamente. Infatti, gli zuccheri, come appunto fruttosio e saccarosio, contengono 3.75 kcal/g. Questi zuccheri sono i tre monosaccaridi più comuni e hanno tutti e tre la stessa formula (C6H12O6). Glucosio e galattosio hanno entrambi la struttura a forma di esagono e in natura li trovi sostanzialmente legati ad altre molecole. Il galattosio è lo zucchero meno dolce dei tre e lo trovi sostanzialmente in latte e latticini. Il suo legame con il glucosio per formare il lattosio è il responsabile dell’intolleranza al lattosio: quando il latte ti causa problemi gastro-intestinali è perché l’enzima (lattasi) deputato alla scissione del legame tra glucosio e galattosio non funziona come dovrebbe.
Il potere dolcificante dei tre è differente: il più dolce è il fruttosio, il meno dolce il glucosio, mentre il saccarosio (unione dei due) ha una dolcezza intermedia tra i due.
Zuccheri Solubili
Monosaccaridi, disaccaridi e polioli sono i glucidi più piccoli (a basso peso molecolare); comunemente identificati come zuccheri, hanno tipicamente una buona solubilità in acqua. Il glucosio è il monosaccaride più importante per l'uomo e svolge principalmente un ruolo energetico per le cellule. Il ribosio monosaccaride a 5 atomi di carbonio è un componente importante dei coenzimi (es. ATP, FAD e NAD) ed è anche la "spina dorsale" dell'RNA.
Gli zuccheri solubili compaiono nella dieta umana principalmente come saccarosio (zucchero da tavola composto da glucosio+fruttosio, estratto dalla canna da zucchero o barbabietola da zucchero), lattosio (abbondante nel latte, composto da glucosio+galattosio), fruttosio libero e glucosio libero, questi ulti due presenti naturalmente nella frutta, nella verdura, nello sciroppo d'acero, di agave, nella melata e nel miele.
La cellulosa, un polisaccaride presente nelle pareti cellulari di tutte le piante, è uno dei componenti principali della fibra alimentare insolubile. L'inulina invece, oligosaccaride di riserva tipico delle Asteraceae, è un polimero indigeribile (per la stessa ragione della cellulosa) a base di fruttosio, e rappresenta una fibra alimentare solubile.
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