Istruzioni per l’uso: i carboidrati

I carboidrati o saccaridi (dal greco sákcharon, zucchero) sono le molecole biologiche più abbondanti.

Sono anche più semplici rispetto a nucleotidi o amminoacidi, dato che contengono solo tre elementi: carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O).

Le molecole base, che combinandosi danno le macromolecole che osserviamo in natura, si chiamano monosaccaridi. Questi possono essere considerati derivati aldeidici o chetonici di alcoli poliossidrilici. Sono ovvero, molecole organiche che lungo lo scheletro carbonioso hanno diversi gruppi -OH (gruppo ossidrile) e terminano sempre con un gruppo -CHO o CRO (appunto gruppi aldeidici o chetonici).

La nomenclatura suddivide i monosaccaridi a seconda del numero di atomi di carbonio che possiedono. Troveremo quindi: triosi (3 è il numero minimo di C che deve avere un monosaccaride), tetrosi, pentosi, esosi.

D_Glucosio, uno dei carboidrati
Proiezione di Fischer del D-Glucosio

Il monosaccaride più famoso è il D-glucosio (il perché della D sarà spiegato più avanti), un aldoesosio, dato che termina con un gruppo aldeidico e contiene 6 atomi ci carbonio.

Tutti e sei gli atomi di carbonio, ad eccezione di C1 e C6, sono centri chirali, quindi esistono 16 possibili stereoisomeri (provate a fare tutte le combinazioni con gli -OH a destra o sinistra e ne troverete 16 differenti).

Considerando la proiezione di Fischer (come quella riportata per il glucosio), se il gruppo ossidrile appartenente al carbonio chirale più distante dal gruppo carbonilico è sulla destra della molecola avremo un monosaccaride D.

Se il gruppo ossidrile è sulla sinistra, il monosaccaride è L (tale distinzione non deve essere confusa con i termini d ed l che indicano il senso in cui è ruotato il piano della luce polarizzata in una molecola chirale).

Normalmente, se non indicato diversamente, ci si riferisce agli zuccheri D, dato che sono i più comuni in natura.

Si deve poi considerare che i gruppi ossidrilici possono reagire con quelli carbonilici, aldeidi e chetoni, per formare rispettivamente emiacetali ed emichetali.

Questi, sono composti ciclici con un atomo diverso da C nel ciclo (eterociclico).

In particolare, l’ossigeno che prima era parte di un ossidrile, adesso prende parte al ciclo.

A seconda che l’anello formatosi sia a cinque o sei termini, si distingue tra zuccheri piranosici o furanosici. Altra caratteristica importante è che il carbonio dell’ex gruppo carbonilico (detto anomerico) diventa chirale: così, se il gruppo OH giace dal lato opposto dell’anello rispetto al gruppo CH2OH restante, si parla di anomero α, viceversa avremo l’anomero β.

proiezioni dei carboidrati glucosio a e b
Proiezioni di Haworth del α- e β- glucosio

I due anomeri esibiscono proprietà chimico-fisiche leggermente differenti; tuttavia in soluzione interconvertono liberamente secondo un determinato equilibrio che dipende dal monosaccaride. All’equilibrio partecipa anche la forma non ciclica. L’impiego delle formule di Haworth può dare l’impressione errata che gli anelli di piranosio e furanosio siano planari, quando in realtà non è così.

uno dei carboidrati: glucosio a sedia
Conformazione a sedia del α-glucosio.

In particolare, per il furanosio si ha la conformazione a sedia, con alcuni sostituenti in posizione assiale ed alcuni in posizione equatoriale.

I polisaccaridi

Ma la parte più “divertente” arriva quando il grande “chimico” madre natura unisce diversi monosaccaridi per dare i polisaccaridi.

I polisaccaridi, o glicani, sono formati da monosaccaridi legati insieme da legami glicosidici. Questo è un legame covalente che unisce il carbonio anomerico con un qualsiasi altro ossidrile (ecco perché i polisaccaridi possono avere struttura ramificata, a differenza di proteine ed acidi nucleici).

A seconda che i monosaccaridi che formano il polisaccaride siano uguali o differenti, riconosciamo rispettivamente omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi.

Il lattosio

Ad esempio, il lattosio (che rappresenta circa il 98% dello zucchero presente nel latte) è un eterodisaccaride formato da due differenti esosi: glucosio e galattosio.

lattosio, uno dei carboidrati
Lattosio: disaccaride formato dal legame glicosidico tra glucosio e galattosio

L’intolleranza al lattosio è dovuta all’assenza nell’individuo dell’enzima lattasi. Tale enzima è capace di scindere il lattosio nei suoi componenti: glucosio e galattosio. Il primo costituisce il carburante metabolico primario per numerosi tessuti, il secondo viene invece trasformato (epimerizzato) in glucosio.

Negli individui deficienti di lattasi, il lattosio arriva intatto fino al colon, dove la fermentazione batterica genera grandi quantità di CO2, H2 ed acidi organici irritanti. Questi prodotti sono la causa dei fastidi (talvolta imbarazzanti) degli intolleranti al lattosio.

Polisaccaridi comuni in natura

Lo zucchero più comune e che utilizziamo abitualmente in cucina è il saccarosio, un disaccaride formato da glucosio e fruttosio. Anche l’eparina (farmaco utilizzato comunemente come anticoagulante) ha una struttura molto simile a quella di un disaccaride (con qualche piccola modifica chimica).

Tuttavia i polisaccaridi possono contenere più di due unità, e queste (come detto in precedenza) possono essere anche ramificate lungo la catena.

Un esempio di queste strutture è la cellulosa, che costituisce le pareti delle cellule vegetali.

Negli alberi, tale struttura ha anche una funzione di sostegno dei carichi. Come si può osservare nell’immagine, la cellulosa è costituita da diverse molecole di glucosio, unite dal legame glicosidico.

molecola del carboidrato cellulosa
Cellulosa

Si stima che, ogni anno, globalmente vengono sintetizzati e degradati approssimativamente 10^15 Kg di cellulosa.

Un altro polisaccaride presente nelle piante (che esse utilizzano come riserva energetica) è l’amido.

Ma, i polisaccaridi non si trovano solo nel regno vegetale: ad esempio, la chitina (principale componente dell’esoscheletro di insetti, crostacei e ragni) è un omopolimero (una lunga catena) lineare di N-acetil-D-glucosammina. Questa altro non è se non una versione modificata del glucosio.

chitina
Chitina

 

FONTI:

 

  • Voet, D; Voet, J.; Pratt, C. Fondamenti di biochimica. Seconda edizione – Zanichelli.
  • Immagini: Wikipedia

 

 

Davide Franchini

Davide Franchini

Appassionato di scienza e tecnologia fin da ragazzino, tanto (pazzo) da prendere prima una laurea in chimica e successivamente un dottorato in chimica-fisica. Nerd fino al midollo, ha fatto della sua passione la sua professione. Nel tempo libero beve birra... tanta.