Carboidrati: classificazione, formule di struttura e processi biologici

CARBOIDRATI

I carboidrati, detti anche glucidi (dal greco "glucos" = dolce) sono sostanze formate da carbonio ed acqua. Hanno forma molecolare Cn(H2O)n e sono contenuti principalmente negli alimenti di origine vegetale. Sono la classe di composti organici più abbondante.

Perché?

Fotosintesi

C6 H12 O18 Glucosio 1 C6 H12 O6 + 6 O2 Energia Assorbimento anidride carbonica e acqua C6 O12 H12 O6 6 CO2 + 6 H2O C6 H12 O18

Chi sfrutta questo lavoro ?

Respirazione cellulare aerobica

ACQUA GLUCOSIO + ENERGIA OSSIGENO cellula ANIDRIDE CARBONICA Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

CARBOIDRATI: CLASSIFICAZIONE

Classificazione

• Carboidrati semplici (monosaccaridi e oligosaccaridi)
• Carboidrati complessi (polisaccaridi)

I monosaccaridi come ci lascia intendere il termine (mono- saccaridi) sono le unità base che costituiscono i carboidrati, come gli oligosaccaridi e i polisaccaridi. Gli oligosaccaridi possono essere costituiti da un numero massimo di 20 unità ripetitive, superato questo numero, si parla di "polisaccaridi" (ad esempio gli amidi) o, più volgarmente, "carboidrati complessi". Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

CARBOIDRATI: CLASSIFICAZIONE E STRUTTURA

I CARBOIDRATI O ZUCCHERI

CH2OH HOCH2 O OH H H H OH H OH OH H Ħ ỎH glucosio Tre tipi di atomi: CHO (carbonio, idrogeno, ossigeno) MONOSACCARIDI CH2OH O H H HOCH2 0 OH H OH H C H HO HO CH2OH H OH OH H DISACCARIDE saccarosio POLISACCARIDE Amido e cellulosa Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE

CH2OH H H HO HO fruttosio I monosaccaridi sono classificati in base a differenti caratteristiche:

• numero di atomi di carbonio;
• alla presenza di un gruppo aldeidico CHO o chetonico CO;
• alla posizione dell'ultimo carbonio chirale, in D o L;
• all'attività ottica in- o +;
• posizione dell'OH emiacetalico delle strutture chiuse in a e B

MONOSACCARIDI PENTOSI

RICORDIAMO

RIBOSIO HO. H O H H H OH OH OH Dove? RNA ATP DNA CHO CH2OH I C = 0 H - C-OH OH -C-H OH -C-H I H - C -OH I CH2OH D - glucosio D - fruttosio D - galattosio (aldoesoso) C6H1206 (chetoesoso) C6H1206 (aldoesoso) C6H1206 Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE DETTAGLIATA

CHO 2/ H -C -OH 3 4 HO -C-H HO -C-H I H -C -OH H -C-OH - 5 H - C -OH H - C -OH I H OH OH H Dove? DESOSSSIRIBOSIO HO H O H H 8 CH2OH CH2OH 1- In base al numero di atomi di carbonio in: triosi (n=3), tetrosi,(n=4),pentosi, (n=5) esosi (n=6), eptosi (n=7). 2-In base alle presenza di un gruppo aldeidico CHO o chetonico CO. Se il gruppo carbonilico è aldeidico, il monosaccaride è un aldoso (si trova sul carbonio 1); se il gruppo carbonilico è chetonico, il monosaccaride è un chetoso(si trova sul carbonio 2). Esistono due triosi soltanto: La gliceraldeide è l'aldoso più semplice, il diidrossiacetone è il chetoso più semplice.

Esempi di Monosaccaridi

H H O 1 H-C-OH H. -¢ OH C-O 1 CH=0 CHOH 1 CH2OH HO -C-H HO-C I H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH - H-C-OH H-C-OH H -I diidrossiacetone (un chetoso) Glucosio Fruttosio 2 1 2 C=0 3 | CH2OH 3 CH2OH gliceraldeide (un aldoso) Come denominiamo questi monosaccaridi? Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E CENNI DI ISOMERIA

3-In base all'ultimo carbonio chirale, in D o L.

Che significa chirale?

È un atomo di carbonio tetraedrico (atomo con 4 legami), con tutti e quattro i gruppi diversi. Tale atomo in chimica organica viene definito carbonio chirale (o stereocentro). Dal punto di vista chimico significa che una molecola con un carbonio chirale può assumere più di una configurazione degli atomi o dei suoi gruppi nello spazio. Un chiaro esempio di molecola con un carbonio chirale è rappresentato dalla gliceraldeide che avendo un carbonio chirale può avere due configurazioni spaziali possibili.

Triosi

CHO H --- OH CHO gruppo aldeidico HO-FH CH2OH CH2OH CARBONIOCHIRALE (STEREOCENTRO) D-gliceraldeide L-gliceraldeide Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: ISOMERIA E STEREOCENTRI

Per conoscere il numero di isomeri di una molecola contenente uno o più stereocentri si applica la formula 2ª dove n è il numero di carboni asimmetrici (o stereocentri). Se alla gliceraldeide (trioso) si aggiunge un altro atomo di C, per allungare la catena, si ottengono i tetrosi, aventi 2 stereocentri (da cui 22stereoisomeri).

Tetrosi

CHO CHO CHO H-OH HOH CHO HO --- H H+OH HO -H HO -H H+OH HO -- H CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-eritrosio D-treosio L-eritrosio L-treosio Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E ISOMERIA DELLA GLICERALDEIDE

La gliceraldeide si può definire un aldotrioso: . D se l'OH legato all'ultimo stereocentro si trova a destra. .L se l'OH legato all'ultimo stereocentro si trova a sinistra.

Triosi

CHO H --- OH CH2OH CHO gruppo aldeidico HO-H CH2OH CARBONIOCHIRALE (STEREOCENTRO) D-gliceraldeide L-gliceraldeide In questo caso da un punto di vista chimico ci troviamo di fronte a due isomeri.

Cosa sono gli isomeri?

Gli isomeri sono composti che hanno che hanno la stessa composizione chimica cioè la stessa formula chimica bruta (esempio C3H,O3), ma con formule di struttura differenti, che producono nella molecola proprietà chimico-fisiche differenti. Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE DEGLI ISOMERI

ISOMERI

Hanno la stessa formula molecolare ma diversa struttura

EPIMERI

Differiscono a livello di uno solo dei vari centri asimmetrici CHO CHO H-C-OH HO- C-H HO-C-H HO-C-H H-C-OH H-C-OH 1 H-C-OH H-C-OH 1 1 CH2OH D-Glucosio (C6H1206) CH2OH D-Mannosio (C6H1206)

ENANTIOMERI

Immagini speculari non sovrapponibili 0 H 0 H 11 C H-C-OH HO-C-H CH2OH D-Gliceraldeide (C3H603) CH2OH L-Gliceraldeide (CzH603)

DIASTEREOISOMERI

Isomeri che non sono immagini speculari CHO - CHO HO-C-H H-C-OH H-C-OH HO-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH2OH D-Altrosio (C6H1206) CH2OH D-Glucosio (C6H1206)

ANOMERI

Isomeri che differiscono a livello di un nuovo centro chirale generatosi dalla chiusura dell'anello CH2OH CH2OH O OH OH OH HO OH HÒ OH OH @-D-Glucosio (C6H1206) B-D-Glucosio (C6H1206)

ISOMERI COSTITUTIVI

Differiscono nell'ordine degli atomi nella molecola

STEREOISOMERI

Gli atomi sono disposti nello stesso ordine ma differiscono nell'orientamento spaziale C .H CH2OH H-C-OH C=0 CH2OH CH2OH Gliceraldeide (C3H603) Diidrossiacetone (C3H603) Nel nostro caso (gliceraldeide) gli isomeri appena descritti vengono classificati come stereoisomeri più precisamente detti enantiomeri. Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione der prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E CARATTERISTICHE DEGLI ENANTIOMERI

Quale è la caratteristica degli enantiomeri?

Un atomo di carbonio tetraedrico (atomo con 4 legami), con tutti e quattro i gruppi diversi. Tale atomo in chimica organica viene definito stereocentro (o carbonio chirale ), ecco perche stereoisomeri.

Cosa comporta questa caratteristica molecolare?

La presenza di un centro chirale determina una situazione assolutamente originale: i gruppi atomici che si dispongono attorno ad esso possono dar luogo a due molecole, ognuna delle quali è l'immagine speculare dell'altra; esse non sono sovrapponibili e pertanto sono due molecole diverse.

Esempio di Enantiomeri

CH3 CH3 C C H OH OH H COOH COOH Enantiomeri: molecole allo specchio una l'imagine speculare dell'altra non sovrapponibili. CH CH3 C C HOH OCH COCOOH Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

IMPORTANZA DELL'ISOMERIA

Ad esempio, gli stereoisomeri che sono degli isomeri che si distinguono soltanto per la diversa orientazione degli atomi nello spazio possono avere un diverso effetto sugli organismi Quando un farmaco è chirale, i suoi due enantiomeri possono avere attività molto differente. Un esempio diventato tragicamente celebre è quello della talidomide, un farmaco utilizzato come sonnifero per le donne in gravidanza negli anni Cinquanta e Sessanta in Germania, in cui erano presenti due enantiomeri della stessa molecola .

Molecole Chirali e Siti Recettori

Molecole Chirali X Siti recettori sulle proteine Un enantiomero del principio attivo della talidomide ha effetti sedativi e antinausea, mentre l'altro enantiomero è molto tossico per il feto, tanto da provocare la nascita di bambini con gravi malformazioni (effetto teratogeno). Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E CHIRALITÀ NATURALE

La natura sembra amare la chiralità: gli zuccheri naturali, per esempio, sono tutti della serie D, e gli amminoacidi, tranne la glicina, appartengono invece alla serie L.

Esempi di isomeri di zuccheri aldosi e chetosi della serie D

CHO aldotriosi, H -- OH D-gliceraldeide aldotetrosi, CHỊOH aldopentosi CHO CHO D-eritrosio D-treosio H -OH HO -H H -OH H- -OH CH2OH CHỊOH D-arabinosio D-ribosio CHO CHO CHO CHO H OH HO -H H -OH HO -H H OH H OH HO -H HO -H H- -OH H- -OH H- -OH H- -OH CH2OH CH,OH CH2OH CH2OH CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO H OH HO H H HO- -H H- OH HO- -H H- OH HO -H H OH H- OH HO но H- OH H -OH HO- -H HO -H H-1 OH H- -OH H- H- H- H- -OH -OH H -OH CHỊOH CH2OH CH_OH CH2OH CHỊOH CH2OH CHỊOH CHỊOH D-glucosio D-galattosio D-mannosio Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni

MONOSACCARIDI: CLASSIFICAZIONE E ATTIVITÀ OTTICA

-H H- H- -OH -OH -OH H aldoesosi 4- Classificazione - o + in base all'attività ottica Il comportamento ottico consiste nella capacità di queste sostanze di far ruotare il piano di una luce polarizzata. La caratteristica fondamentale affinché queste sostanze manifestino questa caratteristica è quella di avere almeno un centro chirale cioè un carbonio con quattro sostituenti diversi. La luce è una radiazione elettromagnetica costituita da un insieme di onde (elettromagnetiche), che vibrano in tutti i possibili piani perpendicolari alla sua direzione di propagazione. Se lungo il percorso della luce si interpone una lente particolare, chiamata polarizzatore (un filtro Polaroid oppure un prisma di Nicol), la luce che emerge dal filtro risulterà polarizzata, cioè vibrerà in un unico piano. Sostanze otticamente attive se sottoposte a un fascio di luce polarizzata, provocano una rotazione del piano di luce. Le molecole che dimostrano attività ottica sono dette enantiomeri e si distinguono con un segno

• + se ruotano il piano della luce verso destra(orario)
• - se ruotano il piano della luce verso sinistra(antiorario)

Rappresentazione dell'Attività Ottica

luce non polarizzata asse del prisma luce polarizzata asse del prisma sorgente luminosa Q prisma polarizzatore tubo portacampioni luce polarizzata ruotata prisma analizzatore Prof. Vincenzo Leo - Trasformazione dei prodotti - ITA Emilio Sereni