Lezione sui carboidrati: caratteristiche chimiche e classificazione

Caratteristiche Chimiche dei Carboidrati

Benvenute e benvenuti. In questa lezione parleremo di carboidrati. Gli argomenti che affronteremo sono le caratteristiche chimiche dei carboidrati, la classificazione dei carboidrati, le funzioni biologiche dei carboidrati.

1. Iniziamo con le caratteristiche chimiche dei carboidrati. Andremo a vedere quali sono la loro composizione in atomi e in qualche modo capiremo che la loro composizione chimica, quindi la loro composizione atomica, si rispecchia sulle funzioni che poi svolgono nelle cellule e negli organismi.

I carboidrati, come abbiamo già visto, sono delle macromolecole biologiche insieme ai lipidi, proteine e acidi nucleici. I carboidrati hanno diversi nomi, sono anche detti glucidi, glicidi o saccaridi.

Sono costituiti generalmente da tre elementi. Il carbonio, C, l'idrogeno, H e l'ossigeno, O. Qui in figura avete rappresentato la configurazione elettronica di questi atomi per ricordarvi in qualche modo il tipo di legami che possono formare.

• I carboidrati (o glucidi o glicidi o saccaridi) sono costituiti generalmente da tre elementi: Carbonio (C), Idrogeno (H), Ossigeno (O)

6 C H O 1 8 Vediamo qui il carbonio che presenta sei elettroni distribuiti su due livelli energetici. Il livello energetico più esterno è quello più importante per quanto riguarda la formazione di legami chimici. Vediamo che contiene quattro elettroni, quindi per completare questo livello energetico, che può contenere un massimo di otto elettroni, avrà bisogno di formare altriquattro legami o con atomi diversi o condividendo più elettroni con lo stesso atomo. Per quanto riguarda l'idrogeno, l'idrogeno è l'elemento più semplice, presenta solo un livello energetico e solo un elettrone nel livello energetico più esterno che è l'unico che ha. Questo significa che l'idrogeno dovrà formare solamente un legame. L'ossigeno invece presenta otto elettroni, due nel livello energetico più interno e sei nel livello energetico più esterno. Questo vuol dire che due formano delle coppie e quindi sono già completi, l'orbitale che le ospita è completo, mentre gli altri due possono formare dei legami chimici. Vi ricordo, per esempio, che l'ossigeno e l'idrogeno formano la molecola di acqua, proprio condividendo degli elettroni. L'idrogeno condivide un elettrone con l'ossigeno e un altro atomo di idrogeno ne condivide un altro, quindi H2O.

H I O / H-C-OH H-C-OH C=0 OH-C-H OH-C-H 1 H-C-OH - H-C-OH - H-C-OH H-C-OH 1 - H-C-OH H-C-OH H H Glucosio Fruttosio Cincoajo KAPITORIO

Nei carboidrati sono presenti almeno due gruppi OH, un gruppo carbonilico (in O=CH oppure C=O), che può essere un gruppo aldeidico (O=CH) o chetonico (C=O). Guardiamo bene la figura sopra. Qui in figura sono rappresentati dei carboidrati, dei monosaccaridi piuttosto noti.

Il glucosio lo conosciamo tutti quanti, lo misuriamo nel sangue, è lo zucchero che ci dà la sensazione di sapore dolce. Come è formato? È costituito da sei atomi di carbonio, presenta un gruppo O=CH aldeidico in cui il gruppo carbonilico (C=O) si trova all'estremità della molecola e presenta cinque gruppi OH.

• Nei carboidrati sono presenti almeno 2 gruppi - OH e 1 gruppo O=CH- (aldeidico o chetonico)

U-Il fruttosio qui accanto, anche lui è uno zucchero, anche lui è un monosaccharide, è costituito da sei atomi di carbonio, però il gruppo carbonilico C=O è presente all'interno della molecola. Infatti in figura vedete rappresentato dal rettangolino in rosso. Quanti gruppi OH contiene? Cinque. Quindi la differenza fondamentale tra il glucosio e il fruttosio è che, sebbene abbiano tutti quanti sei atomi di carbonio, sebbene abbiano lo stesso numero di gruppi OH, il gruppo C=O si trova in posizioni diverse lungo la catena degli atomi di carbonio. In particolare nel glucosio si chiama gruppo aldeidico perché C=O è O=CH e si trova all'estremità e invece nel fruttosio, siccome il gruppo C=O si trova sul secondo carbonio, si chiama gruppo chetonico.

Gruppi Funzionali e Proprietà

Qui in questa tabella, sono rappresentati e descritti come sono questi gruppi e quali sono le loro caratteristiche.

Gruppo funzionale Classi di composti con relativi esempi Proprietà Ossidrile Alcoli R-OH I I-U-I I-U-I OH Etanolo Polare. Stabilisce legami idrogeno con l'acqua, rendendo le molecole idrosolubili. Facilita il legame con altre molecole mediante reazioni di condensazione. Aldeide Aldeldi O H O R- H-C H H H Polare. Il gruppo C=0 è fortemente reattivo. Importante nelle sintesi molecolari e nelle reazioni che liberano energia. Acetaldeide Chetone Chetoni O H OH R-CR H C-C C-H r H Acetone Polare. Il gruppo C=0 è importante nei carboidrati e nelle reazioni energetiche. 1 Mangia et al., Basi biologiche dell'attività psichica @ Piccin editore 2020

Vediamo nel dettaglio. Il gruppo OH è detto come gruppo funzionale, è un gruppo ossidrile, è presente tipicamente negli alcoli. Ricordiamo chiaramente l'etanolo che tutti conosciamo, è presente nel vino, nelle sostanze alcoliche. Che caratteristiche ha? È un gruppo che conferisce polarità alle molecole. Che significa che conferisce polarità alle molecole? Rende le molecole solubili in acqua, quindi più ce ne sono più sono solubili in acqua. Noi abbiamoesperienza di questo perché se noi prendiamo lo zucchero da cucina che utilizziamo per dolcificare, lo sciogliamo in un bicchiere d'acqua e questo zucchero si scioglie con una certa facilità, a meno che non arriviamo a un livello eccessivo di proporzione di zucchero rispetto all'acqua.

Anche il gruppo aldeidico e il gruppo chetonico forniscono polarità alle molecole, quindi ci spiegano ulteriormente perché gli zuccheri siano così solubili in acqua. Sono anche dei gruppi fortemente reattivi, per cui vedremo quali sono poi le caratteristiche di questi carboidrati che contengono questi gruppi.

• A conclusione di questa sessione vi offro uno spunto di riflessione. Quali sono le più principali caratteristiche chimiche dei carboidrati?

Classificazione dei Carboidrati

2. Spostiamoci quindi adesso al prossimo argomento che è la classificazione dei carboidrati e vedremo appunto come possiamo distinguere un carboidrato dall'altro in base alle sue caratteristiche chimiche.

I carboidrati si classificano in base alla loro complessità in monosaccaridi, lo vedete rappresentato qui in figura A, quindi un unico monomero, disaccaridi e oligosaccaridi, rappresentati nella figura B, e polisaccaridi, rappresentati nella figura C, quindi una catena che può essere lineare o ramificata, in questo caso è rappresentata una catena ramificata, costituita da diversi monomeri, più di 20 o di 30 in genere, cioè un intervallo di questo tipo, per distinguere un oligosaccaride da un polisaccaride.

I carboidrati si classificano in base alla loro complessità in: Valitutti et al., Biochimica, biotecnologie o tettonica dello placche @ Zanichelli editore 2020

• Monosaccaridi (A) A Moresaccaride
• Disaccaridi Oligosaccaridi (B) Ogossecond Polisaccaridi (C) Polisaccaride

I carboidrati complessi o polisaccaridi sono delle macromolecole biologiche polimeriche e in particolare, appunto, vi ricordo che le altre macromolecole biologiche polimeriche sono le proteine e gli acidi nucleici. I lipidi, invece, non formano polimeri o solo alcune tipologie. I monomeri che costituiscono i polisaccaridi sono detti monosaccaridi.

• I carboidrati complessi (o polisaccaridi) sono delle macromolecole biologiche polimeriche

Monomeri Polimeri Monosaccaridi Polisaccaridi (o zuccheri complessi) Amminoacidi Proteine Nucleotidi Acidi nucleici

Monosaccaridi: Struttura e Stereocentri

A. I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici. Sono costituiti da molecole la cui formula molecolare generale è CnH2nOn dove "n" è un numero compreso tra 3 e 6 atomi di carbonio.

• I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici
• Sono costituiti da molecole la cui formula molecolare generale è: CnH2nOn

H .0 H-C-OH H-C-OH C=0 H OH-C-H OH-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH,OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH Gilceraldeide H H Glucosio Fruttosio n è un numero tra 3 e 6 atomi

Qui in figura vedete rappresentati alcuni esempi, alcuni li abbiamo già incontrati prima. Uno dei monosaccaridi più semplici è la gliceraldeide che è composta da 3 atomi di carbonio, 2 gruppi OH e un gruppo aldeidico.

Gli altri due zuccheri qui rappresentati sono il glucosio e il fruttosio che abbiamo incontrato prima.

Gliceraldeide e glucosio sono messi vicini nella figura perché hanno tutti una caratteristica simile, cioè presentano il gruppo aldeidico, cioè il gruppo C=OH è all'estremità. Il fruttosio invece è a parte perché ha il gruppo chetonico, quindi il gruppo C=O, all'interno della molecola.

Quando in una molecola c'è un carbonio che presenta legami con 4 atomi diversi o gruppi di atomi, tale carbonio viene detto stereocentro o carbonio asimmetrico.

Come vedete in figura, questo produce delle molecole che sono specchio una speculare dell'altra, esattamente come le mani sono una speculare dell'altra e qui possiamo immaginare uno specchio o esattamente la figura che noi vediamo.

HO C= H U- H-C-OH 21 CH2OH HO-C-H 21 CH2OH D-Gliceraldeide L-Gliceraldeide

cosa significa questo? Significa che ogni volta che c'è uno stereocentro, quindi ogni volta che c'è un carbonio asimmetrico, ripeto, che ha legati gruppi atomici differenti, si hanno tipologie di molecole differenti, molto simili tra di loro perché contengono gli stessi atomi, gli stessi atomi sono organizzati in gruppi funzionali identici, solo che sono intercambiabili per quanto riguarda la posizione rispetto allo stereocentro. E questi conferiscono una particolare proprietà a queste molecole che è quella di ruotare in maniera opposta la luce polarizzata, è l'unica proprietà fisica che le differenzia.

• La presenza di un C asimmetrico dà origine a due molecole (D e L) con la stessa composizione atomica ma con diversa orientazione spaziale degli atomi, per cui una molecola è l'immagine speculare dell'altra

HO H H H-C-OH 2 HO-C-H H-C-OH 21 HO-C-H 2 CH2OH 3 H-C-OH HO-C-H H-C-OH HO-C-H D-Gliceraldeide L-Gliceraldeide specchio specchio D-Glucosio L-Glucosio OH-C-H H-C-OH CH2OH CHỊOH CHỈOH

• Quando in una molecola c'è un carbonio che presenta legami con quattro diversi atomi o gruppi di atomi, tale carbonio viene detto stereocentro o C asimmetrico

Per cui noi troviamo che esiste la D-gliceraldeide e la L-gliceraldeide, per cui esistono i D-monosaccaridi e gli L-monosaccaridi. La presenza di un carbonio asimmetrico dà origine a due molecole, De L, con la stessa composizione atomica ma con diversa orientazione spaziale degli atomi, per cui una molecola è l'immagine speculare dell'altra.

Infatti qui c'è la D-gliceraldeide e la L-gliceraldeide, qui abbiamo il D-glucosio e l'L-glucosio. Da un punto di vista biologico c'è una grande differenza tra monosaccaridi o comunque zuccheri della serie D o della serie L perché i nostri enzimi, i componenti delle cellule, sono in grado di riconoscere solamente una delle due tipologie di serie, in particolare la serie D.

• In natura sono presenti solo monosaccaridi della serie D

H r=0 H. .C HO I HO H-C-OH 21 ,CH2OH HO-C-H 2 CH2OH H-C-OH 21 OH-C-H 3 H-C-OH H-C-OH CH2OH 6 HO-C-H 21 H-C-OH 3 HO-C-H HO-C-H CH2OH D-Gliceraldeide L-Gliceraldeide specchio specchio D-Glucosio L-Glucosio - roncone

In natura sono presenti solo monosaccaridi della serie D, infatti la D- gliceraldeide è in grado di essere riconosciuta dai nostri enzimi nelle nostre cellule, lo stesso il D-glucosio.

Invece se noi mangiassimo L-glucosio al posto del D-glucosio noi non lo riconosceremmo come dolce, o meglio i nostri recettori; infatti tutto ciò che è presente nel nostro corpo che è in grado di legare il D-glucosio non è in grado di legare l'L-glucosio e quindi non verrebbe riconosciuto e neanche utilizzato.