Carboidrati

La PROPEDEUTICA BIOCHIMICA riguarda anche tutto ciò che abbiamo studiato fino ad adesso, ma tradizionalmente in questa materia si studiano in particolare le strutture dei composti biologici. Questi composti vengono divisi in quattro grandi classi: carboidrati, lipidi, proteine ed acidi nucleici.

I CARBOIDRATI (o zuccheri (in quanto molti di questi composti hanno un sapore dolce) o glucidi) hanno una formula generale CnH2nOn, per questo strutturalmente vengono detti idrati di carbonio. Essi si suddividono in monosaccaridi (non possono essere idrolizzati a composti più semplici), oligosaccaridi (sono fomati da pochi monosaccaridi uniti tra loro) e polisaccaridi (formati da tanti monosaccaridi uniti tra loro).

Chimicamente definiamo questi composti come polidrossialdeidi o polidrossichetoni. La desinenza di questi composti è -osio-. Essi si dividono in composti aldosi (hanno un gruppo aldeidico) e composti chetosi (hanno un gruppo chetonico), caratterizzati dalla presenza di un gruppo carbonilico mentre tutti gli altri carboni presenti portano funzioni alcoliche. Questi composti si possono anche suddividere in base agli “n” atomi di carbonio presenti nella molecola, ad esempio in triosi, tetrosi, pentosi ed esosi, aggiungendo anche il prefisso inerente al loro gruppo carbonilico (il composto può definirsi chetoesoso o aldopentoso).

Partendo ad analizzare i composti ALDOSI MONOSACCARIDICI, vediamo come facciano parte di questa categoria gli aldotriosi, gli aldotetrosi, gli aldopentosi e gli aldoesosi. La numerazione parte sempre dal gruppo aldeidico. Questi composti sono caratterizzati dalla presenza di più carboni asimmetrici, ad esempio negli aldotriosi il 2 carbonio è chirale, mentre aumentando il numero di atomi di carbonio aumenta linearmente anche il numero di centri chirali.

Questi monosaccaridi vengono divisi in serie D (se il carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo aldeidico ha la stessa configurazione della D-gliceraldeide) e serie L (se il carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo aldeidico ha la stessa configurazione della L-gliceraldeide), con una rappresentazione che segue le formule di Fischer. La serie dei carboidrati importanti da un punto di vista biologico è la serie D. Se due composti hanno gli stessi atomi di carbonio e fanno parte della stessa serie, sono tra loro diastereoisomeri se sono diversi in più di un centro chirale, mentre se differiscono di un solo centro chirale vengono detti EPIMERI. Gli zuccheri corrispondenti delle serie D e L sono tra loro enantiomeri. Il fatto che appartengano alla serie D non vuol dire che siano destrogiri, ma è solamente un indice della loro struttura, in particolare della struttura del carbonio più lontano dal gruppo aldeidico.

La serie dei CHETOSI MONOSACCARIDICI è caratterizzata dalla presenza di un gruppo chetonico, ed anch’essa è caratterizzata dalla presenza di composti chetotriosi, chetotetrosi, chetopentosi e chetoesosi. La numerazione di questi composti presuppone che il gruppo carbonilico abbia sempre il numero più basso possibile, e dato che la catena si allunga solo da un lato, esso è praticamente sempre in posizione 2.
Questi composti sono meno rispetto agli aldosi monosaccaridici aventi gli spessi atomi di carbonio perchè hanno un carbonio chirale in meno. Si dividono sempre in chetosi della serie D e chetosi della serie L in base alla posizione del gruppo OH (a destra o a sinistra) nel carbonio chirale più lontano dal gruppo chetonico.

I carboidrati sono composti polifunzionali, danno le reazioni caratteristiche dei composti alcolici e dei composti carbonilici. Una reazione caratteristica delle aldeidi è la formazione di emiacetali con l’addizione di alcoli, che a sua volta con l’addizione di un altro alcol possono formare l’acetale.


Osservando la reazione possiamo dire che con una mole di glucosio e due moli di metanolo possiamo ottenere una mole di acetale. Fischer ha studiato questa stessa reazione ma aveva visto che bastava una sola mole di metanolo per formare acetale, inoltre aveva oservato che poteva ottenere una mole di due acetali diversi. L’unica spiegazione possibile era che il glucosio al momento della reazione fosse già in uno stato di emiacetale. Il D-glucosio può infatti essere caratterizzato da un emiacetale intramolecolare che si forma in natura.
Il carbonio 1 del carboidrato è ora ibridato sp3 ed è chirale, può esistere così in due configurazioni. Questo carbonio, diventato chirale dopo una reazione intramolecolare, è detta carbonio ANOMERICO, e vengono definiti come i suoi due ANOMERI quei due composti che hanno una diversa configurazione del carbonio anomerico, in particolare si parla di anomero β quando l’OH “stà in alto” mentre se il gruppo OH “stà in basso”si ha l’anomero α. Questi composti possono considerarsi della famiglia del PIRANO, un anello molto stabile in quanto la sua struttura tridimensionale è uguale a quella del cicloesano, è detta a sedia, l’angolo tetraedrico è perfettamente rispettato. Ogni carbonio di questi composti ha un legame assiale ed uno equatoriale, e tra i carboni che si susseguono nella catena si alternano uno sotto ed uno sopra il piano dell’anello. Nel passaggio all’altra conformazione a sedia i legami assiali diventano equatoriali, ma i legami che stavano al di sopra del piano dell”anello ne rimangono al di sopra. Possiamo notare come la stabilità della molecola sia data anche dalla conformazione sfalsata tra i carboni successivi presenti nella catena della molecola, la loro conformazione è sempre quella sfalsata.

Le formule in proiezione di Haworth permettono di rappresentare le forme cicliche dei carboidrati, in modo che l’anello venga schiacciato sul piano. In questo caso l’ossigeno viene rappresentato in alto sulla destra, i sostituenti stanno sopra o sotto il piano dell’anello, gli idrogeni legati ai carboni dell’anello non vengono indicati mentre i carboni sono numerati e disposti in senso orario, con il carbonio anomerico rappresentato sulla destra. Ricordiamo che per passare dalle rappresentazioni di Fischer alle rappresentazioni di Haworth gli ossidrili che si trovano a destra nelle prime vanno a finire sotto nelle seconde e viceversa gli ossidrili di sinistra delle proiezioni di Fischer stanno sotto nelle proiezioni di Haworth. Tutti gli aldoesosi sono presenti in natura in questa forma emiacetalica, danno dunque origine a due diastereoisomeri e vengono rappresentati in questa forma. Anche gli aldopentosi sono presenti in natura in forma emiacetalica, e vengono rappresentati sempre secondo le proiezioni di Haworth, in cui l’ossigeno è lontano dall’osservatore ed il carbonio anomerico è sulla destra, il primo della catena di atomi di carbonio numerati in senso orario. In questo caso possiamo considerare questi composti come dei derivati della famiglia dei composti del FURANO. Gli aldotetrosi invece non formano un anello emiacetalico perchè l’anello a quattro termini non è stabile, nemmeno quello a tre termini degli aldotriosi.

I chetosi possono dare anche loro una struttura ciclica emiacetalica, in particolare per quanto riguarda i chetoesosi. Il carbonio 2 è chirale nella sua struttura ciclica, se consideriamo il fruttosio possiamo avere i suoi anomeri α e β. Possiamo considerare queste strutture emiacetaliche cicliche come dei derivati della famiglia dei composti del FURANO. I chetopentosi non danno la struttura emiacetalica ciclica perchè si formerebbe una struttura ciclica a quattro termini, che non è stabile. La stessa cosa vale per i chetotetrosi ed i chetrotriosi.

Se prendiamo in considerazione una soluzione acquosa in cui inseriamo l’anomero α del glucosio, osserviamo con uno strumento detto polarimetro che la rotazione specifica inizialmente a 112 gradi, presa a successivi intervalli arriva a diminuire gradualmente fino a 52 gradi, per poi rimanere costante. In una soluzione acquosa in cui è presente esclusivamente l’anomero β del glucosio vediamo che inizialmente l’angolo di rotazione specifica è di 19 gradi, ma se lo misuriamo ad intervalli successivi di tempo esso aumenta sempre più fino a raggiungere un valore costante di 52 gradi. Questo fenomeno è detto di MUTAROTAZIONE, e rappresenta la variazione della rotazione specifica di una soluzione in cui è contenuto un anomero puro. La spiegazione di questo fenomeno consiste nel fatto che quando l’anomero α è in soluzione si può interconvertire in aldeide, che a sua volta può interconvertirsi nell’anomero α o nell’anomero β: si arriva così ad un equilibrio tra i due anomeri in soluzione, dato che le aldeidi sono solo dei transitori brevissimi tra questi due composti, presenti pochissimo all’interno della soluzione. Su 100 molecole dell’anomero α presenti in soluzione si crea un equilibrio in cui 36 molecole rappresentano l’anomero α mentre 64 molecole rappresentano l’anomero β. Si arriva ad avere un contributo intermedio tra queste due molecola alla rotazione specifica della soluzione, che si attesta ad un valore di 52 gradi.

Dobbiamo ricordare la struttura di alcuni aldosi, tra cui la D-digliceraldeide, il D-ribosio ed un suo derivato, il D-glucosio (è il monosaccaride più rappresentato in natura, sia allo stato libero che a quello combinato. Assieme al D-fruttosio si lega a formare lo zucchero della frutta, mentre si può trovare anche libero nel sangue. La glicemia rappresenta la concentrazione di glucosio nel sangue (i valori di normalità vanno da 70 a 100 mg di glucosio in 100 ml di sangue): al di sotto di 40 mg in 100 ml si va in coma ipoglicemico, mentre il diabete mellito è la patologia che contraddistingue chi è al di sopra di questi valori. Possiamo trovare il D-glucosio combinato in disaccaridi e polisaccaridi), il D-galattosio (rappresenta un epimero del D-glucosio al carbonio 4. Ricordiamo che gli anomeri sono interconvettibili, mentre gli epimeri no. Gli anomeri α e β del galattosio danno il fenomeno della mutarotazione. In natura non si trova libero ma lo possiamo trovare a formare il lattosio assieme al D-glucosio od in particolari classi di lipidi) ed il D-mannosio (rappresenta un epimero del D-glucosio al carbonio 2).

Della serie dei chetosi ricordiamo il diossiacetone ed il D-fruttosio nelle sue forme α e β (è levogiro, dopo il D-glucosio è il più abbondante in natura, per questo veniva chiamato levulosio ed il glucosio era chiamato destrosio. Forma lo zucchero della frutta, il saccarosio, con un’unità di glucosio).

 

Vediamo le reazioni che riguardano questi tipi di composti. I monosaccaridi posono essere ossidati, in particolare gli aldosi che presentano un gruppo aldeidico, formano così gli ACIDI -ONICI (o aldonici), in particolare il D-glucosio può essere ossidato ad acido D-gluconico. L’ossidazione avviene sia per i monosaccaridi a catena aperta che quelli a catena chiusa, in quanto gli aldosi esistono in prevalenza nelle forme emiacetaliche cicliche, in equilibrio con una quantità piccola, ma definita, della forma aldeidica a catena aperta. Sono zuccheri riducenti, ad esempio il glucosio può dare origine al D-acido gluconico, ma anche i chetosi possono ossidarsi, sebbene i gruppi chetonici non abbiano la capacità di dare reazioni di ossidazione. Se osserviamo il D-fruttosio, vediamo come possa dare il corrispondente tautomero che è lo stesso tautomero che può formare il D-glucosio: attraverso questi passaggi il fruttosio ed il glucosio sono interconvertibili nel processo di glicolisi, ed è un’interconversione data dall’enzima fosfoglucoisomerasi. I composti chetosi danno così reazione di ossidazione attraverso la conversione dal proprio tautomero al corrispondente D-aldoso. Gli zuccheri che danno queste reazioni sono ZUCCHERI RIDUCENTI, perchè l’ossidazione del gruppo aldeidico è accompagnata dalla riduzione del metallo.

I gruppi alcolici dei carboidrati possono essere ossidati prima ad aldeidi e poi a gruppi carbossilici: questi composti sono detti ACIDI URONICI. L’acido D-glucuronico è l’acido uronico del corrispondente D-glucosio, esiste in forma emiacetalica e dà il fenomeno della mutarotazione.

Gli ACIDI SACCARICI (o aldarici) derivano dall’ossidazione del gruppo aldeidico e del gruppo alcolico primario dello zucchero, dal D-glucosio si ottiene ad esempio l’acido D-glucarico.

I monosaccaridi danno anche reazioni d’esterificazione dei loro gruppi alcolici, in particolare sono importanti gli esteri che formano con l’acido fosforico (acido inorganico ma comunque ossidrilico), sono ESTERI-FOSFATI piuttosto importanti dal punto di vista biologico. Con queste reazioni vengono attivati i carboidrati in quanto il gruppo fosfato è un miglior gruppo uscente rispetto all’OH-, questi composti danno meglio le reazioni di sostituzione nucleofila. Possiamo trovare questi composti come prodotti intermedi del catabolismo, in particolare il glucosio entra nella glicolisi come glucosio-6-fosfato (è un α-D-glucosio) mentre il fruttosio entra come α-D-fruttosio-6-fosfato, ed è la forma che all’interno del catabolismo può interconvertirsi nel suo corrispondente α-D-glucosio. Anche un altro fruttosio è presente in questo processo, ed è il

α-D-fruttosio-1,6-difosfato.

Tra i derivati dei monosaccaridi annoveriamo tutti i tipi di acidi appena osservati, gli esteri-fosfati, i deossiderivati (il β-D-2-deossidiribosio, avente sul carbonio 2 un idrogeno al posto di un gruppo alcolico, ed è presente nella catena del DNA in forma furanosica) e gli aminoderivati, dove al posto di un gruppo OH è presente un gruppo NH2, e sono detti aminozuccheri. Altri derivati importanti dei monosaccaridi sono gli alcolzuccheri, tipo il glicerolo, ottenuto per riduzione del diidrossiacetone (il chetone addiziona un idruro, il doppio legame C—O si sposta sull’ossigeno che va a legare uno ione H+), e il mioinositolo, un derivato che fa parte del composto fosfatidil-mioinositolo.

Nella reazione che studiò Fischer, ovvero quella che prevedeva la formazione di una mole di acetale a partire da una mole di glucosio con l’addizione di metanolo, abbiamo spiegato perchè basta una sola mole di glucosio per formare una mole di acetale, ma non abbiamo spiegato perchè alla fine Fischer trovò una mole di acetale di due diversi composti. Si formano dalla reazione due acetali diversi per la configurazione del carbonio 1, anomerico. Queste due forme non sono però interconvertibili, perchè rappresentano due acetali, non possono più passare dall’intermedio aldeidico, sono due diastereoisomeri che si differenziano per la configurazione del carbonio anomerico. Il legame che si forma tra il carbonio anomerico ed il gruppo -OCH3 è bloccato, non dà il fenomeno della mutarotazione, è detto LEGAME GLICOSIDICO ed è detto α se l’-OCH3 è sotto al carbonio anomerico, mentre se è posizionato sopra al carbonio anomerico è detto β. Si parla di legame O-glicosidico se il carbonio anomerico è legato ad un atomo d’ossigeno, mentre se è legato ad un atomo di azoto si parla di legame N-glicosidico.

Gli OLIGOSACCARIDI sono particolari carboidrati in cui monosaccaridi che si uniscono tra loro formano legami O-glicosidici, α o β. Essi arrivano fino a 10 monosaccaridi uniti tra loro, ma i più importanti sono i disaccaridi, sempre caratterizzati da un legame O-glicosidico tra i loro monosaccaridi. Il MALTOSIO deriva dall’idrolisi parziale del polisaccaride amido. Da una mole di amido ricaviamo due moli di glucosio. Le due unità di glucosio che costituiscono il maltosio fungono una da emiacetale e l’altra da alcol, va ovvero ad impegnare un suo gruppo alcolico. Questo disaccaride è in grado di dare il fenomeno della mutarotazione ed è uno zucchero riducente. Un altro importante disaccaride è il CELLOBIOSIO, derivato dall’idrolisi parziale della cellulosa, da cui possiamo ricavare da una mole di cellobiosio due moli di glucosio, le unità strutturali del disaccaride sono dunque quelle del maltosio, e si comportano sempre una da emiacetale e l’altra da alcol. Noi siamo in grado di digerire l’amido ma non la cellulosa, perchè i nostri enzimi sono specifici, sono chiamati α-glicosidasi, non riescono a scindere il legame β, cosa che riescono a fare gli enzimi β-glicosidasi ma che noi non possediamo. È uno zucchero riducente e dà il fenomeno della mutarotazione.
Il LATTOSIO è un disaccaride che deriva dall’idrolisi parziale del latte umano e di mucca, da cui una mole si ricava una mole di galattosio ed una mole di glucosio. Queste sono le unità fondamentali del lattosio, in particolare il galattosio si comporta da emiacetale mentre il glucosio si comporta da alcol. L’unica differenza dal cellobiosio è la posizione del gruppo OH nel carbonio 4 del galattosio rispetto al glucosio. È uno zucchero riducente e può dar luogo al fenomeno di mutarotazione.
Un altro importante disaccaride è il SACCAROSIO, il comune zucchero da tavola, derivato dai succhi di canna da zucchero e della barbabietola da zucchero, di cui dopo diverse lavorazioni si ottiene una melassa purificata che disidratata e posta sottovuoto si trasforma nei comuni cristalli dello zucchero da tavola. Dall’idrolisi parziale di questi composti si ottiene una mole di composto formata da una mole di glucosio ed una di fruttosio, entrambi partecipanti al legame disaccaridico con i carboni anomerici. Il glucosio partecipa ad un legame α-glucosidico mentre il fruttosio partecipa ad un legame β-glucosidico. Visto che entrambi i monosaccaridi partecipano ad un legame glicosidico, nessuno dei due è in equilibrio con una forma emiacetalica, dunque il saccarosio non dà il fenomeno di mutarotazione e non è uno zucchero riducente, in quanto non è presente un gruppo aldeidico libero o potenzialmente libero.

 

I POLISACCARIDI sono composti polimeri, lunghe catene in cui gli anelli costituenti la catena sono monomeri, ovvero monosaccaridi o loro derivati. I polisaccaridi si dividono in omopolisaccaridi (costituiti da un unico monomero) ed eteropolisaccaridi (costituiti da più di un monomero diverso).

 

Tra gli omopolisaccaridi annoveriamo l’ AMIDO, un polisaccaride di origine vegetale presente nelle patate, nei cereali, nei legumi e nel riso. Esso ha una funzione di riserva energetica per i vegetali, in quanto le piante sfruttando l’energia solare si costruiscono glucosio che poi depositano sottoforma di amido, poi a seconda delle necessità esso viene scisso nei suoi monomeri di glucosio ed impiegato nel processo di fotosintesi clorofilliana. È formato da una frazione di 25 % di amilosio (unità di maltosio in cui il glucosio prende la conformazione a sedia. Queste unità di glucosio sono legate attraverso un legame 1,4 α-glicosidico, e possono arrivare fino a 300 unità) e da una frazione di 75 % da amilopectina (può arrivare fino a 5000 unità di glucosio e consente all’amido di avere una struttura piuttosto ramificata nello spazio, in cui le ramificazioni possono arrivare fino a 20-24 unità di glucosio. Nel punto di ramificazione il legame tra le due unità di glucosio è il 1,6 α- glicosidico).
L’amido prende una caratteristico andamento spiralizzato nello spazio, in cui se la pianta è in fase di deposizione si allungano le catene di ramificazione, mentre se la pianta è in fase di dispendio energetico le catene si accorciano. L’amido però è anche la nostra principale fonte di energia, gli enzimi α-glicosidasi scindono i legami ed i monomeri di glucosio vengono assorbiti e ridepositati nel nostro organismo in GLICOGENO, in particolare nel fegato e nei muscoli. Esso ha una struttura molto simile all’amilopectina ma è più pesante, può arrivare fino a 100000 unità di glucosio, inoltre è molto più ramificato, ogni 8-12 unità di glucosio parte una ramificazione. Esso rappresenta una fonte d’energia prontamente utilizzabile per i processi all’interno del nostro organismo.
La CELLULOSA è un polimero non ramificato del glucosio, che vi si trova legato con legami 1,4-β-glicosidici. Essa ha nelle piante una funzione strutturale, ed è costituita da continue unità di cellobiosio in cui gli ossigeni degli anelli sono posti alternativamente “davanti” e “dietro”. Queste macromolecole lineari sono lunghe circa 5000 unità di glucosio, e si aggregano parallelamente tra loro in fibrille associate tra loro da legami idrogeno tra gli ossigeni delle catene adiacenti paralleli, inoltre sono molto robuste perchè si dispongono a spirale in direzioni opposte intorno ad un asse centrale. Il 50 % del legno è costituita da cellulosa, mentre il cotone idrofilo è costituito unicamente da cellulosa pura.

Tra gli ETEROPOLISACCARIDI, i quali hanno prevalentemente funzione struturale, noi studieremo solamente i mucopolisaccaridi acidi. L’acido ialuronico è uno di questi: è un composto che appartiene alle membrane biologiche, è presente nel liquido sinoviale e nell’umor vitreo dell’occhio. Ha una funzione strutturale, ed è composto dall’alternarsi di due derivati dei monosaccaridi, l’acido glucuronico e l’N-acetil-glucosamina. Anche i condroitin-solfati appartengono ai mucopolisaccaridi acidi: essi sono esteri solfati della condroitina, un composto molto simile all’acido ialuronico, al posto dell’N-acetilglucosamina dell’acido ialuronico è infatti presente l’N-acetilgalattosamina nella condroitina. Essa non ha nessun significato biologico, non è presente nel nostro corpo, i suoi esteri solfati però si trovano nelle ossa, nella cartilagine e nella cornea, e ne esistono di due tipi. Un altro composto importante di questa famiglia è l’EPARINA, di cui non faremo la formula di struttura, ma è molto importante perchè è presente nel fegato e nel cuore ed ha un’azione anticoagulante nei confronti del sangue.