Struttura generale Come abbiamo visto, il lipidi sono caratterizzati da una struttura principalmente idrocarburica. Per comprendere le caratteristiche dei carboidrati dobbiamo analizzare le differenze che la struttura di queste biomolecole presenta rispetto a quella dei lipidi.

Prendiamo un idrocarburo e facciamo la seguente sostituzione: su ciascun atomo di carbonio sostituiamo un idrogeno con un gruppo ossidrile. Idealmente possiamo immaginare di inserire un atomo di ossigeno fra ciascun carbonio e uno dei suoi due atomi di idrogeno:

I carboidrati hanno formula generale (indicativa) CnH2nOn Osserviamo alcuni fatti. La molecola contiene ossigeno La molecola è diventata asimmetrica A ciascun atomo di carbonio corrispondono un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno: la proporzione equivale al rapporto di una molecola di acqua per ogni atomo di carbonio. Da ciò deriva il nome di carbo-idrati.

Quali conseguenze comporta la presenza asimmetrica dell’ossigeno? Sappiamo che l’ossigeno introduce il carattere di polarità nelle molecole organiche. Questa polarità è accentuata dal fatto che l’ossigeno è presente su uno solo dei due lati della catena. La freccia rappresenta il dipolo creato dalla presenza dell’ossigeno: gli elettroni si distribuiscono in modo asimmetrico, formando un polo positivo sul carbonio ed un polo negativo sull’ossigeno.

I carboidrati sono idrosolubili La prima caratteristica importante che deriva dalla struttura dei carboidrati è la loro solubilità nei solventi polari come l’acqua. Questo corrisponde alla nostra esperienza, infatti sappiamo che un carboidrato molto conosciuto come lo zucchero alimentare, si scioglie nell’acqua. Dopo la solubilità in acqua quale sarà la seconda caratteristica che stiamo per considerare?

I carboidrati contengono energia? Fa parte della nostra esperienza anche il fatto che i carboidrati sono molecole “energetiche”, ma com’è cambiato il contenuto di energia rispetto a quello dei lipidi? Per rispondere a questa domanda determiniamo il numero di ossidazione del carbonio in questo tipo di molecole.

Lo stato di ossidazione è maggiore Rispetto a ciò che accade negli idrocarburi il carbonio è maggiormente ossidato, con numero di ossidazione 0 (zero). I carboidrati contengono meno energia dei lipidi: a parità di peso contengono circa la metà dell’energia dei lipidi.

Quali molecole per nutrire le cellule? Le cellule viventi usano primariamente il glucosio, che è un carboidrato, come molecola energetica. Alcuni organi in particolare, come il cuore ed il cervello, hanno sempre bisogno del glucosio. Il livello (concentrazione) del glucosio nel sangue si chiama glicemia. Perché il glucosio e non un lipide il quale contiene più energia?

L’acqua è l’elemento dominante Sia l’ambiente intracellulare che quello extracellulare sono soluzioni acquose, nelle quali i carboidrati si possono dissolvere, mentre i lipidi no. Pertanto i carboidrati come il glucosio sono facilmente trasportabili, ad esempio con il sangue negli animali o con la linfa nei vegetali. La facilità di trasporto è fondamentale per garantire una disponibilità costante di energia.

Classificazione dei carboidrati Si possono descrivere alcune categorie in base alla dimensione: - monosaccaridi - disaccaridi - oligosaccaridi - polisaccaridi I più semplici (mono e disaccaridi) si chiamano anche zuccheri (nei nomi comuni la desinenza è –oso).

I monosaccaridi I monosaccaridi sono importanti come tali, ma sono anche le unità fondamentali (monomeri) per la formazione degli altri carboidrati. La struttura di un monosaccaride possiede tre caratteristiche: 1) una catena di atomi di carbonio in numero da 3 a 7. 2) un gruppo carbonilico primario (aldosi) o secondario (chetosi) 3) un gruppo ossidrilico sugli altri atomi di carbonio

Aldosi e chetosi Se il carbonile è primario lo zucchero si dice aldoso. Se il carbonile è secondario lo zucchero si dice chetoso.

Gli zuccheri sono dei “poli-alcol” Gli atomi di carbonio non carbonilici portano un gruppo ossidrile. Vediamo ad esempio la struttura completa del glucosio (C6H12O6): si tratta di un esoso (sei atomi di carbonio), aldoso. Osservate che i gruppi ossidrile non sono tutti dallo stesso lato della catena.

Il fruttosio è un chetoso Per ottenere la struttura del fruttosio si può immaginare di spostare due atomi di idrogeno del glucosio.

Un “pentoso”: il ribosio Un esempio importante di zucchero a cinque atomi di carbonio.

I monosaccaridi si possono “chiudere” Abbiamo rappresentato i due zuccheri più importanti, il glucosio ed il fruttosio, in forma “aperta”, ma in soluzione acquosa questa forma è in equilibrio con la forma “ad anello”: il gruppo alcolico del carbonio n. 5 del glucosio si lega con il carbonio carbonilico (non è una condensazione!).

La chiusura dell’anello può dare due forme del glucosio forma α forma β

La struttura è dinamica In soluzione, la forma aperta e le due forme chiuse di un monosaccaride come il glucosio sono in equilibrio fra loro: esse si convertono continuamente una nell’altra, in modo che la soluzione le contiene tutte, in una proporzione che dipende dalla relativa stabilità di ciascuna struttura.

Funzioni del glucosio Si tratta di una molecola dal ruolo centrale nel mondo vivente. Prima di tutto esso rappresenta il prodotto della fotosintesi. La fotosintesi è il processo principale per il passaggio da materia inorganica a materia organica, per questo motivo il glucosio può essere considerato la prima molecola organica, dalla quale si ottengono poi tutte le altre.

Glicemia Il glucosio rappresenta il reagente di partenza per la glicolisi, la via metabolica ubiquitaria del metabolismo energetico. Nei mammiferi il cuore ed il sistema nervoso richiedono obbligatoriamente un rifornimento costante di glucosio, la cui concentrazione ematica (glicemia) pertanto non può mai scendere al di sotto di un certo valore.

La funzione di alcuni altri monosaccaridi Il fruttosio è un intermedio della glicolisi (oltre ad essere presente in molti frutti delle piante) Il ribosio (C5H10O5) ed il desossiribosio (C5H10O4) sono due zuccheri pentosi che entrano nella struttura dei nucleotidi, i monomeri degli acidi nucleici.

I disaccaridi si formano dalla condensazione di due monosaccaridi nella forma “ad anello” Proviamo per esempio a legare due molecole di glucosio α attraverso i gruppi ossidrile in posizione 1 e 4 (legame α 1→4): + H2O

Nomi e funzioni dei disaccaridi glucosio + glucosio maltosio Il maltosio deriva ad esempio dalla digestione dell’amido glucosio + galattosio lattosio è lo zucchero del latte glucosio + fruttosio saccarosio è il disaccaride più comune, è di origine vegetale e serve alla pianta per trasportare il glucosio (è anche lo zucchero alimentare).

Gli oligosaccaridi Come dice il nome, queste molecole sono formate da un numero limitato di unità. Nella maggior parte dei casi essi sono legati a polipeptidi per formare: - glicoproteine (prevale la componente proteica, v. figura 8.1) - proteoglicani (prevale la componente glucidica).

I polisaccaridi Per rappresentare i polisaccaridi principali indicheremo il glucosio con un simbolo semplificato. I numeri individuano i sei atomi di carbonio.

2) funzione strutturale Le funzioni Ci sorprenderemo imparando che una differenza strutturale apparentemente insignificante determina due tipi di funzioni dei polisaccaridi principali completamente diverse fra loro: 1) funzione di riserva 2) funzione strutturale

La funzione di riserva Essendo il glucosio una molecola biologica dal ruolo centrale, ci aspettiamo che esso venga messo da parte formando strutture stabili adatte a rappresentare una forma di riserva. Ciò si verifica sia nelle piante sia negli animali, ma in misura molto diversa: per le piante la riserva principale è rappresentata da carboidrati, mentre negli animali, come già sappiamo, dai lipidi (perché?).

L’amido Il modo più semplice per mettere da parte il glucosio è costruire una catena (polimero) con tante molecole di glucosio legate una all’altra. L’amido è appunto questo polimero, ottenuto solo con glucosio α. Esso rappresenta la principale forma di riserva delle piante. L’amido è formato da due componenti: amilosio ed amilopectina.

L’amilosio L’amilosio è una lunga catena lineare con migliaia di molecole di glucosio unite da legami α 1→4 (come nel maltosio). L’amilosio conserva una certa solubilità.

L’amilopectina L’amilopectina è una catena ramificata con legami α 1→4 e α 1→6 (nei punti di ramificazione).

Il glicogeno Il glicogeno è il polisaccaride di riserva negli animali. Si trova nel fegato (fino al 7% del suo peso), e nei muscoli. La struttura del glicogeno è molto simile a quella dell’amilopectina, con due differenze: - le ramificazioni sono più numerose - le dimensioni sono maggiori.

A cosa serve il glicogeno? Gli animali utilizzano soprattutto i lipidi per costituire le loro riserve. Sappiamo che i lipidi, rispetto ai carboidrati, sono una forma più condensata di energia. L’economia di peso e di spazio è fondamentale per organismi che, a differenza delle piante, si muovono, e talvolta anche molto velocemente. Se dovessimo mettere da parte la stessa quantità di energia sotto forma di carboidrati dovremmo pesare molto di più! Ma allora: perché esiste anche una piccola riserva di carboidrati? La risposta è che il glicogeno può essere trasformato in glucosio molto rapidamente, e serve a soddisfare le richieste più urgenti: ancora una volta osserviamo che le cellule scelgono un compromesso.

Il legame β 1→4 Anche il glucosio β può legarsi:

La funzione strutturale: la cellulosa Adesso costruiamo una catena lineare utilizzando sempre il glucosio come monomero, ma nella sua forma β (legami β 1→4) . Proseguendo con l’aggiunta di altre molecole di glucosio (più di 10000) si ottiene la cellulosa.

La parete delle cellule vegetali La cellulosa serve per costruire un involucro rigido e resistente tipico delle cellule vegetali: la parete cellulare.

Il legno è fatto di cellulosa Il legno che costituisce il tronco è una parte morta della pianta, formata dai resti di cellule dalle quali è stato assorbito il protoplasto (la parte “viva”). Di queste cellule è rimasta la parete cellulosica, molto resistente. Da questo si capisce che la cellulosa è la biomolecola più abbondante in assoluto nella biosfera.

La cellulosa non ci può fornire il glucosio La semplice differenza fra l’impiego di glucosio α nell’amido e di glucosio β nella cellulosa determina una differenza fondamentale: l’apparato digerente degli animali non produce enzimi digestivi adatti ad operare l’idrolisi della cellulosa allo scopo di ottenere il glucosio.

La cellulosa è il costituente della “fibra” alimentare Gli alimenti di origine vegetale contengono sempre la cellulosa, la quale non può essere digerita ed assorbita dall’intestino: la cellulosa viene eliminata senza essere trasformata. Le fibre alimentari sono importanti in quanto determinano un equilibrato volume del contenuto intestinale, consentendo il suo avanzamento mediante la peristalsi.

I ruminanti si nutrono di cellulosa! Il fieno contiene soprattutto cellulosa, essa rappresenta il nutrimento di molti erbivori, i quali possiedono un apparato digerente molto particolare. Gli enzimi adatti ad operare l’idrolisi della cellulosa vengono prodotti da batteri che vivono in simbiosi nel “rumine” degli erbivori.

I polisaccaridi principali: riassunto NOME ORIGINE FUNZIONE Amido Vegetale Riserva Glicogeno Animale Cellulosa Strutturale