Carboidrati Classe di molecole organiche più abbondante in natura Vengono sintetizzati nelle piante per mezzo della fotosintesi Dal loro catabolismo si ottiene l’energia che sostiene la vita animale Sono i precursori metabolici di quasi tutte le biomolecole Si legano covalentemente con una grande varietà di molecole ( glicoproteine e glicolipidi) Sono coinvolti nel processo di riconoscimento cellulare In forma si polimeri servono come elementi strutturali I carboidrati sono le biomolecole più abbondanti sulla terra. La loro sintesi biologica avviene attraverso il processo di fotosintesi, che consente di convertire l’anidride carbonica ed il vapore d’acqua in zuccheri grazie alla presenza della luce solare Ogni anno la fotosintesi delle piante e delle alghe converte più di 100 miliardi di tonnellate di CO2 e acqua in cellulosa Alcuni carboidrati (zucchero e mido sono tra i principali alimenti dell’uomo in tutte le parti del mondo e l’ossidazione dei carboidrati è la via di produzione energetica più rilevante delle cellule non fotosintetiche giocano un ruolo importante nella determinazione della struttura della cellula e nei di processi di immagazzinamento di energia ; sembra inoltre che partecipino ai fenomeni di trasmissione e modulazione di segnali chimici negli animali e nelle piante.. vengono poi trasformati in polisaccaridi mediante polimerizzazione.

Quali sono le proprietà chimiche che rendono uniche le caratteristiche dei carboidrati ? L’esistenza di uno o più centri di asimmetria La possibilità di assumere sia strutture lineari che ad anello La capacità di formare polimeri mediante legami glicosidici La possibilità di formare legami idrogeno con l’acqua e altre molecole 5) La capacità di subire numerose reazioni in differenti posizioni della molecola

Possono essere classificati in 4 gruppi: Nomenclatura dei Carboidrati Gli zuccheri o carboidrati sono composti che contengono C, H,O. La formula generale è (CH2O)n Possono essere classificati in 4 gruppi: Monosaccaridi Disaccaridi Oligosaccaridi Polisaccaridi Sono detti idrati di carbonio il cui rapporto tra C H e O è 1:2:1 Sebbene formule di questo tipo risultino praticamente inutili ai fini dello studio della chimica dei carboidrati il vecchio nome è rimasto in uso. Monosaccaridi =composti che non possono essere idrolizzati a strutture più semplici lo zucchero monosaccaride più abbondante in natura è il dglucosio Disaccaridi= che per idrolisi danno due molecole di monosaccaride (es saccarosio o zucchero di canna dato da d glucosio e d fruttosio) Oligosaccaridi= per idrolisi danno da 3 a 10 monosaccaridi la maggior parte di questi non sono presenti in natura come entità libere ma sono legati ad altre molecole nnon saccaridiche come proteini e lipidi formando strutture ibrude dette glicoconiugati Polisaccaridi = per idrolisi danno da 11 a centinaia di monosaccaridi (es amido e cellulosa)

I carboidrati più semplici (con n > = 3 ) sono : monosaccaridi I carboidrati sono composti polifunzionali che contengono: un gruppo carbonilico uno o più gruppi alcolici Se il gruppo carbonilico è un’aldeide avremo degli ALDOSI Se il gruppo carbonilico è un chetone avremo dei CHETOSI I carboidrati più semplici (con n > = 3 ) sono : monosaccaridi

Il chetoso più semplice è il diidrossiacetone 2 O C O C H 2 O L’aldoso più semplice è la gliceraldeide Oso è il suffisso caratteristico del nome dei carboidrati Diidrossiacetone e gliceraldeide hanno tre atomi di carbonio e sono detti triosi

tra il C1 e 2 della gliceraldeide il C2 e C3 del diidrossiacetone. Tutti gli altri zuccheri si possono considerare derivati dalla gliceraldeide o dal diidrossiacetone per graduale aggiunta di C HOH tra il C1 e 2 della gliceraldeide il C2 e C3 del diidrossiacetone. C H 2 O (C H) m C H O 2 (C H) m

La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico, ed esistono due enantiomeri Gli zuccheri con il gruppo OH del carbonio asimmetrico più in basso a destra sono D Tutti i monosaccaridi eccetto i dha contengono uno o più atomi di c asimmetrici e quindi sono presenti in natura in forme isomeriche otticamente attive Gli zuccheri con il gruppo OH del carbonio asimmetrico più in basso a sinistra sono L Per allungamento della catena carboniosa potremo avere: Gli aldosi che derivano dalla D gliceraldeide sono aldosi della serie D Gli aldosi che derivano dalla L gliceraldeide sono aldosi della serie L

Condensazione aldolica Reazione di addizzione nucleofila che porta ad un allungamento della catena carboniosa C H 2 OPO 3H 2 2 C H O 2 OPO3 H 2 C H 2 OPO3 H 2 C O H O C H C O + H C O H C H 2 O H C O H Come le aldeidi danno reazione di condensazione aldolica così anche gli aldosi danno reazione di condensazione, allungando così la catena carboniosa Es.d gliceraldeide3P + dididrossiacetone P = D fruttosio1-6 DP reazione nel nostro organismo catalizzata dall’aldolasi Il meccanismo organico è catalizzato da una base che stacca l’Hin alfa del chetone generando un carbanione che viene stabilizzato per risonanza e che fa un addizione nucleofila al c parzialmente positivo del gruppo carbonilico (aldeide)dell’altra molecola C H 2 OPO 3H 2 2 DHAP GAP FBP

destra sinistra D eritrosio L treosio ribosio D-ribosio destra

Ci sono diversi modi per rappresentare il glucosio ( e gli altri zuccheri) forma semiacetalica rappresentazione convenzionale (di Tollens,poco usata) forma aperta rappresentazione convenzionale di Fisher forma semiacetalica rappresentazione convenzionale di Haworth forma semiacetalica Rappresentazione quasi reale

Il C1 diventa asimmetrico Anche se la formula convenzionale sembra lineare, in realtà la molecola si ripiega su sé stessa gruppo aldeidico C2 C5 C3 Il C1 diventa asimmetrico C4 Le aldeidi e ichetoni reagiscono con gli alcoli per dare i semiacetali e semichetali e se un composto contiene sia un gruppo aldeidico che un gruppo alcolico si forma un semiacetale ciclico che ha una grande stabilità se l’anello atomico è a 5 o 6 atomi di C ( per la teoria delle tensioni di legame) Il gruppo OH del C5 è vicino al gruppo aldeidico e può formare un semiacetale

Si possono formare due tipi di semiacetale Con sei atomi nell’anello, detta forma piranosica dal nome del pirano a D glucopiranosio b D glucopiranosio Con cinque atomi nell’anello, detta forma furanosica dal nome del furano le proiezioni di Haworth rappresentano le forme cicliche in forma piana gli anelli in realtà come nel cicloesano tali anelli preferiscono assumere sempre per la teoria delle tensioni di legame la conformazione a sedia Nel D glucosio il sostituente più voluminoso è in posizione equatoriale (si tende sempre alla posizione equatoriale) L’unica eccezione è per il C anomerico che può averlo sia assiale che equatoriale In realtà per il glucosio come per tutti gli zuccheri dove è possibile c’è una preferenza per la forma a sei atomi (piranosica) Chiaramente per il fruttosio non è possibile quindi sarà furanosica ( a 5 atomi) a D glucofuranosio b D glucofuranosio

il C5 dice che è D glucosio il C1 ha la stessa configurazione nella forma a il C semiacetalico ha la stessa configurazione del C che determina se lo zucchero è D o L il C5 dice che è D glucosio il C1 ha la stessa configurazione (assiale) nella forma b il C semiacetalico ha la configurazione opposta del C che determina se lo zucchero è D o L Bisogna tener conto che le configurazioni si vedono meglio utilizzando la rappresentazione lineare (Tollens), mentre con la rappresentazione di Haworth il C1 ed il C5, pur avendo la stessa configurazione, appaiono uno in basso (C1) ed uno in alto (C5). Nel caso della rappresentazione a sedia il C5 porta il sostituente in posizione equatoriale, il C1 in quella assiale. il C5 dice che è D glucosio il C1 ha la configurazione opposta ( equatoriale)

I chetoesosi ed i pentosi esistono solo in forma furanosica zucchero D OH in alto: b b D ribosio C1 zucchero D Tutti gli zuccheri non utilizzano mai il gruppo alcolico primario per fare il semiacetale quindi questi zuccheri possono esistere solo in forma furanosica C2 semiacetale a D fruttosio OH in basso: a

Principali zuccheri aldosi chetosi D-glucosio D-galattosio D-mannosio Pentosi (5 atomi di C) D-ribosio 2-desossi D-ribosio Esosi (6 atomi di C) aldosi chetosi D-glucosio D-galattosio D-mannosio D-fruttosio

In soluzione esiste un equilibrio tra forma a, forma b e forma aperta Nella rappresentazione convenzionale gli zuccheri D hanno il CH2OH in alto O H C 2 a D glucosio D glucosio aperto b D glucosio La mutarotazione può essere spiegata ricordando che la formazione dei semiacetali è un processo reversibile per cui si verifica che se si parte indifferentemente da una o dall’altra forma semiacetalica l’anello si apre per dare l’aldeide aciclica che poi può ciclizzare di nuovo In realtà i due anomeri hanno una diversa attività ottica L’alfa d glucopiranosio ha una rotazione specifica di 110° mentre il beta di 19,7° se ci fosse una sintesi racemica dovrebbe esserci una rotazione specifica di 64,8° mentre in realtà è di 54° Questo significa che il glucosio in acqua è presnte per il 36% in forma alfa e per il 64% in forma beta che ha il minor contenuto energetico In soluzione esiste un equilibrio tra forma a, forma b e forma aperta Le forme a e b del D glucosio in soluzione acquosa si interconvertono l’una nell’altra, questo fenomeno di variazione della rotazione ottica Prende il nome di MUTAROTAZIONE Gli isomeri a e b si dicono anomeri

Principali zuccheri aldosi chetosi D-glucoso D-galattoso D-mannoso Pentosi (5 atomi di C) D-ribosio 2-desossi D-ribosio Esosi (6 atomi di C) aldosi chetosi D-glucoso D-galattoso D-mannoso D-fruttoso

Proprietà fisiche dei monosaccaridi: Solidi bianchi di sapore dolce Solubili Proprietà chimiche: Aldosi: tutte le reazioni degli alcoli e delle aldeidi Chetosi: tutte le reazioni dei chetoni e degli alcoli Proprietà fisiche solidi bianchi di sapore dolce e dato l’alto numero di gruppi alcolici sono molto solubili inj acqua; scarsamente solubili in alcol e insolubili nei solventi organici Le proprietà chimiche dipendono dalla presenza del guppo aldeidico e chetonico e dei gruppi alcolici primari e secondari

Gli zuccheri, in quanto semiacetali, possono formare degli acetali I semiacetali hanno una reattività simile agli alcoli ma reragiscono più facilmente + R-OH semiacetale acetale Gli zuccheri, in quanto semiacetali, possono formare degli acetali Il legame che si forma si chiama legame glicosidico La

(legame O glicosidico) IL LEGAME GLICOSIDICO Il legame glicosidico si ha per sostituzione dell’OH anomerico con un altro gruppo: Se al C anomerico si lega un ossigeno diremo che è un legame O-glicosidico Se al C anomerico si lega un azoto diremo che è un legame N-glicosidico O H C 2 O NH-CH 3 C H 2 (legame O glicosidico) ( legame N glicosidico) L’ossidrile semiacetalico formatosi nella forma ciclica di un monosaccaride è più reattivo degli altri ossidrili alcolici e abbiamo già visto che reagendo con un altro ossidrile alcolico si ha una reazione di sostituzione nucleofila con eliminazione di una molecola di acqua formando l’acetale o nel caso degli zuccheri il legame glicosidico Questo legame è di tipo etere La formazione di un legame glicosidico è un processo difficilmente reversibile sono stabili (es. carta legno) IMPORTANZA BIOLOGICA : lo troviamo nei disaccaridi e poli, hanno azione farmacologica (es i derivati della digitale, la streptomicina ec) I GLICOSIDI sono stabili

Importanti N glicosidi sono: i NUCLEOSIDI, NUCLEOTIDI e nell’ATP

Derivati dei monosaccaridi Acidi aldonici, aldarici, uronici (zuccheri acidi) Alditoli ( zuccheri con funzione alcolica) Esteri degli zuccheri Ammino zuccheri Addotti con le proteine Un gran numero di reazioni chimiche ed enzimatiche produce derivati degli zuccheri semplici Zuccheri con funzione acida (zuccheri riducenti sono quelli che hanno l’atomo di carbonio anomerico libero e può reagire con acqua ossig o alcuni metalli (CuSo4fheling)

Monosaccaridi acidi aldonici, uronici, aldarici (zuccheri acidi) OSSIDAZIONE: Monosaccaridi acidi aldonici, uronici, aldarici (zuccheri acidi) COO OH C H 2 O Sul C1 Acido D gluconico C H O COO OH ACIDO D GLUCARICO C H O 2 D glucoso Blanda ossid. Energica ossid. C H O COO OH Gli aldosi esistono anche se in una piccola percentuale in forma aperta e quindi i gruppi aldeidici possono essere facilmente ossidati ad acidi L’ossidazione può avvenire sul C1 o sul C6 o su tutti e due L’acido glucuronico è presente nei mucopolisaccaridi si trova nel sangue e nell’urina sotto forma di fenilglucuronico Gli acidi uronici o alduronici che gli acidi aldonici hanno la forte tendenza a formare esteri interni (cioè lattoni a 5 o 6 termini) es acido gluconico- glucono lattone I CHETOSI sono più resistenti all’ossidazione servono ossidanti molto energici per rompere il carbonile O l’alternativa è mettere il chetoso in ambiente alcalino che tramite la tautomeria cheto enolica passa ad aldoso che in presenza di un assidante può essere ossidato e tolto all’equilibrio Nel nostro organismo la reazione avviene a pH neutro e a 37°C velocemente ad opera di isomerasi (fruttosio – ene diolo – glucosio) Esistono tre diversi reattivi per operare l'ossidazione alcalina degli aldosi e dei chetosi che vengono trasformati in acidi gliconici Reattivo di Fehling e di Benedict (in cui la specie ossidante è il rame) Reattivo di Tollens (in cui la specie ossidante è l’Ag che precipita formando lo specchio d’argento) Sul C6 Acido D glucuronico

L’acido ascorbico L’acido ascorbico è un gamma lattone (della forma enolica dell’acido 2 cheto gulonico) sintetizzato dalle piante e da quasi tutti gli animali eccetto i primati e le cavie (serve per la corretta formazione del collageno) In condizioni fisiologiche l’acido ascorbico viene ossidato reversibilmente ad acido deidroascorbico che poi può essere idrolizzato in maniera irreversibile ed eliminato

Monosaccaridi Alditoli o Polioli Riduzione : Monosaccaridi Alditoli o Polioli C H 2 O riduzione Il gruppo carbonile degli aldosi e dei chetosi può essere ridotto da svariati reagenti (H2, NaBH4) I prodotti sono i Polioli . La reazione decorre per riduzione della piccola quantità di aldeide in equilibrio con il semiacetale ciclico ,man mano che la forma aldeidica viene ridotta l’equilibrio si sposta a destra così che alla fine tutto lo zucchero può essere convertito Nel caso dei chetosi il gruppo chetonico può essere ridotto a gruppo alcolico secondario con conseguente formazione di due epimer per il pssaggio del C 2 da prochirale a chirale Il sorbitolo, mannitolo ( deriva dalla riduzione del fruttosio con l’OH a destra mentre se è a sx si ha sempre il sorbitolo) e xilitolo sono ampiamente usati come dolcificanti succedanei dello zucchero L’accumulo di sorbitolo nei diabetici che si verifica negli occhi è implicato nella formazione della cataratta Il glicerolo è componente dei lipidi Glucitolo o Sorbitolo glucosio

Derivati dei monosaccaridi * Acidi aldonici, aldarici, uronici (zuccheri acidi) * Alditoli ( zuccheri con funzione alcolica) Esteri degli zuccheri Ammino zuccheri Addotti con le proteine )

ESTERI degli ZUCCHERI ESTERIFICAZIONE: Ribosio 5 fosfato 2 O OPO3 H 2 C H O 2 OPO3 H 2 O OH H C 2 OPO3 H 2 Ribosio 5 fosfato Ester dei monosaccaridi con l’acido fosforico sono presenti in tutte le cellule viventi come intermedi del metabolismo dei carboidrati Gli ossidrili alcolici dei monosaccaridi possono essere esterificati con acido fosforico . Abbiamo così il G6P e il Ribosio 5P ; il fruttosio avendo due gruppi alcolici primari può dare sia il F1P che il F6P come il F1-6 difosfato Tutti questi esteri fosforici hanno un’enorme importanza biologica Fosforilare un monosaccaride serve non solo a renderlo più reattivo ma anche per favorire (avendo la carica negativa del fosfato) l’attacco agli enzimi che li devono modificare Diidrossiaceton fosfato Gliceraldeide 3 fosfato

Aminozuccheri Derivano dai monosaccaridi per sostituzione di un ossidrile con un gruppo amminico in posizione c2 La d glucosammina si trova nei glicolipidi nei mucopolisaccaridi nelle sostanze specifiche dei gruppi sanguigni e sotto forma di nacetilglucosammina nell’acido ialuronico La galattosammina si trova nei glicolipidi in alcuni polisaccaridi Diversi antibiotici contengono aminozuccheri

Aminozuccheri acetilati L’acido sialico è un derivato dell’nacetilmannosamina e dell’acido piruvico : è un importante costituente delle glicoproteine e dei glicolipidi È un substrato delle neuraminidasi

ADDOTTI con le proteine GLICAZIONE non ENZIMATICA L'inevitabile esposizione delle proteine del nostro organismo a zuccheri riducenti nell'ambito dell'intra ed extra cellulare induce una "aggregazione" chimica chiamata glicazione non enzimatica. Il processo di glicaazione non enzimatica ha origine dalla reazione tra la forma aperta aldeidica di uno zucchero (glucoso, fruttoso, riboso) ed un aminoacido (di solito lisina, idrossilina o vlaina) di una proteina. La velocità di questa reazione dipende dalla basicità del gruppo aminico, dalla sua accessibilità sterica, dal pH, dalla quantità di molecole disponibili e da molti altri fattori ambientali. Il primo prodotto (aldimina) è instabile e reversibile e si trasforma spontaneamente (settimane) in una forma più stabile definita chetoamina (forma emiacetalica ciclica). La fase precoce della glicazione - con la formazione del cosiddetto prodotto di Amadori - è stata studiata nell'uomo a partire dagli anni '70; innumerevoli altri contributi sono seguiti successivamente, chiarendo che tutte le proteine, circolanti o meno, possono venire "glicate" a seconda della loro emivita, del livello del glucosio, dei gruppi aminici disponibili, etc. Dopo la formazione del prodotto di Amadori (chetoamina), se l'emivita della proteina è abbastanza lunga si possono avere ulteriori passaggi chimici, che portano alla loro degradazione o alla formazione di prodotti (es. deossiglucosone) anche più reattivi delle zucchero che li ha generati: infatti l'interazione dei nuovi composti con altri radicali aminici permette la formazione di prodotti irreversibili, brunescenti, responsabili di cross-links tra proteine. Lo studio di questi prodotti è stato possibile proprio per la caratteristica di molti di questi esseri di essere fluorescenti; la prima dimostrazione della loro presenza in vivo nel cristallino e la loro riproducibilità in vitro è stata fornita da Monnier. Successivamente altri studi in vivo ed in vitro hanno dimostrato la presenza degli stessi nel collagene di vari tessuti. La glicazione proteica, in quanto dipendente dal contenuto di zuccheri nel sangue, costituisce anche un marcatore di valutazione del controllo metabolico. Ciò avviene mediante la misurazione dell’emoglobina glicosilata GHb, in quanto lo zucchero si lega alla parte proteica dell’emoglobina Si formano dapprima le basi di Schiff, prodotti estremamente instabili e reversibili. In seguito compaiono gli addotti di Amadori (più stabili) ed infine i prodotti di glicazione avanzata (AGEs), chimicamente stabili e non degradabili enzimaticamente. In presenza di agenti ossidanti, la produzione di AGEs è più rapida. I prodotti della reazione di Maillard innescano la trascrizione di geni prosclerotici e di collageni, e interferiscono anche nel bilancio ossido-riduttivo, con stimolo macrofagico alla sintesi di radicali liberi e di molecole ad essi strettamente correlate (IL-1ß e TNF

Riassumendo Reazioni dei Monosaccaridi Riduzione Ossidazione (in C1 e C6) Esterificazione Sostituzione nucleofila (legame glicosidico) Glicazione (Reazione di Maillard) Allungamento della catena C (Condensazione aldolica)