Carboidrati
Durante una gara del Giro d'Italia i ciclisti mangiano barrette e gel zuccherini: perché proprio zuccheri? E perché una fetta di pane ti dà energia, mentre un pezzo di legno, fatto in gran parte di cellulosa, non ti nutre affatto, anche se è fatto con le stesse unità di glucosio? In questa pagina troverai la risposta.
I monosaccaridi: struttura e isomeria
I carboidrati (o glucidi, zuccheri) sono molecole formate da C, H e O, spesso con formula generale $\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n$, da cui il nome «idrati di carbonio». Sono la principale fonte di energia pronta delle cellule.
I più semplici sono i monosaccaridi: hanno più gruppi ossidrilici (–OH) e un gruppo carbonilico. Se il carbonile è all'estremità della catena è un'aldeide (aldosi, come il glucosio); se è all'interno è un chetone (chetosi, come il fruttosio).
Glucosio, fruttosio e galattosio hanno la stessa formula molecolare ma struttura diversa: sono isomeri. Il glucosio e il fruttosio sono isomeri di gruppo funzionale (aldeide contro chetone); il glucosio e il galattosio differiscono solo per la posizione di un –OH su un carbonio asimmetrico (stereoisomeri).
Il glucosio ha formula molecolare $\text{C}6\text{H}{12}\text{O}6$. a) A quale classe di carboidrati appartiene (monosaccaridi, disaccaridi o polisaccaridi)? b) Quali…
Il glucosio ha formula molecolare $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
- a) A quale classe di carboidrati appartiene (monosaccaridi, disaccaridi o polisaccaridi)?
- b) Quali gruppi funzionali caratterizzano il glucosio nella forma lineare?
- c) Cita un altro monosaccaride con la stessa formula molecolare e spiega perché è un isomero.
La forma ciclica del glucosio
In soluzione acquosa la forma lineare del glucosio è rara: la molecola si richiude ad anello. L'–OH del carbonio 5 attacca il carbonile C1 (aldeidico) e si forma un emiacetale ciclico a sei termini, detto piranosico. Il C1 diventa un nuovo centro asimmetrico, il carbonio anomerico, con un –OH che può stare sotto o sopra il piano dell'anello.
Si ottengono due stereoisomeri, gli anomeri:
-
α-glucosio: –OH anomerico sotto il piano (lato opposto al CH₂OH);
-
β-glucosio: –OH anomerico sopra il piano (stesso lato del CH₂OH).
Le forme α e β si interconvertono passando per la forma aperta: questo fenomeno si chiama mutarotazione. In soluzione all'equilibrio c'è circa il 36% di α, il 64% di β e una traccia di forma aperta.
Il glucosio in soluzione esiste prevalentemente in forma ciclica (piranosica) in equilibrio con la forma aperta. a) Descrivi la formazione dell'emiacetale ciclico e…
Il glucosio in soluzione esiste prevalentemente in forma ciclica (piranosica) in equilibrio con la forma aperta.
- a) Descrivi la formazione dell'emiacetale ciclico e dell'atomo di carbonio anomerico.
- b) Distingui i due anomeri $\alpha$ e $\beta$ e spiega la mutarotazione.
- c) Spiega perché il legame $\beta(1\rightarrow4)$ della cellulosa dà catene lineari che formano fibre rigide, mentre l'amido ($\alpha$) forma strutture elicoidali, e perché l'uomo non digerisce la cellulosa.
Disaccaridi e legame glicosidico
Due monosaccaridi si uniscono con una reazione di condensazione: l'–OH anomerico di uno reagisce con un –OH dell'altro, si libera una molecola d'acqua e si forma un legame O-glicosidico.
$$\text{monosaccaride} + \text{monosaccaride} \rightarrow \text{disaccaride} + \text{H}_2\text{O}$$| Disaccaride | Monosaccaridi | Legame | Dove si trova |
|---|---|---|---|
| Maltosio | glucosio + glucosio | $\alpha(1\rightarrow4)$ | malto, orzo germinato |
| Saccarosio | glucosio + fruttosio | $\alpha(1\rightarrow2)$ | zucchero da cucina |
| Lattosio | galattosio + glucosio | $\beta(1\rightarrow4)$ | latte |
Il processo inverso è l'idrolisi: aggiungendo acqua (con l'aiuto di un enzima) il legame si rompe. Per il lattosio:
$$\text{lattosio} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{lattasi}} \text{glucosio} + \text{galattosio}$$Il saccarosio, comune zucchero da cucina, è un disaccaride. a) Da quali due monosaccaridi è formato? b) Che tipo di legame unisce i due monosaccaridi? c) Quale piccola…
Il saccarosio, comune zucchero da cucina, è un disaccaride.
- a) Da quali due monosaccaridi è formato?
- b) Che tipo di legame unisce i due monosaccaridi?
- c) Quale piccola molecola si libera nella sua formazione?
Il lattosio è il disaccaride del latte, formato da galattosio e glucosio. Alcune persone sono intolleranti al lattosio per carenza dell'enzima lattasi. a) Scrivi…
Il lattosio è il disaccaride del latte, formato da galattosio e glucosio. Alcune persone sono intolleranti al lattosio per carenza dell'enzima lattasi.
- a) Scrivi l'equazione generale dell'idrolisi del lattosio.
- b) Spiega perché in assenza di lattasi il lattosio arriva nell'intestino crasso con sintomi gastrointestinali.
- c) Perché i prodotti "senza lattosio" contengono lattasi o glucosio e galattosio liberi?
Il saggio di Fehling
Gli zuccheri riducenti si riconoscono con i saggi di Fehling o di Tollens. Nel saggio di Fehling gli ioni $\text{Cu}^{2+}$ (soluzione azzurra) vengono ridotti a $\text{Cu}^+$ e precipita ossido di rame(I) $\text{Cu}_2\text{O}$ rosso mattone, mentre il gruppo aldeidico si ossida a carbossilico (riduzione associata: $2\,\text{Cu}^{2+} + 2\,\text{OH}^- + 2\,e^- \rightarrow \text{Cu}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$):
$$\text{R-CHO} + 3\,\text{OH}^- \rightarrow \text{R-COO}^- + 2\,\text{H}_2\text{O} + 2\,e^-$$Nel saggio di Tollens si ottiene invece uno specchio d'argento (riduzione di $\text{Ag}^+$ ad Ag).
Gli zuccheri riducenti (come glucosio e maltosio) danno positivo il saggio di Fehling o di Tollens, il saccarosio no. a) Spiega il comportamento riducente in base alla…
Gli zuccheri riducenti (come glucosio e maltosio) danno positivo il saggio di Fehling o di Tollens, il saccarosio no.
- a) Spiega il comportamento riducente in base alla presenza di un gruppo emiacetalico libero.
- b) Spiega perché il saccarosio non è riducente, analizzando il suo legame glicosidico.
- c) Descrivi che cosa si osserva nel saggio di Fehling positivo e scrivi la semireazione di ossidazione del gruppo aldeidico a carbossilico.
I polisaccaridi: amido, glicogeno, cellulosa
Migliaia di unità di glucosio unite da legami glicosidici formano i polisaccaridi. Hanno tutti la stessa unità ripetitiva, ma legami e ramificazioni diversi danno funzioni diverse.
| Polisaccaride | Legami | Struttura | Funzione |
|---|---|---|---|
| Amido (amilosio) | $\alpha(1\rightarrow4)$ | catena lineare, elicoidale | riserva nei vegetali |
| Amido (amilopectina) | $\alpha(1\rightarrow4)$ e $\alpha(1\rightarrow6)$ ogni 24-30 unità | ramificata | riserva nei vegetali |
| Glicogeno | $\alpha(1\rightarrow4)$ e $\alpha(1\rightarrow6)$ ogni 8-12 unità | molto ramificato | riserva negli animali (fegato, muscoli) |
| Cellulosa | $\beta(1\rightarrow4)$ | catene lineari parallele | parete cellulare delle piante |
Perché la cellulosa è diversa? Nel legame $\beta(1\rightarrow4)$ ogni glucosio è ruotato di 180° rispetto al vicino: la catena resta dritta e i gruppi –OH formano molti legami a idrogeno con le catene parallele, creando fibre rigide e resistenti. Nell'amido il legame α piega la catena a elica, che è compatta e facile da attaccare. L'uomo ha le amilasi, che idrolizzano il legame α, ma non possiede enzimi per il legame β: la cellulosa è per noi fibra alimentare, non fonte di glucosio. Ruminanti e termiti la digeriscono grazie ai microrganismi simbionti.
Perché la ramificazione? Ogni ramo ha un'estremità libera dove gli enzimi staccano glucosio: più rami, più estremità, più glucosio liberato nello stesso tempo. Per questo il glicogeno, molto ramificato, è adatto a un rilascio rapido nei muscoli.
La glicogenosintesi aggiunge unità di glucosio alle estremità dei rami (dopo un pasto, stimolata dall'insulina); la glicogenolisi le stacca una a una (a digiuno o durante lo sforzo, stimolata dal glucagone nel fegato).
Un po' di calcolo
Quando si forma un legame glicosidico si perde una molecola d'acqua ($18\ \text{u}$), quindi ogni unità condensata ha massa $180 - 18 = 162\ \text{u}$.
Amido, glicogeno e cellulosa sono polisaccaridi del glucosio. a) Indica la funzione di ciascuno. b) Quale di essi è presente nelle cellule vegetali come riserva? c)…
Amido, glicogeno e cellulosa sono polisaccaridi del glucosio.
- a) Indica la funzione di ciascuno.
- b) Quale di essi è presente nelle cellule vegetali come riserva?
- c) Quale di essi forma la parete cellulare delle piante?
L'amido è composto da amilosio (catena lineare con legami $\alpha(1\rightarrow4)$) e amilopectina (ramificata con legami $\alpha(1\rightarrow6)$ ogni $24$-$30$ unità).…
L'amido è composto da amilosio (catena lineare con legami $\alpha(1\rightarrow4)$) e amilopectina (ramificata con legami $\alpha(1\rightarrow6)$ ogni $24$-$30$ unità).
- a) Spiega perché la ramificazione facilita la mobilizzazione del glucosio.
- b) Calcola la massa molecolare approssimata di una catena di amilosio di $1.000$ unità di glucosio, sapendo che ogni unità condensata ha massa $162\ \text{u}$.
- c) Perché la massa di ogni unità è $162\ \text{u}$ e non $180\ \text{u}$?
Glicemia, glicogeno e riserve di energia
Il glucosio nel sangue (glicemia) si mantiene tra circa $70$ e $100\ \text{mg/dL}$ a digiuno. Il pancreas regola il valore con due ormoni antagonisti:
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insulina (cellule β): dopo un pasto abbassa la glicemia, perché favorisce l'ingresso del glucosio nelle cellule (trasportatori GLUT) e la sintesi di glicogeno;
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glucagone (cellule α): a digiuno alza la glicemia, perché stimola la demolizione del glicogeno epatico (glicogenolisi) e la sintesi di nuovo glucosio.
Nel diabete di tipo 1 mancano le cellule che producono insulina: il glucosio non entra nelle cellule e si accumula nel sangue (iperglicemia), mentre le cellule «hanno fame».
L'energia si ottiene dall'ossidazione completa del glucosio: $$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$$ Per passare da kJ a kcal si divide per $4{,}18$ ($1\ \text{kcal} = 4{,}18\ \text{kJ}$).
L'energia del glicogeno è limitata: bastano poche ore di digiuno o di sforzo per consumarla. Per questo gli animali accumulano la maggior parte dell'energia come trigliceridi: i grassi rendono circa $9\ \text{kcal/g}$ contro $4\ \text{kcal/g}$ dei carboidrati, e non trattengono acqua, quindi occupano meno spazio e pesano meno (il glicogeno si lega a molta acqua).
Un diabetico di tipo 1 misura una glicemia a digiuno di $210\ \text{mg/dL}$, mentre il valore normale è circa $70$-$100\ \text{mg/dL}$. a) Esprimi $100\ \text{mg/dL}$ in…
Un diabetico di tipo 1 misura una glicemia a digiuno di $210\ \text{mg/dL}$, mentre il valore normale è circa $70$-$100\ \text{mg/dL}$.
- a) Esprimi $100\ \text{mg/dL}$ in $\text{mmol/L}$ ($M = 180\ \text{g/mol}$).
- b) Spiega il ruolo di insulina e glucagone nel controllo della glicemia.
- c) Spiega perché in assenza di insulina il glucosio entra con difficoltà nelle cellule muscolari e adipose e si accumula nel sangue.
Il glicogeno epatico e muscolare è la riserva di glucosio degli animali. Un adulto ha circa $100\ \text{g}$ di glicogeno nel fegato. a) Calcola le moli di glucosio…
Il glicogeno epatico e muscolare è la riserva di glucosio degli animali. Un adulto ha circa $100\ \text{g}$ di glicogeno nel fegato.
- a) Calcola le moli di glucosio contenute (unità da $162\ \text{g/mol}$) e l'energia ottenibile, considerando circa $2.800\ \text{kJ/mol}$ di glucosio ossidato.
- b) Spiega perché la struttura molto ramificata del glicogeno è vantaggiosa per un rapido rilascio di glucosio.
- c) Spiega perché gli animali non immagazzinano l'energia soltanto come glicogeno ma anche come trigliceridi.
Vuoi ripassare con altri esercizi?
In sintesi
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I carboidrati sono polialcoli con un gruppo carbonilico: i monosaccaridi (glucosio, fruttosio, galattosio) sono isomeri $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
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In soluzione il glucosio forma un emiacetale ciclico; il carbonio anomerico dà gli anomeri α e β, che si interconvertono (mutarotazione).
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Due monosaccaridi si uniscono con un legame glicosidico (condensazione, si libera $\text{H}_2\text{O}$): maltosio, saccarosio, lattosio.
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Sono riducenti (saggi di Fehling e Tollens) gli zuccheri con un emiacetale libero; il saccarosio non lo è.
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Amido e glicogeno (legami α) sono riserve; la cellulosa (legami β) è strutturale e non è digeribile dall'uomo.
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Glicemia regolata da insulina (la abbassa) e glucagone (la alza); le riserve a lungo termine sono i trigliceridi.
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Vuoi tornare alla domanda iniziale? Gli zuccheri danno energia pronta; la cellulosa non ti nutre perché hai enzimi per i legami α, non per i β.