Dal punto di vista chimico, i glucidi sonoaldeidi ochetoni ai quali sono stati aggiunti varigruppi ossidrilici, solitamente uno per ogniatomo di carbonio che non fa parte del gruppo funzionale aldeidico o chetonico. I glucidi con maggiorepeso molecolare possono dunque essere consideratipoliidrossialdeidi opoliidrossichetoni.La maggior parte dei glucidi può essere descritta dallaformula Cn(H2O)n, doven è un numero maggiore o uguale a tre. Alcune eccezioni sono gliacidi uronici e ideossizuccheri come ilfucosio.Esistono diverse classificazioni dei saccaridi. A seconda del numero diunità ripetitive che li compongono, possono essere suddivisi in:
I monosaccaridi e i disaccaridi vengono inoltre chiamati zuccheri.
Per estensione, vengono chiamati anche "carboidrati" molte biomolecole la cui struttura è costituita da un carboidrato a cui sono legati altri gruppi funzionali; alcuni esempi in tal senso sono gliamminozuccheri (che corrisponde ad un carboidrato al quale è legato ungruppo aminico) e leglicoproteine (che sono costituite da un carboidrato legato ad una proteina).
Se il gruppo carbonilico è aldeidico, ilmonosaccaride è unaldoso; se il gruppo carbonilico è chetonico, ilmonosaccaride è unchetoso. Imonosaccaridi con tre atomi dicarbonio sono chiamatitriosi, con quattro sono chiamatitetrosi, con cinquepentosi, con seiesosi e con setteeptosi. Questi due sistemi di classificazione sono spesso combinati. Per esempio, ilglucosio è unaldoesoso, ilribosio è unaldopentoso e il fruttosio è unchetoesoso.Ogni atomo di carbonio che porta ungruppo ossidrile (-OH), ad eccezione del primo e dell'ultimo carbonio, è asimmetrico, constereocentri con due possibili configurazioni (R o S). A causa di questa simmetria, esiste un certo numero di isomeri per ogni formula dimonosaccaride. Il D-glucosio, per esempio, ha formula (C·H2O)6 e quattro dei suoi sei atomi di carbonio sono stereogeni, rendendo il D-glucosio uno dei 16 possibilistereoisomeri. Nel caso dellagliceraldeide, unaldotrioso, c'è una coppia di possibili stereoisomeri, che sonoenantiomeri edepimeri. L'1-3-diidrossiacetone, ilchetoso che corrisponde allagliceraldeide aldosa, è una molecola simmetrica senza stereocentri. La classificazione in D o L è fatta in base all'orientamento del carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo aldeidico o chetonico: in unaproiezione di Fischer standard se il gruppo ossidrile è a destra della molecola, lo zucchero ha configurazione D; se è a sinistra lo zucchero ha configurazione L. Gli zuccheri di serie D sono quelli con rilevanza biologica e normalmente ci si riferisce ad essi, pertanto la D spesso viene omessa.
Le fibre dicotone rappresentano la fonte più pura di cellulosa in natura, con una concentrazione maggiore del 90%.
I carboidrati sono la più comune fonte dienergia negli organismi viventi, e la loro digestione richiede menoacqua di quella delleproteine o deigrassi. Le proteine e i grassi sono componenti strutturali necessari per i tessuti biologici e per le cellule, e sono anche una fonte dienergia per la maggior parte degli organismi.In particolare imonosaccaridi sono la più grande risorsa per ilmetabolismo. Quando non c'è immediato bisogno di monosaccaridi spesso sono convertiti in forme più vantaggiose per lo spazio, come ipolisaccaridi. In molti animali, compresi gli umani, questa forma di deposito è ilglicogeno, sito nelle cellule delfegato e deimuscoli. Le piante invece utilizzano l'amido come riserva. Altri polisaccaridi come lachitina, che concorre alla formazione dell'esoscheletro degli artropodi, svolgono invece una funzione strutturale.I polisaccaridi rappresentano un'importante classe dipolimeri biologici. La loro funzione negli organismi viventi è di solito strutturale o di deposito. L'amido (un polimero del glucosio) è utilizzato come polisaccaride di deposito nelle piante, e si trova sia nella forma diamilosio sia in quella ramificata dell'amilopectina. Negli animali, il polimero di glucosio strutturalmente simile è il più densamente ramificatoglicogeno, qualche volta chiamato "amido animale". Le proprietà del glicogeno gli permettono di essere metabolizzato più rapidamente, il che si adatta alle vite attive degli animali che si muovono. Le forme di glicogeno più diffuse sono il glicogenoepatico e glicogenomuscolare. Il glicogeno epatico si trova nel fegato, è la riserva di zucchero e di energia negli animali e dura 24 ore. Il glicogeno muscolare è la riserva di zucchero utilizzata direttamente dalle cellule muscolari senza passare per la circolazione sanguigna. Il glicogeno epatico, invece, prima di raggiungere le cellule e, in particolare iltessuto muscolare, deve essere immesso nellacircolazione sanguigna.Il glucosio è rilevante nella produzione dimucina, biofilm protettivo di fegato e intestino. Il fegato deve trovarsi in una condizione di ottima salute per operare la sintesi del glucosio mancante a partire dalleproteine, come è richiesto nelle dietelow-carb.Lacellulosa è situata nellepareti cellulari e in altri organismi, e si ritiene che sia la più abbondante molecola organica sulla Terra. La struttura dellachitina è simile, ha delle catene laterali che contengonoazoto, aumentandone la forza. Si trova negli esoscheletri degliartropodi e nelle pareti cellulari di alcunifunghi.
Una dieta completamente priva di carboidrati dà il via allachetosi che è la condizione nella quale il corpo umano ricava energia dalla massa grassa accumulata scomponendola in corpi chetonici, o chetoni, poiché ilcervello e gli altri organi hanno bisogno di energia, e questa può essere ricavata dalglucosio o dai chetoni. I carboidrati forniscono 3,75 kcal per grammo, le proteine 4 kcal per grammo, mentre i grassi forniscono 9 kcal per grammo. Nel caso delle proteine, però, quest'informazione è fuorviante in quanto solo alcuni degli amminoacidi possono essere utilizzati per ricavare energia. Allo stesso modo, negli esseri umani, solo alcuni carboidrati possono fornire energia, tra questi ci sono moltimonosaccaridi e alcunidisaccaridi. Anche altri tipi di carboidrati possono essere digeriti, ma solo grazie all'aiuto deibatteri intestinali.I carboidrati complessi non assimilabili dall'uomo, come ad esempio la cellulosa, l'emicellulosa e lapectina, sono un'importante componente dellafibra alimentare.[5]Cibi ricchi di carboidrati sono il pane, la pasta, i legumi, le patate, la pizza, la polenta,[6] la crusca, il riso e i cereali. La maggior parte di questi cibi sono ricchi diamido.[5]LaFAO (Food and Agriculture Organization) e l'OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità, ovvero WHO world health organization) non raccomandano una quota di carboidrati in genere, ma avvertono di non superare il consumo giornaliero del 10% di zuccheri semplici sul totale del cibo consumato, e consigliano per una buona salute di restare sotto il 5%[7].L'indice glicemico e ilcarico glicemico sono dei concetti sviluppati per analizzare il comportamento del cibo durante ladigestione. Questi classificano cibi ricchi di carboidrati in base alla velocità del loro effetto sul livello diglucosio nelsangue. L'indice insulinico è una classificazione simile, più recente, che classifica il cibo in base al suo effetto sui livelli diinsulina nelsangue, causato dai vari macronutrienti, soprattutto dai carboidrati e da alcuniamminoacidi presenti nel cibo. L'indice glicemico è una misura di quanto velocemente i carboidrati del cibo vengono assorbiti, mentre il carico glicemico è la misura che determina l'impatto di una data quantità di glucidi presenti in un pasto.
Laglicolisi: processo attraverso il quale una molecola di glucosio viene trasformata in due molecole di piruvato con un rilascio di energia sotto forma di 2 molecole diATP e con la riduzione di due molecole diNAD+ a NADH + H+.
Ilciclo di Krebs: processo continuo atto a disorganicare i due carboni presenti nell'Acetil-CoA (risultato dell'azione dellapiruvato deidrogenasi sul piruvato) in due molecole di anidride carbonica con un rilascio di energia sotto forma di 3 NADH + 3 H+, 1FADH2 e 1GTP (facilmente convertibile in ATP tramite l'azione dell'enzimanucleoside difosfato chinasi).
Gli oligosaccaridi e i polisaccaridi sono prima scissi in monosaccaridi da enzimi detti "glicosidasi" per poi esserecatabolizzati singolarmente. In alcuni casi, come per lacellulosa, il legame glicosidico è particolarmente difficile da scindere e pertanto sono necessari enzimi specifici (in questo caso lacellulasi) senza i quali è impossibile catabolizzare tali zuccheri.
Pur esistendo prevalentemente informa emiacetalica ciclica, i glucidi sono in equilibrio con la loro forma a catena aperta. Ciò rende ilgruppo aldeidico soggetto a reazioni diriduzione, solitamente utilizzando l'idrogenazione catalica o iltetraidroborato di sodio. Una applicazione di questa reazione consiste nella sintesi del dolcificantesorbitolo, ottenuto dalla riduzione del D-glucosio:
La funzione aldeidica è anche soggetta aossidazione, per esempio con bromo, formando i composti noti comeacidi aldonici. Utilizzando condizioni ossidative più drastiche, per esempio impiegandoacido nitrico, è possibile ossidare anche il gruppo -CH2OH terminale, producendo gliacidi aldarici. Acidi aldonici e aldarici tendono a esistere principalmente sotto forma dilattoni. Infine è possibile che si verifichi solamente l'ossidazione del gruppo -CH2OH terminale con il gruppo -CHO che resta inalterato, producendo gliacidi uronici. La formazione di questo genere di composti avviene prevalentemente per viabiochimica per azione dienzimi, dato che con i reattivi chimici risulta favorita l'ossidazione del gruppo aldeidico. Un esempio di acido uronico è rappresentato dall'acido glucuronico, ottenuto per ossidazione del D-glucosio e che ricopre un ruolo importante nell'escrezione delle sostanze tossiche per via urinaria.In generale, gli zuccheri suscettibili di ossidazione vengono definitizuccheri riducenti. Sono riducenti tutti quegli zuccheri il cuicarbonio anomerico non è impegnato in un legame stabile, come nel caso deiglicosidi edisaccaridi come ilsaccarosio. Oltre aglialdosi, anche ichetosi sono zuccheri riducenti, in quanto presentano anche loro una funzione aldeidica in seguito a un equilibrio con un intermedio enediolico (diolo con un doppio legame, R-C(OH)(CHOH)). Ireattivi di Benedict e quello diFehling sono di comune utilizzo nella pratica di laboratorio per la determinazione delle proprietà riducenti degli zuccheri.
Menzione a parte merita l'ossidazione conacido periodico, in quanto quest'ultima provoca anche una scissione della molecola glucidica. La reazione, utilizzata per la determinazione della struttura dei carboidrati, implica la rottura del legame di un 1,2-diolo con formazione di duechetoni:
o di un composto α-idrossi carbonilico con formazione di unacido carbossilico e di un chetone:
Quando sono presenti tre atomi di carbonio contigui legati a gruppi la reazione consuma duemoli di acido periodico e il carbonio centrale viene ossidato adacido formico ():
Il legame evidenziato col trattino è quello che subisce la scissione.
Il gruppo aldeidico o chetonico di una catena lineare di unmonosaccaride reagirà reversibilmente con un gruppo ossidrile su un altro atomo di carbonio per formare unemiacetale o unemichetale, formando un anelloeterociclico con un ponte ossigeno tra i due atomi di carbonio. Gli anelli con cinque o sei atomi sono chiamatifuranosi epiranosi ed esistono in equilibrio con la forma a catena aperta. Durante la conversione dalla forma a catena aperta alla forma ciclica, l'atomo di carbonio contenente l'ossigeno carbonilico, chiamatocarbonio anomerico, diventa un centro chirale con due possibili configurazioni: l'atomo di ossigeno può prendere posizione sopra o sotto il piano dell'anello. I due possibili stereoisomeri risultanti sono dettianomeri. Nell'anomero α, l'-OH che sostituisce il carbonio anomerico sta dal lato opposto (trans) dell'anello (secondo CH2OH). La forma alternativa dà l'anomero β. Dato che l'anello e la forma a catena aperta si interconvertono velocemente, entrambi gli anomeri esistono all'equilibrio.
L'anomeria risulta essere molto importante quando gli zuccheri reagiscono formando molecole grandi come polisaccaridi o oligosaccaridi tramite legami chiamati glucosidici. Un monosaccaride può essere legato chimicamente ad un altro monosaccaride dal legame che si forma tra un carbonio anomerico dell'uno e il gruppo ossidrilico dell'altro. La distinzione tra il legame α-glucosidico e β-glucosidico è molto importante perché nel nostro apparato digerente sono presenti enzimi chiamati α-amilasi in grado si scindere appunto solo il legame α e non quello β. Facendo un esempio l'amido presenta legami α-glucosidici che possono essere sciissi dagli enzimi salivari e pancreatici; la cellulosa, che come l'amido è un polimero di glucosio, presenta legami β-glucosidici non attaccabili dagli enzimi umani.
Lamutarotazione è un fenomeno, legato proprio all'instaurarsi di un equilibrio tra anomeri, che consiste nella variazione delpotere rotatorio dei carboidrati osservato in una lorosoluzione.
Quando unemiacetale reagisce con unafunzione alcolica di un altrocomposto chimico si ottiene un glicoside. La parte non zuccherina del composto ottenuto viene chiamataaglicone. I glicosidi, impegnando il carbonio anomerico nella formazione di unlegame etereo stabile, a differenza degli zuccheri originari non presentanomutarotazione. Sono soggetti aidrolisi per azione diacidi insoluzione acquosa.
I glicosidi rappresentano una classe di sostanze molto diffuse in natura e diversi di loro possiedono proprietà farmacologiche.
La sintesi di Kiliani-Fischer permette l'omologazione dei carboidrati, ovvero consente l'allungamento della catena. Viene realizzata facendo reagire lo zucchero di partenza con uncianuro, tipicamenteNaCN, che produce unaaddizione nucleofila algruppo carbonilico aggiungendo un nuovo gruppo nitrilico (-C≡N) e generando dueepimeri. Ilnitrile viene successivamente trasformato inacido carbossilico in seguito aidrolisi, e questo forma unlattone. A questo punto si separa il diastereomero che interessa e lo si sottopone a riduzione conamalgama disodio. In tal modo si ottiene un nuovo zucchero che differisce dallo zucchero di partenza per la presenza di un atomo di carbonio in più, senza variazione dellastereochimica degli altri atomi di carboniochirali.
.png)
