I glucidi, chiamati anche carboidrati, saccaridi o zuccheri, sono biomolecole ternarie, composte da C, O e H.
I glucidi hanno una funzione energetica, immediata per quanto riguarda gli zuccheri semplici (4 kcal/g), di riserva per quelli complessi, ma hanno anche funzione strutturale.
Si classificano in:
- monosaccaridi, zuccheri semplici costituiti da una singola unità;
- oligosaccaridi, formati da 2 a 10 (12) unità;
- polisaccaridi, macromolecole di miglia di monomeri.
Monosaccaridi
I monosaccaridi sono formati da brevi catene non ramificate di carbonio, con formula grezza:
dove n varia da 3 a 7. I più diffusi hanno 5 o 6 atomi di carbonio. Si tratta di polialcoli con un gruppo carbonile nel primo o secondo carbonio.
Se il carbonile è sul primo carbonio abbiamo gli aldosi (poliidrossialdeidi), mentre se è nel secondo abbiamo i chetosi (poliidrossichetoni).
Sono anche classificati in base al numero di atomi di carbonio in triosi, tetrosi, pentosi, esosi, eptosi. In genere, agli zuccheri aldeidici si aggiunge il suffisso -oso (o -osio) e a quelli chetonici il suffisso -uloso (o-ulosio).
Gli atomi di carbonio sono numerati a partire da quello con il gruppo aldeidico o da quello terminale legato al gruppo chetonico.
I monosaccaridi, tranne il diidrossiacetone, hanno carboni asimmetrici (C*), cioè presentano quattro sostituenti diversi e sono quindi molecole chirali.
Il carbonio asimmetrico, è stereocentrico, cioè può generare due molecole (enantiomeri) tra loro speculari, che non sono sovrapponibili perché hanno un sostituente in posizione spaziale diversa.
Utilizziamo la proiezione di Fischer per rappresentare una molecola chirale. Essa consiste in una proiezione su un piano degli atomi, disposti in verticale, e in alto si mette il carbonio più ossidato. Le linee orizzontali rappresentano i legami sopra il piano, quelle verticali sono sotto il piano.
Il riferimento è l'aldotrioso gliceraldeide, che possiede un solo stereocentro (C*). Il gruppo -OH può essere a destra: configurazione D, o a sinistra: configurazione L.
All'aumentare del numero di carboni chirali, aumentano esponenzialmente gli stereoisomeri (2n) perciò, per convenzione, si considera solo un carbonio, quello più lontano dal gruppo carbonilico.
Quasi tutti gli zuccheri naturali appartengono alla serie D.
Un'altra caratteristica della chiralità è di rendere otticamente attivi i monosaccaridi, cioè fanno ruotare il piano della luce polarizzata in senso orario, destrogiri (+), o antiorario, cioè levogiri (-).
Non si confonda La configurazione D con destrogiro (+) e L con levogiro (-) perché esistono zuccheri D che sono levogiri e viceversa.
Il più importante e abbondante monosaccaride è il glucosio, (D-glucopiranoso) costituito da 6 atomi di C, con formula grezza C6H12O6. È detto anche destrosio perché fa ruotare il piano della luce polarizzata verso destra.
In presenza di acqua, il glucosio e altri monosaccaridi assumono una forma ad anello per la reazione del gruppo aldeidico o chetonico con l'ossidrile presente sull'ultimo carbonio chirale. Questo legame dà origine a un nuovo stereocentro e gli isomeri che si formano sono chiamati anomeri a e ß. La struttura ciclica è rappresentata con la formula di proiezione di Haworth; se l'anello è esagonale abbiamo la struttura piranosica, mentre quella pentagonale è detta furanosica. La forma è a se l'OH anomerico si trovi dalla stessa parte dell'H del centro chirale più lontano ed è posto in basso nella proiezione, mentre nella forma ß gli OH si trovano dalla parte opposta dell'H e sono posti in alto. Nella proiezione di Haworth le configurazioni D e L sono rappresentate rispettivamente in basso e in alto.
La forma ad anello non descrive la reale struttura tridimensionale della molecola, che assume una più stabile forma a "sedia".
Il glucosio trova nella frutta e nel miele ed è prodotto nelle piante tramite il processo di fotosintesi clorofilliana. Gli organismi, mediante la respirazione cellulare, ricavano da esso l'energia per il metabolismo.
Un altro esoso molto importante è il fruttosio (D-fruttofuranoso), chiamato anche levulosio perché ruota la luce polarizzata verso sinistra. Il più abbondante è il ß-D-(-)fruttosio e lo troviamo nella frutta matura e nel miele.
Abbiamo poi il galattosio, raro in forma libera, è presente nel latte, essendo costituente del lattosio. Si differenza dal glucosio per la posizione dell'ossidrile in C-4.
Citiamo infine due zuccheri pentosi, il ribosio e il desossiribosio, costituenti rispettivamente l'RNA e il DNA. Il primo ha un ossidrile in posizione C-2 che il secondo non ha.
Disaccaridi e oligosaccaridi
I disaccaridi si formano con la condensazione di due monosaccaridi, mediante un legame glucosidico (o glicosidico), con la liberazione di una molecola di acqua.
Il più comune disaccaride è il saccarosio, lo zucchero da cucina, ricavato dalla barbabietola o dalla canna da zucchero. È formato da una molecola di a-D-glucosio e una di ß-D-fruttosio, con legame a(1→2).
Abbiamo poi il lattosio che deriva dalla condensazione di una molecola di ß-D-glucosio (gli anomeri a e ß sono presenti nel latte nel rapporto 2:3) e una di ß-D-galattosio con legame ß(1→4) e lo troviamo esclusivamente nel latte dei mammiferi.
Il maltosio è formato da due molecole di D-glucosio con legame a(1→4); il secondo glucosio ha un carbonio anomerico libero che può essere a o preferenzialmente ß. Si trova nel malto d'orzo e nel mais.
Anche il cellobiosio, costituente della cellulosa, è formato da due molecole di glucosio, ma in forma ß; il legame glucosidico è di tipo ß(1→4).
Gli oligosaccaridi arrivano ad avere fino a 10-12 atomi di C. Alcuni di essi si legano, con legame covalente, ai lipidi e alle proteine per formare i glicolipidi e le glicoproteine.
Polisaccaridi
I polisaccaridi sono macromolecole insolubili in acqua, contenenti una grande quantità di monomeri ripetuti.
L'amido contiene miglia di molecole di a-D-glucosio e si presenta sotto forma di amilosio, a catena singola avvolta a spirale, e amilopectina, con delle ramificazioni. Il legame tra i monomeri è a(1→4), ma nelle ramificazioni dell'amilopectina è a(1→6). Rappresenta la riserva energetica delle piante che lo immagazzinano nei semi e nei tuberi.
Il glicogeno rappresenta la riserva energetica negli animali. La struttura è simile all'amilopectina, ma con ramificazioni più brevi e in numero di maggiore. Forma dei granuli che si accumulano nei muscoli e nel fegato.
La cellulosa è costituita sempre dall'unione di migliaia di molecole di glucosio ma in forma ß; il legame è ß(1→4). Ogni molecola di ß-glucosio è ribaltata rispetto a quella che precede e questo aumenta le possibilità di interazione con catene adiacenti (si veda l'immagine della chitina più sotto). Gli animali non hanno gli enzimi per scindere questo legame, perciò la cellulosa passa inalterata lungo l'apparato digerente. Gli erbivori, per ricavare il glucosio, sfruttano la simbiosi con i batteri.
La cellulosa ha una funzione strutturale e va a formare la parete delle cellule vegetali.
La chitina, materiale resistente, elastico e flessibile, ha anch'essa una funzione strutturale perché forma l'esoscheletro degli Aracnidi, Insetti e Crostacei e anche la parete di Alghe e Funghi. Essa deriva dalla cellulosa, con la sostituzione di un ossidrile in C-2 con un gruppo azotato (N-acetil-glucosamina).
