LA CHIMICA DEI GLUCIDI

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1 1.1 La classificazione chimica dei glucidi LA CHIMICA DEI GLUCIDI GLUCIDI (sono comunemente chiamati zuccheri) Si dividono in: SEMPLICI Sono chiamati MONOSACCARIDI Sono formati da una sola molecola di glucide esempio glucosio e fruttosio COMPLESSI Sono chiamati DISACCARIDI OLIGOSACCARIDI POLISACCARIDI Sono formati da due molecole di glucide legate insieme Sono formati da tre a dieci molecole di glucide legate insieme da più di dieci molecole di glucide legate insieme esempio esempio esempio saccarosio ciclodestrina amido I glucidi chimicamente sono classificati come composti ternari in quanto nella loro molecola sono presenti solo tre tipi di elementi chimici: CARBONIO, IDROGENO E OSSIGENO

2 1.2 La formazione del glucosio per fotosintesi clorofilliana La reazione principale per la formazione di glucosio è la reazione di fotosintesi clorofilliana. Tale reazione è prodotta dagli organismi vegetali. La reazione di fotosintesi può essere schematizzata così: Chimicamente la reazione ha questa struttura: ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA GLUCOSIO + OSSIGENO luce 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 La luce funge da attivante della reazione, cioè rappresenta la componente che innesca la reazione. La luce solare viene captata e catturata da una molecola presente nei vegetali chiamata clorofilla. FOTO SINTESI CLOROFILLIANA Per avvenire la reazione ha bisogno di luce Per sintesi in chimica si intende una reazione che forma molecole grandi partendo da molecole piccole. Anidride carbonica e acqua sono molecole piccole mentre il glucosio è una molecola grande La molecola che capta la luce si chiama clorofilla, da questo clorofilliana

3 1.3 La struttura chimica dei monosaccaridi GLUCOSIO e FRUTTOSIO Il glucosio e il fruttosio sono due monosaccaridi che hanno come formula bruta C 6 H 12 O 6 questo significa che nella molecola sono presenti 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno. GLUCOSIO FRUTTOSIO Come si può notare dalle formule di struttura scritte sopra, il glucosio e il fruttosio presentano due strutture diverse. Ricapitolando il glucosio e il fruttosio possiedono stessa formula bruta ma diversa formula di struttura, molecole che presentano questa caratteristica prendono il nome di ISOMERI Analizzando ancora meglio le due strutture possiamo notare che le molecole presentano maggiore differenza nelle parti cerchiate questi due gruppi di elementi sono quelli che caratterizzano le due molecole, cioè sono i gruppi responsabili delle principali caratteristiche chimiche delle due molecole. In generale i gruppi di atomi all interno di una molecola che ne determinano le principali caratteristiche chimico-fisiche prendono il nome di GRUPPI FUNZIONALI.

4 Il gruppo funzionale che caratterizza la molecola di glucosio prende il nome di GRUPPO FUNZIONALE ALDEIDICO mentre quello che caratterizza il fruttosio prende il nome di GRUPPO FUNZIONALE CHETONICO. Le due molecole inoltre presentano entrambe un altro tipo di gruppo funzionale: GRUPPO FUNZIONALE OSSIDRILE. N.B- Tutti gli OH presenti nella molecola sono gruppi funzionali ossidrilici Il glucosio viene definito ALDOESOSO in quanto è formato da 6 atomi di C nella catena principale e presenta un gruppo aldeidico Il fruttosio viene definito CHETOESOSO in quanto è formato da 6 atomi di C nella catena principale presenta un gruppo chetonico R GRUPPO FUNZIONALE OSSIDRILE GRUPPO FUNZIONALE ALDEIDICO GRUPPO FUNZIONALE CHETONICO R R Possiamo scrivere la struttura generica dei due gruppi funzionali che caratterizzano le due molecole. Gruppo funzionale aldeidico Gruppo funzionale chetonico La R e R prendono il nome diradicali e indicano un parte di molecola più o meno grande, nel caso del glucosio e del fruttosio sono le parti cerchiate in verde.

5 Le formule di struttura del Glucosio e del Fruttosio riportate precedentemente, sono strutture bidimensionali che servono solo a studiare alcune caratteristiche strutturali della molecola, come ad esempio il numero di legami, l accoppiamento degli atomi ecc. Il realtà le due molecole presentano una struttura tridimensionale semiciclica (o emiciclica) che può essere rappresentata con le seguenti strutture: GLUCOSIO FRUTTOSIO Le due strutture semicicliche, riportate sopra, hanno una forte instabilità dovuta alle interazioni che si instaurano tra gli elementi che formano le molecole quando si trovano i questa forma. La forte instabilità genera una modifica della struttura della molecola in modo da assumere una struttura più stabile. In parole povere si avrà, all interno della molecola lo spostamento di alcuni elementi chimici da una posizione ad un altra, generando in questo modo strutture più stabili. Per entrambe le molecole la struttura più stabile è una struttura ciclica, il processo che porta al passaggio dalla struttura semiciclica alla struttura ciclica prende il nome di CICLIZZAZIONE.

6 1.4 Processo di ciclizzazione del glucosio Schematizziamo il processo di ciclizzazione per punti: Si rompe uno dei due legami tra C e O del gruppo funzionale aldeidico; 2. Si rompe il legame tra O e H del gruppo funzionale ossidrile legato al carbonio terminale opposto al gruppo funzionale aldeidico 3. L idrogeno (H) si sposta e si lega con l ossigeno (O) del gruppo aldeidico 4. L ossigeno rimasto privo dell idrogeno (cioè quello in rosso) si lega al carbonio del gruppo funzionale aldeidico formando in questo modo una struttura ciclica a sei lati. La struttura ciclica del Glucosio ha una forma molto simile alla molecola del PIRANO per questo motivo la struttura ciclica del glucosio è chiamata strutturapiranosica

7 Il processo di ciclizzazione del Glucosio si schematizza in questo modo: α-glucosio Quando si rappresenta una struttura ciclica se nei vertici sono presenti atomi di carbonio non si scrive nulla, se invece L atomo è diverso dal carbonio allora si indica (vedi in questo caso l ossigeno O) β-glucosio Come si può vedere le due strutture cicliche differiscono solo per la posizione del gruppo ossidrile (OH) nel carbonio 1. La prima struttura (quella in alto) ha il gruppo ossidrile in posizione perpendicolare all esagono (se si considera l esagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova sotto il tavolo) questa posizione si chiama : posizione ASSIALE. La seconda struttura (quella in basso) ha il gruppo ossidrile parallelo all esagono (se si considera l esagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova a fianco al tavolo) questa posizione si chiama : posizione EQUATORIALE. La prima struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione assiale prende il nome di α-glucosio La seconda struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione equatoriale prende il nome di β-glucosio

8 Il Glucosio quando si trova in soluzione (disciolto in acqua) non assume una struttura definita, ma passa continuamente dallastruttura α-glucosio alla struttura β-glucosio e viceversa passando sempre per la struttura intermedia che è la struttura semiciclica. Si può schematizzare così: α-glucosio STRUTTURA SEMICICLICA β-glucosio Questo processo prende il nome di MUTAROTAZIONE. Tra le due strutture (α-glucosio e β-glucosio) la struttura β-glucosio è la più stabile. Questo si capisce facilmente osservando la struttura delle molecole: α-glucosio β-glucosio Nell α-glucosio ci sono due gruppi ossidrili vicini (cerchiati in rosso) che tendono a respingersi uno con l altro creando una forteinstabilità, Mentre nel β-glucosio i due gruppi ossidrili (cerchiati in rosso) si trovano lontani uno dall altro e non interagiscono rendendo la struttura più stabile. L interazione di gruppi all interno di una struttura molecolare, dovuto principalmente allo spazio a disposizione rispetto alla dimensione dei gruppi stessi prende il nome di INGOMBRO STERICO.

9 Le due strutture cicliche (α-glucosio e β-glucosio) sono due isomeri che differiscono soltanto per la posizione di un gruppo Ossidrile. In generale due strutture di una stessa molecola che differiscono solo per la posizione di un gruppo funzionale prendono il nome di ANOMERI. Quindi α-glucosio eβ-glucosio sono due ANOMERI e il carbonio dove è legato il gruppo ossidrile che differenzia le due strutture prende il nome di CARBONIO ANOMERICO. α-glucosio β-glucosio Carbonio anomerico Le stesse considerazione fatte per il glucosio possono essere fatte per il fruttosio. La differenza sostanziale è che il fruttosio quando ciclizza assume una struttura pentagonale anziché esagonale.

10 1.5 Processo di ciclizzazione del fruttosio 3 Schematizziamo il processo di ciclizzazione per punti: Si rompe uno dei due legami tra C e O del gruppo funzionale chetonico; 2. Si rompe il legame tra O e H del gruppo funzionale ossidrile legato al carbonio terminale opposto al gruppo funzionale chetonico 3. L idrogeno (H) si sposta e si lega con l ossigeno (O) del gruppo chetonico 4. L ossigeno rimasto privo dell idrogeno (cioè quello in rosso) si lega al carbonio del gruppo funzionale chetonico formando in questo modo una struttura ciclica a cinque lati. La struttura ciclica del fruttosio ha una forma molto simile alla molecola del FURANO per questo motivo la struttura del glucosio è chiamata struttura FURANOSICA

11 Il processo di ciclizzazione del Frutosio si schematizza in questo modo: α -FRUTTOSIO OH CH 00 2 OH β-fruttosio Come si può vedere le due strutture cicliche differiscono solo per la posizione del gruppo ossidrile (OH) nel carbonio 2. La prima struttura (quella in alto) ha il gruppo ossidrile in posizione perpendicolare al pentagono (se si considera il pentagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova sotto il tavolo) questa posizione si chiama : posizione ASSIALE. La seconda struttura (quella in basso) ha il gruppo ossidrile parallelo al pentagono (se si considera il pentagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova a fianco al tavolo) questa posizione si chiama : posizione EQUATORIALE. La prima struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione assiale prende il nome di α-fruttosio La seconda struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione equatoriale prende il nome di β-fruttosio

12 Il Fruttosio quando si trova in soluzione (disciolto in acqua) non assume una struttura definita, ma passa continuamente dalla struttura α-fruttosio alla struttura β-fruttosio e viceversa passando sempre per la struttura intermedia che è la struttura semiciclica. Si può schematizzare così: α-fruttosio STRUTTURA SEMICICLICA β-fruttosio Questo processo prende il nome di MUTAROTAZIONE. Come per il Glucosio anche per il Fruttosio la struttura α presenta un ingombro sterico maggiore della struttura β, questo comporta una maggiore stabilità della struttura β-fruttosio. Se si osservano bene le due strutture (α-fruttosio e β -FRUTTOSIO) si può vedere che l unica differenza si ha nella posizione del gruppo ossidrile legato al carbonio 2. Per questo motivo le due strutture sono due ANOMERI e il carbonio 2 è un carbonio ANOMERICO. OH CH 2 OH α-fruttosio β-fruttosio Carbonio anomerico

13 1.6 La formazione del legame gliucosidico(disaccaridi) L unione di due monosaccaridi per la formazione di un disaccaride avviene mediante la formazione di un particolare legame chiamato LEGAME GLICOSIDICO. Questo legame rientra nella famiglia dei legami chimici a PONTE DIOSSIGENO (in quanto l ossigeno si trova in una posizione intermedia tra due molecole di monosaccaride). La reazione chimica per la formazione del disaccaride, con la conseguente formazione di un legame glicosidico avviene sempre con la formazione di una molecola d acqua. Reazione chimica per la formazione del disaccaride SACCAROSIO La reazione di formazione del saccarosio può essere schematizzata in questo modo: α-glucosio + β-fruttosio SACCAROSIO + H 2 O Se usiamo le formule chimiche per la rappresentazione di tale reazione avremo: α-glucosio Schematizziamo il processo di formazione del SACCAROSIO + β-fruttosio + H 2 O 1.Si rompe il legame tra ossigeno e idrogeno del gruppo ossidrile legato al carbonio 2 (anomerico) del fruttosio; 2. Si rompe il legame tra carbonio 1 (anomerico) e gruppo ossidrile del glucosio 3. L idrogeno che si è prodotto dal passaggio 1 e il gruppo ossidrile che si è prodotto con il passaggio si uniscono per formare una molecola d acqua. 4.Le due molecole (α-glucosio e β-fruttosio) si uniscono mediante un legame LEGAME GLICOSIDICO che vede l ossigeno posizionarsi tra le due molecole (legame a ponte di ossigeno). Si forma in questo modo il disaccarice SACCAROSIO

14 Il legame GLICOSIDICO che si forma tra glucosio e fruttosio per la formazione di saccarosio viene definito di tipo: α, 1 2 Indica la posizione assiale delle due molecole. Cioè le due molecole si trovano una sopra e l altra sotto Indica che il legame glicosidico si forma tra il carbonio 1 di una molecola (glucosio) e il carbonio 2 dell altra molecola (fruttosio) Gli oligosaccaridi o i polisaccaridi saranno formati da una serie di monosaccaridi tenuti insieme da legami glicosidici AMIDO Come si può vedere dalla struttura dell AMIDO, che è un polisaccaride, è formato da tante molecole di α-glucosio legate insieme da legami GLICOSIDICI

15 ESERCITAZIONE 1) Indicare la differenza tra glucidi semplici e glucidi composti specificando per ciascuna famiglia da quante molecole di glucide sono formate. 2) Scrivere la formula generale e il nome dei due gruppi funzionali che caratterizzano rispettivamente glucosio e fruttosio. 3) Partendo dalla struttura emiciclica di seguito riportata: a) indicare di quale monosaccaride si tratta b) scrivere la reazione di ciclizzazione, spiegando tutti i passaggi e scrivendo il nome delle due strutture cicliche c) indicare per ciascuna forma ciclica dove si trova il carbonio anomerico d) scrivere il nome del processo chimico che vede l'alternarsi delle due forme cicliche

16 ESERCITAZIONE 4) Dati i due glucidi : a) scrivere il nome dei due monosaccaridi b) scrivere la reazione della formazione del disaccaride corrispondente spiegando tutti i passaggi della reazione c) scrivere quali sono i carboni coinvolti nella formazione del legame. d) scrivere che tipo di legame si forma. 5) Indicare per quale motivo il glucosio viene definito aldoesoso 6) Indicare quale è la differenza nella struttura della molecola tra α e β glucosio 7) Cosa si intende per mutarotazione? 8) Completa la frase: La formazione di un disaccaride avviene sempre per eliminazione di. 9) Cosa viene prodotto principalmente dalla fotosintesi clorofilliana?