Carboidrati o glucidi o zuccheri

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1 Carboidrati o glucidi o zuccheri Il nome deriva da una radice greca "glucos" che significa dolce I carboidrati o zuccheri sono un gruppo di sostanze presenti sia nelle piante che negli animali e sono composti da carbonio, idrogeno e ossigeno I carboidrati 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 Carboidrati o glucidi o zuccheri 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 di polimeri servono come elementi strutturali 1

2 Caratteristiche dei carboidrati Esistenza di uno o più centri di asimmetria Possibilità di assumere sia strutture lineari che ad anello Capacità di formare polimeri mediante legami glicosidici Possibilità di formare legami idrogeno con l acqua e altre molecole Capacità di subire numerose reazioni in differenti posizioni della molecola I carboidrati sono composti polifunzionali che contengono: un gruppo carbonilico uno o più gruppi alcolici Se il gruppo carbonilico è un aldeide avremo gli aldosi Se il gruppo carbonilico è un chetone avremo i chetosi H O C aldoso H C OH HO C H H C OH H C OH CH 2 OH D-glucosio CH 2 OH C O chetoso HO C H H C OH H C OH CH 2 OH D-fruttosio 2

3 La formula empirica dei carboidrati è C n (H 2 O) n Monosaccaridi n = 3 (triosi) H O H O C C H C OH HO C H CH 2 OH CH 2 OH D-gliceraldeide L-gliceraldeide aldoso diidrossiacetone chetoso Tutti gli altri zuccheri si possono considerare derivati dalla gliceraldeide o dal diidrossiacetone per graduale aggiunta di CHOH - tra il C1 e 2 della gliceraldeide - Tra il C2 e C3 del diidrossiacetone Proprietà chimiche dei monosaccaridi Aldosi: tutte le reazioni degli alcoli e delle aldeidi Chetosi: tutte le reazioni dei chetoni e degli alcoli 3

4 Stereochimica La gliceraldeide ha un atomo di carbonio asimmetrico, ed esistono due enantiomeri Gruppo OH del carbonio asimmetrico a destra: D Gruppo OH del carbonio asimmetrico a sinistra: 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 I due composti sono immagini speculari non sovrapponibili Sono definiti ENANTIOMERI 4

5 n = 4 (tetrosi) L-gliceraldeide Eritrosio: gli OH in 2 e 3 sono dalla stessa parte Treosio: gli OH in 2 e 3 sono da parti opposte D-eritrosio L-eritrosio D-treosio L-treosio L aggiunta di CHOH si fa tra il C1 e 2 della gliceraldeide I principali monosaccaridi pentosi esosi D-fruttosio 5

6 Monosaccaridi Pentosi ribosio (e desossiribosio): acidi nucleici ATP - coenzimi chetopentoso anello a 5 atomi glucosio: piante (fotosintesi) sangue carburante cellule aldoesoso anello a 6 atomi fruttosio: miele - frutta - presente nel saccarosio chetoesoso anello a 5 atomi Esosi galattosio: strutture nervose presente nel lattosio aldoesoso anello a 6 atomi mannosio: frassino della manna presente in polisaccaridi aldoesoso anello a 6 atomi Ci sono diversi modi per rappresentare il glucosio (e gli altri zuccheri); due di questi sono: α-d-glucosio forma emiacetalica Rappresentazione di Haworth forma aperta rappresentazione di Fisher Il gruppo OH del C5 è vicino al gruppo aldeidico e può formare un semiacetale Il C1 diventa asimmetrico β-d-glucosio 6

7 α-d-glucosio β-d-glucosio In soluzione esiste un equilibrio tra forma α, forma β e forma aperta. Le forme α e β del D-glucosio in soluzione acquosa si interconvertono l una nell altra; questo fenomeno di variazione della rotazione ottica prende il nome di mutarotazione (si ha prevalenza di forma beta) Reazioni degli zuccheri Tautomeria Riduzione (polialcoli) Ossidazione (in C1 e C6, acidi) Esterificazione (esteri) Sostituzione nucleofila (glucosidi) Glicazione (reazione di Maillard) Allungamento della catena C (Condensazione aldolica) 7

8 Gli zuccheri, in quanto semiacetali, possono formare degli acetali Il legame che si forma si chiama 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 Nel caso più semplice, "-OR" è il gruppo alcossido di un alcool semplice oppure il gruppo "-OR" proviene da un altra molecola di zucchero, unendo in questo caso due zuccheri insieme a formare un disaccaride. Il legame tra il C anomerico ed il gruppo OR viene chiamato legame glicosidico, nel caso specifico glucosidico. La figura mostra due glucosidi del glucosio Condensazione di un monosaccaride con a) un altro monosaccaride disaccaride b) una sostanza non glucidica (aglicone) glicoside Saccarosio, un disaccaride metil β-d-glucosio 8

9 Disaccaridi Sono la classe più semplice degli oligosaccaridi Un disaccaride si forma quando due monosaccaridi reagiscono tra loro, il primo con l'ossidrile della sua struttura emiacetalica ed il secondo con uno qualsiasi dei suoi ossidrili eliminando una molecola d'acqua Chimicamente un disaccaride è un acetale ed il legame tra i due monosaccaridi che lo compongono è un legame acetalico Saccarosio Maltosio Lattosio Saccarosio α-1,2 9

10 Il saccarosio, detto anche zucchero da cucina, zucchero liquido, zucchero di canna, zucchero bianco, o semplicemente zucchero, è formato da una molecola di glucosio ed una di fruttosio legate da legame glicosidico α-1,2 Il saccarosio è presente in praticamente tutte le piante ma economicamente la sua estrazione è vantaggiosa solo a partire da: Canna da zucchero (Saccharum officinarum); circa il 75% della produzione mondiale di zucchero deriva questa pianta Barbabietola da zucchero (Beta vulgaris ssp. vulgaris var. altissima), specialmente in Europa; il contenuto in saccarosio, grazie a selezioni continue negli ultimi due secoli, è passato dal 4,5% al 16-18% Maltosio Il maltosio è un disaccaride formato da due molecole di glucosio con legame α-1,4 glucosidico. In natura è molto difficile trovarlo, ad esempio si trova nei semi in fase di germinazione 10

11 Amido (polisaccaride) nei cereali (orzo, frumento etc) acqua, diastasi Maltosio (disaccaride) nel malto Nell uomo deve essere necessariamente idrolizzato da enzimi intestinali (maltasi) Malto Con la parola malto si indica la sostanza ottenuta lasciando le granaglie (orzo, mais, riso, frumento) ad ammorbidirsi e germinare nell acqua, sviluppando alcuni enzimi che trasformano l amido in zuccheri più semplici (maltosio) Lattosio Il lattosio è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di galattosio legame β-1,4 glucosidico. Si trova nel latte umano (6%) e nel latte di mucca (4,5%) 4 Lattosio 1 galattosio glucosio Enzimi idrolitici specifici (idrolasi) situati sull epitelio intestinale idrolizzano il legame glucosidico e consentono l assorbimento dei monosaccaridi. Il deficit di lattasi causa l intolleranza al lattosio (diarrea da fermentazione batterica del lattosio non assorbito) 11

12 Polisaccaridi Omopolisaccaridi formati da un solo tipo di monosaccaride Struttura chimica Eteropolisaccaridi formati da diversi tipi di monosaccaridi Strutturali (cellulosa, chitina) Funzione Di riserva (amido, glicogeno) Disponibili (amido) Aspetti nutrizionali Non disponibili (cellulosa) Polisaccaridi Amido: tuberi, semi, frutti, piante (carboidrato di riserva vegetale) Glicogeno: fegato, muscoli (tipico carboidrato di riserva animale) Cellulosa: piante (funzione strutturale) 12

13 Amido È la riserva energetica più importante dei vegetali. Si accumula nei semi e nei tuberi È formato da due polisaccaridi: amilosio (20%), polimero lineare di glucosio con legami α-1,4 amilopectina (80%) polimero ramificato di glucosio con legami α-1,4 e α-1,6 amilosio (struttura ad elica) Le ramificazioni dell'amilopectina traggono origine dal legame tra il C6 di un'unità di glucosio e il C1 di un'altra unità e si presentano a intervalli di unità di glucosio L amilosio è poco solubile in acqua dove assume una conformazione elicoidale e forma, come l amilopectina, una sospensione micellare Negli animali la digestione comincia in bocca con l α-amilasi salivare, enzima secreto dalle ghiandole salivari con attività endoamilasica (taglia i legami glicosidici solo all interno della catena). L amido crudo è poco suscettibile alla endoamilasi salivare; tuttavia, se l amido viene scaldato i granuli di amido si rigonfiano, assumono acqua e rendono il polimero più accessibile agli enzimi 13

14 Glicogeno Il glicogeno è un polimero di residui di glucosio uniti mediante legami α-1,4 glicosidici; ogni 10 residui si creano ramificazioni attraverso la formazione di legami α-1,6 glicosidici. Il glucosio in eccesso, all interno dell organismo, viene convertito in glicogeno, la cui sintesi avviene in massima parte nel fegato e nel muscolo scheletrico. Nel fegato e nel muscolo scheletrico il glicogeno rappresenta un fonte di energia rapidamente utilizzabile che si esaurisce in meno di 1 ora durante uno sforzo muscolare intenso. Il glicogeno epatico serve come riserva di glucosio per gli altri tessuti quando non è disponibile glucosio alimentare (nel periodo tra i pasti e nel digiuno). Fibre alimentari Le fibre alimentari sono polisaccaridi che svolgono numerosi effetti funzionali e metabolici Aumento del senso di sazietà Miglioramento della funzionalità intestinale e prevenzione delle patologie correlate (stipsi, tumori del colon) Riduzione del rischio cardiovascolare in relazione agli effetti positivi sul metabolismo dei carboidrati e lipidi 14

15 Fibre alimentari TIPO DI FIBRA PRINCIPALE FONTE ALIMENTARE PROPRIETA' CHIMICHE Cellulosa Emicellulosa Prodotti integrali a base di cereali Crusca Grano intero Prodotti integrali a base di cereali Frutta e verdura Grano intero Non digeribile Insolubile in acqua Assorbe acqua Parzialmente digeribile Insolubile in acqua Assorbe acqua Lignina Verdura Non digeribile Insolubile in acqua Assorbe sostanze organiche Pectina Gomme Frutta (mele e agrumi) Legumi Crusca di avena Non digeribile Solubile in acqua Digeribili Mucillaginose Solubili in acqua Mucillaginose Cellulosa 1 4 La cellulosa è un polimero lineare di D-glucosio esattamente come l amilosio con la differenza che i legami sono β-1,4 mentre nell amilosio sono α-1,4 15

16 La cellulosa tende a disporsi su di un piano, formando differenti strati impaccati uniti da legami a idrogeno La cellulosa è il polimero più abbondante presente sulla terra. E altamente resistente all idrolisi anche da parte delle amilasi. Solo i batteri che vivono nel rumine o nello stomaco delle termiti secernono la cellulasi, una β-glicosidasi in grado di idrolizzare la cellulosa. I polimeri di cellulosa formano strutture a reticolo stabilizzate da legami H intra- e intercatena; si hanno quindi fibre resistenti da cui derivano le caratteristiche e gli usi della cellulosa 16

17 I carboidrati, da un punto di vista fisiologico possono essere distinti in: Disponibili o digeribili glucosio - fruttosio saccarosio - maltosio carboidrati semplici Non disponibili o non digeribili xilosio- lattulosio raffinosio- stachioso Disponibili o digeribili Amido carboidrati complessi Non disponibili o non digeribili Fibra alimentare 17

18 Funzioni dei carboidrati nell uomo PLASTICA Soprattutto nei vegetali ma anche nell uomo, i carboidrati entrano nella costituzione delle cellule e della sostanza extracellulare. Essi sono tra i costituenti degli acidi nucleici, dei coenzimi nucleotidici, dei glicolipidi, delle glicoproteine e delle strutture di sostegno e protezione degli organismi vegetali ed animali ENERGETICA Nell uomo sotto forma di glicogeno, i carboidrati costituiscono una riserva di energia a pronta utilizzazione e sotto forma di glucosio sono fonte di nutrimento per tutte le cellule. 1 g fornisce circa 4 kcal; essi rappresentano inoltre la quota più rilevante dei principi nutritivi. Alcune cellule e tessuti (globuli rossi, SNC) utilizzano come nutriente, in condizioni normali, solo il glucosio I carboidrati possono essere definiti una sorta di benzina verde, infatti, dalla loro demolizione si ottiene energia con liberazione di acquaeco 2 senzaformazionediscorieeresiduitossici I carboidrati: Forniscono calorie Danno senso di sazietà Controllano la glicemia e il metabolismo del glucosio I polisaccaridi non fermentabili aumentano la massa fecale Dalla loro fermentazione si ottengono acidi a corta catena (acido propionico, butirrico e acetico) Regolano la glicosilazione di proteine cellulari e plasmatiche (albumina, emoglobina, lipoproteine) 18

19 I carboidrati nella dieta Una dieta equilibrata deve prevedere una quota di carboidrati parial50-60% Esempio: su una dieta di 2000 calorie, 275 g è la dose appropriata 80g di carboidrati 100g riso 54g di carboidrati 80 g pane 20 g di carboidrati 40 g di fagioli secchi 25g di carboidrati 4-5 fette biscottate 9 g di carboidrati 300 g di spinaci 45 g di carboidrati 250 g di patate 44 g di carboidrati 400 g di mele 10 g di carboidrati 10 g di zucchero 19

20 Digestione dei carboidrati Recentemente si preferisce parlare di: carboidrati a rapido assorbimento carboidrati a lento assorbimento Un afflusso di glucosio troppo rapido si ripercuote negativamente sul livello di glicemia nel sangue 343 minuti 5 gelatine di frutta tracce proteine tracce grassi 92g carboidrati 39 minuti 10g di zucchero 10g carboidrati 542 minuti 100 g di cioccolato fondente 6.6g proteine 34 g grassi 50 g carboidrati 362 minuti 100 g di riso 7 g proteine 0.4 g grassi 80 g carboidrati 20

21 Carboidrati a rapido assorbimento (monosaccaridi e disaccaridi) Frutta in generale Succo di frutta Miele Yogurt alla frutta (contiene zuccheri semplici che servono a contrastare l acidità propria dell alimento) Zucchero di canna Normale zucchero da cucina Carboidrati a lento assorbimento (polisaccaridi) Pane Cereali Pasta Biscotti secchi Fette biscottate Muesli 21

22 Qualche curiosità Lo zucchero fa ingrassare? 1 g di zucchero fornisce 4 Kcal, cioè meno della metà delle 9 Kcal fornite da 1 g di grasso Lo zucchero provoca diabete? E dimostrato che è l eccesso alimentare continuativo che sfocia nell obesità a favorire la comparsa del diabete A metà mattina ai ragazzi fa bene lo zucchero? Bisogna prevenire l ipoglicemia di metà mattina. Sono da preferire gli zuccheri a lento assorbimento E utile sostituire lo zucchero con un dolcificante? E del tutto ingiustificato in una persona sana, sarà invece utile e necessaria per i diabetici Lo zucchero grezzo è da preferire a quello raffinato? Entrambe sono una miscela identica di glucosio e fruttosio. La diversa colorazione è dovuta ad un residuo di melassa Lo zucchero aiuta nello sport? Una reintegrazione metodica può consentire il protrarsi dello sforzo muscolare e può migliorare la performance in molti sport di resistenza 22