carboidrato

Descrizione generale

sm. [carbo-+idrato]. Composto organico formato da carbonio, idrogeno e ossigeno. I carboidrati, detti anche glucidi o glicidi, idrati di carbonio, zuccheri, osi, possono essere genericamente considerati aldeidi o chetoni (a seconda che siano aldoni o chetoni) aventi nella loro molecola un numero variabile di ossidrili alcolici "Vedi tabella vol. V, pag. 423" . "Per la tabella dei principali carboidrati vedi il lemma del 5° volume." In base a tale definizione vanno incluse tra i carboidrati anche sostanze organiche che solo in parte ne possiedono le proprietà, come per esempio l'aldeide glicolica, l'aldeide glicerica, il diidrossiacetone, ecc. Nella struttura di numerosi carboidrati l'idrogeno e l'ossigeno entrano nelle medesime proporzioni (2:1) in cui sono presenti nella molecola dell'acqua. A ciò è dovuto il nome, che va accettato solo nei limiti di una definizione tradizionale e di consuetudine. In effetti molti composti con proprietà chimiche, fisiche e biologiche tipiche dei carboidrati possiedono idrogeno e ossigeno in proporzioni diverse da 2:1; d'altra parte varie sostanze con formula generale C(H_a₂O) hanno proprietà del tutto dissimili dagli zuccheri. I carboidrati vengono ordinariamente distinti in: monosaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi, oppure in osi e osidi.

Monosaccaridi

Comprendono le strutture glicidiche più semplici, che possono essere considerate unità costitutive di tutti i carboidrati naturali. Essi vengono classificati in rapporto al numero di atomi di carbonio contenuti nella molecola e in base alla natura di derivati aldeidici o chetonici. Si hanno pertanto triosi (C₃), tetrosi (C₄), pentosi (C₅), esosi (C₆), eptosi (C₇), ecc., tra i quali si possono ulteriormente distinguere aldotriosi e chetotriosi, aldopentosi e chetopentosi, ecc. In genere i monosaccaridi naturali sono composti neutri, molto solubili in acqua, scarsamente solubili nei solventi organici. Molti di essi hanno sapore dolce più o meno intenso (da qui il termine glicidi), altri sono invece insapori o anche leggermente amari. La maggior parte dei monosaccaridi esiste in natura in più forme stereoisomere, che derivano dalla diversa disposizione nello spazio dei costituenti molecolari. Il numero delle configurazioni teoricamente possibili (N) per ciascuno zucchero dipende dal numero degli atomi di carbonio asimmetrici in esso contenuti (n), come espresso dalla formula di Van't Hoff: N=2. Così, per esempio, per un monosaccaride avente quattro atomi di carbonio asimmetrici sono possibili 16=2⁴ differenti configurazioni spaziali. Convenzionalmente, per indicare gli stereoisomeri dei carboidrati vengono adoperate le sigle D e L, riferite alla configurazione spaziale dei gruppi atomici attigui al carbonio asimmetrico che riproducono la configurazione dell'aldeide glicerica destrorotatoria (D) o levorotatoria (L).

Negli zuccheri aventi più di un centro di asimmetria le espressioni D e L vengono riferite all'atomo di carbonio asimmetrico più distante dal gruppo aldeidico o chetonico. Tali simboli indicano la sola configurazione spaziale di carboidrati isomeri, ma non la loro attività ottica, espressa invece con i simboli + (=destrogiro) e-(=levogiro). Nelle prime formule di struttura, i carboidrati erano rappresentati da strutture lineari del tipo:

Tali formule, pur permettendo l'indicazione dell'attività ottica e della configurazione spaziale, poco si prestano tuttavia all'interpretazione di alcune loro proprietà chimiche e fisiche. Gli aldosi, per esempio, non danno la reazione di Schiff e non reagiscono con bisolfito sodico, come avviene invece per i composti aventi il gruppo carbonilico libero. Tutti gli zuccheri inoltre presentano il fenomeno della mutarotazione o polirotazione: cioè, sciolti in acqua, possiedono un determinato potere rotatorio specifico che cambia gradualmente fino a raggiungere un valore finale che in seguito resta costante. La mutarotazione è dovuta allo stabilirsi di un equilibrio tra due diverse forme dello zucchero in soluzione, il quale, per spontanea reazione tra il gruppo carbonilico e uno degli ossidrili alcolici, acquista la struttura di semiacetale ciclico:

L'equilibrio tra la forma carbonilica e la forma semiacetalica è molto spostato verso quest'ultima; ciò spiega perché gli zuccheri non diano alcune reazioni tipiche delle aldeidi e dei chetoni pur possedendo tali gruppi funzionali. Va inoltre rilevato che, in seguito alla formazione del semiacetale ciclico, l'atomo di carbonio carbonilico diventa asimmetrico: esistono pertanto due semiacetali isomeri, chiamati α e β, aventi opposto potere rotatorio e diversa disposizione spaziale attorno al suddetto atomo di carbonio. Si deve a Haworth e a Irvine la dimostrazione che, oltre che nelle forme α- e β-semiacetaliche, gli zuccheri esistono anche in forma γ e δ. Tali forme risultano più stabili e sono più comuni delle prime. I γ- e δ-semiacetali vengono chiamati furanosi e piranosi rispettivamente, potendo essere rappresentati con l'anello pentatomico del furano (γ-semiacetali) o con l'anello esatomico del pirano (δ-semiacetali):

In pratica è ormai diffusa la consuetudine di indicare le formule cicliche degli zuccheri con semplici anelli pentagonali o esagonali (formule di Haworth) che riproducono più fedelmente la disposizione degli atomi nello spazio e consentono una visione prospettica della molecola, quando vengano ingrossati opportunamente i lati dei poligoni:

Per ossidazione dei monosaccaridi si ottengono gli acidi onici (acido gluconico, acido galattonico), gli acidi uronici (acido glicuronico, acido galatturonico) e gli acidi saccarici quali per esempio l'acido glucosaccarico e il galattosaccarico. Derivati monosaccaridici di grande interesse biologico sono anche gli amminozuccheri (D-glucosammina, condrosammina), costituenti ordinari di proteine animali e vegetali.

Oligosaccaridi e polisaccaridi

Dall'associazione di due o più monosaccaridi (uguali o diversi) si ottengono gli oligosaccaridi, formati al massimo da 8-9 unità monosaccaridiche, e i polisaccaridi, molecole complesse composte spesso da varie centinaia di unità di zuccheri semplici. Negli oligo- e polisaccaridi le singole unità glicidiche si riuniscono mediante legami glucosidici tra l'ossidrile acetalico di una delle due molecole e un qualsiasi ossidrile dell'altra molecola, con eliminazione di acqua. I polisaccaridi prendono in genere il nome dello zucchero semplice da cui derivano; si hanno pertanto glucosani, fruttosani, mannani, ecc. I polisaccaridi hanno proprietà chimiche e fisiche molto differenti da quelle dei mono- e degli oligosaccaridi. Non hanno mai sapore dolce, mancano di proprietà riducenti, sono spesso scarsamente solubili in acqua. Per il riconoscimento e la determinazione quantitativa dei carboidrati sono disponibili vari metodi analitici tra cui la cromatografia su carta e su colonna, l'esame del punto di fusione, dell'attività ottica, la diffrazione dei raggi X. Le proprietà riducenti di molti zuccheri permettono inoltre il loro dosaggio quantitativo con la reazione di Fehling che porta alla formazione di ossidulo di rame in misura corrispondente alla quantità dello zucchero in esame. Con tale metodo possono essere determinati anche zuccheri non riducenti, come il saccarosio, il raffinosio, ecc. previa idrolisi chimica o enzimatica in unità glicidiche riducenti. Vanno infine ricordate alcune reazioni cromatiche di rapida esecuzione basate in genere sulla reazione tra ammine o fenoli e prodotti di demolizione chimica degli zuccheri; in particolare la reazione di Molisch (colorazione rosso-porpora per trattamento con acido solforico e α-naftolo), la reazione di Seliwanov per i chetosi (colorazione rossa con resorcina e acido cloridrico), la reazione di Tollens con naftilresorcinolo, ecc.

Attività negli organismi viventi

I processi di sintesi e di demolizione dei carboidrati costituiscono uno degli aspetti essenziali dell'attività biochimica cellulare. Il loro svolgimento è legato soprattutto alla produzione di energia, indispensabile alle cellule per lo svolgimento delle molteplici attività vitali. La produzione di energia deriva in particolare dal catabolismo, cioè dalla demolizione metabolica dei carboidrati contenuti nei tessuti in forma libera (e quindi immediatamente utilizzabili) oppure come materiali di riserva. Il catabolismo si svolge attraverso meccanismi complessi ed eterogenei, comuni, tuttavia, nelle più diverse forme di vita animale e vegetale. Esso può attuarsi in condizioni di anaerobiosi (glicolisi, fermentazioni) oppure in aerobiosi, nel qual caso si parla di metabolismo ossidativo dei carboidrati. Un aspetto importante del catabolismo glicidico è costituito dal fatto che l'energia in esso prodotta viene in gran parte immagazzinata nei tessuti come energia chimica attraverso la sintesi di sostanze ad alto contenuto energetico. La scissione di tali sostanze, realizzata in proporzione al grado di attività funzionale delle cellule, fornisce ai tessuti la quantità di energia richiesta per lo svolgimento delle diverse forme di lavoro. Importanti forme di accumulo dell'energia chimica sono i composti organici che possiedono legami fosforici a elevato contenuto energetico, come per esempio il legame pirofosforico terminale dell'ATP "Vedi fig. 1 vol. V, pag. 423" . "Per la figura 1 vedi il lemma del 5° volume." Nelle cellule animali lo zucchero utilizzato a fini energetici è principalmente il glucosio, dalla cui demolizione ossidativa si liberano ca. 690 kcal/mole. Nei vegetali un ruolo importante nell'ambito dei processi dinamo-energetici è svolto anche dal saccarosio. Oltre alle sostanze suddette, gli organismi viventi utilizzano alcuni carboidrati complessi immagazzinati nelle cellule come materiali di riserva; ne sono esempio il glicogeno negli animali, l'amido nelle piante e in numerosi microrganismi. L'importanza biologica degli zuccheri non è tuttavia limitata alla funzione energetica di alcuni di essi. Tra i carboidrati figurano infatti numerose sostanze con funzioni plastiche o di sostegno. Accanto alla cellulosa e alla chitina, vanno ricordati a tale proposito gli zuccheri penta-atomici che entrano nella composizione dei nucleotidi e quindi delle nucleoproteine, e l'acido glicuronico, che in associazione con la glucosammina e la galattosammina forma i mucopolisaccaridi del tessuto connettivo e della matrice organica delle ossa. Tra i carboidrati di struttura può essere annoverato il galattosio, componente dei cerebrosidi e dei mucopolisaccaridi del tessuto connettivo. Il galattosio stesso, assieme allo xilosio e all'arabinosio, prende parte alla sintesi della glicocolla, importante costituente dello scheletro. Come è noto, i vegetali sono in grado di attuare la sintesi totale dei carboidrati attraverso la fotosintesi. L'uomo e gli altri animali superiori, pur essendo in grado di attuare la biosintesi dei carboidrati a partire dai prodotti intermedi del metabolismo proteico e lipidico, non traggono da tali processi un apporto sufficiente e i carboidrati, pertanto, devono essere assunti già preformati con gli alimenti. Degli zuccheri contenuti negli alimenti l'uomo utilizza soprattutto i monosaccaridi glucosio, fruttosio e galattosio, i disaccaridi saccarosio e lattosio, i polisaccaridi amido e glicogeno. L'apporto di tali carboidrati deriva principalmente dagli alimenti vegetali, in particolare dai cereali e dalle leguminose. Il valore nutrizionale degli zuccheri alimentari è legato sostanzialmente alla quantità di glucosio che si ottiene dalla loro digestione intestinale. Tale valore varia, pertanto, in misura notevole in rapporto alla composizione del corredo enzimatico gastro-intestinale di ciascuna specie, che determina in termini quantitativi o qualitativi la capacità di digestione dei carboidrati complessi. L'uomo, per esempio, analogamente a numerose altre specie animali, non è in grado di digerire, cioè di scindere, nell'intestino la cellulosa che è presente, spesso in elevata quantità, nella maggior parte degli alimenti vegetali. Tale polisaccaride non ha quindi alcuna importanza nutritiva per l'uomo. La cellulosa è al contrario un'essenziale fonte di carboidrati per i ruminanti, nel cui tratto digerente vivono speciali microrganismi capaci di scinderla in unità glicidiche semplici, facilmente assimilabili. Nell'uomo il fabbisogno minimo glicidico è di ca. 100 g giornalieri, variando notevolmente in rapporto al tenore lipidico della dieta. Il fabbisogno minimo è di molto inferiore al fabbisogno ordinario giornaliero, valutabile nell'ordine di 300-400 g di glucosio. Gli zuccheri assorbiti dall'intestino possono essere utilizzati immediatamente dalle cellule oppure trasformati in glicogeno e come tale immagazzinati negli organi, specie nel fegato, nel cuore e nei muscoli. Il glicogeno, come già detto, può essere scisso all'occorrenza e quindi utilizzato come glucosio.

Il catabolismo dei carboidrati

La demolizione metabolica del glucosio può essere rappresentata globalmente attraverso la reazione:

Questa equazione chimica è in realtà la risultante di una complessa catena di trasformazioni enzimatiche. All'origine di queste lo zucchero di partenza viene fosforilato e si trasforma in esoso-fosfato. In seguito l'esoso-fosfato va incontro a una serie di processi metabolici che lo scindono in due unità di triosofosfato; a sua volta, ciascuna delle suddette unità è destinata a fornire una molecola di acido piruvico, metabolita fondamentale del ricambio glicidico e di tutto il metabolismo intermedio. Il complesso degli eventi biochimici sopra indicati si realizza in condizioni di anaerobiosi e ha modesta importanza dal punto di vista energetico. La scissione del glucosio ad acido piruvico può avvenire per via diretta (via di Embden-Meyerhof) oppure per la via di derivazione dei pentosi. L'acido piruvico formato viene ulteriormente demolito a CO₂ e H₂O, liberando forti quantità di energia. Questo processo, strettamente aerobio, avviene nel cosiddetto ciclo di Krebs o ciclo citrico o degli acidi tricarbossilici. Esaminiamo ora brevemente le tappe della degradazione metabolica del glucosio.§ Fosforilazione del glucosio e del glicogeno. La fosforilazione del glucosio avviene nel citoplasma delle cellule a opera dell'enzima esochinasi o glucochinasi in presenza di ioni Mg⁺⁺ e di ATP. Tale reazione è favorita dall'ormone pancreatico insulina e porta alla sintesi di glucosio-6-fosfato (G-6-P). Nel fegato e nei muscoli il catabolismo glicidico origina non tanto dalla demolizione del glucosio assimilato dagli alimenti, quanto dall'utilizzazione dei depositi di glicogeno. La fosforilazione del glicogeno è alquanto più complessa di quella del glucosio e richiede l'intervento di svariati enzimi. Come è noto il glicogeno è costituito da catene di unità di glucosio unite in posizione 1-4. Nella struttura di questo polisaccaride si inseriscono di tanto in tanto unità glicidiche con legame 1-6. La scissione dei due tipi di legame richiede l'intervento di due distinti sistemi enzimatici. Sui legami 1-4 del glicogeno agisce la fosforilasi in presenza di fosfato libero formando glucosio-1-fosfato (G-1-P). Tale reazione è reversibile e può portare a opera dello stesso enzima alla sintesi del glicogeno dal glucosio. L'andamento della reazione nel senso della glicogenosintesi o della glicogenolisi dipende dal rapporto tra la concentrazione dei fosfati e del G-1-P nelle cellule. Nel caso di eccesso di fosfati la fosforilasi catalizza la demolizione del glicogeno, nel caso opposto invece ne determina la sintesi dal G-1-P. Nelle cellule la fosforilasi è presente in forma inattiva; l'attivazione avviene attraverso l'intervento dell'AMP-ciclico. È stato infatti accertato che la fosforilasi inattiva (o defosfo-fosforilasi) si attiva (fosfo-fosforilasi) in seguito all'acquisto di un gruppo fosfatico fornito da una molecola di AMP-ciclico. La rottura dei legami 1-6 del glicogeno non porta alla formazione di G-1-P, ma alla sintesi di glucosio libero. Ciò avviene in modo irreversibile a opera dell'enzima amilo-1,6-glucosidasi. Il glucosio-1-P prodotto in seguito alla fosforilazione del glicogeno viene trasformato in G-6-P. Questo, a sua volta, può andare incontro ai processi della glicolisi oppure ripristinare glucosio per azione della glucoso-6-fosfatasi.§ Demolizione del G-6-P attraverso la via di Embden-Meyerhof. Tale complesso di reazioni biochimiche "Vedi fig. 2 vol. V, pag. 424" inizia con la trasformazione del G-6-P in fruttosio-6-P catalizzata da una particolare mutasi (fosfoesoso-isomerasi). L'ATP trasforma quindi il fruttosio-6-P in fruttosio-1,6-difosfato, molecola simmetrica che si scinde in due unità di gliceraldeide-monofosfato. Quest'ultima viene convertita in acido piruvico previa formazione di acido fosfoglicerico e fosfoenolpiruvico. L'acido piruvico può essere ulteriormente trasformato per riduzione in acido lattico

Ordinariamente tale reazione avviene nei tessuti isolati che lavorano in anaerobiosi, nel rene, negli eritrociti, nei leucociti, nella mucosa gastrica, in parte nel cervello e nel midollo osseo e nei muscoli affaticati. § Catabolismo del G-6-P attraverso lo shunt esoso-monofosfatico. Tale via metabolica è seguita nel fegato e nei globuli rossi. "Per la figura 3 vedi il lemma del 5° volume." "Vedi fig. 3 vol. V, pag. 424" § Ciclo di Krebs. L'acido piruvico formato nel corso della glicolisi può essere convertito in acido lattico, come detto in precedenza, o utilizzato nella sintesi di amminoacidi (alanina), oppure trasformato nel ciclo di Krebs. Quest'ultima possibilità si realizza, in condizioni di aerobiosi, previa decarbossilazione ossidativa dell'acido con formazione di acetil-Coenzima A e CO₂. Schematicamente:

Nel ciclo di Krebs l'acetilCoA viene metabolizzato a CO₂ previa condensazione con un acido organico a 4 atomi di C, l'acido ossalacetico, e una serie di 7 successive reazioni da cui si liberano 2 moli di CO₂ e si rigenera acido ossalacetico. Al termine del ciclo 4 paia di atomi di H vengono trasferiti nella catena flavoprotein-citocromica (catena respiratoria) producendo B moli di ATP e 4 di H₂O. L'acido piruvico entra nel ciclo di Krebs come precursore sia dell'acetilCoA che dell'acido ossalacetico. L'importanza biologica del ciclo di Krebs scaturisce anche dal fatto che esso è una via comune di ossidazione dei carboidrati, dei grassi e di alcuni amminoacidi, i quali entrano come prodotti intermedi del ciclo stesso previa deamminazione. Nel corso della glicolisi si formano 4 moli di ATP per mole di glucosio metabolizzato. Tuttavia il bilancio energetico netto di questa fase anaerobia è più basso, in quanto dell'ATP viene consumato dalle cellule per lo svolgimento dei processi di fosforilazione del glucosio e del fruttosio-6-fosfato. Il rendimento energetico della fase aerobia del metabolismo glicidico è di 30 moli di ATP/mole di glucosio. Va rilevato che il metabolismo glicidico lungo la via dello shunt esoso-monofosfatico genera elevate quantità di DPNH, le quali vengono utilizzate dall'organismo per la biosintesi dei grassi e degli ormoni steroidi. Oltre che attraverso la glicolisi e il ciclo di Krebs la demolizione metabolica degli zuccheri può svolgersi con altre modalità, per esempio attraverso la via dei pentosofosfati o il metabolismo dell'acido glucuronico. Un breve cenno merita infine il metabolismo degli altri monosaccaridi alimentari. Il galattosio, introdotto come tale o formato dalla digestione del lattosio, viene utilizzato sia per la neoglicogenesi sia per la sintesi di glicogeno. Nella galattosemia, malattia congenita del metabolismo, il galattosio alimentare non viene metabolizzato, per cui si accumula nel sangue provocando gravi alterazioni dello sviluppo e dell'accrescimento. Tra le malattie ereditarie che interessano il metabolismo dei carboidrati vanno anche ricordate la sindrome di Mac Ardle, dovuta all'assenza della fosforilasi muscolare, il diabete, la pentosuria essenziale, la fruttosuria, la lattosuria, ecc. Il fruttosio viene metabolizzato per la fosforilazione in 6 dall'esochinasi e in posizione 1 da una fruttochinasi specifica. Dal fruttosio-1-P si forma gliceraldeide che segue la via metabolica della glicolisi.