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Struttura generale

• Prendiamo un idrocarburo e facciamo la seguente sostituzione: su ciascun atomo di carbonio al posto di uno degli atomi di idrogeno mettiamo un gruppo ossidrile:

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I carboidrati hanno formula generale (indicativa) CnH2nOn

• Osserviamo alcuni fatti.• La molecola contiene ossigeno• La molecola è diventata asimmetrica• A ciascun atomo di carbonio

corrispondono un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno: la proporzione equivale al rapporto di una molecola di acqua per ogni atomo di carbonio.

• Da ciò deriva il nome di carbo-idrati.

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Quali conseguenze comporta la presenza asimmetrica dell’ossigeno?

• Sappiamo che l’ossigeno introduce il carattere di polarità nelle molecole organiche. Questa polarità è accentuata dal fatto che l’ossigeno è presente su uno solo dei due lati della catena.

– La freccia rappresenta il dipolo creato dalla presenza dell’ossigeno: gli elettroni si distribuiscono in modo asimmetrico, formando un polo positivo sul carbonio ed un polo negativo sull’ossigeno.

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I carboidrati sono idrosolubili

• La prima caratteristica importante che deriva dalla struttura dei carboidrati è la loro solubilità nei solventi polari come l’acqua.

• Questo corrisponde alla nostra esperienza, infatti sappiamo ad esempio che un carboidrato molto conosciuto come lo zucchero alimentare, si scioglie nell’acqua.

• Dopo la solubilità in acqua quale sarà la seconda caratteristica che stiamo per considerare?

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I carboidrati contengono energia?

• Fa parte della nostra esperienza anche il fatto che i carboidrati sono molecole “energetiche”, ma com’è cambiato il contenuto di energia rispetto a quello dei lipidi?

• Per rispondere a questa domanda determiniamo il numero di ossidazione del carbonio in questo tipo di molecole.

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Lo stato di ossidazione è maggiore

• Rispetto a ciò che accade negli idrocarburi il carbonio è maggiormente ossidato, con numero di ossidazione 0 (zero).

• I carboidrati contengono meno energia dei lipidi: a parità di peso contengono circa la metà dell’energia dei lipidi.

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Quali molecole per nutrire le cellule?

• Le cellule viventi usano primariamente il glucosio, che è un carboidrato, come molecola energetica.

• Alcuni organi in particolare, come il cuore ed il cervello, hanno sempre bisogno del glucosio.

• Il livello (concentrazione) del glucosio nel sangue si chiama glicemia.

• Perché il glucosio e non un lipide il quale contiene più energia?

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L’acqua è l’elemento dominante

• Sia l’ambiente intracellulare che quello extracellulare sono soluzioni acquose, nelle quali i carboidrati si possono dissolvere, i lipidi no.

• Pertanto i carboidrati come il glucosio sono facilmente trasportabili, ad esempio con il sangue negli animali o con la linfa nei vegetali.

• La facilità di trasporto è fondamentale per garantire una disponibilità costante di energia.

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Classificazione dei carboidrati

• Si possono descrivere alcune categorie in base alla dimensione:

- monosaccaridi - disaccaridi

- oligosaccaridi - polisaccaridi

• I più semplici (mono e disaccaridi) si chiamano anche zuccheri (nei nomi comuni la desinenza è –oso).

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I monosaccaridi

• I monosaccaridi sono importanti come tali, ma sono anche le unità fondamentali (monomeri) per la formazione degli altri carboidrati.

• Si possono individuare tre tipi di componenti per i monosaccaridi:

• 1) una catena di atomi di carbonio in numero da 3 a 7.

• 2) un gruppo carbonile• 3) vari gruppi ossidrile

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Aldosi e chetosi

• Se il carbonile è primario lo zucchero si dice aldoso.

• Se il carbonile è secondario lo zucchero si dice chetoso.

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Gli zuccheri sono dei “poli-alcol”

• Gli atomi di carbonio non carbonilici portano un gruppo ossidrile.

Vediamo ad esempio la struttura completa del glucosio (C6H12O6): si tratta di un esoso (sei atomi di carbonio), aldoso.

Osservate che i gruppi ossidrile non sono tutti dallo stesso lato della catena.

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Il fruttosio è un chetoso

• Per ottenere la struttura del fruttosio si può immaginare di spostare due atomi di idrogeno del glucosio.

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Un “pentoso”: il ribosio

• Un esempio importante di zucchero a cinque atomi di carbonio.

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I monosaccaridi si possono “chiudere”

• Abbiamo rappresentato i due zuccheri più importanti, il glucosio ed il fruttosio, in forma “aperta”, ma in soluzione acquosa questa forma è in equilibrio con la forma “ad anello”: il gruppo alcolico del carbonio n. 5 del glucosio si lega con il carbonio carbonilico (non è una condensazione!).

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La chiusura dell’anello può dare due forme del glucosio

forma α forma β

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La funzione dei monosaccaridi

• Della funzione del glucosio abbiamo già imparato molto: è la molecola della respirazione cellulare, della fotosintesi, la sua presenza nel sangue (glicemia) è un indice metabolico molto importante.

• Il fruttosio è un intermedio della respirazione cellulare (oltre ad essere presente in molti frutti delle piante!)

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I disaccaridi si formano dalla condensazione di due monosaccaridi nella forma “ad anello”

• Proviamo per esempio a legare due molecole di glucosio α attraverso i gruppi ossidrile in posizione 1 e 4 (legame α 1→4):

+ H2O

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Nomi e funzioni dei disaccaridi

• glucosio + glucosio maltosio

Il maltosio deriva ad esempio dalla digestione dell’amido

• glucosio + galattosio lattosio

è lo zucchero del latte• glucosio + fruttosio saccarosio

è il disaccaride più comune, è di origine vegetale e serve alla pianta per trasportare il glucosio (è anche lo zucchero alimentare).

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Gli oligosaccaridi

• Come dice il nome, queste molecole sono formate da un numero limitato di unità.

• Nella maggior parte dei casi essi sono legati a polipeptidi per formare:

• - glicoproteine (prevale la componente proteica)

• - proteoglicani (prevale la componente glucidica).

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I polisaccaridi

• Per rappresentare i polisaccaridi principali indicheremo il glucosio con un simbolo semplificato.

• I numeri individuano i sei atomi di carbonio.

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Le funzioni

• Ci sorprenderemo imparando che una differenza strutturale apparentemente insignificante determina due tipi di funzioni dei polisaccaridi principali completamente diverse fra loro:

1) funzione di riserva

2) funzione strutturale

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La funzione di riserva

• Essendo il glucosio una molecola biologica dal ruolo centrale, ci aspettiamo che esso venga messo da parte formando strutture stabili adatte a rappresentare una forma di riserva. Ciò si verifica sia nelle piante sia negli animali, ma in misura molto diversa: per le piante la riserva principale è rappresentata da carboidrati, mentre negli animali, come già sappiamo, dai lipidi (perché?).

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L’amido

• Il modo più semplice per mettere da parte il glucosio è costruire una catena (polimero) con tante molecole di glucosio legate una all’altra. L’amido è appunto questo polimero, ottenuto solo con glucosio α.

• Esso rappresenta la principale forma di riserva delle piante.

• L’amido è formato da due componenti: amilosio ed amilopectina.

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L’amilosio

• L’amilosio è una lunga catena lineare con migliaia di molecole di glucosio unite da legami α 1→4 (come nel maltosio).

• L’amilosio conserva una certa solubilità.

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L’amilopectina

• L’amilopectina è una catena ramificata con legami α 1→4 e α 1→6 (nei punti di ramificazione).

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Il glicogeno

• Il glicogeno è il polisaccaride di riserva negli animali. Si trova nel fegato (fino al 7% del suo peso), e nei muscoli.

• La struttura del glicogeno è molto simile a quella dell’amilopectina, con due differenze:

• - le ramificazioni sono più numerose

• - le dimensioni sono maggiori.

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A cosa serve il glicogeno?

• Gli animali utilizzano soprattutto i lipidi per costituire le loro riserve. Sappiamo che i lipidi, rispetto ai carboidrati, sono una forma più condensata di energia. L’economia di peso e di spazio è fondamentale per organismi che, a differenza delle piante, si muovono, e talvolta anche molto velocemente. Se dovessimo mettere da parte la stessa quantità di energia sotto forma di carboidrati dovremmo pesare molto di più!

• Ma allora: perché esiste anche una piccola riserva di carboidrati? La risposta è che il glicogeno può essere trasformato in glucosio molto rapidamente, e serve a soddisfare le richieste più urgenti: ancora una volta osserviamo che le cellule scelgono un compromesso.

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Il legame β 1→4

• Anche il glucosio β può legarsi:

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La funzione strutturale: la cellulosa

• Adesso costruiamo una catena lineare utilizzando sempre il glucosio come monomero, ma nella sua forma β (legami β 1→4) .

• Proseguendo con l’aggiunta di altre molecole di glucosio (più di 10000) si ottiene la cellulosa.

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La parete delle cellule vegetali

• La cellulosa serve per costruire un involucro rigido e resistente tipico delle cellule vegetali: la parete cellulare.

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Il legno è fatto di cellulosa

• Il legno che costituisce il tronco è una parte morta della pianta, formata dai resti di cellule dalle quali è stato assorbito il protoplasto (la parte “viva”). Di queste cellule è rimasta la parete cellulosica, molto resistente.

• Da questo si capisce che la cellulosa è la biomolecola più abbondante in assoluto nella biosfera.

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La cellulosa non ci può fornire il glucosio

• La semplice differenza fra l’impiego di glucosio α nell’amido e di glucosio β nella cellulosa determina una differenza fondamentale: l’apparato digerente degli animali non produce enzimi digestivi adatti ad operare l’idrolisi della cellulosa al fine di ottenere il glucosio.

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La cellulosa è il costituente della “fibra” alimentare

• Gli alimenti di origine vegetale contengono sempre la cellulosa, la quale non può essere digerita ed assorbita dall’intestino: la cellulosa viene eliminata senza essere trasformata.

• Le fibre alimentari sono importanti in quanto determinano un equilibrato volume del contenuto intestinale, consentendo il suo avanzamento mediante la peristalsi.

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I ruminanti si nutrono di cellulosa!

• Il fieno contiene soprattutto cellulosa, e rappresenta il nutrimento di molti erbivori, i quali possiedono un apparato digerente molto particolare.

• Gli enzimi adatti ad operare l’idrolisi della cellulosa vengono prodotti da batteri che vivono in simbiosi nel “rumine” degli erbivori.

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I polisaccaridi principali: riassunto

NOME ORIGINE FUNZIONE

Amido Vegetale Riserva

Glicogeno Animale Riserva

Cellulosa Vegetale Strutturale