Il ruolo cruciale dei carboidrati nella biosfera e nel metabolismo

Definizione e composizione dei glucidi

Composti biologici più abbondanti nella biosfera ed in particolare nel mondo vegetale.

Definizione: Sono chiamati anche Glucidi o Zuccheri, sono costituiti da carbonio, ossigeno ed idrogeno.

Produzione e funzione dei carboidrati

Sono le molecole da cui ogni organismo ricava energia. In natura sono prodotti dai cloroplasti presenti nelle cellule vegetali (fotosintesi clorofilliana):

6CO2 + 6H2O ————— Energia solare —————> C6H12O6 + 6O2

L’energia solare assorbita è trasformata in energia chimica sotto forma di molecole di zuccheri.

Tre gruppi di carboidrati: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Classificazione dei monosaccaridi

Carboidrati più semplici. Contengono 4, 5 o 6 atomi di carbonio. I più diffusi in natura sono i Pentosi (5 atomi C) e gli Esosi (6 atomi C).

Gruppi funzionali che caratterizzano i monosaccaridi sono:

- Gruppo Alcolico (-OH)

- Gruppo - Gruppo Monosaccaridi si dividono in Aldosi (se contengono g.f. Aldeidico) e Chetosi (se contengono g.f. Chetonico).

I Glucidi di interesse biologico più significativo hanno configurazione relativa D (l’ossidrile è legato al carbonio adiacente alla funzione alcolica primaria a destra).

Forme cicliche dei carboidrati

Le molecole dei carboidrati sono cicliche. Al momento della chiusura dell’anello si hanno 2 forme cicliche:

- Alfa, se il gruppo -OH del carbonio 1 è rivolto verso il basso rispetto al piano della molecola.

- Beta, se il gruppo -OH del carbonio 1 è rivolto verso l’alto rispetto al piano della molecola.

In natura è più presente la forma Beta. In soluzione le due forme sono interconvertibili (mutarotazione).

Monosaccaridi più conosciuti sono: Glucosio, Fruttosio, Ribosio e Desossiribosio.

Tutti i monosaccaridi possono essere ossidati da un particolare composto detto “Reattivo di Fehling”.

Disaccaridi e loro caratteristiche

Molecole derivanti dalla condensazione di più monosaccaridi (2-5 monosaccaridi) con perdita di una o più molecole d’acqua e formazione di un legame glicosidico.

Più rappresentati sono i disaccaridi (nati dall’unione di 2 monosaccaridi):

1. Saccarosio (glucosio + fruttosio)

2. Maltosio (2 anelli di glucosio e si produce per idrolisi dall’amido)

3. Lattosio (glucosio + galattosio)

4. Cellobiosio (formato da 2 anomeri beta del glucosio)

Tutte le molecole nate dall’unione di più anelli di monosaccaridi possono essere scisse per idrolisi (aggiungendo una molecola d’acqua). Negli organismi questa operazione è compiuta dagli enzimi.

Polisaccaridi e loro funzioni

I monosaccaridi si possono aggregare in catene più complesse dette polisaccaridi, che possono essere formati da un unico tipo di monosaccaride (omopolisaccaridi) o da monosaccaridi diversi (eteropolisaccaridi). Possono inoltre differenziarsi per il grado di ramificazione della catena principale (si dividono in polisaccaridi di riserva e di sostegno)

Rappresentati per esempio dall’amido o dal glicogeno:

- Amido: contiene un miscuglio di amilosio (numerose unità Alfa-glucosio unite linearmente da legami tra il carbonio 1 e carbonio 4= legami Alfa-1,4) e di amilopectina (legami Alfa-1,4 e legami Alfa-1,6).

- Glicogeno: struttura simile a quella dell’amido e possono contenere fino a 30.000 unità di glucosio.

- Cellulosa: Presente nella parete esterna di ogni cellula vegetale e responsabile della struttura delle piante. Polimero lineare con legami Beta-1,4. Gli enzimi con cui gli animali digeriscono l’amido non riconoscono questi legami, per questo la Cellulosa non rappresenta una fonte diretta di glucosio. Gli erbivori invece ospitano batteri in grado di produrre un enzima per la digestione della Cellulosa.

Tra gli Eteropolisaccaridi è famoso l’Acido Ialuronico (può associarsi a molte molecole d’acqua e formare un gel che trattiene liquido nei tessuti, per esempio con effetto antirughe).

Per poter essere assorbiti dalle cellule, i glucidi devono essere ridotti a monosaccaridi. Il glucosio è il monosaccaride che partecipa al maggior numero di reazioni intracellulari e occupa una posizione centrale nel metabolismo di tutti gli organismi.

Metabolismo del glucosio

Le vie metaboliche del glucosio sono articolate e complesse, le principali sono:

- la Glicogenolisi (demolizione del glicogeno)

- la Gluconeogenesi (creare glucosio da molecole non glucidiche)

- la Glicogenosintesi

- la Glicolisi

- Il Ciclo di Krebs

- la Fermentazione

- la Via dei pentodo-fosfati

Glicogenolisi e gluconeogenesi

Degradazione della riserva di glicogeno per liberare glucosio.

La demolizione del glicogeno avviene per mezzo di un enzima (fosforilasi) che permette la rottura del legame Alfa-1,4 glicosidico con l’introduzione di una molecola di fosfato. Questa porta alla produzione di glucosio-1-P.

La Glicogenolisi è fondamentale per garantire sempre un livello sufficiente di glucosio nel sangue.

Interviene quando il glucosio prodotto dalla dieta non è sufficiente. Consiste nella sintesi di glucosio a partire ma materiale non glucidico. Si tratta di un processo che avviene principalmente nei reni e nel fegato. E’ molto dispendioso e si avvia per esempio dopo un digiuno prolungato.

Glicogenosintesi e glicolisi

La via per la sintesi del glicogeno a partire dal glucosio. Il glucosio in eccesso viene convertito in una forma polimerica che ne consenta il trasporto e la conservazione: il glicogeno.

Avviene in massima parte nel fegato e nel muscolo scheletrico. Il glucosio libero viene fosforilato, a spese di ATP, in glucosio-6-fosfato e convertito in glucosio-1-fosfato.

Ossidazione del glucosio, che contiene 6 atomi di carbonio, a piruvato, che ha 3 atomi di carbonio, nel citoplasma di tutte le cellule.

Avviene solo dopo che lo zucchero è stato attivato per mezzo di 2 molecole di ATP (fosforilazione). Dalla glicolisi si recuperano 2 molecole di NADH e H+ e 4 di ATP.

NADH (nicotinammide adenina dinucleotide in forma ridotta) funge da trasportatore di elettroni nei processi ossidoriduttivi, come anche il FADH2 (flavina adenina dinucleotide in forma ridotta).

Processo della glicolisi:

1. In una prima fase il glucosio attivato per mezzo di 2 molecole ATP produce fruttosio-1,6-difosfato.

2. Rottura in 2 molecole di 3 atomi di carbonio ciascuna.

3. Recupero energetico di 4 ATP.

Fermentazione e sue varianti

La via per ottenere energia nei globuli rossi e nei muscoli sotto sforzo, quando la richiesta di ossigeno no è corrisposta dalla circolazione sanguigna.

Permette la trasformazione di glucosio in acido lattico o alcol etilico.

Consiste nella trasformazione di glucosio in acido piruvico e successivamente in acido lattico (fermentazione lattica) o in etanolo (fermentazione alcolica). Normalmente è realizzato nei batteri e nei lieviti.

Nelle cellule animai avviene solo in mancanza di O2 e fa sì che l’acido piruvico, non potendo essere consumato nel ciclo di krebs per mancanza di O2 (accettore finale), si trasformi in acido lattico, liberando una piccola quantità di ATP.

Via dei pentodo-fosfati

Via ossidativi anaerobica (in assenza di ossigeno proveniente dall’ambiente esterno) alternativa del glucosio per la produzione di pentosi come il ribosio.

Si tratta di una via secondaria ma fondamentale per la produzione, ad esempio, degli acidi grassi nel fegato o per la biosintesi del colesterolo.