7Metabolismo e analisi carboidrati (generalita' dei carboidrati, patologie legate all'alterazione del metabolismo dei carboidrati, metodi di analisi del glucosio)

I carboidrati

Sono i composti organici più abbondanti sulla terra; contengono carbonio, idrogeno e ossigeno con formula bruta C_nH_2nO_n. In generale, i carboidrati sono aldeidi o chetoni poliossidrilici: cioè nella loro struttura si presenteranno più gruppi OH e si presenterà un gruppo carbonilico (CO doppio legame). Il carbonio del gruppo carbonilico potrà essere legato a due gruppi laterali R (e quindi è un chetone) o a un gruppo R e un H (e quindi è un aldeide). Per questo si dice che i carboidrati sono aldeidi o chetoni poliossidrilici. Possono essere suddivisi in:

• Monosaccaridi, come il glucosio, fruttosio, galattosio e ribosio;
• Disaccaridi, come il maltosio, saccarosio e lattosio;
• Polisaccaridi, come l’amido, glicogeno e cellulosa;
• Carboidrati complessi, come i proteoglicani, glicosaminoglicani e glicoproteine.

Monosaccaridi

Lo scheletro dei monosaccaridi è costituito da una catena di atomi di carbonio (da 4 a 8 C) non ramificata in cui tutti gli atomi di carbonio sono uniti da legami singoli. Tutti gli atomi di carbonio hanno come sostituente un gruppo ossidrilico (OH) tranne un carbonio che è legato all’ossigeno con un doppio legame a formare il gruppo carbonilico. Se il carbonio del gruppo carbonilico è legato a un H e a una catena laterale R (a formare un aldeide), i monosaccaridi si dicono aldosi. Se il carbonio del gruppo carbonilico è legato a due catene laterali R (a formare un chetone), i monosaccaridi si dicono chetosi. Di seguito vengono riportati alcuni esempi.

La radice “aldo” fa riferimento al fatto che è un aldeide; la radice “cheto” fa riferimento al fatto che è un chetone. La desinenza (tri-oso; es-osio) fa riferimento al numero di atomi di carbonio che compongono la catena lineare del monosaccaride. Tutti i monosaccaridi (eccetto il diidrossiacetone) contengono uno o più atomi di carbonio asimmetrici e quindi sono presenti in natura molti stereoisomeri. Un atomo di carbonio asimmetrico è legato a 4 sostituenti diversi ed è detto chirale. Gli stereoisomeri sono immagini speculari l’uno dell’altro. Si distinguono due stereoisomeri: isomero D e isomero L. Per stabilire se si tratta di un isomero D o L, bisogna considerare il primo carbonio chirale più lontano dal gruppo carbonilico CO. Se l’OH di questo carbonio chirale si trova a destra nella proiezione di Fischer, si tratta di un isomero D; se l’OH di questo carbonio si trova a sinistra, si tratta dell’isomero L.

Nell’esempio di sopra, in ogni monosaccaride si considera il carbonio 5, perché è il primo carbonio chirale più lontano dal gruppo carbonilico CO. Due zuccheri che differiscono solo nella configurazione attorno a un atomo di carbonio vengono detti epimeri. Ad esempio, il D-mannosio è un epimero del D-glucosio al carbonio 2, perché i due monosaccaridi differiscono solo per la posizione di OH legato al C2. Anche il D-galattosio è un epimero del D-glucosio perché differiscono solo per la posizione di OH legato al carbonio 4. In generale, i monosaccaridi tendono a formare delle molecole cicliche. Ad esempio, il D-glucosio in soluzione tende a formare un emiacetale intramolecolare. In generale, un emiacetale nasce quando l’ossigeno di un alcol attacca il carbonio carbonilico di un aldeide o chetone.

Nel caso del D-glucosio, il gruppo OH del C5 attacca il carbonio carbonilico formando l’emiacetale intramolecolare ciclico: Se il gruppo OH si trova sopra l’anello dell’emiacetale, la configurazione è β; se si trova sotto l’anello, la configurazione è α (vedere l’OH in giallo).

I monosaccaridi vengono prodotti dagli organismi autotrofi attraverso la fotosintesi; gli animali assumono poi direttamente o indirettamente tali molecole dalle piante. I monosaccaridi più importanti sono quelli che contengono 3, 5 o 6 atomi di carbonio; la maggior parte dei monosaccaridi presenti in natura ha la configurazione D, fatta eccezione per l’arabinosio. Il ribosio e il desossiribosio sono, ad esempio, monosaccaridi a 5 atomi di carbonio che partecipano rispettivamente alla struttura dell’RNA e del DNA. Oltre al ribosio e al desossiribosio che sono a 5 atomi di carbonio, tra i monosaccaridi più importanti si annoverano anche il glucosio, fruttosio e galattosio. Questi tre monosaccaridi sono costituiti da 6 atomi di carbonio. Il glucosio è un aldoesoso, cioè composto da 6 atomi di carbonio, di cui cinque sono legati al gruppo ossidrile OH e uno è il carbonio carbonilico, cioè legato all’ossigeno con un doppio legame, e dato che la radice del nome è “aldo”, significa che quel carbonio carbonilico, oltre ad essere legato a un ossigeno e alla catena di carboni, è legato anche a un idrogeno, formando quindi un aldeide. Il glucosio è un componente della frutta, della verdura ed è presente in elevate concentrazioni anche nel sangue umano in quanto rappresenta la forma ultima di utilizzazione di tutti i glucidi (carboidrati).

Il fruttosio (o levulosio) è un chetoesoso, cioè è formato da sei atomi di carbonio, di cui cinque sono legati al gruppo OH e uno è legato con un doppio legame all’ossigeno a formare il gruppo carbonilico. Il C carbonilico è legato a una catena di 4 carboni da un lato e a un altro carbonio dall’altro a formare il chetone. Il fruttosio è lo zucchero della frutta e del miele.

Se in soluzione, il glucosio lineare forma un emiacetale intramolecolare ciclico in seguito all’attacco del carbonio carbonilico (C1) da parte del gruppo OH del C5; il fruttosio forma un emiacetale intramolecolare ciclico in seguito all’attacco del carbonio carbonilico (C2) da parte del gruppo OH del C5.

Il fruttosio, combinato con il glucosio, forma il disaccaride saccarosio, lo zucchero più diffuso in ambito alimentare. Il fruttosio viene facilmente convertito in glucosio sia nel fegato che nell’intestino. Il galattosio è un aldoesoso come il glucosio, insieme al quale costituisce la molecola del lattosio, che è, pertanto, un disaccaride. Glucosio e galattosio differiscono per la sola posizione del gruppo OH legato al C4; sono pertanto due epimeri.

Il glucosio viene trasformato in glucosio a livello del fegato per azione di due enzimi tra cui la galattosio-1-fosfato uridiltransferasi. Una deficienza di questo enzima è detta galattosemia. In generale, i monosaccaridi, avendo un gruppo aldeidico o chetonico quando si presentano nella forma lineare, sono riducenti. Questa caratteristica gli viene conferita proprio dal gruppo aldeidico o chetonico.

Disaccaridi

I disaccaridi sono costituiti da due monosaccaridi uniti da un legame O-glicosidico; questo si forma quando un gruppo ossidrilico di uno zucchero reagisce con l’atomo di carbonio anomerico dell’altro zucchero. Gli anomeri sono quei monosaccaridi che differiscono solo per la posizione del gruppo OH legato al carbonio acetalico. Ad esempio:

Quindi, possiamo comprendere la formazione del legame O-glicosidico il cui meccanismo di reazione è rappresentato di seguito: In seguito all’interazione tra il gruppo OH del carbonio anomerico e il gruppo OH del carbonio dell’altro monosaccaride si ha la perdita di una molecola di acqua. Tale reazione, che vede la formazione del legame O-glicosidico, prende il nome di condensazione. A seconda che questo legame interessi l’OH anomerico in posizione alfa o beta, tale legame viene definito alfa glicosidico o beta glicosidico. Nell’esempio di sopra, l’OH del carbonio anomerico è in posizione alfa, quindi il legame sarà alfa glicosidico. Il simbolo 1→4 dell’esempio significa che il legame si è formato tra il carbonio 1 di un monosaccaride (che è il carbonio anomerico in questo caso) e il carbonio 4 dell’altro monosaccaride.

Tra i disaccaridi più ricorrenti si annoverano il saccarosio, il maltosio, il lattulosio, il lattosio, il trealosio, il cellobiosio. Nei disaccaridi, ma anche nei polisaccaridi, l’estremità di una catena con un carbonio anomerico libero viene chiamata estremità riducente della catena. Il maltosio, ad esempio, è un disaccaride riducente. Esso è costituito dall’unione di due molecole di glucosio tenute insieme da un legame alfa-glicosidico 1→4:

Come si può osservare dal disegno sopra riportato, solo il carbonio anomerico di un glucosio è implicato nella reazione di condensazione; il carbonio anomerico dell’altro glucosio, invece, resta libero. Per i monosaccaridi abbiamo detto che il potere riducente viene conferito dalla presenza di un gruppo aldeidico o chetoni. La molecola di glucosio che presenta il carbonio anomerico libero può aprirsi proprio all’altezza del carbonio anomerico e formare il gruppo aldeidico che conferisce il potere riducente a tutto il maltosio. Questo disaccaride è facilmente reperibile nei prodotti da forno e nei dolci. Anche il lattosio è uno zucchero riducente. Esso si forma a partire dall’unione di glucosio e galattosio che si uniscono mediante un legame β-glicosidico 1→4. Il glucosio mette a disposizione l’OH del carbonio anomerico; mentre il galattosio mette a disposizione l’OH del C4 che non è anomerico. Pertanto il disaccaride risultante è riducente per lo stesso motivo visto per il maltosio.

Il saccarosio, come detto in relazione ai monosaccaridi, è costituito da dall’unione di una molecola di glucosio con una di fruttosio; questa volta si tratta di uno zucchero non riducente, in quanto il legame di tipo 1→2 α-β diglicosidico interessa entrambi gli OH anomerici (nel fruttosio il carbonio anomerico è il C2). Quindi si avrà:

Il legame glicosidico può essere scisso per idrolisi con acidi diluiti, oppure con specifici enzimi. Questi ultimi sono localizzati nella mucosa intestinale. Il più famoso, poiché la sua assenza porta a una fastidiosa intolleranza a latte e latticini, è chiamato lattasi. Come suggerisce il nome, a questo enzima è affidata la digestione del lattosio, che viene scisso nei due monosaccaridi che lo compongono e cioè in glucosio e galattosio. Un altro esempio è dato dall’enzima saccarasi, che idrolizza disaccaridi come il saccarosio e il maltosio.

Oligosaccaridi

Gli oligosaccaridi sono carboidrati formati da un numero esiguo di monosaccaridi, in genere da 3 a 10 monosaccaridi. Molto spesso vengono inclusi nella categoria degli oligosaccaridi anche i disaccaridi e gli zuccheri formati fino a 20 monosaccaridi. Esempi di oligosaccaridi sono il maltotriosio e i frutto-oligosaccaridi. Il primo è costituito da tre monomeri di glucosio tenuti insieme da legami glicosidici α-1→4.

Maltotriosio

I frutto-oligosaccaridi (FOS) sono invece costituiti prevalentemente da unità di D-fruttosio unite mediante legami β-glicosidici 1→2. Altri oligosaccaridi, piuttosto comuni nel mondo vegetale, sono stachiosi, verbascosio e raffinosio. Il raffinosio è un trisaccaride (glucosio, fruttosio e galattosio), mentre lo stachiosio (glucosio, galattosio, galattosio, fruttosio) e il verbascosio (galattosio, galattosio, glucosio, fruttosio) sono tetrasaccaridi. Questi oligosaccaridi sono contenuti nei legumi. Negli animali, uomo incluso, questi zuccheri si trovano per lo più associati a grassi o proteine, con i quali formano rispettivamente glicolipidi e glicoproteine. Queste molecole sono localizzate per lo più a livello delle membrane cellulare e possono fungere da segnale per la comunicazione cellulare, possono fungere da recettori per gli ormoni e per i neurotrasmettitori, oppure possono fungere da antigeni. È il caso, ad esempio, delle glicoproteine antigeniche del sistema ABO.

Polisaccaridi

La maggior parte dei carboidrati che si ritrovano in natura sono polimeri ad alto peso molecolare chiamati polisaccaridi. L’unità monosaccaridica più frequente nei polisaccaridi è il D-glucosio. I più comuni polisaccaridi sono amido, glicogeno e cellulosa. In particolare l’amido è un polisaccaride di formula (C₆H₁₀O₅)_n. Questa formula bruta indica che l’amido è formato da molte (quindi, n) unità di glucosio. L’amido si trova soprattutto nelle patate e nei semi di cereali; quello proveniente dalle patate prende il nome di fecola. L’amido è presente in due forme, dette amilosio e amilopectina. L’amilosio è costituito da 50 fino a 300 molecole di glucosio unite con legame glicosidico 1→4 a formare una lunga catena lineare avvolta a spirale. La molecola dell’amilopectina è costituita da 1000 fino a 6000 molecole di glucosio ed è ramificata per l’instaurarsi di legami 1→6 tra le single catene lineari caratterizzate da legami 1→4.

Il glicogeno è simile all’amilopectina nella struttura chimica ma è molto più ramificato e a peso molecolare più alto. La sintesi del glicogeno a partire da glucosio viene catalizzata da uno specifico enzima, la glicogenosintetasi, attraverso la formazione di legami α-1→4 che danno luogo a una molecola lineare. La formazione dei legami α-1→6 responsabili della conformazione ramificata della molecola viene catalizzata da un secondo enzima, detto amilo-1,4-1,6-transglucosilasi.

La cellulosa è molto simile all’amilosio ma le unità di glucosio nel caso della cellulosa sono ruotate di 180° l’una rispetto all’altra. La cellulosa si presenta in tutte le pareti cellulari delle piante. La cellulasi, l’enzima che idrolizza il legame β-1→4 che unisce le unità di glucosio nella cellulosa, manca nella maggior parte degli animali.

Il metabolismo dei carboidrati

I glucidi sono tra i maggiori fornitori di energia per gli organismi. Essi sono introdotti con la dieta e sono generalmente polisaccaridi; ovviamente vengono introdotti con la dieta anche gli oligosaccaridi, disaccaridi e monosaccaridi ma in concentrazioni minori rispetto a quelle dei polisaccaridi. Tutti i glucidi introdotti con la dieta, ad eccezione dei monosaccaridi, vengono digeriti con lo scopo di ottenere i monosaccaridi (quali glucosio, fruttosio e galattosio). Dai monosaccaridi, poi, si ricava l’energia necessaria alle cellule. Questo processo che fornisce energia prende il nome di catabolismo. Le cellule, a loro volta, sono anche in grado di produrre polisaccaridi e oligosaccaridi a partire dai monosaccaridi quando questi sono presenti in concentrazioni elevate, in modo da creare delle riserve energetiche da utilizzare nel momento del bisogno. Questo processo di sintesi che richiede energia prende il nome di anabolismo. Nell’insieme, anabolismo e catabolismo costituiscono il metabolismo.

Catabolismo

La digestione dei carboidrati inizia nella cavità orale e prosegue nell’intestino, dove i vari nutrienti vengono assorbiti. Scopo di questo processo è l’idrolisi dei disaccaridi, degli oligosaccaridi e dei polisaccaridi nei singoli monosaccaridi che li costituiscono, al fine di renderli assorbibili dalla mucosa intestinale. Il polisaccaride per eccellenza che viene introdotto con la dieta è l’amido. La sua digestione inizia nella bocca dove viene aggredito dall’α-amilasi salivare (enzima che prende anche il nome di ptialina). Questo enzima demolisce i legami α-1-4 glicosidici dell’amido all’interno della bocca dove il pH è circa 7. L’amilasi, però, riesce a rompere solo parzialmente questi legami a causa del ridotto tempo di permanenza del cibo nella bocca. Quindi, l’amilasi non riesce a liberare le singole unità di glucosio che compongono l’amido, ma riesce a “rompere” l’amido in maltosio, maltotriosio e destrine. Il maltosio è un disaccaride costituito da due unità di glucosio; il maltotriosio è costituito da tre unità di glucosio; le destrine, invece, sono costituite da 7 o 9 unità di glucosio, con presenza di una ramificazione. Una volta arrivata nello stomaco, l’amilasi associata al bolo alimentare viene inattivata dall’ambiente fortemente acido, perdendo le proprie funzioni. Questo enzima è, infatti, attivo solo in condizioni di neutralità (pH=7). La digestione dei carboidrati riprende e si completa nell’intestino tenue, grazie all’azione combinata dei succhi pancreatici ed intestinali. Nei primi è presente un’amilasi uguale a quello salivare, che come tale trasforma l’amido in maltosio e destrine. Questi disaccaridi (maltosio) e oligosaccaridi (destrine) non possono essere idrolizzati dall’amilasi; vengono quindi scissi da parte dell’α-1,6-glicosidasi (per quanto riguarda il maltosio) e dell’α-destrinasi, detto anche isomaltasi, (per quanto riguarda il destrosio) presenti nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue. A questo livello troviamo ulteriori enzimi implicati nella digestione dei disaccaridi: la saccarasi, per esempio, porta alla formazione di glucosio e fruttosio a partire dal saccarosio e provvede all’idrolisi di maltosio e maltotriosio in sinergia con l’enzima maltasi; la lattasi, infine, digerisce lo zucchero del latte scomponendolo in glucosio e galattosio. Una volta completata la digestione dei carboidrati nei singoli monosaccaridi che li costituiscono, gli zuccheri sono pronti per essere assorbiti. Questo assorbimento può avvenire per diffusione facilitata (come nel caso del glucosio) o per trasporto attivo (come nel caso del fruttosio e del galattosio).

Glicolisi

Il glucosio, derivante dalla digestione, è la principale fonte di energia per gli organismi viventi. Attraverso la glicolisi (un processo catabolico), il glucosio è immediatamente coinvolto nella produzione dell'adenosintrifosfato (ATP). La glicolisi è sostanzialmente una reazione di ossidoriduzione. In una reazione...