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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
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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
CH2OH
D-glucosio
CH2OH
C O
chetoso
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
D-fruttosio
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La formula empirica dei carboidrati è Cn(H2O)n
Monosaccaridi
n = 3 (triosi)
H
O
H
C
HO C H
H C OH
CH2OH
CH2OH
D-gliceraldeide
O
C
L-gliceraldeide
diidrossiacetone
aldoso
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
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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
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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
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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
β-D-glucosio
Il C1 diventa asimmetrico
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β-D-glucosio
α-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)
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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
b) una sostanza non glucidica (aglicone)
disaccaride
glicoside
metil β-D-glucosio
Saccarosio, un disaccaride
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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
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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
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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)
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Polisaccaridi
Omopolisaccaridi
formati da un solo tipo
di monosaccaride
Strutturali
(cellulosa, chitina)
Disponibili (amido)
Struttura chimica
Funzione
Aspetti nutrizionali
Eteropolisaccaridi
formati da diversi tipi
di monosaccaridi
Di riserva
(amido,
glicogeno)
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)
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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 20-25
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
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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
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Fibre alimentari
TIPO DI FIBRA
PRINCIPALE FONTE ALIMENTARE
Cellulosa
Prodotti integrali a base di cereali
Crusca
Grano intero
Non digeribile
Insolubile in acqua
Assorbe acqua
Emicellulosa
Prodotti integrali a base di cereali
Frutta e verdura
Grano intero
Parzialmente digeribile
Insolubile in acqua
Assorbe acqua
Lignina
Verdura
Non digeribile
Insolubile in acqua
Assorbe sostanze organiche
Pectina
Frutta (mele e agrumi)
Non digeribile
Solubile in acqua
Legumi
Digeribili
Mucillaginose
Crusca di avena
Solubili in acqua
Mucillaginose
Gomme
PROPRIETA' CHIMICHE
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
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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
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I carboidrati, da un punto di vista fisiologico possono essere distinti in:
Disponibili o
digeribili
carboidrati
semplici
xilosio - lattulosio
raffinosio - stachioso
glucosio - fruttosio
saccarosio - maltosio
Disponibili o
digeribili
Amido
Non disponibili o
non digeribili
carboidrati
complessi
Non disponibili o
non digeribili
Fibra
alimentare
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Funzioni dei carboidrati nell’uomo
PLASTICA
ENERGETICA
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
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
acqua e CO2 senza formazione di scorie e residui tossici
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)
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I carboidrati nella dieta
Una dieta equilibrata deve prevedere una quota di carboidrati
pari al 50-60% Esempio: su una dieta di 2000 calorie, 275 g è la dose appropriata
54g di carboidrati
80 g pane
80g di carboidrati
100g riso
20 g di carboidrati
40 g di fagioli secchi
25g di carboidrati
4-5 fette biscottate
9 g di carboidrati
300 g di spinaci
44 g di carboidrati
400 g di mele 10 g di carboidrati
45 g di carboidrati
250 g di patate
10 g di zucchero
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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
362 minuti
343 minuti
5 gelatine di frutta
tracce proteine
tracce grassi
92g carboidrati
39 minuti
10g di zucchero
10g carboidrati
100 g di riso
7 g proteine
0.4 g grassi
80 g carboidrati
542 minuti
100 g di cioccolato
fondente
6.6g proteine
34 g grassi
50 g carboidrati
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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
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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
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