CARBOIDRATI: STRUTTURA CHIMICA, CLASSIFICAZIONE E FUNZIONI - BIOLOGIA - 2025

I carboidrati , carboidrati o saccaridi, sono molecole organiche che immagazzinano energia negli esseri viventi. Sono le biomolecole più abbondanti e includono: zuccheri, amidi e cellulosa, tra gli altri composti presenti negli organismi viventi.

Gli organismi che svolgono la fotosintesi (piante, alghe e alcuni batteri) sono i principali produttori di carboidrati in natura. La struttura di questi saccaridi può essere lineare o ramificata, semplice o composta, e possono anche associarsi a biomolecole di un'altra classe.

Ad esempio, i carboidrati possono legarsi alle proteine ​​per formare glicoproteine. Possono anche associarsi a molecole lipidiche, formando così i glicolipidi, le biomolecole che formano la struttura delle membrane biologiche. I carboidrati sono presenti anche nella struttura degli acidi nucleici.

Inizialmente, i carboidrati sono stati riconosciuti come molecole di immagazzinamento dell'energia cellulare. Successivamente, sono state determinate altre importanti funzioni che i carboidrati svolgono nei sistemi biologici.

Tutti gli esseri viventi hanno le loro cellule coperte da uno strato denso di carboidrati complessi. I carboidrati sono costituiti da monosaccaridi, piccole molecole composte da tre a nove atomi di carbonio attaccati a gruppi idrossilici (-OH), che possono variare in dimensione e configurazione.

Una proprietà importante dei carboidrati è l'enorme diversità strutturale all'interno di questa classe di molecole, che consente loro di svolgere un'ampia gamma di funzioni come la generazione di molecole di segnalazione cellulare, la formazione di tessuti e la generazione dell'identità di diversi gruppi sanguigni negli esseri umani.

Allo stesso modo, la matrice extracellulare negli eucarioti superiori è ricca di carboidrati secreti, essenziali per la sopravvivenza e la comunicazione cellulare. Questi meccanismi di riconoscimento cellulare sono sfruttati da una varietà di agenti patogeni per infettare le loro cellule ospiti.

I monosaccaridi possono essere collegati da legami glicosidici per formare un'ampia varietà di carboidrati: disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. Lo studio della struttura e della funzione dei carboidrati nei sistemi biologici è chiamato glicobiologia.

Struttura chimica

I carboidrati sono costituiti da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. La maggior parte di questi può essere rappresentata dalla formula empirica (CH2O) n, dove n è il numero di atomi di carbonio nella molecola. In altre parole, il rapporto tra carbonio, idrogeno e ossigeno è 1: 2: 1 nelle molecole di carboidrati.

Questa formula spiega l'origine del termine "carboidrato" poiché i componenti sono atomi di carbonio ("carbo") e atomi di acqua (quindi "idrato"). Sebbene i carboidrati siano costituiti principalmente da questi tre atomi, ci sono alcuni carboidrati con azoto, fosforo o zolfo.

Nella loro forma base, i carboidrati sono zuccheri semplici o monosaccaridi. Questi zuccheri semplici possono combinarsi tra loro per formare carboidrati più complessi.

La combinazione di due zuccheri semplici è un disaccaride. Gli oligosaccaridi contengono da due a dieci zuccheri semplici ei polisaccaridi sono i carboidrati più grandi, composti da più di dieci unità monosaccaridiche.

La struttura dei carboidrati determina come l'energia viene immagazzinata nei loro legami durante la loro formazione mediante la fotosintesi, e anche come questi legami vengono rotti durante la respirazione cellulare.

Classificazione

monosaccaridi

I monosaccaridi sono le unità elementari dei carboidrati, motivo per cui sono la struttura più semplice di un saccaride. Fisicamente, i monosaccaridi sono solidi cristallini incolori. La maggior parte ha un sapore dolce.

Da un punto di vista chimico, i monosaccaridi possono essere aldeidi o chetoni, a seconda di dove si trova il gruppo carbonile (C = O) nei carboidrati lineari. Strutturalmente, i monosaccaridi possono formare catene diritte o anelli chiusi.

Poiché i monosaccaridi possiedono gruppi idrossilici, la maggior parte sono solubili in acqua e insolubili in solventi non polari.

A seconda del numero di atomi di carbonio nella sua struttura, un monosaccaride avrà nomi diversi, ad esempio: triosio (se ha 3 atomi di C), pentoso (se ha 5C) e così via.

disaccaridi

I disaccaridi sono doppi zuccheri che si formano riunendo due monosaccaridi in un processo chimico chiamato sintesi di disidratazione, perché una molecola di acqua viene persa durante la reazione. È anche noto come reazione di condensazione.

Pertanto, un disaccaride è qualsiasi sostanza composta da due molecole di zuccheri semplici (monosaccaridi) legate tra loro tramite un legame glicosidico.

Gli acidi hanno la capacità di rompere questi legami, per questo motivo i disaccaridi possono essere digeriti nello stomaco.

I disaccaridi sono generalmente solubili in acqua e dolci se ingeriti. I tre disaccaridi principali sono il saccarosio, il lattosio e il maltosio: il saccarosio nasce dall'unione di glucosio e fruttosio; il lattosio deriva dall'unione di glucosio e galattosio; e il maltosio deriva dall'unione di due molecole di glucosio.

oligosaccaridi

Gli oligosaccaridi sono polimeri complessi costituiti da poche unità zuccherine semplici, cioè da 3 a 9 monosaccaridi.

La reazione è la stessa che forma i disaccaridi, ma provengono anche dalla scomposizione di molecole di zucchero più complesse (polisaccaridi).

La maggior parte degli oligosaccaridi si trovano nelle piante e agiscono come fibra solubile, che può aiutare a prevenire la stitichezza. Tuttavia, la maggior parte degli esseri umani non ha gli enzimi per digerirli, ad eccezione del maltotriosio.

Per questo motivo, gli oligosaccaridi che non vengono inizialmente digeriti nell'intestino tenue possono essere scomposti da batteri che normalmente popolano l'intestino crasso attraverso un processo di fermentazione. I prebiotici svolgono questa funzione, fungendo da alimento per i batteri benefici.

I polisaccaridi

I polisaccaridi sono i più grandi polimeri saccaridici, sono costituiti da più di 10 (fino a migliaia) unità monosaccaridiche disposte in modo lineare o ramificato. Le variazioni nella disposizione spaziale sono ciò che conferisce a questi zuccheri le loro molteplici proprietà.

I polisaccaridi possono essere composti dallo stesso monosaccaride o da una combinazione di diversi monosaccaridi. Se sono formati da unità ripetitive dello stesso zucchero, vengono chiamati omopolisaccaridi come il glicogeno e l'amido, che sono rispettivamente i carboidrati di immagazzinamento degli animali e delle piante.

Se il polisaccaride è costituito da unità di diversi zuccheri, vengono chiamati eteropolisaccaridi. La maggior parte contiene solo due unità diverse e sono solitamente associate a proteine ​​(glicoproteine, come la gamma globulina nel plasma sanguigno) o lipidi (glicolipidi, come i gangliosidi).

Caratteristiche

Le quattro funzioni principali dei carboidrati sono: fornire energia, immagazzinare energia, costruire macromolecole e prevenire la scomposizione di proteine ​​e grassi.

I carboidrati vengono scomposti attraverso la digestione in zuccheri semplici. Questi vengono assorbiti dalle cellule dell'intestino tenue e vengono trasportati a tutte le cellule del corpo dove verranno ossidati per ottenere energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP).

Le molecole di zucchero che non vengono utilizzate nella produzione di energia in un dato momento vengono immagazzinate come parte di polimeri di riserva come il glicogeno e l'amido.

I nucleotidi, le unità fondamentali degli acidi nucleici, hanno molecole di glucosio nella loro struttura. Diverse proteine ​​importanti sono associate a molecole di carboidrati, ad esempio: l'ormone follicolo stimolante (FSH), che è coinvolto nel processo di ovulazione.

Poiché i carboidrati sono la principale fonte di energia, la loro rapida degradazione impedisce che altre biomolecole vengano degradate per produrre energia. Pertanto, quando i livelli di zucchero sono normali, proteine ​​e lipidi sono protetti dalla degradazione.

Alcuni carboidrati sono solubili in acqua, funzionano come alimento base in quasi tutti e l'ossidazione di queste molecole è la principale via di produzione di energia nella maggior parte delle cellule non fotosintetiche.

I carboidrati insolubili si associano per formare strutture più complesse che fungono da protezione. Ad esempio: la cellulosa forma il muro delle cellule vegetali insieme all'emicellulosa e alla pectina. La chitina forma la parete cellulare dei funghi e l'esoscheletro degli artropodi.

Inoltre, il peptidoglicano forma la parete cellulare di batteri e cianobatteri. Il tessuto connettivo animale e le articolazioni scheletriche sono costituiti da polisaccaridi.

Molti carboidrati sono legati covalentemente a proteine ​​o lipidi formando strutture più complesse, chiamate collettivamente glicoconiugati. Questi complessi agiscono come tag che determinano la posizione intracellulare o il destino metabolico di queste molecole.

Alimenti che contengono carboidrati

I carboidrati sono una componente essenziale di una dieta sana, in quanto sono la principale fonte di energia. Tuttavia, alcuni alimenti hanno carboidrati più sani che offrono una maggiore quantità di nutrienti, ad esempio:

amidi

I cibi ricchi di amido sono la principale fonte di carboidrati. Questi amidi sono generalmente carboidrati complessi, cioè sono costituiti da molti zuccheri uniti tra loro per formare una lunga catena molecolare. Per questo motivo, gli amidi impiegano più tempo a digerire.

Esiste un'ampia gamma di alimenti che contengono amidi. I cereali includono cibi ad alto contenuto di amido, ad esempio: fagioli, lenticchie e riso. I cereali contengono anche questi carboidrati, ad esempio: avena, orzo, grano e loro derivati ​​(farine e pasta).

I legumi e le noci contengono anche carboidrati sotto forma di amidi. Inoltre, anche verdure come: patate, patate dolci, mais e zucca sono ricche di contenuto di amido.

È importante sottolineare che molti carboidrati sono una fonte di fibre. In altre parole, la fibra è fondamentalmente un tipo di carboidrato che il corpo può digerire solo parzialmente.

Simile ai carboidrati complessi, le fibre di carboidrati tendono a essere digerite lentamente.

Frutta e verdura

Frutta e verdura sono ricche di carboidrati. A differenza degli amidi, frutta e verdura contengono carboidrati semplici, cioè carboidrati con uno o due saccaridi attaccati l'uno all'altro.

Questi carboidrati, essendo semplici nella loro struttura molecolare, vengono digeriti più facilmente e rapidamente di quelli complessi. Questo dà un'idea dei diversi livelli e tipi di carboidrati negli alimenti.

Pertanto, alcuni frutti hanno più contenuto di carboidrati per porzione, ad esempio: banane, mele, arance, meloni e uva hanno più carboidrati di alcune verdure come spinaci, broccoli e cavoli, carote, funghi e melanzane.

latte

Simile a frutta e verdura, i latticini sono alimenti che contengono carboidrati semplici. Il latte ha il suo zucchero chiamato lattosio, un disaccaride dal sapore dolce. Una tazza equivale a circa 12 grammi di carboidrati.

Esistono molte versioni di latte e yogurt in commercio. Indipendentemente dal fatto che tu stia consumando una versione intera o a ridotto contenuto di grassi di un particolare caseificio, la quantità di carboidrati sarà la stessa.

I dolci

I dolci sono un'altra ben nota fonte di carboidrati. Questi includono zucchero, miele, caramelle, bevande artificiali, biscotti, gelati e molti altri dessert. Tutti questi prodotti contengono alte concentrazioni di zuccheri.

D'altra parte, alcuni alimenti trasformati e raffinati contengono carboidrati complessi, ad esempio: pane, riso e pasta bianca. È importante notare che i carboidrati raffinati non sono nutrienti come i carboidrati presenti nella frutta e nella verdura.

Metabolismo dei carboidrati

Il metabolismo dei carboidrati è l'insieme delle reazioni metaboliche che coinvolgono la formazione, la degradazione e la conversione dei carboidrati nelle cellule.

Il metabolismo dei carboidrati è altamente conservato e può essere osservato anche dai batteri, il principale esempio è il Lac Operon di E. coli.

I carboidrati sono importanti in molte vie metaboliche, inclusa la fotosintesi, la più importante reazione di formazione dei carboidrati in natura.

Dall'anidride carbonica e dall'acqua, le piante utilizzano l'energia del sole per sintetizzare le molecole di carboidrati.

Da parte loro, le cellule animali e fungine scompongono i carboidrati, consumati nei tessuti vegetali, per ottenere energia sotto forma di ATP attraverso un processo chiamato respirazione cellulare.

Nei vertebrati, il glucosio viene trasportato in tutto il corpo attraverso il sangue. Se le riserve di energia cellulare sono basse, il glucosio viene scomposto attraverso una reazione metabolica chiamata glicolisi per produrre energia e alcuni intermedi metabolici.

Le molecole di glucosio non necessarie per la produzione di energia immediata vengono immagazzinate come glicogeno nel fegato e nei muscoli, attraverso un processo chiamato glicogenesi.

Alcuni carboidrati semplici hanno i loro percorsi di degradazione, come alcuni dei carboidrati più complessi. Il lattosio, ad esempio, richiede l'azione dell'enzima lattasi, che rompe i suoi legami e rilascia i suoi monosaccaridi fondamentali, glucosio e galattosio.

Il glucosio è il principale carboidrato consumato dalle cellule, costituisce circa l'80% delle fonti energetiche.

Il glucosio viene distribuito alle cellule, dove può entrare attraverso trasportatori specifici per essere degradato o immagazzinato come glicogeno.

A seconda dei requisiti metabolici di una cellula, il glucosio può essere utilizzato anche per sintetizzare altri monosaccaridi, acidi grassi, acidi nucleici e alcuni amminoacidi.

La funzione principale del metabolismo dei carboidrati è mantenere il controllo dei livelli di zucchero nel sangue, questo è ciò che è noto come omeostasi interna.

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