Carbohidrați

Dezambiguizare - „Zuccheri” se referă aici. Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Zuccheri (dezambiguizare) .

Glucidele sau glucidele (din grecescul γλυκύς, adică „dulce”) sunt compuși chimici organici formați din atomi de carbon , hidrogen și oxigen . Se mai numesc carbohidrați ^[1] (din „ hidrați de carbon”) sau zaharide . Glucidele au numeroase funcții biologice , inclusiv cea de sursă de energie și transport de energie (de exemplu: amidon , glicogen ) și cea structurală (de celuloză la plante și cartilaj la animale ). De asemenea, joacă un rol fundamental în sistemul imunitar , fertilitatea și dezvoltarea biologică.

Clasificarea și structura chimică

Structura amilozei , o componentă a amidonului

Din punct de vedere chimic, carbohidrații sunt aldehide sau cetone la care s- au adăugat diferite grupări hidroxil , de obicei una pentru fiecare atom de carbon care nu face parte din grupul funcțional aldehidă sau cetonă. Carbohidrații cu greutate moleculară mai mare pot fi, prin urmare, considerați polihidroxialdehide sau polihidroxichetone . Majoritatea carbohidraților pot fi descriși prin formula C _n (H ₂ O) _n , unde n este un număr mai mare sau egal cu trei. Unele excepții sunt acizii uronici și deoxysugars , cum ar fi fucozei . Există mai multe clasificări ale zaharidelor. În funcție de numărul de unități repetitive care le compun, acestea pot fi împărțite în:

• monozaharide : formate dintr-o singură unitate repetitivă; acestea includ glucoză , galactoză , fructoză și dezoxiriboză ;
• oligozaharide : formate din câteva unități repetitive (în general de la 2 la 9);
  • dizaharide : formate din două unități repetate;
  • trizaharide : formate din trei unități care se repetă;
• polizaharide : formate din multe unități repetitive; acestea includ amidon (în general mai mult de 10 ^[2] ).

Unitățile oligozaharidelor și polizaharidelor sunt legate prin legături glicozidice . Carbohidrații sunt, de asemenea, împărțiți în:

• carbohidrați simpli: monozaharide și oligozaharide ;
• glucide complexe: polizaharide .

Monozaharidele și dizaharidele se mai numesc zaharuri . Prin extensie, multe biomolecule a căror structură este constituită dintr-un carbohidrat de care sunt legate alte grupe funcționale sunt numite și „carbohidrați”; unele exemple în acest sens sunt amino zaharurile (care corespund unui carbohidrat de care este legată o grupare amino ) și glicoproteinele (care constau dintr-un carbohidrat legat de o proteină).

Clasificarea monozaharidelor

Enantiomerii de glucoză , cu configurația D, L evidențiată

Monozaharidele sunt clasificate în funcție de trei caracteristici diferite:

• localizarea grupării lor carbonil ;
• numărul de atomi de carbon pe care îi conțin;
• chiralitatea lor.

Dacă gruparea carbonil este aldehidă, monozaharida este o aldoză ; dacă gruparea carbonil este cetonă, monozaharida este o cetoză . Monozaharidele cu trei atomi de carbon se numesc trioze , cu patru se numesc tetroze , cu cinci pentoze , cu șase hexoze și cu șapte heptoze . Aceste două sisteme de clasificare sunt adesea combinate. De exemplu, glucoza este o aldohexoză , riboza este o aldopentoză și fructoza este o cetohexoză . Fiecare atom de carbon care poartă o grupare hidroxil (-OH), cu excepția primului și ultimului carbon, este asimetric, cu stereocentri având două configurații posibile (R sau S). Datorită acestei simetrii, există un număr de izomeri pentru fiecare formulă monozaharidică . D-glucoză, de exemplu, are formula _(CH2 O) ₆ și patru din șase atomi de carbon sale sunt stereogenic, făcând un D-glucoză din 16 posibili stereoizomeri . În cazul gliceraldehidei , o aldotrioză , există o pereche de stereoizomeri posibili, care sunt enantiomeri și epimeri . 1-3-dihidroxiacetonă, cetoză care corespunde aldozei gliceraldehidă , este o moleculă simetrică fără stereocentri. Clasificarea în D sau L se face în funcție de orientarea carbonului asimetric cel mai îndepărtat de grupul aldehidă sau cetonică: într-o proiecție Fischer standard dacă gruparea hidroxil este în dreapta moleculei, zahărul are configurația D; dacă este în stânga, zahărul are configurație L. Zaharurile din seria D sunt cele cu relevanță biologică și în mod normal sunt menționate, prin urmare D este adesea omis.

Clasificarea polizaharidelor

Polizaharidele sunt împărțite în:

• omopolizaharide : constând din multe unități repetitive identice;
• heteropolizaharide : alcătuite din diferite unități care se repetă.

Celuloza și chitina sunt exemple de polizaharide. Alte polizaharide includ caloză , laminarină , xilan , manan , fucoidan și galactomanan .

Rolul biologic

Fibrele de bumbac reprezintă cea mai pură sursă de celuloză din natură, cu o concentrație mai mare de 90%.

Glucidele sunt cea mai comună sursă de energie în organismele vii, iar digestia lor necesită mai puțină apă decât cea a proteinelor sau a grăsimilor . Proteinele și grăsimile sunt componente structurale necesare țesuturilor și celulelor biologice și sunt, de asemenea, o sursă de energie pentru majoritatea organismelor. În special, monozaharidele sunt cea mai mare resursă pentru metabolism . Atunci când nu este nevoie imediată de monozaharide, acestea sunt adesea transformate în forme care economisesc mai mult spațiu, cum ar fi polizaharidele . La multe animale, inclusiv la oameni, această formă de stocare este glicogenul , situat în celulele hepatice și musculare . Plantele, pe de altă parte, folosesc amidonul ca rezervă. Alte polizaharide precum chitina , care contribuie la formarea exoscheletului artropodelor , îndeplinesc o funcție structurală. Polizaharidele reprezintă o clasă importantă de polimeri biologici. Funcția lor în organismele vii este de obicei structurală sau de stocare. Amidonul (un polimer de glucoză) este utilizat ca polizaharidă de depozitare în plante și se găsește atât în ​​forme de amiloză, cât și de amilopectină ramificată. La animale, polimerul de glucoză similar din punct de vedere structural este glicogenul cel mai dens ramificat, numit uneori „amidon animal”. Proprietățile glicogenului permit metabolizarea acestuia mai rapid, ceea ce se adaptează la viața activă a animalelor în mișcare. Cele mai frecvente forme de glicogen sunt glicogenul hepatic și glicogenul muscular . Glicogenul hepatic se găsește în ficat, este rezerva de zahăr și energie la animale și durează 24 de ore. Glicogenul muscular este rezerva de zahăr utilizată direct de celulele musculare fără a trece prin fluxul sanguin. Glicogenul hepatic, pe de altă parte, înainte de a ajunge la celule și, în special, la țesutul muscular, trebuie eliberat în sânge. Glucoza este relevantă în producția de mucină , un biofilm protector al ficatului și intestinului. Ficatul trebuie să aibă o sănătate excelentă pentru a sintetiza glucoza lipsă din proteine, așa cum este necesar în dietele cu conținut scăzut de carbohidrați . Celuloza se găsește în pereții celulari și în alte organisme și se crede că este cea mai abundentă moleculă organică de pe Pământ. Structura chitinei este similară, are lanțuri laterale care conțin azot , crescându-i rezistența. Se găsește în exoscheletele artropodelor și în pereții celulari ai unor ciuperci .

Rolul în nutriție

O dietă complet fără carbohidrați poate duce la cetoză . Cu toate acestea, creierul are nevoie de glucoză pentru a obține energie. Carbohidrații furnizează 3,75 kcal pe gram, proteinele 4 kcal pe gram, în timp ce grăsimile furnizează 9 kcal pe gram. Cu toate acestea, în cazul proteinelor, aceste informații sunt înșelătoare, deoarece doar unii dintre aminoacizii pot fi folosiți pentru energie. La fel, la om, doar unii carbohidrați pot furniza energie, printre care se numără multe monozaharide și unele dizaharide . Alte tipuri de carbohidrați pot fi, de asemenea, digerate, dar numai cu ajutorul bacteriilor intestinale. Glucidele complexe care nu pot fi asimilate de oameni, cum ar fi celuloza, hemicelulozele și pectina , sunt o componentă importantă a fibrelor dietetice . ^[3] Alimentele bogate în carbohidrați sunt pâinea, pastele, leguminoasele, cartofii, tărâțele, orezul și cerealele. Majoritatea acestor alimente sunt bogate în amidon . ^[3] FAO ( Organizația pentru Alimentație și Agricultură) și OMS ( Organizația Mondială a Sănătății ) recomandă ingerarea a 55-75% din energia totală din carbohidrați, dar doar 10% din zaharurile simple. Indicele glicemic și sarcina glicemică sunt concepte dezvoltate pentru a analiza comportamentul alimentelor în timpul digestiei . Acestea clasifică alimentele bogate în carbohidrați pe baza ratei efectului lor asupra nivelului de glucoză din sânge . Indicele de insulină este o clasificare similară, mai recentă, care clasifică alimentele pe baza efectului său asupra nivelului de insulină din sânge cauzat de diverși macronutrienți, în special carbohidrați și anumiți aminoacizi găsiți în alimente. Indicele glicemic este o măsură a vitezei de absorbție a carbohidraților din alimente, în timp ce încărcarea glicemică este măsura care determină impactul unei cantități date de carbohidrați într-o masă.

Metabolism

Principalele căi metabolice ale monozaharidelor sunt:

• Glicoliză : proces prin care o moleculă de glucoză este transformată în două molecule de piruvat cu eliberare de energie sub formă de 2 molecule de ATP și cu reducerea a două molecule de NAD ⁺ la NADH + H ⁺ .
• Ciclul Krebs : proces continuu care vizează dezorganizarea celor doi atomi de carbon prezenți în acetil-CoA (rezultatul acțiunii piruvat dehidrogenazei asupra piruvatului) în două molecule de dioxid de carbon cu eliberare de energie sub formă de 3 NADH + 3 H ⁺ , 1 FAD H ₂ și 1 GTP (ușor convertibil în ATP prin acțiunea enzimei nucleozid difosfat kinazei ).
• Calea fosfogluconatului : un proces paralel cu glicoliza pentru a furniza organismului riboză-5-fosfat și NADPH .

Oligozaharidele și polizaharidele sunt descompuse mai întâi în monozaharide de către enzime numite „ glicozidaze ” și apoi catabolizate individual. În unele cazuri, cum ar fi celuloza , legătura glicozidică este deosebit de dificil de descompus și, prin urmare, sunt necesare enzime specifice (în acest caz celulază ) fără de care este imposibilă catabolizarea acestor zaharuri.

Reducerea și oxidarea carbohidraților

Deși există predominant sub formă hemiacetală ciclică, carbohidrații sunt în echilibru cu forma lor cu lanț deschis. Acest lucru face ca grupul aldehidă să fie supus reacțiilor de reducere , de obicei folosind hidrogenare catalitică sau tetrahidroborat de sodiu . O aplicație a acestei reacții constă în sinteza îndulcitorului sorbitol , obținut din reducerea D-glucozei:

Funcția aldehidă este, de asemenea, supusă oxidării , de exemplu cu brom, formând compușii cunoscuți sub numele de acizi aldonici . Folosind condiții de oxidare mai drastice, de exemplu prin utilizarea de acid azotic , este de asemenea posibil să se oxideze terminalul _CH2 gruparea OH, producând acizi aldaric . Acizii aldonici și aldarici tind să existe în principal sub formă de lactone . În cele din urmă, este posibil ca numai oxidarea terminalului _CH2 gruparea OH are loc cu gruparea -CHO rămânând neschimbată, producând acizi uronici . Formarea acestui tip de compuși are loc în principal biochimic prin acțiunea enzimelor , deoarece oxidarea grupului aldehidă este favorizată cu reactanții chimici. Un exemplu de acid uronic îl reprezintă acidul glucuronic , obținut prin oxidarea D-glucozei și care joacă un rol important în excreția substanțelor toxice prin urină. În general, zaharurile susceptibile la oxidare sunt denumite zaharuri reducătoare . Toate acele zaharuri al căror carbon anomeric nu este angajat într-o legătură stabilă se reduc, ca în cazul glicozidelor și dizaharidelor, cum ar fi zaharoza . În plus față de aldoze , cetozele sunt și zaharuri reducătoare, deoarece au și o funcție aldehidă în urma unui echilibru cu un intermediar enediol ( diol cu o legătură dublă, RC (OH) (CHOH)). Reactivii lui Benedict și Fehling sunt utilizați în mod obișnuit în practica de laborator pentru determinarea proprietăților reducătoare ale zaharurilor.

Scindarea oxidativă

Oxidarea cu acid periodic merită o mențiune separată, deoarece acesta din urmă provoacă, de asemenea, o divizare a moleculei de carbohidrați. Reacția, utilizată pentru a determina structura carbohidraților, implică ruperea legăturii CC a unui 1,2- diol cu formarea a două cetone :

R ₂ (HO) CC (OH) R ' ₂ + HIO ₄ → R ₂ C = O + R' ₂ C = O + HIO ₃ + H ₂ O

sau a unui compus α-hidroxi carbonilic cu formarea unui acid carboxilic și a unei cetone:

RC (O) -C (OH) R ' ₂ + HIO ₄ → RCO ₂ H + R' ₂ C = O + HIO ₃

Când există trei atomi de carbon adiacenți legați de grupările OH, reacția consumă doi moli de acid periodic, iar carbonul central este oxidat în acid formic (HCO ₂ H):

R ₂ (OH) CC (OH) -C (OH) R ' ₂ + 2 HIO ₄ → R ₂ C = O + HCO ₂ H + R' ₂ C = O + 2 HIO ₃

Legătura evidențiată cu cratima este cea care suferă împărțirea.

Formarea hemiacetală

Acest articol sau secțiune referitoare la chimie este considerat a fi verificat . Motiv : relevanța dintre titlu și conținutul secțiunii nu este clară. Alăturați-vă discuției și / sau corectați intrarea. Urmați sfaturile de proiectare de referință .

Grupul aldehidă sau cetonă al unui lanț liniar al unei monozaharide va reacționa reversibil cu o grupare hidroxil pe un alt atom de carbon pentru a forma un semiacetal sau un semicetal , formând un inel heterociclic cu o punte de oxigen între cei doi atomi de carbon. Inelele cu cinci sau șase atomi se numesc furanoză și piranoză și există în echilibru cu forma lanțului deschis. În timpul conversiei de la forma lanțului deschis la forma ciclică, atomul de carbon care conține oxigenul carbonilic, numit carbon anomeric , devine un centru chiral cu două configurații posibile: atomul de oxigen poate lua poziția deasupra sau sub planul inelului . Cei doi posibili stereoizomeri rezultați sunt numiți anomeri . În anomerul a, -OH care inlocuieste carbonul anomeric este pe partea opusă (trans) a inelului (conform _CH2OH). Forma alternativă dă anomerul β. Deoarece inelul și lanțul deschis se formează rapid, ambii anomeri există la echilibru .

Anomalia se dovedește a fi foarte importantă atunci când zaharurile reacționează formând molecule mari precum polizaharidele sau oligozaharidele prin legături numite glucozide. O monozaharidă poate fi legată chimic de o altă monozaharidă prin legătura care se formează între un carbon anomeric al unuia și grupul hidroxil al celuilalt. Distincția dintre legătura α-glucozidică și legătura β-glucozidică este foarte importantă deoarece în sistemul nostru digestiv există enzime numite α-amilaze capabile să împartă doar legătura α și nu cea β. De exemplu, amidonul are legături α-glucozidice care pot fi dizolvate de enzimele salivare și pancreatice; celuloza, care la fel ca amidonul este un polimer de glucoză, are legături β-glucozidice care nu pot fi atacate de enzimele umane.

• 

  α- D - Glucopiranoză

• 

  β- D - Glucopiranoză

Mutarotația este un fenomen, legat tocmai de stabilirea unui echilibru între anomeri, care constă în variația puterii de rotație a carbohidraților observată în soluția lor.

Glicozide

Același subiect în detaliu: Glicozidă .

Când un hemiacetal reacționează cu funcția alcoolică a unui alt compus chimic , se obține o glicozidă. Partea ne-zahărită a compusului obținut se numește agliconă . Glicozidele, prin angajarea carbonului anomeric în formarea unei legături eterice stabile, spre deosebire de zaharurile originale, nu prezintă mutare . Acestea sunt supuse hidrolizei prin acțiunea acizilor în soluție apoasă .

Glicozidele reprezintă o clasă de substanțe care sunt răspândite în natură și mai multe dintre ele posedă proprietăți farmacologice.

Sinteza Kiliani-Fischer

Același subiect în detaliu: sinteza Kiliani-Fischer .

Sinteza Kiliani-Fischer permite omologarea carbohidraților, adică permite alungirea lanțului. Se realizează prin reacția zahărului de pornire cu o cianură , de obicei NaCN , care produce un adaos nucleofil la gruparea carbonil prin adăugarea unei noi grupări nitril (-C≡N) și generarea a doi epimeri . Nitrilul este transformat ulterior în acid carboxilic la hidroliză , iar acesta formează o lactonă . În acest moment, diastereomerul de interes este separat și supus reducerii cu amalgam de sodiu . În acest fel se obține un zahăr nou care diferă de zahărul de pornire prin prezența unui atom de carbon suplimentar, fără a modifica stereochimia celorlalți atomi de carbon chirali .

Utilizări

Multe zaharuri, inclusiv zaharoza (care se numește „zahăr” prin excelență ^[3] ) și fructoza , sunt folosite pentru hrană. În special, zaharoza este extrasă din trestie de zahăr și sfeclă de zahăr .

Celuloza joacă un rol semnificativ în industria textilă și a hârtiei și este utilizată ca materie primă pentru producția de raion , acetat de celuloză , celuloid și nitroceluloză .

Chitina are multe utilizări, inclusiv sutura chirurgicală.

Notă

Bibliografie

• TW Graham Solomons, Organic Chemistry , ediția a II-a, Bologna, Zanichelli, 2001, pp. 901-938, ISBN 88-08-09414-6 .
• (EN) David Briggs, Mark Wahlqvist, Visionary Voyager, Food Facts - Carbohydrate , Penguin Books, 1998.

Elemente conexe

• Zahăr
• Calculul glucidelor

Alte proiecte

• Wikicitată conține citate despre carbohidrați
• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre carbohidrați

linkuri externe

• Glucidi , pe Treccani.it - ​​Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
• ( EN ) Glucidi , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Experiențe de laborator - Glucide , pe itchiavari.org .
• Lidia Baratta, Diete fără pâine și paste Puțini carbohidrați și memorie se estompează , pe salute24.ilsole24ore.com , Il Sole 24 Ore , 16 decembrie 2008. Accesat la 19 septembrie 2020 (arhivat din original la 8 iulie 2012) .

Portalul de biologie

Portalul chimiei