LA CHIMICA DEI GLUCIDI

LA CHIMICA DEI GLUCIDI
1.1 La classificazione chimica dei glucidi
GLUCIDI
(sono comunemente chiamati zuccheri)
Si dividono in:
COMPLESSI
SEMPLICI
Sono chiamati
Sono chiamati
MONOSACCARIDI
DISACCARIDI
Sono formati
OLIGOSACCARIDI
Sono formati
da una sola molecola di
glucide
da due molecole di glucide
legate insieme
POLISACCARIDI
Sono formati
da tre a dieci molecole di
glucide legate insieme
da più di dieci molecole di
glucide legate insieme
esempio
esempio
glucosio e fruttosio
saccarosio
esempio
ciclodestrina
I glucidi chimicamente sono classificati come composti ternari in quanto
nella loro molecola sono presenti solo tre tipi di elementi chimici:
CARBONIO, IDROGENO E OSSIGENO
esempio
amido
1.2 La formazione del glucosio per fotosintesi clorofilliana
La reazione principale per la formazione di glucosio è la reazione di fotosintesi clorofilliana. Tale reazione è prodotta dagli organismi
vegetali. La reazione di fotosintesi può essere schematizzata così:
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA GLUCOSIO + OSSIGENO
Chimicamente la reazione ha questa struttura:
6CO2 + 6H2O
luce
C6H12O6 + 6O2
La luce funge da attivante della reazione, cioè rappresenta la componente che innesca la reazione. La luce solare viene captata e
catturata da una molecola presente nei vegetali chiamata clorofilla.
FOTO
SINTESI CLOROFILLIANA
Per avvenire la reazione ha
bisogno di luce
La molecola che capta la luce si chiama
clorofilla, da questo clorofilliana
Per sintesi in chimica si intende una
reazione che forma molecole grandi
partendo da molecole piccole. Anidride
carbonica e acqua sono molecole piccole
mentre il glucosio è una molecola grande
1.3 La struttura chimica dei monosaccaridi
GLUCOSIO e FRUTTOSIO
Il glucosio e il fruttosio sono due monosaccaridi che hanno come formula bruta C6H12O6 questo significa che nella molecola
sono presenti 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno.
GLUCOSIO
FRUTTOSIO
Come si può notare dalle formule di struttura scritte sopra, il glucosio e il fruttosio presentano due strutture diverse.
Ricapitolando il glucosio e il fruttosio possiedono stessa formula bruta ma diversa formula di struttura, molecole che presentano
questa caratteristica prendono il nome di ISOMERI
Analizzando ancora meglio le due strutture possiamo notare che le molecole presentano maggiore differenza nelle parti cerchiate
questi due gruppi di elementi sono quelli che caratterizzano le due molecole, cioè sono i gruppi responsabili delle principali
caratteristiche chimiche delle due molecole. In generale i gruppi di atomi all’interno di una molecola che ne determinano le
principali caratteristiche chimico-fisiche prendono il nome di GRUPPI FUNZIONALI.
Il gruppo funzionale che caratterizza la molecola di glucosio prende il nome di GRUPPO FUNZIONALE ALDEIDICO mentre quello
che caratterizza il fruttosio prende il nome di GRUPPO FUNZIONALE CHETONICO.
Le due molecole inoltre presentano entrambe un altro tipo di gruppo funzionale: GRUPPO FUNZIONALE OSSIDRILE .
N.B- Tutti gli OH presenti nella molecola sono gruppi funzionali ossidrilici
Il glucosio viene definito ALDOESOSO in quanto è formato da 6 atomi di C nella catena principale e presenta un gruppo aldeidico
Il fruttosio viene definito CHETOESOSO in quanto è formato da 6 atomi di C nella catena principale presenta un gruppo chetonico
R’
GRUPPO FUNZIONALE
OSSIDRILE
GRUPPO FUNZIONALE
ALDEIDICO
GRUPPO FUNZIONALE
CHETONICO
R
R
Possiamo scrivere la struttura generica dei due gruppi funzionali che caratterizzano le due molecole.
Gruppo funzionale aldeidico
Gruppo funzionale chetonico
La R e R’ prendono il nome di RADICALI e indicano un parte di molecola più o meno grande, nel caso
del glucosio e del fruttosio sono le parti cerchiate in verde.
Le formule di struttura del Glucosio e del Fruttosio riportate precedentemente, sono strutture bidimensionali che servono
“solo”a studiare alcune caratteristiche strutturali della molecola, come ad esempio il numero di legami, l’accoppiamento
degli atomi ecc. Il realtà le due molecole presentano una struttura tridimensionale semiciclica (o emiciclica) che può
essere rappresentata con le seguenti strutture:
GLUCOSIO
FRUTTOSIO
Le due strutture semicicliche, riportate sopra, hanno una forte instabilità dovuta alle interazioni che si instaurano tra gli
elementi che formano le molecole quando si trovano i questa forma. La forte instabilità genera una modifica della
struttura della molecola in modo da assumere una struttura più stabile. In parole povere si avrà, all’interno della
molecola lo spostamento di alcuni elementi chimici da una posizione ad un’altra, generando in questo modo strutture
più stabili.
Per entrambe le molecole la struttura più stabile è una struttura ciclica, il processo che porta al passaggio dalla
struttura semiciclica alla struttura ciclica prende il nome di CICLIZZAZIONE.
1.4 Processo di ciclizzazione del glucosio
Schematizziamo il processo di ciclizzazione per punti:
2
3
4
1
1. Si rompe uno dei due legami tra C e O del gruppo funzionale
aldeidico;
2. Si rompe il legame tra O e H del gruppo funzionale ossidrile
legato al carbonio terminale opposto al gruppo funzionale
aldeidico
3. L’idrogeno (H) si sposta e si lega con l’ossigeno (O) del gruppo
aldeidico
4. L’ossigeno rimasto privo dell’idrogeno (cioè quello in rosso) si
lega al carbonio del gruppo funzionale aldeidico formando in
questo modo una struttura ciclica a sei lati.
La struttura ciclica del Glucosio ha una forma molto simile alla molecola del PIRANO per questo motivo la struttura ciclica del glucosio
è chiamata struttura PIRANOSICA
Il processo di ciclizzazione del Glucosio si schematizza in questo modo:
α-GLUCOSIO
Quando si rappresenta una struttura
ciclica se nei vertici sono presenti atomi
di carbonio non si scrive nulla, se invece
L’atomo è diverso dal carbonio allora si indica
(vedi in questo caso l’ossigeno O)
β-GLUCOSIO
Come si può vedere le due strutture cicliche differiscono solo per la posizione del gruppo ossidrile (OH) nel carbonio 1.
La prima struttura (quella in alto) ha il gruppo ossidrile in posizione perpendicolare all’esagono (se si considera
l’esagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova sotto il tavolo) questa posizione si chiama : posizione ASSIALE.
La seconda struttura (quella in basso) ha il gruppo ossidrile parallelo all’esagono (se si considera l’esagono poggiato su
un tavolo il gruppo ossidrile si trova a fianco al tavolo) questa posizione si chiama : posizione EQUATORIALE.
La prima struttura , cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione assiale prende il nome di α-GLUCOSIO
La seconda struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione equatoriale prende il nome di β-GLUCOSIO
Il Glucosio quando si trova in soluzione (disciolto in acqua) non assume una struttura definita, ma passa continuamente dalla struttura
α-GLUCOSIO alla struttura β-GLUCOSIO e viceversa passando sempre per la struttura intermedia che è la struttura semiciclica.
Si può schematizzare così:
α-GLUCOSIO
STRUTTURA SEMICICLICA
β-GLUCOSIO
Questo processo prende il nome di MUTAROTAZIONE.
Tra le due strutture (α-GLUCOSIO e β-GLUCOSIO) la struttura β-GLUCOSIO è la più stabile. Questo si capisce facilmente osservando
la struttura delle molecole:
α-GLUCOSIO
β-GLUCOSIO
Nell’ α-GLUCOSIO ci sono due gruppi ossidrili vicini (cerchiati in rosso) che tendono a respingersi uno con l’altro creando una forte instabilità,
Mentre nel β-GLUCOSIO i due gruppi ossidrili (cerchiati in rosso) si trovano lontani uno dall’altro e non interagiscono rendendo la struttura
più stabile.
L’interazione di gruppi all’interno di una struttura molecolare, dovuto principalmente allo spazio a disposizione rispetto alla dimensione
dei gruppi stessi prende il nome di INGOMBRO STERICO.
Le due strutture cicliche (α-GLUCOSIO e β-GLUCOSIO) sono due isomeri che differiscono soltanto per la posizione di un gruppo
Ossidrile.
In generale due strutture di una stessa molecola che differiscono solo per la posizione di un gruppo funzionale prendono il
nome di ANOMERI.
Quindi α-GLUCOSIO e β-GLUCOSIO sono due ANOMERI e il carbonio dove è legato il gruppo ossidrile che differenzia le due
strutture prende il nome di CARBONIO ANOMERICO.
α-GLUCOSIO
β-GLUCOSIO
Carbonio anomerico
Le stesse considerazione fatte per il glucosio possono essere fatte per il fruttosio. La differenza sostanziale è che il fruttosio quando
ciclizza assume una struttura pentagonale anziché esagonale.
1.5 Processo di ciclizzazione del fruttosio
3
2
4
1
Schematizziamo il processo di ciclizzazione per punti:
1. Si rompe uno dei due legami tra C e O del gruppo funzionale
chetonico;
2. Si rompe il legame tra O e H del gruppo funzionale ossidrile
legato al carbonio terminale opposto al gruppo funzionale
chetonico
3. L’idrogeno (H) si sposta e si lega con l’ossigeno (O) del gruppo
chetonico
4. L’ossigeno rimasto privo dell’idrogeno (cioè quello in rosso) si
lega al carbonio del gruppo funzionale chetonico formando in
questo modo una struttura ciclica a cinque lati.
La struttura ciclica del fruttosio ha una forma molto simile alla molecola del FURANO per questo motivo la struttura del glucosio
è chiamata struttura FURANOSICA
Il processo di ciclizzazione del Frutosio si schematizza in questo modo:
α -FRUTTOSIO
OH
00
CH2OH
β-FRUTTOSIO
Come si può vedere le due strutture cicliche differiscono solo per la posizione del gruppo ossidrile (OH) nel carbonio 2.
La prima struttura (quella in alto) ha il gruppo ossidrile in posizione perpendicolare al pentagono (se si considera il
pentagono poggiato su un tavolo il gruppo ossidrile si trova sotto il tavolo) questa posizione si chiama : posizione ASSIALE.
La seconda struttura (quella in basso) ha il gruppo ossidrile parallelo al pentagono (se si considera il pentagono poggiato su
un tavolo il gruppo ossidrile si trova a fianco al tavolo) questa posizione si chiama : posizione EQUATORIALE.
La prima struttura , cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione assiale prende il nome di α-FRUTTOSIO
La seconda struttura, cioè quella con il gruppo ossidrile in posizione equatoriale prende il nome di β-FRUTTOSIO
Il Fruttosio quando si trova in soluzione (disciolto in acqua) non assume una struttura definita, ma passa continuamente dalla struttura
α-FRUTTOSIO alla struttura β-FRUTTOSIO e viceversa passando sempre per la struttura intermedia che è la struttura semiciclica.
Si può schematizzare così:
α-FRUTTOSIO
STRUTTURA SEMICICLICA
β-FRUTTOSIO
Questo processo prende il nome di MUTAROTAZIONE.
Come per il Glucosio anche per il Fruttosio la struttura α presenta un ingombro sterico maggiore della struttura β, questo comporta
una maggiore stabilità della struttura β-FRUTTOSIO.
Se si osservano bene le due strutture (α-FRUTTOSIO e β -FRUTTOSIO) si può vedere che l’unica differenza si ha nella posizione del gruppo
ossidrile legato al carbonio 2.
Per questo motivo le due strutture sono due ANOMERI e il carbonio 2 è un carbonio ANOMERICO.
OH
CH2OH
α-FRUTTOSIO
β-FRUTTOSIO
Carbonio anomerico
1.6 La formazione del legame gliucosidico (disaccaridi)
L’unione di due monosaccaridi per la formazione di un disaccaride avviene mediante la formazione di un particolare legame chiamato
LEGAME GLICOSIDICO.
Questo legame rientra nella famiglia dei legami chimici a PONTE DI OSSIGENO (in quanto l’ossigeno si trova in una posizione
intermedia tra due molecole di monosaccaride).
La reazione chimica per la formazione del disaccaride, con la conseguente formazione di un legame glicosidico avviene sempre
con la formazione di una molecola d’acqua.
Reazione chimica per la formazione del disaccaride SACCAROSIO
La reazione di formazione del saccarosio può essere schematizzata in questo modo:
α-GLUCOSIO + β-FRUTTOSIO
SACCAROSIO + H2O
Se usiamo le formule chimiche per la rappresentazione di tale reazione avremo:
α-GLUCOSIO
Schematizziamo il processo di formazione del
SACCAROSIO
+ H2O
+
β-FRUTTOSIO
1.Si rompe il legame tra ossigeno e idrogeno del
gruppo ossidrile legato al carbonio 2 (anomerico) del
fruttosio;
2. Si rompe il legame tra carbonio 1 (anomerico) e
gruppo ossidrile del glucosio
3. L’idrogeno che si è prodotto dal passaggio 1 e il
gruppo ossidrile che si è prodotto con il passaggio
si uniscono per formare una molecola d’acqua.
4.Le due molecole (α-GLUCOSIO e β-FRUTTOSIO) si
uniscono mediante un legame LEGAME GLICOSIDICO
che vede l’ossigeno posizionarsi tra le due molecole
(legame a ponte di ossigeno). Si forma in questo modo
il disaccarice SACCAROSIO
Il legame GLICOSIDICO che si forma tra glucosio e fruttosio per la formazione di saccarosio viene definito di tipo:
α,12
Indica la posizione assiale delle due
molecole. Cioè le due molecole si trovano
una sopra e l’altra sotto
Indica che il legame glicosidico si forma tra il carbonio 1 di una molecola (glucosio)
e il carbonio 2 dell’altra molecola (fruttosio)
Gli oligosaccaridi o i polisaccaridi saranno formati da una serie di monosaccaridi tenuti insieme da legami glicosidici
AMIDO
Come si può vedere dalla struttura dell’AMIDO, che è un polisaccaride, è formato da tante molecole di α-GLUCOSIO
legate insieme da legami GLICOSIDICI
ESERCITAZIONE
1) Indicare la differenza tra glucidi semplici e glucidi composti specificando per ciascuna famiglia da quante
molecole di glucide sono formate.
2) Scrivere la formula generale e il nome dei due gruppi funzionali che caratterizzano rispettivamente
glucosio e fruttosio.
3) Partendo dalla struttura emiciclica di seguito riportata:
a) indicare di quale monosaccaride si tratta
b) scrivere la reazione di ciclizzazione, spiegando tutti i passaggi e scrivendo il nome delle due strutture
cicliche
c) indicare per ciascuna forma ciclica dove si trova il carbonio anomerico
d) scrivere il nome del processo chimico che vede l'alternarsi delle due forme cicliche
ESERCITAZIONE
4) Dati i due glucidi :
a)
b)
c)
d)
scrivere il nome dei due monosaccaridi
scrivere la reazione della formazione del disaccaride corrispondente spiegando tutti i passaggi della reazione
scrivere quali sono i carboni coinvolti nella formazione del legame.
scrivere che tipo di legame si forma.
5) Indicare per quale motivo il glucosio viene definito aldoesoso
6) Indicare quale è la differenza nella struttura della molecola tra α e β glucosio
7) Cosa si intende per mutarotazione?
8) Completa la frase: “La formazione di un disaccaride avviene sempre per eliminazione di…….”
9) Cosa viene prodotto principalmente dalla fotosintesi clorofilliana?