Carboidrati: mono-, di- e polisaccaridi

Glucosio, amido, fibra, glicogeno: nomi diversi per molecole costruite quasi tutte con lo stesso mattone. I carboidrati vanno dai singoli zuccheri alle lunghe catene strutturali, e la differenza tra ciò che nutre e ciò che non si digerisce sta in un dettaglio sottile del legame che unisce le unità. Capire mono-, di- e polisaccaridi significa capire questa logica.

Vediamo che cosa sono i monosaccaridi, come si forma il legame glicosidico, quali sono i disaccaridi comuni e perché amido e cellulosa, fatti dello stesso glucosio, si comportano in modo opposto.

I monosaccaridi: i mattoni

Un monosaccaride è lo zucchero più semplice, che non si può scomporre per idrolisi in zuccheri più piccoli. Chimicamente porta molti gruppi ossidrilici e un gruppo carbonilico, aldeidico (aldosi) o chetonico (chetosi). In acqua, gli zuccheri a cinque o sei atomi di carbonio non restano in catena aperta: si chiudono in un anello, e nel farlo creano un nuovo centro chiamato carbonio anomerico, che può presentarsi in due configurazioni, α o β. Questo dettaglio, apparentemente minore, avrà conseguenze enormi sui polimeri.

Il legame glicosidico

Due monosaccaridi si uniscono quando il carbonio anomerico di uno reagisce con un gruppo ossidrilico dell’altro, con eliminazione di una molecola d’acqua. Il legame che ne risulta si chiama legame glicosidico. È lo stesso tipo di reazione di condensazione del legame peptidico, ed è anch’esso molto stabile: in condizioni fisiologiche si idrolizza lentissimamente, a meno che non intervenga un enzima specifico.

monosaccaride –OH + HO– monosaccaride → legame glicosidico + H₂O (condensazione)

Quando il carbonio anomerico è impegnato in un legame glicosidico, non può più passare liberamente tra le forme α e β né riaprirsi a gruppo aldeidico. Su questo si fonda una distinzione classica: gli zuccheri con un carbonio anomerico libero sono riducenti, perché il gruppo aldeidico che si libera riduce blandi agenti ossidanti (per esempio il rame, Cu²⁺ ridotto a Cu⁺); chi ha quel carbonio bloccato in un glicoside non riduce. È il principio dei vecchi test per gli zuccheri.

I disaccaridi

Due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico formano un disaccaride. I più noti: il saccarosio (lo zucchero da tavola, glucosio + fruttosio), il lattosio (lo zucchero del latte, galattosio + glucosio) e il maltosio (due unità di glucosio, prodotto della digestione dell’amido). Il nome sistematico di un disaccaride specifica quali zuccheri lo compongono, il tipo di anello e soprattutto la configurazione e la posizione del legame: per esempio «β(1→4)» dice che il carbonio 1 dell’anomero β di uno è legato al carbonio 4 dell’altro.

I polisaccaridi: stesso mattone, destini opposti

Catene lunghe di monosaccaridi formano i polisaccaridi, che possono essere lineari o ramificati perché il legame glicosidico può coinvolgere diversi ossidrili. Qui si vede tutta la potenza del dettaglio anomerico. Amido e glicogeno sono catene di glucosio unite da legami α(1→4) (con ramificazioni α(1→6) nel glicogeno e nell’amilopectina): la configurazione α fa avvolgere le catene in forme elicoidali o ramificate, facilmente attaccabili dagli enzimi digestivi. Cellulosa e chitina, invece, usano legami β(1→4): la configurazione β rende le catene rigide ed estese, capaci di affiancarsi in fibre robuste.

Il punto da fissare è questo: amido e cellulosa sono fatti dello stesso identico zucchero, il glucosio. L’unica differenza è la configurazione del legame glicosidico — α(1→4) nell’amido, β(1→4) nella cellulosa — eppure questo basta a renderli del tutto diversi. L’uomo possiede gli enzimi (le amilasi e le α-glicosidasi) che tagliano i legami α, e quindi ricava energia dall’amido; non possiede invece la β-glicosidasi che taglierebbe i legami β, e per questo la cellulosa attraversa l’intestino indigerita, comportandosi da fibra. È una delle lezioni più eleganti della chimica delle biomolecole: a volte basta una piccola differenza geometrica per cambiare completamente il ruolo biologico di una molecola.

Le funzioni dei carboidrati

Da questa chimica discendono i due grandi ruoli dei carboidrati. Da un lato la riserva e fornitura di energia: i monosaccaridi come il glucosio sono il combustibile cellulare, e i polisaccaridi α (amido nelle piante, glicogeno negli animali) sono il modo di immagazzinarli in forma compatta e rapidamente disponibile. Dall’altro il ruolo strutturale: i polisaccaridi β (cellulosa nelle piante, chitina negli insetti e nei funghi) danno rigidità e sostegno. A questi si aggiunge il riconoscimento biologico: gli zuccheri legati a proteine e lipidi sulla superficie cellulare fungono da etichette d’identità.

I polisaccaridi a confronto

I principali polisaccaridi del glucosio si distinguono per il tipo di legame, e da lì per funzione e digeribilità:

La colonna del legame è la chiave di lettura: il passaggio da α a β trasforma una riserva energetica digeribile in un materiale strutturale indigeribile, pur partendo dallo stesso zucchero.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi?

I monosaccaridi sono gli zuccheri semplici (come glucosio e fruttosio), non scomponibili per idrolisi. I disaccaridi sono due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico (saccarosio, lattosio, maltosio). I polisaccaridi sono lunghe catene, lineari o ramificate, di molti monosaccaridi (amido, glicogeno, cellulosa). Tutti sono tenuti insieme dai legami glicosidici.

Che cos’è il legame glicosidico?

È il legame che unisce il carbonio anomerico di un monosaccaride a un gruppo ossidrilico di un’altra molecola, con eliminazione di una molecola d’acqua. Può avere configurazione α o β a seconda dell’anomero coinvolto, e questa configurazione determina le proprietà del polisaccaride che ne risulta. È un legame stabile, idrolizzato da enzimi specifici.

Perché digeriamo l’amido ma non la cellulosa?

Perché sono uniti da legami glicosidici di configurazione diversa, pur essendo entrambi catene di glucosio. L’amido usa legami α(1→4), che i nostri enzimi (amilasi e α-glicosidasi) sanno tagliare; la cellulosa usa legami β(1→4), per i quali non possediamo l’enzima adatto. Così l’amido ci nutre, mentre la cellulosa passa indigerita e funge da fibra.

Che cosa sono gli zuccheri riducenti?

Sono gli zuccheri che hanno un carbonio anomerico libero, non impegnato in un legame glicosidico: il gruppo aldeidico che si libera può ridurre blandi agenti ossidanti (come il rame Cu²⁺). Quando il carbonio anomerico è bloccato in un glicoside, lo zucchero non è più riducente. È il principio chimico dei test storici per rilevare gli zuccheri.

Perché il glicogeno è così ramificato?

Perché la ramificazione moltiplica le estremità della catena. Il glicogeno, riserva di zuccheri degli animali, ha un punto di ramificazione ogni 8-14 residui di glucosio: ogni ramo offre un’estremità da cui gli enzimi possono staccare glucosio. Avere moltissime estremità permette di liberare energia molto rapidamente quando l’organismo ne ha bisogno.