Dalla luce all'energia: il ruolo vitale degli zuccheri nelle piante

La struttura e il funzionamento di tutti gli organismi viventi si basano su un insieme relativamente ristretto di elementi chimici e sulle molecole che essi formano. Questi elementi, combinandosi in modo estremamente versatile, danno origine alle molecole organiche che rendono possibile la vita.
Tra queste, i carboidrati rivestono un ruolo fondamentale sia come riserva energetica sia come componenti strutturali delle cellule, soprattutto nei vegetali, dunque comprendere come tali molecole sono formate, come si organizzano e quali funzioni svolgono permette di cogliere in profondità i processi che sostengono la vita e l’evoluzione degli organismi viventi.


Gli elementi.

Tutte le cose esistenti sul pianeta, pure l'aria che ci circonda, sono formate da elementi chimici combinati in vario modo, e dei 92 elementi naturali normalmente presenti sulla Terra  soltanto sei sono stati scelti, nel corso dell'evoluzione, per formare le sostanze complesse e altamente organizzate degli organismo viventi: carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo rappresentano il 99% del peso di tutta la materia vivente.

L'acqua costituisce più della metà della materia degli organismi viventi, e più del 90% del peso di molti tessuti vegetali, quasi tutto il resto è costituito di molecole organiche, cioè di molecole che contengono carbonio.


Molecole organiche.

Le particolari proprietà di legame del carbonio consentono la formazione di una grande varietà di molecole organiche, e tra le diverse migliaia quattro costituiscono la maggior parte del peso secco degli organismi viventi: carboidrati, proteine, lipidi e acidi nucleici. Tutte queste molecole sono costituite principalmente da carbonio e idrogeno, e la maggior parte di esse contiene anche l'ossigeno, le proteine contengono anche azoto e zolfo, mentre gli acidi nucleici e alcun lipidi contengono anche azoto e fosforo.


Carboidrati.

Le molecole più abbondanti in natura e rappresentano le molecole fondamentali di riserva energetica della maggior parte degli organismi viventi. I carboidrati formano una varietà di composti strutturali delle cellule: le pareti delle cellule vegetali infatti, sono costituite dal carbonio cellulosa, compresa in una matrice formata da altri carboidrati e proteine.

Sono costituiti da piccole molecole note come zuccheri. Vi sono tre tipi di carboidrati classificati secondo il numero di zuccheri che essi contengono:

Monosaccaridi: zuccheri singoli o semplici --> quali ribosio, glucosio e fruttosio, sono formati da una sola molecola di zucchero.

Disaccaridi (due zuccheri): contengono due unità di zuccheri legati covalentemente come ad esempio il saccarosio, maltosio e il lattosio.

Polisaccaridi (molti zuccheri), come la cellulosa e l'amido.


Macromolecole.

Sono grandi molecole (come i polisaccaridi), costituite da piccole unità simili o identiche. Chiamate polimeri (molte parti), mentre le singole unità dei polimeri sono i monomeri. La polimerizzazione è la graduale unione dei monomeri per formare i polimeri.


Monosaccaridi:

Carboidrati più semplici sono costituiti da una catena di atomi di carbonio alla quale sono attaccati atomi di idrogeno e di ossigeno nella proporzione di un atomo di carbonio, due di idrogeno e uno di ossigeno. Possono essere rappresentati dalla formula (CH2O)n, come la Gliceraldeide (C6H6O3) e il Glucosio (C6H12O6).

 I pentosi (5 C) e gli esosi (6 C) sono i più comuni monosaccaridi presenti in natura.

Il monosaccaride è costituito da una catena carboniosa in cui ogni atomo di carbonio, eccetto uno, è legato ad un gruppo ossidrilico (-OH), il restante è presente sotto forma di gruppo carbonilico (-C=O). Questi gruppi sono idrofili e per questo i monosaccaridi si sciolgono velocemente in acqua. In acqua il monosaccaride assume una forma ad anello quando il gruppo carbonilico è convertito in ossidrilico, per questo motivo è perfettamente distinguibile nella catena aperta e non in quella ad anello.

I monosaccaridi sono monomeri con cui le cellule costruiscono i disaccaridi, polisaccaridi e altri carboidrati indispensabili. 


Il Trasporto.
Il glucosio è il monosaccaride di trasporto di zuccheri comune in molti animali, le piante invece utilizzano i disaccaridi. Il saccarosio, costituito da glucosio e fruttosio, viene utilizzato dalla maggior parte delle piante per trasportare gli zuccheri, e viene trasportato dalle cellule fotosintetiche a tutte le altre parti dell'organismo vegetale.
Sintesi di un disaccaride: reazione di deidratazione o reazione di condensazione --> un legame tra monosaccaridi con eliminazione di una molecola di acqua.

Scissione di un disaccaride: in due monosaccaridi viene aggiunta una molecola di acqua, questa scissione si verifica quando un disaccaride viene utilizzato come fonte di energia (idrolisi). L'idrolisi è molto importate nei processi che coinvolgono trasferimenti energetici.


Polisaccaridi.

I polisaccaridi sono costituiti da monosaccaridi che si uniscono tra loro in lunghe catene, alcuni hanno la funzione di zuccheri di riserva, altri un ruolo strutturale. L'amido è il principale polisaccaride di riserva nelle piante, è costituito da catene di molecole di glucosio e si può presentare in due forme: amilosio con catene non ramificate e amilopectina ramificata. L'amilopectina è molto più ramificata rispetto al glicogeno che è il polisaccaridi di riserva dei procarioti, funghi e animali.

In alcune piante, soprattutto nei cereali, i principali polisaccaridi di riserva sono i fruttani che sono polimeri del fruttosio.

Prima di essere utilizzati come sorgente di energia, o di essere trasportati attraverso i sistemi viventi, devono essere idrolizzati a monosaccaridi e disaccaridi. Le piante scindono le riserve amilifere per la loro crescita e sviluppo.

I polisaccaridi sono anche compost strutturale. Nelle piante, la cellulosa è il principale componente della parete cellulare, tanto che metà del carbonio presente nella biosfera è contenuto nella cellulosa, che quindi rappresenta il più abbondante composto organico conosciuto. Il legno è costituito per il 50% e le fibre di cotone sono quasi cellulosa al 100%. La cellulosa si differenzia dall'amido e dal glicogeno poiché quando il glucosio è soluzione e quindi assume una forma ad anello, questo può presentarsi in due forme: alfa-glucosio e beta-glucosio. L'amido e il glicogeno sono interamente format da alfa-glucosio, mentre la cellulosa è forata da unità di beta-glucosio. Questa differenza produce un profondo effetto sulla struttura tridimensionale delle molecole di cellulose lunghe e non ramificate, da dar sì che non sia accessibili agli enzimi che scindono i polisaccaridi di riserva, e una volta che le molecole di glucosio sono incorporate nella parete cellulare sotto forma di cellulosa, esse non possono essere utilizzate come fonte di energia.

Le molecole di cellulose, lunghe e rigide, combinandosi tra loro formano le microfibrille ognuna costituita da centinaia di catene di cellulosa, e nelle pareti cellulari entrano a fare parte di una matrice contenente altri due complessi: le pectine e le emicellulose che sono polisaccaridi ramificati.

la chitina è un altro polisaccaride strutturale ed è il principale componente della parete cellulare dei funghi e dell'esoscheletro dei crostacei. Il monomero contiene sei atomi di carbonio legato ad un gruppo contenente azoto (glucosammina)

Alcuni polisaccaridi della parete cellulare, le oligosaccarine, possono funzionare come fattore di crescita che regolano la crescita e lo sviluppo delle piante.



Riassunto:


La chimica della vita

  • Pochi elementi chimici

  • Molecole complesse

  • Base di tutti gli organismi viventi

 Elementi fondamentali

  • 92 elementi naturali

  • Solo 6 essenziali

  • C – H – O – N – P – S

  • 99% della materia vivente

Acqua e carbonio

  • Acqua > 50% degli organismi

  • Tessuti vegetali > 90%

  • Molecole organiche = molecole con carbonio

Molecole organiche

  • Carboidrati

  • Proteine

  • Lipidi

  • Acidi nucleici

Carboidrati: perché sono importanti

  • Molecole più abbondanti

  • Riserva energetica

  • Funzione strutturale

  • Fondamentali nei vegetali

Tipi di carboidrati

Monosaccaridi

  • Zuccheri semplici

  • Glucosio, fruttosio

Disaccaridi

  • Due zuccheri

  • Saccarosio, lattosio

Polisaccaridi

  • Molti zuccheri

  • Amido, cellulosa

Macromolecole

  • Polimeri

  • Monomeri

  • Polimerizzazione

Monosaccaridi

  • Formula (CH₂O)ₙ

  • Pentosi (5 C)

  • Esosi (6 C)

  • Solubili in acqua

  • Forma ad anello

Trasporto degli zuccheri

  • Animali → glucosio

  • Piante → saccarosio

  • Dalle foglie al resto della pianta

Reazioni fondamentali

Sintesi

  • Deidratazione

  • Perdita di H₂O

Scissione

  • Idrolisi

  • Produzione di energia

Polisaccaridi di riserva

  • Amido (piante)

  • Glicogeno (animali)

  • Fruttani (cereali)

Polisaccaridi strutturali

Cellulosa

  • Parete cellulare vegetale

  • β-glucosio

  • Catene rigide

  • Non energetica

Chitina

  • Funghi

  • Crostacei

  • Contiene azoto

Polisaccaridi regolatori

  • Oligosaccarine

  • Crescita e sviluppo delle piante

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