I monosaccaridi: composti ternari

I monosaccaridi sono composti organici ternari costituiti da idrogeno, carbonio e ossigeno. Essi sono anche chiamati zuccheri semplici e consistono di una unità singola di poliidrossialdeide o chetone.

In tali molecole il rapporto tra il numero di atomi di idrogeno e quello di atomi di ossigeno è 2:1, come quello esistente nella molecola di H₂O. per questo motivo, si era erroneamente creduto che tali composti fossero costituiti da carbonio e una molecola di acqua: ad esempio la formula del glucosio C₆H₁₂O₆ veniva scritta C₆(H₂O)₆ e, di conseguenza i monosaccaridi vennero chiamati carboidrati. La formula generale dei monosaccaridi è (CH₂O)_n dove n è uguale o maggiore di tre. I monosaccaridi hanno sapore dolce e si presentano come solidi cristallini che si sciolgono bene in acqua: i più comuni contengono sei atomi di carbonio.

Aldosi e chetosi

I monosaccaridi hanno più di un gruppo funzionale alcolico -OH e un gruppo carbonilico C=O che può essere aldeidico, come nel caso del ribosio e del glucosio o chetonico come nel caso del fruttosio.
Gli zuccheri che contengono un gruppo aldeidico sono chiamati aldosi, mentre quelli che contengono un gruppo chetonico sono detti chetosi.
Se si considera il numero di atomi di carbonio presenti nella catena, uno zucchero è detto:

• trioso se è costituito da tre atomi di carbonio
• tetroso se è costituito da quattro atomi di carbonio
• pentoso da cinque
• esoso da sei.

Considerando contemporaneamente il gruppo funzionale caratteristico degli zuccheri e il numero di atomi di carbonio della catena, il ribosio è definito aldopentoso poiché ha il gruppo funzionale aldeidico e contiene cinque atomi di carbonio.

Il glucosio è definito aldoesoso contenendo sia il gruppo funzionale aldeidico che sei atomi di carbonio; il fruttosio, invece, è un chetoesoso avendo il gruppo funzionale chetonico e sei atomi di carbonio.

I monosaccaridi più importanti sono:

•  Il glucosio, presente nel miele, nell’uva e in vari frutti ed è la principale fonte di energia per le cellule: per questo motivo viene usato, in soluzione acquosa nelle fleboclisi
• Il fruttosio, presente nella frutta, è il più dolce degli zuccheri
• Il galattosio presente nel latte
• Il ribosio e il desossiribosio, i più importanti pentosi, perché fanno parte delle macromolecole degli acidi nucleici implicati nella trasmissione dell’informazione genetica, il DNA e l’RNA; il prefisso desossi– significa “senza ossigeno”. A differenza di quanto avviene per il ribosio, l’atomo di carbonio in posizione 2 del desossiribosio ha due atomi di idrogeno, anziché uno e un gruppo -OH.

• Il ribulosio, un pentoso presente nei cloroplasti delle cellule delle foglie che svolge un ruolo fondamentale nella fotosintesi.

Tutti i monosaccaridi, ad eccezione del diidrossiacetone, contengono due o più atomi di carbonio asimmetrici e sono quindi molecole chirali. La gliceraldeide contiene solo un atomo di carbonio asimmetrico e perciò può esistere sotto forma di  due stereoisomeri.

La D-gliceraldeide e la L-gliceraldeide sono i composti di riferimento per designare la configurazione assoluta di tutti i composti stereoisomeri.

Gli aldoesosi hanno quattro atomi di carbonio asimmetrici ed esistono quindi in 2ⁿ = 2⁴= 16 stereoisomeri.

Denominazione dei monosaccaridi

Per identificare esattamente la posizione dei vari atomi di carbonio della molecola si attribuisce una numerazione appropriata agli atomi di carbonio. A tal fine, gli atomi di carbonio sono numerati consecutivamente a partire dall’estremità della catena più vicina al carbonio aldeidico o a quello chetonico, per attribuire a questi il numero più basso possibile. Per esempio, gli atomi di carbonio del fruttosio, sono numerati dall’estremità più vicina al gruppo chetonico.

Per spiegare  le denominazioni degli zuccheri e per introdurre il sistema di numerazione degli atomi di carbonio, i composti sono  rappresentati in forma di catene lineari (forma aperta). In realtà, in natura, le molecole esistono prevalentemente in forma ciclica. Nelle forme cicliche l’ossigeno del gruppo –OH del penultimo atomo di carbonio della catena si lega, chiudendo l’anello, al carbonio del gruppo carbonilico, il quale diventa –C-OH. Sono qui di seguito riportate le forme cicliche del glucosio e del fruttosio.

Proiezioni di Haworth

Gli atomi di carbonio dell’anello delle forme cicliche possono essere considerati disposti su un piano. Al di sopra e al di sotto del piano si trovano gli atomi o i gruppi di atomi, legati a ciascuno di essi. Particolare interesse assume la posizione del gruppo –OH legato al carbonio dell’anello con numero più piccolo. Ovvero del gruppo –OH che, nella ciclizzazione, si forma dal gruppo C=O). Se rispetto al piano dell’anello rappresentato con le formule di proiezione di Haworth, tale gruppo –OH si trova dal lato opposto rispetto al carbonio della catena con il numero più grande, lo zucchero è indicato con la lettera α ; se  si trova dalla stessa parte, lo zucchero è indicato con la lettera β . Abbiamo così, ad esempio, l’α – glucosio e il β – glucosio.

Le proiezioni di Haworth sono però in parte inesatte. Esse suggeriscono  che gli anelli a cinque  e a sei atomi di carbonio del furanoso e del piranoso sono planari. L’anello del piranoso, esiste, invece in due conformazioni: la forma a sedia e la forma a barca. I gruppi sostituenti nella forma a sedia non sono geometricamente e chimicamente equivalenti, ma ricadono in due classi: assiali ed equatoriali, analogamente a quanto avviene nel cicloesano.

Le forme ad anello a sei atomi di carbonio sono dette piranosiche in quanto derivate dall’eterociclo pirano. Le forme isomere di monosaccaridi che differiscono fra loro solo per la configurazione intorno al carbonio carbonilico sono anomeri e l’atomo di carbonio carbonilico è detto carbonio anomerico.

Anche i chetosi a cinque o più atomi di carbonio esistono in forme anomeriche α e β. In questi composti il gruppo ossidrilico alcolico in posizione 5 è unito al gruppo carbonilico in posizione 2. Si forma così  un emichetale che ha una forma ad anello furanosico a cinque atomi, un derivato del furano.