Struttura 3D della cellulosa.

Polisaccaride è una qualsiasi di una classe di carboidrati relativamente complessi, ad alto peso molecolare, costituiti da lunghe catene di molti monosaccaridi uniti da legami glicosidici. Queste macromolecole molto grandi, spesso ramificate, sono generalmente considerate avere più di dieci residui di monosaccaridi e spesso ci sono centinaia di monosaccaridi collegati. La loro formula generale è Cn(H2O)m con n comunemente compreso tra 200 e 2500. I polisaccaridi ben noti includono polisaccaridi di stoccaggio come l’amido e il glicogeno e polisaccaridi strutturali come la cellulosa e la chitina.

I polisaccaridi sono essenzialmente polimeri in cui i monosaccaridi sono uniti da legami glicosidici quando l’acqua viene rimossa. Con l’idrolisi, i polisaccaridi vengono scomposti in monosaccaridi come il glucosio, il ribosio e il fruttosio. Quando tutti i monosaccaridi in un polisaccaride sono dello stesso tipo, come il glucosio, il polisaccaride è chiamato omopolisaccaride, ma quando è presente più di un tipo di monosaccaride sono chiamati eteropolisaccaridi.

I polisaccaridi svolgono una grande varietà di ruoli importanti in natura. La capacità dell’amido e del glicogeno di essere scomposti in zuccheri semplici permette loro di servire come importanti forme di stoccaggio del glucosio nelle piante e negli animali, rispettivamente, e la stabilità dei legami nella cellulosa e la forza dei legami nella chitina li rendono eccellenti componenti strutturali di piante e artropodi, rispettivamente. L’inulina è usata da alcune piante come mezzo per immagazzinare energia.

Panoramica

I polisaccaridi sono una delle quattro classi di carboidrati, che a loro volta sono molecole biologiche che contengono principalmente atomi di carbonio (C) affiancati da atomi di idrogeno (H) e gruppi idrossile (OH) (H-C-OH). I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi, che sono monomeri – come gli zuccheri semplici glucosio, ribosio, e – dai quali vengono costruiti carboidrati più grandi. Quando ci sono due monosaccaridi legati insieme da legami covalenti, sono conosciuti come disaccaridi. Gli oligosaccaridi sono composti da più di 3 e generalmente dieci (o forse 20) monosaccaridi. I polisaccaridi sono catene ancora più grandi di monosaccaridi. Così, alcuni carboidrati sono piccoli con pesi molecolari inferiori a cento, mentre altri sono vere macromolecole con pesi molecolari di centinaia di migliaia.

In un monosaccaride, le proporzioni relative di carbonio, idrogeno e ossigeno sono 1:2:1, e quindi la formula è C(H2O). Nei disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi, le proporzioni molari si discostano leggermente dalla formula generale perché due idrogeni e un ossigeno vengono persi durante ciascuna delle reazioni di condensazione che li forma. Questi carboidrati hanno la formula più generale Cn(H2O)m. In genere, nei polisaccaridi il n è un numero grande tra 200 e 2500. Considerando che le unità ripetute nella spina dorsale del polimero sono spesso monosaccaridi a sei carati, la formula generale può anche essere rappresentata come (C6H10O5)n dove n={40…3000}.

I polisaccaridi sono polimeri. Un polimero è una grande molecola (macromolecola) composta da unità strutturali ripetute, tipicamente collegate da legami chimici covalenti. Nel caso dei polisaccaridi, il legame chimico è un legame glicosidico. Essenzialmente, i disaccadi, gli oligosaccaridi e i polisaccaridi sono formati da una reazione di condensazione in cui nella combinazione delle unità monosaccaridiche c’è una perdita di idrogeno (H) da una molecola e un gruppo idrossile (OH) dall’altra e si forma un legame glicosidico.

Quando le molecole di glucosio formano un legame glicosidico, il legame sarà di due tipi, α o β, a seconda che la molecola che lega il suo carbonio 1 sia un α-glucosio o un β-glucosio. Nella configurazione alfa, l’atomo di ossigeno si trova sotto il piano dell’anello di zucchero. Questi diversi legami formano composti con caratteristiche diverse. L’amido è un polisaccaride di glucosio con legami glicosidici α-1,4 (in cui il carbonio-1 di una molecola di zucchero è legato al carbonio-4 della molecola adiacente). Il glicogeno è un polisaccaride altamente ramificato di glucosio con legami α-glicosidici. La cellulosa è un polisaccaride non ramificato di glucosio con legami glicosidici β-1,4 che sono chimicamente molto stabili. (A

I polisaccaridi sono macromolecole molto grandi, spesso ramificate. Tendono ad essere amorfi, insolubili in acqua e non hanno un sapore dolce (Campbell et al. 2006).

Polisaccaridi di stoccaggio

Amici

Gli amidi sono polimeri di glucosio in cui le unità di glucopiranosio sono legate da legami alfa. Sono costituiti da una miscela di amilosio (15-20%) e amilopectina (80-85%). Sia l’amilosio che l’amilopectina sono polimeri di glucosio legati principalmente da legami α(1→4). L’amilosio consiste in una catena lineare di diverse centinaia di molecole di glucosio e l’amilopectina è una molecola altamente ramificata composta da diverse migliaia di unità di glucosio con ramificazione che avviene con legami α(1→6) ogni 24-30 unità di glucosio. La percentuale di amilosio e amilopectina varia a seconda della fonte; per esempio, la percentuale di amilopectina è più alta nel riso a grana media e nelle patate cerose, ma più bassa nel riso a grana lunga e nelle patate rugginose.

La formazione di amidi è il modo in cui le piante conservano il glucosio. Gli amidi sono insolubili in acqua. Possono essere digeriti per idrolisi, catalizzata da enzimi chiamati amilasi, che possono rompere gli alfa-collegamenti (legami glicosidici). Gli esseri umani e altri animali hanno le amilasi, quindi possono digerire gli amidi. Patate, riso, grano e mais sono le principali fonti di amido nella dieta umana.

Glicogeno

Il glicogeno è la principale forma di stoccaggio del glucosio nelle cellule animali. Il glicogeno è un polimero altamente ramificato di circa 30.000 residui di glucosio e un peso molecolare tra 106 e 107 dalton. La maggior parte dei residui di glucosio sono legati da legami glicosidici α-1,4. Circa un residuo di glucosio su dieci forma anche un legame glicosidico α-1,6 con un glucosio adiacente, il che porta alla creazione di un ramo. Il glicogeno ha una sola estremità riducente e un gran numero di estremità non riducenti con un gruppo idrossile libero al carbonio 4. Le ramificazioni aumentano la solubilità del glicogeno

Polisaccaridi strutturali

Cellulosa

I componenti strutturali delle piante sono formati principalmente da cellulosa. La cellulosa è di gran lunga il composto organico (contenente carbonio) più abbondante sulla Terra. Il legno è in gran parte cellulosa e lignina, mentre la carta e il cotone sono quasi pura cellulosa. La cellulosa è un polimero composto da unità ripetute di glucosio legate insieme da legami beta. A causa della stabilità dei suoi legami β-glicosidici, la cellulosa è un eccellente materiale strutturale che può resistere a condizioni ambientali difficili. Gli esseri umani e molti altri animali non hanno un enzima per rompere i legami beta, quindi non digeriscono la cellulosa. Alcuni animali possono digerire la cellulosa, perché i batteri che possiedono l’enzima sono presenti nel loro intestino. L’esempio classico è la termite.

Citina

La chitina è un polisaccaride duro e semitrasparente che serve come componente principale degli esoscheletri degli artropodi (come i crostacei e molti insetti) e delle pareti cellulari di alcuni funghi, tra gli altri posti. La chitina è costruita da unità di N-acetilglucosamina. Queste sono legate insieme in modo β-1,4 in modo simile alle unità di glucosio che formano la cellulosa. In effetti la chitina può essere descritta come cellulosa con un gruppo idrossile su ogni monomero sostituito da un gruppo di acetilammina. Questo permette un maggiore legame idrogeno tra i polimeri adiacenti, dando al polimero una maggiore forza.

Polisaccaridi acidi

I polisaccaridi acidi sono polisaccaridi che contengono gruppi carbossilici, gruppi fosfato e/o gruppi estere solforico.

Polisaccaridi batterici

I polisaccaridi batterici rappresentano una gamma diversificata di macromolecole che includono peptidoglicano, lipopolisaccaridi, capsule ed esopolisaccaridi; composti le cui funzioni vanno dai componenti strutturali della parete cellulare (come il peptidoglicano), e importanti fattori di virulenza (ad esempio Poly-N-acetilglucosamina in S. aureus), al permettere al batterio di sopravvivere in ambienti difficili (per esempio, Pseudomonas aeruginosa nel polmone umano). La biosintesi dei polisaccaridi è un processo strettamente regolato e ad alta intensità energetica e la comprensione della sottile interazione tra la regolazione e la conservazione dell’energia, la modifica e la sintesi dei polimeri e le funzioni ecologiche esterne è un’enorme area di ricerca. I benefici potenziali sono enormi e dovrebbero permettere, per esempio, lo sviluppo di nuove strategie antibatteriche (come nuovi antibiotici e s) e lo sfruttamento commerciale per sviluppare nuove applicazioni (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Polisaccaridi delle capsule batteriche

I batteri patogeni producono comunemente uno spesso strato di polisaccaride simile a una mucosa. Questa “capsula” nasconde le proteine antigeniche sulla superficie batterica che altrimenti provocherebbero una risposta immunitaria e quindi porterebbero alla distruzione del batterio. I polisaccaridi capsulari sono solubili in acqua, comunemente acidi, e hanno pesi molecolari dell’ordine di 100-1000 kDa. Sono lineari e consistono di subunità regolarmente ripetute da uno a circa sei monosaccaridi. C’è un’enorme diversità strutturale; quasi duecento diversi polisaccaridi sono prodotti dal solo E. coli. Miscele di polisaccaridi capsulari, coniugati o nativi, sono usati come vaccini.

I batteri e molti altri microbi, compresi funghi e alghe, spesso secernono polisaccaridi come adattamento evolutivo per aiutarli ad aderire alle superfici e per evitare che si secchino. Gli esseri umani hanno sviluppato alcuni di questi polisaccaridi in prodotti utili, tra cui la gomma xantana, il destrano, la gomma di gellano e il pullulan.

I polisaccaridi della superficie cellulare svolgono diversi ruoli nell’ecologia e nella fisiologia batterica. Servono come barriera tra la parete cellulare e l’ambiente, mediano le interazioni ospite-patogeno e formano componenti strutturali dei biofilm. Questi polisaccaridi sono sintetizzati da precursori nucleotidici (chiamati zuccheri nucleotidici) e, nella maggior parte dei casi, tutti gli enzimi necessari per la biosintesi, l’assemblaggio e il trasporto del polimero completato sono codificati da geni organizzati in cluster dedicati all’interno del genoma dell’organismo. Il lipopolisaccaride è uno dei più importanti polisaccaridi della superficie cellulare, in quanto svolge un ruolo strutturale chiave nell’integrità della membrana esterna, oltre ad essere un importante mediatore delle interazioni ospite-patogeno.

Gli enzimi che producono gli O-antigeni della banda A (omopolimerici) e della banda B (eteropolimerici) sono stati identificati e le vie metaboliche definite (Guo et al. 2008). L’esopolisaccaride alginato è un copolimero lineare di residui di acido D-mannuronico e acido L-guluronico legati a β-1,4 ed è responsabile del fenotipo mucoide della fibrosi cistica all’ultimo stadio. I loci pel e psl sono due gruppi di geni scoperti di recente che codificano anche esopolisaccaridi ritenuti importanti per la formazione di biofilm. Il ramnolipide è un biosurfattante la cui produzione è strettamente regolata a livello trascrizionale, ma il ruolo preciso che gioca nella malattia non è ben compreso al momento. La glicosilazione delle proteine, in particolare della pilina e della flagellina, è un recente oggetto di ricerca da parte di diversi gruppi e ha dimostrato di essere importante per l’adesione e l’invasione durante l’infezione batterica (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson, e R. J. Heyden. 2006. Biologia: Esplorare la vita. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomica e biologia molecolare, 1a edizione. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song, and P. G. Wang. 2008. La comprensione attuale sulla biosintesi dei polisaccaridi microbici. Curr Top Med Chem 8 (2): 141-51. PMID 18289083. Retrieved February 2, 2009.
• Rehm, B. H. A. (ed.). 2009. Produzione microbica di biopolimeri e precursori di polimeri: Applicazioni e prospettive. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polisaccaridi da microrganismi, piante e animali. Pagine 1-19 in E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polisaccaridi I: Polisaccaridi dai procarioti. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Polisaccaridi batterici: Innovazioni attuali e tendenze future. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.