POLISACCARIDI Sono macromolecule di origine biologica costituiti da un grande numero di residui di monosacaridi legati da legame glicosidico. Il 99 % dei polisaccaridi è nelle piante. Produzione mondiale per anno di cellulosa: 1010 ton. Per confronto la produzione di petrolio è di 4·โ109 ton, di zucchero è 108 ton. Molto spesso i polisaccaridi non sono puri ma coniugati con altri polisaccaridi, con lipidi (glicolipidi), con proteine (glicoproteine) o associati con legami non covalenti. Omopolisaccaridi (omoglicani) -­โ Eteropolisaccaridi (eteroglicani) Nomenclatura per gli omopolisaccaridi: Nome dello zucchero nome del polisaccaride Xylosio xilano Mannosio mannano Galattosio galattano Cellulosa e amido sono ambedue costituiti da residui di glucosio. I legami glicosidici α e β portano a strutture secondarie fondamentalmente diverse. Notazione: le unità glicosidiche sono rappresentate dalle prime tre lettere del loro nome, ad eccezione del glucosio che è Glc; qualche volta, si omette di indicare la configurazione D. Se presente un residuo L (raro) va indicato; dimensioni dell’anello: p (piranosio) o f (furanosio); vanno indicati i legami glicosidici α e β; Monosaccaridi più comuni trovati nei polisaccaridi ESEMPI CLASSIFICAZIONE DEI POLISACCARIDI FONTI di POLISACCARIDI ESTRATTI dalle ALGHE: Agar, alginati, carraginani PIANTE SUPERIORI (parte insolubile): cellulosa PIANTE SUPERIORI (parte solubile): pectina SEMI delle PIANTE SUPERIORI: amido (da cereali), guar (da essudati delle piante) TUBERI e RADICI di PIANTE SUPERIORI: amido (da patate, da tapioca) ESSUDATI di PIANTE SUPERIORI: gomma arabica MICRORGANISMI: xantano, gellano DERIVATI: amido modificato, carbossimetilcellulosa, propilen glicol alginati CLASSIFICAZIONE DEI POLISACCARIDI PER STRUTTURA LINEARI: amilosio, cellulosa, pectina, alginati LINEARI con POCHE RAMIFICAZIONI: gomme di guar, di xantano RAMIFICATI: amilopectine, gomma arabica, arabinoxilani PER MONOMERI OMOGLICANI: amido, cellulosa DIETEROGLICANI: agar, alginati, carraginani TRIETEROGLICANI: xantano, gellano PER CARICA NEUTRI: amilosio, amilopectine, cellulosa ANIONICI: alginati, carraginani, gellano, gomma arabica, xantano CATIONICI: chitosano GRADO di POLIMERIZZAZIONE (DP): numero di residui, o di unità ripetitive, in un polimero LUNGHEZZA di una CATENA: è, di solito, espressa in DP PESO MOLECOLARE MEDIO NUMERICO (Mn): ๐ด๐ = ๐ ๐ต๐ ๐ด๐ ๐ ๐ต๐ = sum(wi)/sum(Ni) dove Ni è il numero di catene polimeriche di peso Mi. Può essere determinato mediante misure osmometriche o basate su altre proprietà colligative, titolazione dei gruppi terminali. Al valore di Mn contribuiscono maggiormente le catene polimeriche corte. PESO MOLECOLARE MEDIO PESATO (PONDERALE, Mw): ๐ด๐ = ๐ ๐ ๐ต๐ ๐ด๐ ๐ ๐ต๐ ๐ด๐ Può essere determinato mediante misure di diffusione della luce, diffusione di neutroni in basso angolo (SANS), diffusione di raggi X in basso angolo (SAXS), velocità di sedimentazione. Al valore di Mw contribuiscono maggiormente le catene di elevato peso molecolare. INDICE di POLIDISPERSIONE (PDI): ๐ด๐ ๐ด๐ PDI=1 indica che in batch esiste un’unica catena di polimero. Nei polisaccaridi, in funzione dei processi di estrazione, l’indice di polidispersione può variare sensibilmente. I concetti di PESO MOLECOLARE MEDIO NUMERICO, di PESO MOLECOLARE MEDIO PESATO e di POLIDISPERSIONE sono validi per qualsiasi polimero. DISTRIBUZIONE DELLA LUNGHEZZA DELLE CATENE SPETTROMETRIA DI MASSA MALDI-­โTOF (per pesi molecolari alti) SPETTROMETRIA DI MASSA ESI (per pesi molecolari medio-­โpiccoli) Spettro ESI-­โMS in ionizzazione positiva di un octapeptide coniugato con poli(etilen glicole) (PEG) con peso molecolare medio pesato 2000 (45 unità ripetitive). High performance size-exclusion chromatography Fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis POLISACCARIDI DA SEMI, RADICI, TUBERI: AMIDO E’ uno dei carboidrati più abbondanti in natura E’ il maggiore componente della dieta umana Comprende molecole lineari (amilosio) e ramificate (amilopectina) Può essere modificato geneticamente, per via chimica, fisica ed enzimatica Subisce idrolisi acida ed enzimatica producendo maltodestrine e sciroppo Materiale di partenza di molte industrie alimentari e non. Strutture elicoidali dell’amilosio e dell’amilopepctina stabilizzate da legami idrogeno. CELLULOSA Il 40 % del carbonio nelle piante è presente come cellulosa. Una pianta genera circa 14 g di cellulosa/giorno da fotosintesi. Le fibre del cotone sono costituite da circa il 94 % di cellulosa. Subisce idroli acidi fornendo D glucosio. Idrolizzato dall’enzima β-­โglucosidasi fornisce cellobiosio. Non viene idrolizzato dagli enzimi α-­โglucosidasi. La sua struttura è stata determinata mediante diffrazione di raggi X. E’ un polimero sindiotattico. La rete di legami idrogeno intercatena consente un elevato grado di cross-­โlinking che hanno grande influenza sulla struttura molecolare (comune a molti polisaccaridi). I legami idrogeno portano ad un allineamento parallelo delle fibre (grande resistenza allo stress). A loro volta le catene di cellulosa danno superavvolgimenti elicoidali (vedi figura sotto). Le regioni cristalline sono interrotte da altre amorfe. Il grado di cristallinità della cellulosa nativa è intorno al 60 % (cellulosa I). Per trattamento con NaOH concentrato a temperatura di 35-­โ40 °C, la cellulosa I dà la cellulosa II che ha orientazione antiparallela delle catene (trasformazione irreversibile, la cellulosa II è termodinamicamente più stabile della I). Questo processo si chiama mercerizzazione e fornisce, per esempio, un cotone più morbido e più lucido. Nelle piante, la funzione della cellulosa è quella di componente fibrosa di un materiale biologico molto efficiente. In natura, la cellulosa non è quasi mai pura; è associata principalmente con emicellulose, pectine, lignina. Schema della struttura della parete cellulosopectica. Le fibrille di cellulosa sono contornate da emicellulose (in rosso) che sono collegate a molecole di pectina (in verde), tenute legate tra esse da ioni calcio (Ca2+). Emicellulose: polisaccaridi a basso peso molecolare scarsamente solubili. Al contrario della cellulosa, sono costituite da altri monosaccaridi oltre al glucosio. Hanno struttura ramificata al contrario della cellulosa che è lineare; non sono, quindi, fibrose. Si idratano facilmente, sono amorfe e hanno proprietà adesive. Gli xilani sono emicellulose. CHIMICA DELLA CELLULOSA Pectine: sono contenute nella frutta. Hanno struttura complessa costituta da uno scheletro di unità di acido galatturonico D, parzialmente metilato in posizione 6 e acetilato in posizione 2 e/o 3, legato con legame glicosidico a(1-­โ4). Può contenere molti altri residui di monosaccardi e non ha una struttura ben definita. Composizione e struttura dipendono dalla fonte (bucce del limone, mela, girasole) e dal metodo di estrazione. Ha forti proprietà gelificanti: a bassa percentuale di esterificazione gelifica in presenza di ioni calcio, ad alta percentuale di esterificazione gelifica a bassi pH. il meccanismi di gelificazione in presenza di ioni calcio CHITINA E CHITOSANO CHITINA: il peso molecolare della chitina nativa presente nell’esoscheletro dei crostacei e degli insetti ha peso molecolare di 1-­โ2·106 Da. Ha struttura secondaria simile a quella della cellulosa. L’analisi mediante diffrazione di raggi X della chitina e di complessi chitina-­โproteina mostra che le fibre di chitina sono impacchettate in una matrice di proteine in struttura elicoidale. Chitin and Chitosan Liquid Crystal Properties of Insect Cuticle Chitin Chitina e chitosano hanno proprietà di cristalli liquidi. smectic nematic cholesteric Hackman, R. H. (1987) Chitin and the fine structure of insect cuticles, in: Chitin and Benzoylphenyl Ureas (Wright, J. E., Retnakaran, A., Eds.), pp. 1-32. Dordrecht: W. Junk. I cristalli liquidi sono sistemi altamente organizzati (non sono né solidi cristallini, né liquidi amorfi). Esistono in tre fasi principali: smettica, nematica e colesterica. Cambiamenti di temperatura o concentrazione portano a cambiamenti di fase o a distruzione dell’ordine. Derivati di chitina e chitosano Further polysaccharides from plants and Microorganisms Altri polisaccaridi Thickeners and stabilizers (1988, USA): 280.000 tons, 80 million $ Source: Industrial Gums Handbook ALGINATI Sono polisaccaridi strutturali prodotti prevalentemente da alghe. Sono polimeri lineari costituiti da ripetizioni di residui di acido mannuronico (M) in configurazione D legati con legame β−(1-­โ>4) e da residui di acido guluronico (G) in configurazione L legati con legame α−(1-­โ>4). L’acido mannuronico e quello guluronico sono epimeri ma l’acido mannuronico viene convertito nel guluronico per via enzimatica dopo la polimerizzazione. Non sono polimeri random; a seconda della alghe da cui sono prodotti, gli alginati consistono di blocchi alternati MMMMMM, GGGGGG e GMGMGMGM, ognuno dei quali ha proprietà conformazionali diverse, come evidente dalle strutture riportate sotto. Possono essere preparati in un vasto intervallo di pesi molecolari (da circa 50 a 105 residui) a seconda dell’uso che se ne deve fare. Le sequenze MMMMMMM assumono preferenzialmente una conformazione in elica ternaria sinistrorsa stabilizzata da legami idrogeno deboli mentre i blocchi GGGGGG, più rigidi e più stabili nei confronti degli acidi, formano eliche binarie stabilizzate da legami idrogeno tra i gruppi OH e i carbossili. I tratti GMGMGMGM, che contengono ambedue i tipi di legami, α−(1-­โ >4) e β−(1-­โ>4) sono intrinsecamente più disordinati. Come altri polisaccaridi, tendono a formare gel. Gli ioni calcio favoriscono l’associazione dei tratti di guluronato, secondo un modello di egg-­โbox, ma non quelli di mannuronato.
