CHIMICA/ Non solo dolci: alla scoperta dei territori inesplorati degli zuccheri

Gli zuccheri, o meglio i carboidrati, sono le molecole organiche più abbondanti sulla terra. Il loro nome deriva dalla formula Cn(H₂O)n, usata per rappresentare molti zuccheri: idrati di carbonio, una molecola di acqua per ogni atomo di carbonio. Come e più di altri composti organici fanno parte della nostra esperienza quotidiana sin dall’antichità. Sentendo parlare di zucchero, è immediata l’associazione al gusto dolce. La funzione più conosciuta dei carboidrati, nota ormai a tutti da molto tempo, è quella di fornire energia. Questo è però soltanto uno dei moltissimi modi in cui i carboidrati entrano nella nostra vita: quando indossiamo un paio di jeans, ci stiamo vestendo di carboidrati (cellulosa), quando mangiamo un gambero, lo estraiamo da un guscio di carboidrati (chitina).

I carboidrati sono molecole chirali (cioè asimmetriche, vedi precedente articolo); possono essere suddivisi in monosaccaridi (uno zucchero), disaccaridi, (due zuccheri legati tra loro) oligo-(alcuni zuccheri) e polisaccaridi (lunghe catene di zuccheri); le unità di zucchero si legano tra loro per mezzo di un legame detto glicosidico, con formale eliminazione di una molecola di acqua. Gli zuccheri più piccoli come mono- e disaccaridi sono una fonte di energia immediatamente disponibile. Gli zuccheri della frutta sono zuccheri semplici (glucosio e fruttosio), quello che chiamiamo normalmente zucchero, il saccarosio, è un disaccaride composto da glucosio e fruttosio, il lattosio, contenuto nel latte, è composto da glucosio e galattosio. I polisaccaridi sono costituiti da lunghe catene, spesso regolari, di monosaccaridi. L’amido, ad esempio, è una catena di unità di glucosio; è anch’esso una fonte di energia, a più lento assorbimento.

Curiosamente, anche la cellulosa è una catena di unità di glucosio, che differisce dall’amido solo per l’orientazione spaziale del legame tra le unità costituenti. Questa apparentemente piccola differenza rende la cellulosa non assimilabile dal nostro organismo, meno solubile in acqua e con proprietà fibrose. La cellulosa è un polisaccaride con compiti strutturali, così come la chitina (componente principale dell’esoscheletro di insetti, crostacei e altri artropodi). Molti altri polisaccaridi sono presenti in batteri, funghi, alghe, organismi superiori animali e vegetali (ad esempio polisaccaridi batterici, alginati, agar, eparina e acido ialuronico, ecc.) e possiedono ruoli strutturali, protettivi e funzionali.

Il lavoro pionieristico di Emil Fischer sulla chimica degli zuccheri verso la fine del XIX secolo e la determinazione della loro struttura ciclica da parte di Haworth hanno permesso di identificare la composizione e la struttura dei polisaccaridi. Dagli anni sessanta del secolo scorso ha cominciato a diventare evidente che molti carboidrati presenti in natura sono legati (coniugati) a proteine e lipidi (glicoproteine e glicolipidi).

Lo studio della struttura e della funzione della parte saccaridica di glicoconiugati ha incontrato però molte difficoltà a causa della complessità delle loro strutture, della loro scarsa abbondanza e delle difficoltà di purificazione e caratterizzazione. Mentre l’importanza biologica di acidi nucleici e proteine era stata riconosciuta da tempo, gli oligosaccaridi, sotto forma di glicoconiugati hanno richiamato l’attenzione dei ricercatori solo recentemente grazie alla comparsa di tecniche sufficientemente sensibili e sofisticate per la loro caratterizzazione. La sintesi chimica ha aiutato la comprensione della funzione degli oligosaccaridi fornendo quantità sufficienti di materiale di elevata purezza.

Come per gli acidi nucleici e le proteine, si è oggi compreso che anche i carboidrati giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione di informazioni, tra le cellule e tra la cellula e l’ambiente esterno. Da questo punto di vista, i carboidrati sono in grado di trasmettere una grandi quantità di informazione. Ad esempio, due monomeri A e B di un acido nucleico (nucleotide) o di una proteina (amminoacido), possono essere combinati in due modi: A-B oppure B-A. Nel caso degli zuccheri, due monomeri possono essere, in generale collegati tra loro in modi diversi, generando 16 disaccaridi differenti. Se consideriamo tre monomeri, passiamo da sei trimeri per nucleotidi e amminoacidi a 336 trisaccaridi. Se si considera il numero elevato di monomeri potenzialmente disponibili e le loro combinazioni si arriva a numeri impressionanti. La natura ha però selezionato alcuni monomeri e alcune combinazioni che sono più ricorrenti. Ciononostante il numero dei diversi oligosaccaridi che si ritrovano come glicoconiugati è comunque molto elevato. Le conseguenze funzionali della presenza nelle cellule di oligosaccaridi coniugati a proteine e lipidi sono impressionanti.

Gli oligosaccaridi hanno un ruolo fondamentale sia nell’immunità innata sia adattativa: il nostro sistema immunitario controlla la superficie delle cellule e riconosce la presenza di oligosaccaridi che non appartengono al nostro organismo. I gruppi sanguigni, ad esempio, dipendono dalla struttura degli antigeni oligosaccaridici presenti sulla superficie cellulare e permettono all’organismo di distinguere tra cellule proprie e estranee.

Il nostro organismo è in grado di riconoscere e attaccare organismi invasori, generando una risposta immunitaria contro strutture saccaridiche. Ad esempio, molti batteri possiedono una capsula polisaccaridica o antigeni saccaridici esterni alla membrana, in grado di stimolare una risposta immunitaria. Questo comportamento è stato sfruttato per produrre vaccini semisintetici contro streptococchi e meningococchi, utilizzando polisaccaridi capsulari batterici purificati.

Batteri e virus hanno sviluppato strategie per invadere il nostro organismo legandosi, tramite proteine presenti sulla loro superficie, a oligosaccaridi esposti dalle nostre cellule i per infettarci.

La glicosidazione può regolare la biosintesi, il trasporto e la funzione di glicoproteine: ad esempio può regolare l’attività di enzimi (i catalizzatori biologici). Glicolipidi e glicoproteine sono coinvolti in fenomeni infiammatori, nel processo di fertilizzazione, possono essere marcatori tumorali ed essere coinvolti nella formazione di metastasi tumorali.

Alcune malattie genetiche, quali ad esempio la leucodistrofia metacromatica, la malattia di Gaucher o quella di Fabry, derivano dall’assenza di enzimi che provocano l’accumulo di glicolipidi con conseguenze anche molto gravi. I carboidrati possono peraltro avere anche un ruolo terapeutico. Vi sono antibiotici quali gentamicina e streptomicina, anticoagulanti come l’eparina e i suoi derivati, inibitori di glicosidasi usati come antidiabetici e molti altri.

Ritornando all’inizio del discorso, anche la sensazione di dolce procurata dallo zucchero (ma esistono perfino zuccheri amari) deriva dall’interazione della molecola con recettori presenti sulla superficie cellulare.

Al di là dei pochi aspetti trattati, è evidente che la ricerca sul ruolo biologico dei carboidrati ha conosciuto enormi sviluppi negli ultimi 40-50 anni e, se da una parte ha permesso di comprendere molteplici fenomeni che coinvolgono i carboidrati, dall’altra ha fatto sorgere nuove domande e aperto nuovi territori inesplorati che attendono di essere indagati e compresi.