Definizione di polisaccaride
Un polisaccaride è una grande molecola fatta di molti monosaccaridi più piccoli. I monosaccaridi sono zuccheri semplici, come il glucosio. Speciali enzimi legano questi piccoli monomeri insieme creando grandi polimeri di zucchero, o polisaccaridi. Un polisaccaride è anche chiamato un glicano. Un polisaccaride può essere un omopolisaccaride, in cui tutti i monosaccaridi sono uguali, o un eteropolisaccaride in cui i monosaccaridi variano. A seconda di quali monosaccaridi sono collegati e quali carboni nei monosaccaridi si collegano, i polisaccaridi assumono una varietà di forme. Una molecola con una catena dritta di monosaccaridi è chiamata polisaccaride lineare, mentre una catena che ha braccia e giri è conosciuta come polisaccaride ramificato.
Funzioni di un polisaccaride
A seconda della loro struttura, i polisaccaridi possono avere una grande varietà di funzioni in natura. Alcuni polisaccaridi sono usati per immagazzinare energia, alcuni per inviare messaggi cellulari, e altri per fornire supporto a cellule e tessuti.
Stoccaggio di energia
Molti polisaccaridi sono usati per immagazzinare energia negli organismi. Mentre gli enzimi che producono energia lavorano solo sui monosaccaridi immagazzinati in un polisaccaride, i polisaccaridi tipicamente si piegano insieme e possono contenere molti monosaccaridi in una zona densa. Inoltre, poiché le catene laterali dei monosaccaridi formano il maggior numero possibile di legami idrogeno con se stesse, l’acqua non può penetrare nelle molecole, rendendole idrofobiche. Questa proprietà permette alle molecole di stare insieme e di non dissolversi nel citosol. Questo abbassa la concentrazione di zucchero in una cellula, e più zucchero può essere assorbito. Non solo i polisaccaridi immagazzinano l’energia, ma permettono cambiamenti nel gradiente di concentrazione, che può influenzare l’assorbimento cellulare di nutrienti e acqua.
Comunicazione cellulare
Molti polisaccaridi diventano glicoconiugati quando si legano covalentemente a proteine o lipidi. I glicolipidi e le glicoproteine possono essere usati per inviare segnali tra e all’interno delle cellule. Le proteine dirette a un organello specifico possono essere “etichettate” da certi polisaccaridi che aiutano la cellula a spostarle in un organello specifico. I polisaccaridi possono essere identificati da proteine speciali, che poi aiutano a legare la proteina, la vescicola o altre sostanze a un microtubulo. Il sistema di microtubuli e le proteine associate all’interno delle cellule possono portare qualsiasi sostanza alla sua destinazione una volta etichettata da polisaccaridi specifici. Inoltre, gli organismi pluricellulari hanno sistemi immunitari guidati dal riconoscimento delle glicoproteine sulla superficie delle cellule. Le cellule di un singolo organismo produrranno polisaccaridi specifici con cui adornare le proprie cellule. Quando il sistema immunitario riconosce altri polisaccaridi e glicoproteine diverse, entra in azione e distrugge le cellule invasori.
Sostegno cellulare
Di gran lunga uno dei più grandi ruoli dei polisaccaridi è quello di sostegno. Tutte le piante sulla Terra sono sostenute, in parte, dal polisaccaride cellulosa. Altri organismi, come insetti e funghi, usano la chitina per sostenere la matrice extracellulare intorno alle loro cellule. Un polisaccaride può essere mescolato con qualsiasi numero di altri componenti per creare tessuti più rigidi, meno rigidi o anche materiali con proprietà speciali. Tra la chitina e la cellulosa, entrambi polisaccaridi fatti di monosaccaridi di glucosio, centinaia di miliardi di tonnellate sono create dagli organismi viventi ogni anno. Tutto, dal legno degli alberi alle conchiglie delle creature marine, è prodotto da qualche forma di polisaccaride. Semplicemente riorganizzando la struttura, i polisaccaridi possono passare da molecole di stoccaggio a molecole fibrose molto più forti. La struttura ad anello della maggior parte dei monosaccaridi aiuta questo processo, come si vede qui sotto.
Struttura di un polisaccaride
Tutti i polisaccaridi sono formati dallo stesso processo di base: i monosaccaridi sono collegati tramite legami glicosidici. In un polisaccaride, i singoli monosaccaridi sono noti come residui. Quelli che seguono sono solo alcuni dei molti monosaccaridi creati in natura. A seconda del polisaccaride, qualsiasi combinazione di essi può essere combinata in serie.
La struttura delle molecole combinate determina le strutture e le proprietà del polisaccaride risultante. La complessa interazione tra i loro gruppi idrossilici (OH), altri gruppi laterali, le configurazioni delle molecole e gli enzimi coinvolti influenzano il polisaccaride prodotto. Un polisaccaride usato per l’immagazzinamento dell’energia darà facile accesso ai monosaccaridi, pur mantenendo una struttura compatta. Un polisaccaride usato per il supporto è di solito assemblato come una lunga catena di monosaccaridi, che agisce come una fibra. Molte fibre insieme producono legami idrogeno tra le fibre che rafforzano la struttura generale del materiale, come si vede nell’immagine qui sotto.
I legami glicosidici tra i monosaccaridi consistono in una molecola di ossigeno che collega due anelli di carbonio. Il legame si forma quando un gruppo idrossile viene perso dal carbonio di una molecola, mentre l’idrogeno viene perso dal gruppo idrossile di un altro monosaccaride. Il carbonio della prima molecola sostituirà l’ossigeno della seconda molecola come proprio, e si forma il legame glicosidico. Poiché vengono espulse due molecole di idrogeno e una di ossigeno, la reazione ha prodotto anche una molecola di acqua. Questo tipo di reazione è chiamato reazione di disidratazione, poiché l’acqua viene rimossa dai reagenti.
Esempi di un polisaccaride
Cellulosa e chitina
Cellulosa e chitina sono entrambi polisaccaridi strutturali che consistono di molte migliaia di monomeri di glucosio combinati in lunghe fibre. L’unica differenza tra i due polisaccaridi sono le catene laterali attaccate agli anelli di carbonio dei monosaccaridi. Nella chitina, i monosaccaridi di glucosio sono stati modificati con un gruppo contenente più carbonio, azoto e ossigeno. La catena laterale crea un dipolo, che aumenta il legame a idrogeno. Mentre la cellulosa può produrre strutture dure come il legno, la chitina può produrre strutture ancora più dure, come la conchiglia, il calcare e persino il marmo quando viene compressa.
Entrambi i polisaccaridi formano lunghe catene lineari. Queste catene formano lunghe fibre che si depositano all’esterno della membrana cellulare. Alcune proteine e altri fattori aiutano le fibre a tessere in una forma complessa, che è tenuta in posizione da legami idrogeno tra le catene laterali. Così, semplici molecole di glucosio che una volta erano usate per immagazzinare energia possono essere convertite in molecole con rigidità strutturale. L’unica differenza tra i polisaccaridi strutturali e i polisaccaridi di stoccaggio sono i monosaccaridi utilizzati. Cambiando la configurazione delle molecole di glucosio, invece di un polisaccaride strutturale, la molecola si ramifica e immagazzina molti più legami in uno spazio più piccolo. L’unica differenza tra cellulosa e amido è la configurazione del glucosio usato.
Glicogeno e amido
Probabilmente i polisaccaridi di stoccaggio più importanti del pianeta, il glicogeno e l’amido sono prodotti rispettivamente dagli animali e dalle piante. Questi polisaccaridi si formano da un punto di partenza centrale e si espandono a spirale verso l’esterno, grazie ai loro complessi schemi di ramificazione. Con l’aiuto di varie proteine che si attaccano ai singoli polisaccaridi, le grandi molecole ramificate formano dei granuli, o ammassi. Questo può essere visto nell’immagine qui sotto delle molecole di glicogeno e le proteine associate, viste al centro.
Quando una molecola di glicogeno o di amido viene scomposta, gli enzimi responsabili iniziano alle estremità più lontane dal centro. Questo è importante, perché noterete che a causa dell’ampia ramificazione ci sono solo 2 punti di partenza, ma molte estremità. Questo significa che i monosaccaridi possono essere estratti rapidamente dal polisaccaride ed essere utilizzati per l’energia. L’unica differenza tra l’amido e il glicogeno è il numero di ramificazioni per molecola. Questo è causato da diverse parti dei monosaccaridi che formano legami e da diversi enzimi che agiscono sulle molecole. Nel glicogeno un ramo si verifica ogni 12 residui circa, mentre nell’amido un ramo si verifica solo ogni 30 residui.
- Monosaccaride – La più piccola unità di molecole di zucchero, o uno zucchero monomero.
- Monomero – Una singola entità che può essere combinata per formare una entità più grande, o polimero.
- Polimero – Include proteine, polisaccaridi, e molte altre molecole esistenti di unità più piccole combinate insieme.
- Polipeptide – Un polimero di monomeri di aminoacidi, chiamato anche proteina.
Quiz
1. Se non ti lavi i denti da un po’, potresti notare una placca gialla che inizia ad accumularsi. Parte della placca consiste di destrani, o polisaccaridi che i batteri usano per immagazzinare energia. Dove prendono i batteri i monosaccaridi per creare questi polisaccaridi? Li sintetizzano dalla luce del sole.
B. Li creano dal loro codice genetico.
C. Li raccolgono dagli avanzi del cibo che mangi.
2. Le piante producono sia l’amido amilosio, sia il polimero strutturale cellulosa, da unità di glucosio. La maggior parte degli animali non può digerire la cellulosa. Anche i ruminanti come i bovini non possono digerire la cellulosa e si affidano a organismi interni simbiotici per rompere i legami della cellulosa. Tuttavia, tutti i mammiferi producono amilasi, un enzima che può rompere l’amilosio. Perché l’amilasi non può rompere i legami della cellulosa? La cellulosa e l’amilosio sono strutturalmente diversi, e l’amilasi non riconosce la cellulosa.
B. I legami glicosidici della cellulosa sono più forti.
C. La matrice extracellulare creata dalla cellulosa non può essere scomposta.
3. L’ialuronano è una molecola che si trova nelle articolazioni dei vertebrati che fornisce supporto creando una matrice gelatinosa per ammortizzare le ossa. L’acido ialuronico è creato da diversi monosaccaridi legati insieme in lunghe catene. Quale dei seguenti descrive lo ialuronano?
1. Omopolisaccaride
2. Eteropolisaccaride
3. Polimero
4. Monomero
A. Tutti
B. 1, 3
C. 2, 3