Il legame glicosidico è un legame covalente che si forma tra il carbonio anomerico (emiacetalico) di un carboidrato e un atomo nucleofilo, in genere un atomo di ossigeno (O), azoto (N) o zolfo (S), di un’altra molecola che effettua l’attacco nucleofilo.[1]
La reazione che porta alla formazione del legame glicosidico è una condensazione, che comporta il rilascio di una molecola d’acqua e la formazione di un acetale.[2]
Il legame glicosidico può essere classificato secondo almeno tre criteri principali: l’atomo che effettua l’attacco nucleofilo, la configurazione iniziale del carbonio del gruppo emiacetalico (α o β), e la posizione degli atomi di carbonio coinvolti nel legame. Quest’ultima classificazione risulta particolarmente utile per comprendere la struttura di disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi, oltre a chiarire quali carboidrati possano essere idrolizzati e digeriti nell’intestino umano.[3][4]
In Sintesi: Punti Chiave
- Definizione e chimica: legame covalente tra il carbonio emiacetalico di una molecola e un nucleofilo, che converte l’emiacetale in un acetale con rilascio di una molecola d’acqua.
- Classificazione atomica: si distinguono in base all’atomo nucleofilo in forme O-glicosidiche, N-glicosidiche e S-glicosidiche.
- Classificazione anomerica: deriva dall’attacco nucleofilo sulle due facce del carbonio carbonilico con ibridazione sp2 (planare), che genera gli anomeri α e β.
- Classificazione in base ai legami: comprende legami lineari (1→4), ramificazioni (1→6) e legami tra carboni anomerici quali α-(1→2)β nel saccarosio e α,α-(1→1) nel trealosio.
- Impatto nutrizionale e digestione: gli esseri umani possiedono enzimi in grado di idrolizzare i legami α, con la rilevante eccezione del legame β-(1→4) del lattosio scisso dalla lattasi.
Indice
- Legame O-, N- e S-glicosidico
- Legame glicosidico α o β
- Legame glicosidico e posizione degli atomi coinvolti
- Bibliografia
Legame O-, N- e S-glicosidico
In base alla natura dell’atomo nucleofilo (ossigeno, azoto o zolfo) che attacca il carbonio anomerico, i legami glicosidici si classificano in tre categorie principali: O-, N- e S-glicosidici, questi ultimi più rari.[1]
Legame O-glicosidico
Il legame O-glicosidico è la forma più comune e diffusa in natura. Si genera quando il nucleofilo è l’ossigeno di un gruppo ossidrilico (−OH). Questo legame covalente è fondamentale per la formazione dei disaccaridi, tra cui i più comuni nella nostra alimentazione sono il saccarosio e il lattosio, degli oligosaccaridi e dei polisaccaridi di riserva, come l’amido nelle piante e il glicogeno negli animali, o strutturali, come la cellulosa.
Si ritrova anche nelle O-glicoproteine, dove lo zucchero si lega all’ossigeno del gruppo ossidrilico della catena laterale di amminoacidi come serina o treonina.[4]
Legame N-glicosidico
Il legame N-glicosidico si forma quando il nucleofilo che compie l’attacco è l’azoto di un gruppo amminico (−NH2 o −NH−). Questo legame riveste un ruolo biologico cruciale: unisce le basi azotate, ossia le purine e le pirimidine, al ribosio o desossiribosio nella struttura dei nucleotidi e degli acidi nucleici, ossia del DNA e dell’RNA. Si ritrova anche nelle N-glicoproteine, in cui l’anello glucidico è legato all’azoto ammidico della catena laterale dell’asparagina.[5]
Legame S-glicosidico
Dei tre tipi di legame glicosidico, il legame S-glicosidico è il più raro e si origina quando l’attacco nucleofilo è condotto dall’atomo di zolfo di un gruppo tiolico (−SH). È caratteristico dei glucosinolati, metaboliti secondari presenti principalmente nelle Brassicaceae, come broccoli e cavoli, dove sono coinvolti nei meccanismi di difesa vegetale contro gli erbivori.[6]
| Categoria atomica | Atomo nucleofilo e legame | Geometria e posizione | Esempi di substrati | Caratteristiche chimico-strutturali |
|---|---|---|---|---|
| O-Glicosidici | O-Glicosidico (legame monociclico acetalico) | α-(1→4) e β-(1→4) lineari | Amilosio, cellulosa, maltosio, lattosio | Ponte di ossigeno tra C1 e C4. L’orientamento anomerico (α elicoidale vs β lineare/esteso) determina la struttura tridimensionale e la solubilità. |
| O-Glicosidico (legame di ramificazione) | α-(1→6) ramificato | Amilopectina, glicogeno, isomaltosio | Ponte di ossigeno tra C1 anomerico e C6 primario esterno all’anello, conferendo un’elevata flessibilità strutturale. | |
| O-Glicosidico (legame inter-anomerico) | α-(1→2)β e α,α-(1→1) | Saccarosio, trealosio | Legame diretto tra i carboni anomerici di due monosaccaridi. Elimina i gruppi emiacetalici liberi, rendendo la molecola uno zucchero non riducente. | |
| N-Glicosidici | N-Glicosidico (legame amminico/nucleosidico) | β-N-Glicosidico tra C1 anomerico e azoto (N9/N1) | Nucleosidi, nucleotidi (DNA, RNA), NAD+, glicoproteine | Ponte d’azoto tra il C1 del ribosio/desossiribosio e l’azoto eterociclico di basi puriniche (N9) o pirimidiniche (N1) o catene peptidiche (asparagina). |
| S-Glicosidici | S-Glicosidico (legame tioacetalico) | β-S-Glicosidico tra C1 anomerico e zolfo tiolico | Glucosinolati (sinigrina, glucorofanina) | Ponte di zolfo legato al carbonio anomerico del D-glucosio. Tipico dei metaboliti secondari delle Brassicaceae, idrolizzato dall’enzima mirosinasi. |
Legame glicosidico α e β
Sulla base della configurazione di partenza del carbonio del gruppo emiacetalico, il legame glicosidico può essere α o β.
Nel corso della ciclizzazione intramolecolare che chiude l’anello monosaccaridico, il carbonio del gruppo carbonilico, che presenta ibridazione sp2, planare, subisce l’attacco nucleofilo da parte del gruppo ossidrile interno.
Poiché l’attacco può avvenire su ciascuna delle due facce del piano del carbonile, tale carbonio diventa un nuovo centro di chiralità, detto carbonio anomerico, generando due stereoisomeri distinti, definiti anomeri α e β.
- Isomero α: l’ossidrile anomerico si trova in posizione trans rispetto al gruppo di riferimento, ossia il −CH2OH nei D-zuccheri, orientato verso il basso nella proiezione di Haworth.
- Isomero β: l’ossidrile anomerico si trova in posizione cis rispetto al gruppo di riferimento, orientato verso l’alto nella proiezione di Haworth. La configurazione β è spesso la forma termodinamicamente favorita.
In soluzione acquosa, i monosaccaridi liberi sono soggetti a mutarotazione, ovvero all’equilibrio dinamico tra la forma aperta e i due anomeri α e β.[1][2]
Legame glicosidico e posizione degli atomi coinvolti
La posizione degli atomi coinvolti, la natura dell’atomo ponte (O, N, S) e la configurazione anomerica (α o β) determinano sia la geometria spaziale delle molecole sia la loro suscettibilità all’idrolisi da parte degli enzimi digestivi umani o del microbiota intestinale. Sulla base di tali caratteristiche si individuano i legami α-(1→4), β-(1→4) e α-(1→6), i legami tra carboni anomerici α-(1→2)β e α,α-(1→1), i legami tipici delle fibre prebiotiche e strutturali come i β-(1→3), nonché i legami con eteroatomi (N- ed S-glicosidici).[2]
| Categoria | Tipo di legame glicosidico | Substrato | Principale enzima idrolitico | Sito digestivo umano e bioaccessibilità |
|---|---|---|---|---|
| Legami α | α-(1→4) e α-(1→6) | Amido, glicogeno, maltosio | α-Amilasi (EC 3.2.1.1), maltasi-glucoamilasi (EC 3.2.1.20), isomaltasi (EC 3.2.1.10) | Bocca e intestino tenue (completamente digeribile/rapidamente assorbito come glucosio) |
| α-(1→2) | Saccarosio | Saccarasi-isomaltasi (EC 3.2.1.48 e 3.2.1.10) | Orletto a spazzola dell’intestino tenue (completamente digeribile/idrolizzato in glucosio + fruttosio) | |
| α,α-(1→1) | Trealosio | Trealasi (EC 3.2.1.28) | Orletto a spazzola dell’intestino tenue (digeribile/idrolizzato in 2 molecole di glucosio; fermentato in caso di deficit enzimatico) | |
| Legami β | β-(1→4) [galattosio-glucosio] | Lattosio | Lattasi (EC 3.2.1.108) | Orletto a spazzola dell’intestino tenue (digeribile nei soggetti con persistenza della lattasi; fermentato in caso di deficit) |
| β-(1→4) [glucosio-glucosio] | Cellulosa | Cellulasi (EC 3.2.1.4; assente nell’uomo) | Colon/Microbiota intestinale (fibra alimentare indigeribile; parzialmente fermentata da batteri anaerobi in acidi grassi a catena corta) | |
| β-(1→3) e β-(1→4)/β-(1→6) | β-Glucani, inulina, emicellulosa | Enzimi batterici attivi sui carboidrati (Glicoside idrolasi; EC 3.2.1) | Colon/Microbiota intestinale (fibra alimentare prebiotica; fermentata in acidi grassi a catena corta) | |
| Legami con eteroatomi | S-Glicosidici e N-glicosidici | Glucosinolati, nucleosidi | Mirosinasi (EC 3.2.1.147; vegetale/microbica), nucleosidasi | Tratto gastrointestinale superiore e microbiota intestinale (metabolizzati in isotiocianati bioattivi o purine/pirimidine libere) |
Legame glicosidico α-(1→4) vs β-(1→4)
Il legame α-(1→4) è un legame lineare che unisce le unità di D-glucosio nel glicogeno e nell’amilosio, che con l’amilopectina forma l’amido. I mammiferi sintetizzano l’enzima α-amilasi, in grado di idrolizzare specificamente questo legame per liberare glucosio a scopo energetico.[4]
Il legame β-(1→4) caratterizza la cellulosa, il principale polisaccaride strutturale delle piante. A causa dell’orientamento β, le catene assumono una conformazione lineare e rigida, stabilizzata da legami a idrogeno intercatena. I mammiferi non possiedono l’enzima β-glucosidasi (EC 3.2.1.21) e non possono idrolizzare questo legame. Questo rende la cellulosa una fibra, quindi non digeribile ma parzialmente fermentabile dal microbiota intestinale.[7]
Tuttavia, la maggior parte dei mammiferi è in grado di idrolizzare il legame glicosidico β-(1→4) che unisce galattosio e glucosio nel disaccaride lattosio. Ciò è reso possibile dalla presenza sull’orletto a spazzola degli enterociti dell’enzima lattasi, una β-galattosidasi specifica per il legame glicosidico β-(1→4) del lattosio.[8]
Legame glicosidico α-(1→6)
Il legame α-(1→6) costituisce i punti di ramificazione nelle strutture dell’amilopectina e del glicogeno. Poiché l’α-amilasi idrolizza primariamente i legami (1→4), la scissione delle ramificazioni (1→6) richiede un enzima specifico, l’enzima deramificante isomaltasi.[4]
Legami glicosidici (1→2) e (1→1) tra carboni anomerici
Quando il legame glicosidico coinvolge direttamente i carboni anomerici di entrambi i monosaccaridi, come nei legami (1→2) e (1→1), la molecola perde i gruppi emiacetalici liberi diventando uno zucchero non riducente.[1]
Un esempio di legame tra atomi di carbonio anomerici è il legame α-(1→2)β del saccarosio, dove il carbonio anomerico C1 dell’α-D-glucosio si lega al carbonio anomerico C2 del β-D-fruttosio. Coinvolgendo entrambi i gruppi emiacetalici responsabili del potere riducente, il saccarosio diventa uno zucchero non riducente. Nell’uomo, questo legame viene idrolizzato efficacemente dalla saccarasi-isomaltasi, rendendo i due monosaccaridi subito disponibili per l’assorbimento.[4]
Il legame α,α-(1→1), presente nel trealosio, si forma tra i due carboni C1 anomerici di due molecole di α-D-glucosio, bloccando anch’esso la reattività e rendendo lo zucchero non riducente. Nell’uomo questo legame è scisso dall’enzima trealasi.[5]
In sintesi, la specificità stereochimica degli enzimi digestivi, capaci di riconoscere la geometria α ma non la β nelle catene glucidiche (1→4), con la sola eccezione del lattosio, stabilisce il confine tra ciò che per l’uomo è una fonte di energia e ciò che costituisce la fibra alimentare.[9]
Bibliografia
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- ^ a b c d e Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 8th Edition. W.H. Freeman and Company, 2021.
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- ^ Halkier B.A., Gershenzon J. Biology and biochemistry of glucosinolates. Annu Rev Plant Biol 2006;57:303-33. doi:10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228
- ^ Lattimer J.M., Haub M.D. Effects of dietary fiber and its components on metabolic health. Nutrients 2010;2(12):1266-89. doi:10.3390/nu2121266
- ^ Zecca L., Mesonero J.E., Stutz A., Poirée J.C., Giudicelli J., Cursio R., Gloor S.M., Semenza G. Intestinal lactase-phlorizin hydrolase (LPH): the two catalytic sites; the role of the pancreas in pro-LPH maturation. FEBS Lett 1998;435(2-3):225-8. doi: 10.1016/s0014-5793(98)01076-x
- ^ Guyton A.C., Hall J.E. Textbook of medical physiology. 14th Edition. Philadelphia: Elsevier, 2021.