La misteriosa struttura dell’amido Understand article

Tradotto da Monica Mauri. Un filamento di molecole di glucosio. Sembra semplice, ma non lo è. Dominique Cornuéjols e Serge Pérez esplorano la complessità della sua struttura – e dimostrano che il mistero non è affatto risolto.

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Prendete una manciata di spaghetti e buttateli nell’acqua bollente. I rigidi bastoncini velocemente diventeranno più morbidi e gentilmente si curveranno mentre aumentano di volume. Noi diamo per scontato questo comportamento della pasta nell’acqua calda, ma che cosa succede esattamente alla struttura fine degli spaghetti, per dare luogo ad una così drastica metamorfosi?

Una prima risposta è che la pasta – come il riso, le patate o il pane – contiene una grande quantità di amido. Ma cos’è l’amido? Prodotti dalle piante mediante la fotosintesi a partire dall’anidride carbonica, i granuli di amido sono costituiti da polimeri del glucosio e fungono da riserve energetiche. Verso la fine della stagione della crescita, l’amido si accumula nei ramoscelli delle piante, vicino ai germogli. Lo si trova anche nella frutta, nei semi, nei rizomi e nei tuberi. I granuli di amido sono molto adatti per un immagazzinamento a così lungo termine, a causa della loro compattezza, della relativa asciuttezza e dell’elevata stabilità.

Figura 1: Elementi strutturali
di base dell’amilosio (a) e
dell’amilopectina (b). Cliccare
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Tuttavia, questa essenziale fonte di energia divenne accessibile agli uomini solo dopo aver domato il fuoco, in quanto i granuli crudi di amido sono così compatti da risultare difficilmente digeribili. Per aumentarne la digeribilità, l’amido deve essere cotto: è solo dopo essere stato scaldato che esso diviene idrosolubile e commestibile.
La trasformazione subita dall’amido crudo nell’acqua bollente è detta gelatinizzazione: i granuli si gonfiano e scoppiano, formando una pasta. Durante il raffreddamento o una conservazione prolungata, la pasta d’amido spesso si addensa a causa di un fenomeno detto retrogradazione. Gelatinizzazione e retrogradazione, che corrispondono a modifiche strutturali nei granuli, influenzano il comportamento dei sistemi contenenti amido.

Di conseguenza, l’amido è ottimo per modificare la consistenza di molti cibi di preparazione industriale o domestica (come, ad esempio, la farina di grano o di mais usata per addensare le salse), ed è anche stato usato per secoli per altri scopi, compresa la produzione della carta (incollatura), di colle o appretti. Oggigiorno, stanno comparendo nuove applicazioni dell’amido, che comprendono le fibre dietetiche a basso contenuto calorico, materiali da imballaggio biodegradabili, pellicole e materiali termoplastici.

La scienza: un piccolo passo per volta

Figura 2: a) Granulo di amido
crudo osservato mediante
microscopia elettronica a
scansione b) Il medesimo
granulo alla luce polarizzata

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L’amido, quindi, è ampiamente utilizzato nell’industria – e lo è stato per migliaia di anni. Lo studio scientifico dell’amido è iniziato nel 1833 quando il chimico Francese Anselme Payen stabilì che l’amido era composto da unità di glucosio. Tuttavia, ancora oggi, la sua biochimica e la struttura dettagliata non sono state ancora del tutto comprese. A livello molecolare, noi sappiamo che l’amido nativo (come lo si trova in natura) è fatto da due distinti componenti: amilosio e amilopectina, che possono essere isolati per frazionamento e studiati separatamente.

Entrambi i componenti contengono catene polimeriche costituite da unità di glucosio, ma le catene sono unite in modo diverso. L’amilosio è prevalentemente lineare (con unità di glucosio unite mediante legami (1-4) (Figura 1a), mentre l’amilopectina ha una struttura molto compatta, altamente ramificata, dovuta ai legami (1-6) (Figura 1b). L’amilopectina può contenere fino a centomila unità di glucosio ed è la più grande bio-macromolecola conosciuta.

I granuli di amido naturale variano enormemente per forma e dimensione (da 0.1 a 200 mm), ma essi hanno tutti una caratteristica comune: al microscopio ed irradiati con luce polarizzata, i granuli di amido colorati con lo iodio mostrano una caratteristica “ croce di Malta” (mostrata in arancio nella Figura 2b), che indica l’esistenza di un generale ordine interno. Quando i granuli vengono scaldati in un eccesso d’acqua (come quando si cuociono gli spaghetti), la croce di polarizzazione comincia a scomparire, dimostrando che questo ordine molecolare si sta spezzando.

Le proprietà fisiche dell’amido – la sua stabilità e le trasformazioni di fase, ad esempio da granuli di amido a gel, o dalla pasta secca cruda, alla morbida pasta cotta – sono direttamente correlate al suo ordine molecolare. Tuttavia, la comprensione della struttura dettagliata dell’amido richiede tecniche e strumenti di ricerca molto avanzati, come la cristallografia a raggi X, la microscopia elettronica, la risonanza magnetica nucleare e la costruzione di modelli al computer.

Con l’aiuto di questi strumenti, gli scienziati stanno lentamente cominciando a farsi un’idea di come sia strutturato l’amido – una sostanza che ci è così familiare.

Figura 3: Struttura a doppia
elica nell’amilopectina

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Partiamo dalla nanoscala: doppie eliche, lamelle e supereliche

Le analisi per diffrazione ai raggi X a livello nanoscopico indicano che:

  • L’amido è composto da sottili settori lamellari (spessi circa 4.5 nm);
  • Ogni lamella è composta da circa 100 eliche doppiamente intrecciate, ciascuna formata da circa 20 unità di glucosio (Figura 3);
  • Le doppie eliche sono impaccate molto strettamente, con un alto grado di regolarità, come in un cristallo (consultare il glossario per tutti i termini in corsivo).

(Per una spiegazione su come la diffrazione a raggi X viene utilizzata per analizzare le strutture cristalline, vedere Cornuéjols, 2009.)

Figura 4: a) Il modello a clusters dell’amilopectina che mostra tre lamelle (indicate dalle frecce)
b) Un possibile intreccio tra una catena di amilosio (in rosso) e doppie eliche di amilopectina (in verde e giallo)
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Figure 5:
Possible model
of a superhelix
structure

Image courtesy
of Serge Pérez,
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Questi risultati ottenuti con i raggi X confermano gli studi biochimici della molecola dell’amilopectina, che dimostrano che quest’enorme molecola è organizzata in ammassi cristallini di doppie eliche (Figura 4a): le lamelle rivelate con la ricerca mediante diffrazione ai raggi X sono composte dai clusters (o grappoli) di doppie eliche evidenziati con gli studi biochimici. In questo modello, i punti di ramificazione (i legami (1-6)) nelle molecole di amilopectina sono situati nelle regioni meno organizzate (o più amorfe) situate tra i clusters. L’amilosio è aggrovigliato con l’amilopectina (Figura 4b), ma a tutt’oggi nessuno sa esattamente in che modo.

Ulteriori studi ai raggi X, che utilizzano le tecniche di scattering ad angolo piccolo e ad angolo largo (SAXS e WAXS) per analizzare l’amido idrato, mostrano che le lamelle delle doppie eliche sono probabilmente organizzate in una superstruttura elicoidale, o superelica (Figura 5). (Per una spiegazione della SAXS, vedere Stanley, 2009.)

Scendendo dalla microscala: anelli di crescita e blocchetti

Figura 6: Anelli di
accrescimento costituiti da
strati alternati di regioni
amorfe e semi-cristalline.
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concessione di Serge Pérez,
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Le strutture lamellari e a superelica dell’amilopectina sono, comunque, solo una piccola parte dell’intera rappresentazione. Su una scala più grande (microscopica), è noto che i granuli di amido sono costituiti da gusci amorfi e semi-cristallini alternati, dello spessore compreso tra 100 e 800 nm. Queste strutture sono dette anelli di accrescimento (Figura 6).

Non si sa quasi niente sulle parti amorfe degli anelli di accrescimento. Le regioni più cristalline, tuttavia, possono essere studiate con la diffrazione ai raggi X. Recentemente, esperimenti che utilizzavano fasci di raggi X estremamente focalizzati in un sincrotrone (vedere il box) hanno dimostrato che nelle regioni semicristalline, le lamelle nanoscopiche sono parallele alla superficie del granulo di amido (Figura 7). Questo ha permesso agli scienziati di collegare il piccolo (la microscala, p.es. i granuli di amido) e il molto, molto piccolo (la nanoscala, p.es. le lamelle) – un collegamento che è difficile da ottenere in queste indagini strutturali.

Figura 7: a) Una serie di
immagini di diffrazione
catturate in differenti zone
del granulo (‘mappatura’ del
granulo)
b) Orientamento delle lamelle
rispetto alla superficie del
granulo . Cliccare per
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concessione di Serge Pérez,
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Un altro studio recente, che utilizza la microscopia a interazione atomica per osservare la superficie del granulo di amido, ha mostrato la presenza di blocchetti all’interno degli anelli di crescita. Questi blocchetti sono più o meno sferici ed hanno dimensioni di 20 – 100 nm. Finora, tuttavia, non si sa niente di più su questi blocchetti.

Mettendo insieme tutti gli studi, possiamo essere abbastanza certi circa la struttura a livello di nanoscala (doppie eliche che formano lamelle) e degli anelli di accrescimento (che alternano gusci amorfi e semicristallini); tuttavia l’evidenza per la struttura intermedia (le supereliche e i blocchetti) è meno concreta. Inoltre, non è ancora chiaro come le supereliche, i blocchetti e gli anelli di accresciemnto siano in relazione gli uni con gli altri. La Figura 8 riassume i diversi livelli strutturali (unità di glucosio, eliche, lamelle, supereliche, blocchetti ed anelli di accrescimento), dal livello molecolare (10-9 m) a quello microscopico (10-5 m).

Figura 8: I livelli di organizzazione dell’amido:
a) ) Unità di glucosio
b) Doppia elica
Sopra: Figura di diffrazione ai raggi X della fibra che evidenzia una struttura a doppia elica (per gentile concessione di Imberty et al., 1988)
Sotto: modello della struttura a doppia elica
c) Lamella
Sopra: Immagine al microscopio elettronico a trasmissione dell’amido idrolizzato, che mostra la forma della lamella cristallina (per gentile concessione di Angellier-Coussy et al., 2009)
Sotto: modello di una lamella cristallina costituita da circa 100 doppie eliche
d) Superelica
Sopra: Immagini di diffrazione ai raggi X di scattering ad angolo piccolo (SAXS) e di scattering ad angolo ampio (WAXS) che indicano la presenza di una struttura a superelica (per gentile concessione di Waigh et al., 2000)
Sotto: il modello a superelica, con un passo di 9 nm e un diametro di 18 nm
e) Blocchetti
Sopra: immagine di microscopia a interazione atomica della caratteristica superficie di un granulo di amido (per gentile concessione di Gallant et al., 1997). Le protuberanze che si vedono sulla superficie indicano la presenza di blocchetti
Sotto: modello di blocchetto. Si ritiene che i blocchetti siano più piccoli nelle zone amorfe (zona centrale) che in quelle semi-cristalline (sovrastanti e sottostanti)
f) Anelli di accrescimento
Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di una sezione ultrasottile di un granulo di amido idrolizzato, che mostra gli anelli di accrescimento come strati alternati di regioni amorfe e semicristalline (per gentile concessione di I. Paintrand, CERMAV, Grenoble, Francia)
g) Granulo
Sopra: granulo di amido osservato al microscopio a scansione elettronica (figura grande) e il granulo corrispondente alla luce polarizzata (riquadro)
Centro: set di schemi di diffrazione ai raggi X microfocalizati registrati su di un granulo di amido che mostrano la distribuzione e l’orientamento dei campi cristallini in un granulo d’amido. Ogni modello di diffrazione corrisponde ad un’area di circa 3 μm2 del campione, e distanze di 7 μm separano due schemi (per gentile concessione di Buleon et al., 2009)
Sotto: sezione di un granulo di amido che mostra l’orientamento radiale dei domini cristallini (lamelle) in un granulo di amido
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Immagine per gentile concessione di Serge Pérez, ESRF

Già nel 1858, il botanico Svizzero Carl von Nägeli ebbe una brillante intuizione, affermando che “Il granulo d’amido… apre la porta alla costituzione di una nuova disciplina… la meccanica molecolare degli organismi organizzati”. Egli senza dubbio non si sarebbe stupito di sapere che, più di 150 anni dopo, ci stiamo ancora sforzando di capire la complessa architettura dei granuli di amido.

 

Glossario

Amorfo: Descrive un materiale (o parte di esso) che non possiede né organizzazione né ordine.

Cristallo: Un cristallo perfetto è un materiale solido i cui atomi, molecole o ioni costituenti, sono disposti secondo uno schema ordinato che si ripete e si estende in tutte e tre le dimensioni dello spazio.

Cristallino: Ciò che possiede le proprietà di un cristallo; per estensione, definisce parti di un materiale che sono ordinate (per esempio un grappolo di doppie eliche tutte impaccate con lo stesso orientamento dell’asse dell’elica).

Semi-cristallino: Descrive un materiale (generalmente un biopolimero) che presenta sia parti amorfe che cristalline.

 

ESRF

L’ European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)w1 di Grenoble, Francia, è un buon esempio di una grande struttura che opera giorno e notte a vantaggio di migliaia di utenti provenienti da tutto il mondo. Un ‘utente’ è uno scienziato, di solito parte di un team più grande, che occasionalmente ha bisogno di uno strumento potente per ottenere informazioni su un campione che riveste un certo interesse (un polimero, un cristallo proteico, un fossile o una reazione catalitica, ad esempio).

L’ESFR produce raggi X estremamente intensi, chiamati radiazioni sincrotroniche. Queste fasci di raggi X vengono emessi da elettroni ad alta energia, che circolano in un grande anello accumulatore, della circonferenza di 844 metri. I fasci di raggi X vengono diretti verso linee di fascio che circondano l’anello accumulatore nella camera sperimentale. Ciascuna delle 42 linee di fascio all’ESFR è specialistico per una tecnica specifica o per un tipo di ricerca. Per mezza dozzina di esse, l’oggetto di specializzazione è costituito dai polimeri.

In future, la ricerca sui polimeri beneficerà della Partnership di recente creazione per la Materia Morbida-Condensata (che include i polimeri). L’introduzione dei nanofasci (fasci di raggi X di nano-dimensioni, persino più focalizzati) permetteranno presto un’analisi strutturale persino più fine, e ancora maggiori progressi nello studio dei polimeri, compreso l’amido.


References

Web References

  • w1 – Per saperne di più sull’ESFR, vedere: www.esrf.eu

Resources

  • Per un’esauriente trattazione sull’amido, vedere il sito web ‘Amido: struttura e morfologia’ degli scienziati dell’ESRF Serge Pérez e Anne Imberty: www.cermav.cnrs.fr/glyco3d/lessons/starch
  • Imberty A, Pérez S (1988) A revisit to the three-dimensional structure of B-type starch. Biopolymers 27: 1205-1221. doi: 10.1002/bip.360270803
  • Pérez S, Baldwin P, Gallant DJ (2009) Structural features of starch. In: Starch-Chemistry and Technology, 3rd edition. BeMiller J, Whistler R (eds.). pp149-192. New York, NY, USA: Academic Press. ISBN: 978-0127462752
  • Chanzy H, et al. (2006) Morphological and structural aspects of the giant starch granules from Phajus grandifolius. Journal of Structural Biology 154(1): 100-120. doi: 10.1016./j.jsb.2005.11.007

Institutions

ESRF

Author(s)

Dominique Cornuéjols, fisico per formazione, lavora all’ESFR dal 1993 come direttore delle comunicazioni. Si occupa in modo particolare dei programmi di educazione e di divulgazione dell’ESFR.

Dopo il dottorato in cristallografia all’Università di Bordeaux, in Francia, Serge Pérez ha trascorso anni a fare ricerca in America, Canada e Francia. Ha assunto il suo primo incarico direzionale nel 1987 presso il Centre de Recherches AgroAlimentaires (Centro di Ricerche AgroAlimentari) in Canada. Si è trasferito a Grenoble negli anni ’90 in qualità di direttore della ricerca presso il Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS), e 12 anni più tardi si è trasferito all’ESFR come direttore della ricerca. Dal 2003, è stato anche co-direttore e poi direttore della Scuola Dottorale di Chimica e Scienze della Vita all’Università Joseph Fourier, a Grenoble.


Review

La struttura fine dell’amido non viene presa spesso in considerazione, ma questo articolo descrive come i componenti dell’amido – l’amilosio e l’amilopectina – formino complicati livelli strutturali all’interno del polimero. L’articolo potrebbe essere utilizzato come lavoro di approfondimento in una lezione sulla digestione o sul dosaggio dell’amido. Potrebbe anche essere utilizzato come esempio dell’uso della tecnica di diffrazione ai raggi X, o del microscopio a luce polarizzata. Si potrebbero fare dei poster  (o una serie di compiti a casa) sugli impieghi dell’amido nell’industria, con ogni gruppo di alunni che si occupa di un impiego diverso. Si potrebbero indagare i metodi industriali di produzione o di saggiatura dell’amido. Si potrebbero somministrare dei quesiti di comprensione; ad esempio:

  1. L’amido è costituito da 2 componenti che sono:
    • Amilasi e amilopectina
    • Amilosio e amilopectina
    • Glucosio e amilasi
    • Glucosio e amilosio
  2. Spiega cos’è la gelatinizzazione.
  3. Cosa sono gli anelli di accrescimento nell’amido?
  4. Qual è la differenza tra amilosio e amilasi?
  5. Convertite le dimensioni dei diversi livelli strutturali da 10-9 m ad unità più piccole, ad esempio micrometri o nanometri.
  6. La diffrazione a raggi X è stata usata negli anni ’50 per determinare la struttura di una molecola molto nota. Quale molecola?

Shelley Goodman, Regno Unito

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