Amido, e i suoi misteri…

02 Set Amido, e i suoi misteri…

La misteriosa struttura dall’amido

L’amido sembra semplice, ma non lo è ! 

Potremmo definirlo banalmente come un lungo filamento di molecole di glucosio, ma aiutati da Dominique Cornuéjols e  Serge Pérez proviamo ad esplorare la complessità della sua struttura e si dimostra che è una macromolecola molto complessa e il mistero dell’amido non è affatto risolto.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Partiamo da un esempio comune:

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 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.

Cos’è l’amido?

L’Amido è prodotto 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  lungo termine, a causa della loro compattezza, della relativa modesta presenza di umidità e dell’elevata stabilità.

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. In alternativa alla cottura i semi possono essere sottoposti alla fermentazione, maltazione o germogliazione (ne avevamo parlato Qui)  in questo caso l’amido è  trasformato enzimaticamente.

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 si addensa a causa di un fenomeno detto retrogradazione.

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.

L’amido, quindi, è ampiamente utilizzato nell’industria – e lo è stato per migliaia di anni.

La scienza a piccoli passi

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 (tutte le immagini presenti in questo articolo sono per gentile concessione di Serge Pérez, ESRF ).

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

 

Partiamo dalla nanoscala: doppie eliche, lamelle e super-eliche

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.

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).

Scendendo dalla microscala: anelli di crescita e blocchetti

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 granule).

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  hanno dimostrato che nelle regioni semicristalline, le lamelle nanoscopiche sono parallele alla superficie del granulo di amido. 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.

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 accresciemento siano in relazione gli uni con gli altri. La Figura 6 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).

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

Ringraziamo: scienceinschool.org per la maggior parte dei contenuti di questo articolo