N-acetilglucosammina

La N-acetilglucosammina (GlcNAc), derivato acetilato della glucosammina (GlcN), è un componente della chitina e dei glicosamminoglicani ed è ampiamente utilizzata negli integratori alimentari per promuovere e mantenere la salute della cartilagine e delle articolazioni ossee.

La N-acetilglucosammina il cui nome I.U.P.A.C. è 2-acetilammin-2-deossi-D-glucosio ha formula C₈H₁₅NO₆ ed è un derivato monosaccaridico del glucosio presente nei funghi, che ha vari effetti biologici, tra cui la modulazione del sistema immunitario.

La N-acetilglucosammina polimerizza linearmente con legami (1,4)-β ed è l’unità monomerica del polimero chitina, il secondo carboidrato più abbondante dopo la cellulosa. La chitina è presente negli aracnidi, nella maggior parte delle pareti cellulari fungine, negli esoscheletri degli insetti, nei gusci dei crostacei e in parti di invertebrati.

Oltre ad essere un componente strutturale di polisaccaridi omogenei come la chitina, la N-acetilglucosammina è anche un costituente di polisaccaridi eterogenei, come la mureina, componente di base della parete cellulare batterica  e l’acido ialuronico eteropolisaccaride lineare composto da residui ripetuti di acido d -glucuronico e GlcNAc.

Nei mammiferi, GlcNAc e GlcN sono componenti di glicoproteine, proteoglicani, glicosamminoglicani (GAG) e altri elementi costitutivi del tessuto connettivo ma, nonostante sia un elemento costitutivo delle biomacromolecole, la N-acetilglucosammina raramente esiste in forma libera, tranne che nel latte umano

Preparazione della N-acetilglucosammina

La N-acetilglucosammina, ammide secondaria derivante da glucosammina e acido acetico, viene ottenuta a partire dalla chitina tramite metodi chimici, enzimatici o per biotrasformazione.

Metodi chimici

Il metodo chimico prevede l’idrolisi acida della chitina in presenza di un acido forte come l’acido cloridrico. Sono tuttavia necessarie opportune condizioni al fine di ottenere la degradazione della chitina senza che sia danneggiato il prodotto di reazione.

Le condizioni di reazione ideali prevedono una concentrazione di HCl tra il 15 e il 36% di e una temperatura tra40-80 °C. Questo metodo, tuttavia presenta diverse problematiche relativa alla bassa resa che risulta inferiore al 65%, costi elevati ed inoltre scarsamente eco-friendly a causa dei sottoprodotti acidi.

Un altro tipo di processo chimico prevede la solubilizzazione della chitina in acido cloridrico concentrato seguita da un riscaldamento prolungato. Tali condizioni provocano la rimozione del gruppo acetile dalla GlcNAc e pertanto si deve eseguire una reazione di N –acetilazione per produrre GlcNAc a partire dalla glucosammina.

Un processo alternativo prevede l’uso di GlcN. La chitina può essere sciolta in HCl concentrato e riscaldata in acqua bollente per 3 ore. In tali condizioni drastiche, viene rimosso il gruppo acetile della GlcNAc ottenuta  con necessità di una reazione di N-acetilazione. Sebbene la resa sia superiore al 70% si ottengono, oltre ai prodotti N-acetilati anche sottoprodotti O-acetilati e diacetilati.

Metodo enzimatico

La scarsa ecocompatibilità dei metodi chimici ha indotto gli studiosi a ricercare metodi alternativi come l’idrolisi della chitina per via enzimatica utilizzando gli enzimi chitinasi, enzimi idrolitici in grado di rompere i legami glicosidici presenti nella chitina presenti in vari organismi.

Generalmente  le endochitinasi presenti all’interno dei microbi scindono la chitina in modo casuale nei siti interni sui legami glicosidici tra i residui di N-acetilglucosammina con formazione di oligosaccaridi solubili e a basso peso molecolare. Le esochitinasi e le chitobiosidasi catalizzano il rilascio progressivo di dimeri, a partire dall’estremità non riducente della chitina. Infine, le NAGasi scindono gli oligomeri e i dimeri, che sono prodotti dalle endochitinasi e dalle esochitinasi, per dar luogo alla formazione di N-acetilglucosammina.

Questo metodo, tuttavia, risulta costoso a causa della scarsa presenza di questi enzimi e pertanto sono stati studiati metodi enzimatici alternativi che prevedono, in primo luogo la modifica della struttura cristallina della chitina che, in tal modo, risulta più suscettibile all’idrolisi enzimatica rispetto a quella naturale.

Biotrasformazione

Grazie alla loro capacità di degradazione della chitina sono stati selezionati microrganismi del suolo tra cui il Chitinibacter tainanensis e la resa in N-acetilglucosammina è stata del 75% utilizzando α-chitina come substrato e superiore al 98% utilizzando β-chitina come substrato.

Alcuni fattori, chiamati fattori di degradazione della chitina, possano idrolizzare la chitina e siano rilasciati durante la proliferazione di C. tainanensis in presenza di chitina, con la concomitante produzione di metabolita acido.

Un altro modo per produrre GlcNAc può avvenire attraverso la modifica genetica di microrganismi usando il glucosio come substrato. I percorsi metabolici per la sintesi di GlcN e GlcNAc possono essere modificati da tecniche di ingegneria genetica per aumentare le attività enzimatiche, portare alla sovraespressione delle proteine che si verifica quando un gene è troppo attivo e produce una quantità eccessiva della proteina che codifica, ridurre l’inibizione del prodotto e aumentare l’affinità del substrato.

Applicazioni

Sia la glucosammina che il suo derivato N-acetilglucosammina svolgono funzioni biochimiche chiave e come precursori del substrato per la biosintesi di polimeri come i glicosamminoglicani, ad esempio, l’acido ialuronico che ha un’eccellente viscoelasticità, un’elevata capacità di ritenzione dell’umidità, un’elevata biocompatibilità e proprietà igroscopiche e, al livello fisiologico, agisce come lubrificante, ammortizzatore, stabilizzatore della struttura articolare e regolatore del bilancio idrico.

L’acido ialuronico restituisce vitalità alla pelle conferendole un nuovo look giovanile e duraturo. Con l’avanzare degli anni, infatti, la produzione dell’acido ialuronico diminuisce e ciò contribuisce alla minore produzione di collagene.

Esso è un composto che è uno dei componenti principali della struttura fibrosa del tessuto connettivo. Inoltre è indispensabile per un’adeguata tensione della pelle con conseguente formazione delle rughe. L’acido ialuronico può essere applicato per via topica al fine di ricreare l’ambiente fisiologico ideale per le cellule del tessuto cutaneo ristabilendo, nel tempo le condizioni di una pelle giovane.

Quando è applicato sulla pelle, tale composto, ottenuto sinteticamente in laboratorio, aiuta le cellule ad assorbire e trattenere l’umidità conferendo un effetto di pelle morbida ed elastica.

La N-acetilglucosammina è pertanto utilizzata in campo cosmetico per mantenere le capacità di barriera della pelle e ridurre la secchezza. Gli studi hanno dimostrato che può aumentare la produzione di collagene, aumentare il contenuto di idratazione della pelle, aumentare l’elasticità della pelle, aumentare l’esfoliazione specie in combinazione con la niacinamide e aumentare la velocità di guarigione delle ferite.

Inoltre pur avendo proprietà esfolianti con effetti simili agli α-idrossiacidi e β- idrossiacidi, la N-acetilglucosammina non dà luogo a irritazioni cutanee dando un effetto di pelle morbida ed elastica.

Grazie alle sue proprietà antinfiammatorie la N-acetilglucosammina ha attirato l’attenzione come candidato ideale per il trattamento di malattie correlate all’infiammazione come danni articolari, malattie infiammatorie intestinali, malattie autoimmuni e infezioni respiratorie virali ed inoltre è utilizzata negli integratori alimentari per promuovere e mantenere la salute della cartilagine e delle articolazioni ossee.

In campo agricolo l’applicazione di N-acetilglucosammina e melatonina potrebbe essere una strada promettente per migliorare la resilienza e la produttività delle colture, soprattutto in condizioni ambientali difficili ed è in grado di regolare varie funzionalità nella fisiologia vegetale come la segnalazione cellulare, la patogenesi, le risposte immunitarie e l’attivazione dei geni correlati alla difesa tramite glicosilazione proteica

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