Gli arsenozuccheri sono composti organici costituiti da 3 diverse parti:Niegel, op. cit.
un nucleo 5-deossipentoso; un gruppo arsinoile (–AsR2(=O)), arsinotioile (–AsR2(=S)) o arsonio (-As+R3) legato al carbonio 5 dell'anello. In questo gruppo l'arsenico può essere trivalente o pentavalente, può essere legato a un atomo di ossigeno (ossoarsenozuccheri), a un atomo di zolfo (tioarsenozuccheri) e/o a più gruppi metilici (arsinoile dimetilato se 2, arsonio trimetilato se 3); una catena legata al carbonio 1 dell'anello, che può essere costituita da gruppi funzionali molto variegati.
Gli arsenozuccheri più comuni sono gli ossoarsenozuccheri dimetilati con arsenico pentavalente, e in particolare i 4 principali sono gli arsenozuccheri glicerolo, fosfato, solfato e solfonato.
Questi composti costituiscono la forma prevalente di arsenico nelle alghe, ma sono presenti anche nei molluschi erbivori e nei gasteropodi in quantità significative.Feldmann, op. cit.
Nomenclatura Poiché la struttura degli arsenozuccheri è relativamente complessa, i loro nomi IUPAC sono molto lunghi e poco pratici. Per questo in letteratura sono stati fatti dei tentativi di nomenclatura abbreviata, ma non ne esiste uno ufficiale.
Negli anni ottanta i giapponesi Morita e Shibata cominciarono ad usare dei numeri romani per identificare gli arsenozuccheri (insieme ad altre specie dell'arsenico); tale convenzione è stata poi seguita da altri autori.Francesconi, op. cit. Nel 1994 Kevin Francesconi propose che i 4 arsenozuccheri principali venissero denominati con un nome comune che, benché non propriamente esatto da un punto di vista chimico, potesse identificare la loro principale caratteristica strutturale: ancora oggi tali composti sono chiamati arsenozucchero glicerolo, fosfato, solfato e solfonato.
Nel 2005, per la prima volta, venne proposto un sistema di nomenclatura più generale. In un loro articolo pubblicato su Analytical Chemistry, Nischwitz e Pergantis utilizzarono delle abbreviazioni contenenti le principali informazioni strutturali dei composti:
il numero di gruppi metilici legati all'arsenico: "DM" (dimethyl) o "TM" (trimethyl); se l'arsenico è legato a un atomo di zolfo si aggiunge "thio"; il nucleo arsenoribofuranosidico si indica con "AsSugar" (ma può essere omesso se nel contesto si sta parlando solo di arsenozuccheri); infine, si aggiunge un nome corrispondente al gruppo funzionale caratteristico della catena laterale legata al carbonio 1 dell'anello ("Sulfate", "Sulfonate" ecc.). Ad esempio, l'arsenozucchero trimetilato 3-[5'-deoxy-5'-(trimethylarsonio)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropylene glycol con queste convenzioni viene chiamato semplicemente TMAsSugarGlycerol.
Infine, nel 2011 Jörg Feldmann distinse tra AsIII, AsV e arsonio usando rispettivamente le forme DMAIII-sugar-nome (es. DMAIII-sugar-glycerol), DMAV-sugar-nome (es. DMAV-sugar-glycerol) o TMA-sugar-nome (es. TMA-sugar-glycerol).
Lista di arsenozuccheri Vengono elencati tutti gli arsenozuccheri scoperti fino ad oggi, riportando il nome comune secondo la nomenclatura proposta da Nischwitz e Pergantis, il nome completo e i riferimenti bibliografici (della prima scoperta del composto o del nome usato).
Ossoarsenozuccheri dimetilati
R Nome comune Nome completo Rif. DMAsSugarGlycerol 3-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropylene glycol DMAsSugarPhosphate 3-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropyl 2,3-hydroxypropyl phosphate DMAsSugarSulfonate 3-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropanesulfonic acid DMAsSugarSulfate 3-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropyl hydrogen sulfate DMAsSugarAminoSulfonate 2-amino-3-[5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-β-D-ribofuranosyloxy]propene-1-sulphonic acid DMAsSugarHydroxy 5-dimethylarsinoyl-β-ribofuranosol DMAsSugarMethoxy methyl 5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-β-D-riboside DMAsSugarCarboxyl 3-(5'-deoxy-5'-dimethylarsinoyl-β-D-ribosyloxy)-2-hydroxypropanoic acid DMAsSugarCarbamate N-(5'-deoxy-5'-dimethylarsinoyl-β-D-ribosyloxycarbonyl) glycine DMAsSugarMannitol 1-O-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-D-ribosyl]mannitol DMAsSugarAdenine 5'-dimethylarsinoyl-adenosine DMAsSugarCarboxyl-2 2-[5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-acetic acid DMAsSugarSulfonate-2 2-[5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-ethan sulfonic acid 3-[5'-deoxy-5'-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropyl 2,di-hydroxyethyl phosphate dipalmitoylglycerophospho-2-hydroxypropyl-5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-β-ribofuranoside
Tioarsenozuccheri dimetilati
R Nome comune Nome completo Rif. DMThioAsSugarGlycerol DMThioAsSugarPhosphate DMThioAsSugarSulfonate DMThioAsSugarSulfate
Arsenozuccheri trimetilati
R Nome comune Nome completo Rif. TMAsSugarGlycerol 3-[5'-deoxy-5'-(trimethylarsonio)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropylene glycol TMAsSugarSulfate 3'-[5-deoxy-5-(trimethylarsonio)-β-D-ribosyloxy]-2'-hydroxypropyl sulphate TMAsSugarPhosphate 3-[5'-deoxy-5'-(trimethylarsonio)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropyl 2,3-hydroxypropyl phosphate TMAsSugarSulfonate 3-[5'-deoxy-5'-(trimethylarsonio)-β-ribofuranosyloxy]-2-hydroxypropanesulfonic acid TMAsSugarAminoSulfonate TMAsSugarHydroxy 5-trimethylarsonio-β-ribofuranose TMAsSugarMethoxy methyl-(5-deoxy-5-trimethylarsonio)-β-ribofuranoside
Altri arsenozuccheri
R Nome completo Rif. methyl 5-deoxy-5-(dimethylarsinoyl)-2,3-O-isopropylidene-β-D-riboside 2',3'-isopropylidenedioxypropyl 5-deoxy-5-dimethyl-arsinoyl-2,3-O-isopropylidene-β-D-riboside 2',3'-dihydroxypropyl 5-deoxy-5-dimethylarsinoyl-2,3-O-isopropylidene-β-D-riboside 2',3'-isopropylidenedioxypropyl 5-deoxy-5-dimethylarsinoyl-2,3-O-isopropylidene-β-D-riboside
R Nome completo Rif. dimethyl (methyl-2,3-O-isopropylidene-5-deoxy-β-D-ribofuranose-5-yl) arsine
Ci sono infine degli arsenozuccheri particolari che non rientrano in nessuna delle categorie mostrate precedentemente.
Immagine Nome completo Rif. methyl-2,3-O-isopropylidene-5-deoxy-5-dimethyl-thioarsinoyl-β-D-ribofuranoside 5-dimethylarsinoyl-β-ribofuranose
(Francesconi nella sua review del 2004 contesta questo nome, suggerendo che il composto «potrebbe anche essere considerato un diidrossifurano sostituito»; ciò è confermato dalla review di Niegel del 2010, che lo definisce un «derivato degli arsenozuccheri» chiamandolo «dimethylarsinoyldihydroxyfuran»)
Distribuzione
Gli arsenozuccheri sono presenti principalmente nelle alghe (circa il 78% della frazione di arsenico), e costituiscono una frazione significativa dell'arsenico anche nei molluschi marini e nei gasteropodi (circa 23%); viceversa, sono presenti in bassissime concentrazioni nei pesci e nel riso. Sono stati trovati anche in organismi terricoli (licheni, funghi, lombrichi e alcune specie di piante), ma in generale quelli marini contengono una maggiore quantità di questi composti rispetto a quelli terricoli o di acqua dolce.
La loro concentrazione varia dalle tracce (ad esempio tutti i trimetil arsonio arsenozuccheri) ai µg/g; in generale la loro distribuzione e concentrazione nelle alghe marine dipende fortemente dalla classe tassonomica: l'arsenozucchero glicerolo e il solfonato, ad esempio, vennero isolati per la prima volta nel 1981 dall'alga bruna Ecklonia radiata. mentre nell'alga bruna Hizikia fusiforme l'arsenozucchero solfato è stato determinato quale principale composto dell'arsenico. Infine, nelle alghe rosse (Rhodophyta) e nelle alghe verdi (Chlorophyta) gli arsenozuccheri più presenti sono il glicerolo e il fosfato.
Caratteristiche fisiche e chimiche Le molecole degli arsenozuccheri hanno in generale un carattere cationico e polare a causa del gruppo (CH3)2As=O, e per questo sono solubili in acqua (ad eccezione del derivato dipalmitoile dell'arsenozucchero fosfato). Le loro proprietà acide dipendono però quasi esclusivamente dall'aglicone, e per i 4 arsenozuccheri principali l'ordine di acidità è il seguente: solfato > solfonato > fosfato > glicerolo (che non contiene un gruppo acido). Sono caratterizzati da una relativamente bassa stabilità chimica (inferiore rispetto all'arsenobetaina), e la loro degradazione avviene preferibilmente in un ambiente acido o che stimola quello gastrico (probabilmente favorita da attività enzimatica o microbica).
I tioarsenozuccheri sono meno polari e meno stabili degli ossoarsenozuccheri.
Metabolismo e tossicità
Si pensa che gli arsenozuccheri vengano sintetizzati negli organismi marini a partire dall'arsenico inorganico (assunto dall'acqua di mare) attraverso processi di alchilazione ossidativa come meccanismo di detossificazione: questo sembra essere vero solo in presenza di un basso contenuto di arsenico, mentre ad alte concentrazioni si formano anche monometilarsonato (MA) e dimetilarsinato (DMA), e a concentrazioni molto alte (100 µg As l−1) si ha un accumulo di arsenico tossico per un cessato funzionamento dei processi di detossificazione. Può anche accadere che un passaggio intermedio tra l'arsenico inorganico e gli arsenozuccheri sia la formazione di arsenolipidi. Infine, alla morte delle alghe, si ha la conversione ad arseniato e DMA degli arsenozuccheri.
Per quanto riguarda lo studio del metabolismo di questi composti negli esseri umani, il problema principale consiste nella grande variabilità di comportamento nei diversi individui. Lo studio di tossicità degli arsenozuccheri è di grande interesse per l'elevato uso alimentare delle alghe, specialmente nei paesi asiatici: in Giappone, ad esempio, il consumo di alghe può portare ad un'assunzione di circa 1 mg di arsenico al giorno (le alghe contengono una quantità di arsenico pari a circa 100 mg su kg di peso secco), laddove la dose giornaliera tollerata di arsenico stabilita dalle linee guida dell'Organizzazione mondiale della sanità è di 0,002 mg per chilo di peso corporeo (quindi circa 0,15 mg per una persona di 75 kg). Tuttavia, ad oggi non ci sono informazioni definitive sulla tossicità di questi composti, che non sono quindi contemplate singolarmente dall'Autorità europea per la sicurezza alimentare. L'arsenozucchero glicerolo risulta non avere citotossicità, mentre gli arsenozuccheri con arsenico trivalente presentano generalmente un'attività citotossica superiore agli arsenozuccheri con arsenico pentavalente, ma non è stato ancora possibile trarre una conclusione generale sull'intera classe di composti.
In generale non si sono rilevate quantità significative di arsenozuccheri nelle urine umane dopo ingestione di alghe o di campioni sintetici di questi composti, quindi si sa che vengono metabolizzati. I metaboliti identificati sono principalmente DMA, ma anche MA e DMAE (dimetilarsinoiletanolo), attraverso trasformazioni metaboliche sconosciute a partire dai dimetilossoarsenozuccheri (alcuni passaggi sono stati proposti da Feldmann nel 2011), e nel processo si possono anche verificare delle riduzioni a specie di arsenico trivalente o delle tiolazioni dell'ossigeno dell'arsenogruppo. Il DMA è noto avere una tossicità superiore a quella degli arsenozuccheri, e anche le forme ridotte e tiolate sono potenzialmente più tossiche in quanto sono in grado di legarsi ai gruppi solfidrili di proteine e peptidi. Inoltre, i metaboliti principali (DMA, MA e DMAE) coincidono con quelli derivanti dall'arsenico inorganico, avendo quindi un effetto simile; per questo motivo, gli arsenozuccheri vengono considerate come specie potenzialmente tossiche (nonostante, come afferma Francesconi, «i dati limitati sulla tossicità degli arsenozuccheri ad oggi indicano una bassa tossicità»).