Ionofori

Gli ionofori sono piccole molecole liposolubili,  solitamente sintetizzati da microrganismi per trasportare ioni attraverso un doppio strato lipidico della membrana cellulare, la cui funzione è quella di condurre ioni attraverso le membrane che svolgono la funzione di trasportatori di diffusione facilitata trasportando gli ioni lungo il loro gradiente elettrochimico.

Gli ionofori, il cui nome deriva dal greco ἰόν (che si muove) e φέρω (portare), possono funzionare come trasportatori mobili o come formatori di canali. I trasportatori mobili diffondono all’interno della membrana e possono tipicamente catalizzare il trasporto di circa 1000 ioni s ⁻¹ attraverso la membrana.

Possono mostrare una elevata selettività tra ioni diversi, mentre gli ionofori che formano canali sono scarsamente selettivi tra i diversi tipi di ioni ma possono essere molto attivi, trasportando fino a 10 ⁷ ioni per canale s⁻¹ .

Ionofori e trasporto ionico

Poiché la salute delle cellule dipende dal mantenimento dei livelli adeguati di cationi nei fluidi intracellulari, qualsiasi cambiamento che influenzi il normale flusso di ioni metallici attraverso le membrane cellulari potrebbe causare la morte di un organismo.

L’omeostasi ionica è estremamente importante per la sopravvivenza delle cellule. Un corretto equilibrio di ioni sia all’interno delle cellule che nella matrice extracellulare è necessario per il mantenimento del potenziale di membrana, della forma cellulare e del corretto funzionamento di diversi percorsi cellulari.

La membrana cellulare è composta da due doppi strati lipidici in cui le teste polari dei lipidi sono rivolte verso l’esterno e le code idrofobiche formano l’interno della membrana cellulare. Questa composizione strutturale della membrana plasmatica determina l’impermeabilità di vari ioni, piccole molecole idrofile come il glucosio e macromolecole come proteine ​​e RNA attraverso la membrana cellulare.

Infatti solo l’acqua, l’ossigeno e l’anidride carbonica si muovono liberamente attraverso la membrana plasmatica. Le cellule superano questi problemi di trasporto tramite meccanismi per la diffusione facilitata e il trasporto attivo di ioni e molecole attraverso la membrana.

Il trasporto facilitato comporta la diffusione di ioni verso il gradiente di concentrazione mediato da proteine ​​che formano canali ionici attraverso la membrana. Gli ioni, essenlipidido elettricamente carichi, non possono attraversare da soli l’interno idrofobico delle membrane biologiche.

Gli ionofori solitamente hanno una parte interna polare e una parte esterna non polare che può estendersi o attraversare l’interno idrofobico della membrana. Gli ionofori di solito funzionano incorporandosi nella membrana cellulare, creando un canale polare attraverso la membrana, consentendo il passaggio degli ioni.

Ionofori metallici

Gli ionofori sono stati scoperti nei microrganismi circa sessant’anni fa e definiti come composti con massa molecolare di 200-2000 Da con una natura anfifilica, essendo liposolubili e tuttavia formando complessi con cationi monovalenti e bivalenti come gli ioni dei metalli alcalini Na⁺ e K⁺ e gli ioni dei metalli alcalino-terrosi Mg²⁺ e Ca²⁺.

Questa affinità nei confronti ai metalli del blocco s distingue gli ionofori dai siderofori che hanno elevata affinità per il ferro e sono in grado di chelarlo efficacemente e dai metallofori che hanno affinità principalmente nei confronti dei metalli del blocco d.

Inoltre, mentre i metallofori richiedono un recettore o una proteina trasportatrice, gli ionofori interagiscono direttamente con le membrane quando trasportano ioni metallici attraverso una membrana biologica. Negli eucarioti, gli ionofori trasportano gli ioni non solo nella cellula ma anche in specifici compartimenti cellulari. Alcuni ionofori formano complessi con altri cationi, ad esempio protoni (protonofori), lo ione ammonio  e cationi organici.

Ionofori e zootecnia

Gli ionofori hanno un ruolo significativo nel migliorare la salute e l’efficienza alimentare della produzione di bestiame e pollame e sono usati come additivi per mangimi. Nei ruminanti gli ionofori presenti nei ne aumentano l’efficienza alterando il processo di fermentazione e in particolare nel pollame riducono la prevalenza della coccidiosi.

L’azione degli ionofori avviene nel rumine in cui i microrganismi convertono il mangime in acidi grassi volatili ovvero, dipendentemente dal pH, in acetato, propionato e butirrato. I batteri acetogeni, che utilizzano come substrato i prodotti della fermentazione catabolizzandoli ad acetato, sono considerati inefficienti perché ogni conversione del glucosio in acetato rappresenta una perdita netta di due atomi di carbonio solitamente sotto forma di metano.

Invece i microrganismi che convertono il glucosio in propionato in cui non si verifica una perdita netta di carbonio sono considerati efficienti. Pertanto l’obiettivo specifico degli ionofori sono i batteri nel rumine che producono acetato. Questa inibizione dei batteri acetogeni conferisce un vantaggio competitivo ai batteri che producono propionato, che sono più efficienti dal punto di vista energetico.

L’inibizione dei batteri acetogeni, oltre a portare a una maggiore efficienza alimentare, man mano che il rapporto acetato/propionato cambia, provoca una minore produzione di metano il che significa che vengono creati meno prodotti di scarto.

Valinomicina

Tra gli ionofori più noti vi è la valinomicina utilizzata nel trasporto del potassio e come antibiotico. La valinomicina è un peptide non ribosomiale scoperto dagli Streptomyces nel 1955 che riceve un’attenzione continua per la sua speciale struttura chimica e le sue ampie attività biologiche.

La valinomicina è un ciclodepsipeptide composta da legami peptidici ed esterei alternati tra ciascun residuo. Questa conformazione della struttura forma una superficie idrofobica e una cavità polare in cui uno ione potassio può essere coordinato con i sei atomi di ossigeno dei carbonili esteri interni, formando un complesso valinomicina-K⁺.

La dimensione della cavità è adatta per ospitare uno ione potassio ma non per altri ioni metallici come, ad esempio, lo ione sodio e lo ione litio, il che rende la valinomicina uno ionoforo specifico del potassio. Il complesso valinomicina- K⁺ può essere incorporato nelle membrane costituite principalmente da un doppio strato di fosfolipidi consentendo il trasporto di K⁺ attraverso la membrana.

Ciò porta alla destabilizzazione del gradiente dello ione potassio attraverso la membrana dissipando così il potenziale di membrana e, di conseguenza, uccide le cellule. Pertanto la valinomicina è stato anche il primo composto naturale riconosciuto tra gli ionofori con attività antibiotica. L’inibizione della crescita cellulare avviene nei confronti di una serie di batteri, tra cui batteri sia Gram-positivi, che batteri Gram-negativi

Successivamente, è stato dimostrato uno spettro diversificato di attività biologiche della valinomicina che spazia dall’efficacia antimicotica, antivirale e insetticida. Secondo studi più recenti svolge anche un ruolo positivo nel trattamento della malattia di Parkinson e della malattia di Alzheimer.

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