Osmoliti

Gli osmoliti sono specie solitamente neutre, che si accumulano all’interno delle cellule degli organismi dove servono a mantenere l’integrità strutturale delle proteine ​​e di altre macromolecole contro varie forme di stress, tra cui valori di pH particolarmente alti o bassi, alta pressione, stress osmotico, denaturanti chimici e temperature estreme.

Gli osmoliti si trovano in tutti e tre i domini della vita e sono generalmente altamente solubili in acqua raggiungendo spesso concentrazioni intracellulari molto elevate, fino a essere presenti in alcuni casi in concentrazioni dell’ordine della molarità.

Aiutando a regolare la pressione osmotica senza influenzare la funzione proteica e contribuendo a migliorare la stabilità proteica, gli osmoliti, mantengono gli attributi dei fluidi biologici e possono avere forti effetti sulle reazioni biochimiche, come il folding delle proteine ​​o l’interazione proteina-ligando.

Osmoliti e carboidrati

Gli osmoliti sono composti organici che possono essere classificati in: carboidrati, amminoacidi, metilammine e composti organici dello zolfo. Tra i carboidrati che fanno parte degli osmoliti vi sono i polioli come il glicerolo e il sorbitolo e zuccheri come il trealosio che conferisce alle cellule umane, se opportunamente trattate, la capacità di rimanere in vita, anche in assenza di acqua e la previene la degradazione chimica e fisica che si può verificare nei farmaci.

Tra i carboidrati vi sono i ciclitoli, descritti come cicloalcani poliidrossi-sostituiti con almeno tre gruppi idrossilici, ciascuno legato a un diverso atomo di carbonio dell’anello. In particolare il mio-inositolo, stereoisomero dell’inositolo, svolge ruoli essenziali nella funzione e nel metabolismo cellulare e usato in campo medico per le sue spiccate attività antidepressive e ansiolitiche.

Vi sono poi i polioli anionici come, ad esempio, il diglicerolo fosfato intermedio nel metabolismo biologico dei lipidi ed è uno stabilizzatore proteico potenzialmente utile nelle applicazioni biotecnologiche essendo in grado di agire come agente protettivo contro il riscaldamento delle proteine.

Amminoacidi

Tra gli amminoacidi vi è la glicina che agisce come antiossidante, antinfiammatorio, crioprotettivo e immunomodulatore nei tessuti periferici e nervosi, la prolina che ha un ruolo importante nella sintesi e nella struttura delle proteine, nel metabolismo e nella nutrizione, nonché nella guarigione delle ferite, nelle reazioni antiossidanti e nelle risposte immunitarie.

Tra gli amminoacidi che fanno parte degli osmoliti vi è la taurina che è un β-amminoacido presente in concentrazioni molto elevate nella maggior parte delle cellule con attività antiossidante ed è un agente antinfiammatorio. L’arginina è il precursore per la sintesi di proteine ​​e altre molecole di grande importanza biologica, tra cui ossido nitrico, ornitina, poliammine, agmatina, prolina, glutammato, creatina, dimetilarginina e urea.

La beta-alanina è un amminoacido non essenziale che, una volta ingerita, si combina con l’istidina nel muscolo scheletrico e in altri organi per formare la carnosina che è uno scavenger non enzimatico dei radicali liberi e un antiossidante naturale con proprietà antinfiammatorie e neuroprotettive.

La serina svolge un ruolo essenziale in un’ampia gamma di funzioni cellulari, tra cui la sintesi proteica, la neurotrasmissione, la sintesi di sfingolipidi, fosfolipidi e amminoacidi contenenti zolfo ed è necessaria per il corretto metabolismo dei grassi e degli acidi grassi. L’ectoina migliora le proprietà dei legami a idrogeno nelle soluzioni acquose e contribuisce quindi alla dinamica e alla stabilizzazione delle strutture macromolecolari.

Metilammine

Tra le metilammine che appartengono agli osmoliti organici vi è la trimetilammina N-ossido, forma ossidata della trimetilammina che impedisce la denaturazione delle proteine ​​e contrasta gli effetti della pressione e del calore.

A questa categoria appartiene la N-trimetilglicina, conosciuta come betaina, composto chimico derivato della glicina presente in molte piante e microbi che può essere sintetizzata nei mitocondri dalla colina. È coinvolta nella funzionalità epatica, nella riproduzione cellulare e aiuta nella produzione di carnitina e a metabolizzare l’omocisteina.

La glicerofosfocolina (GPC) è un fosfolipide contenente colina che si ritiene possa prevenire il declino della funzione cognitiva correlato all’invecchiamento e migliorare l’efficacia degli inibitori dell’acetilcolinesterasi, farmaci che aumentano la disponibilità dell’acetilcolina rallentandone la degradazione, utilizzati per il trattamento della malattia di Alzheimer.

Composti organici dello zolfo

Contrariamente ai carboidrati, amminoacidi e metilammine che sono osmoliti protettivi, vi sono gli osmoliti denaturanti, come il dimetilsolfoniopropionato e l’urea. Essi possono esibire una proprietà destabilizzante sulle proteine ​​al di sotto di determinate condizioni specifiche per la proteina.

L’urea appartiene al gruppo destabilizzante degli osmoliti e sposta l’equilibrio della reazione di folding delle proteine ​​verso lo stato denaturato. Secondo una teoria gli osmoliti destabilizzanti interagiscono direttamente con la superficie delle proteine ​​mentre gli osmoliti stabilizzanti sono preferenzialmente esclusi dalla loro superficie.

Secondo un’altra teoria prevalente, gli osmoliti agiscono come stabilizzanti o destabilizzanti in modo indiretto modificando le proprietà dell’acqua che circonda le proteine. Si ritiene, tuttavia, che queste due teorie non si escludano a vicenda e che gli osmoliti influenzano la struttura delle proteine ​​direttamente e indirettamente

Osmoliti e disturbi neurologici

La maggior parte dei disturbi neurologici nel cervello sono causati dall’accumulo anomalo di aggregati insolubili di proteine ​​mal ripiegate nel sistema nervoso centrale. Il morbo di Alzheimer è la forma più frequente di malattia neurodegenerativa caratterizzata da disfunzione neurovascolare prematura, perdita di memoria, neurodegenerazione continua e numerosi meccanismi patogeni.

Il peptide β-amiloide, è il maggior costituente delle placche amiloidi che rappresentano una delle caratteristiche microscopiche principali della malattia di Alzheimer, insieme ad ammassi neurofibrillari composti da polimeri di proteina tau modificata ovvero iperfosforilata.

Gli osmoliti aiutano a fornire stabilità alle proteine ​​aggregate e proteggono queste proteine ​​dal ripiegamento errato. Il ripiegamento della proteina è una progressione reversibile nell’ambiente e gli osmoliti guidano la simmetria del ripiegamento nella direzione delle conformazioni ripiegate in modo nativo aumentando l’energia libera dello stato non ripiegato.

Gli osmoliti supportano la proteina nel preservare la sua forza nella soluzione acquosa e svolgono un ruolo importante nel recupero della conformazione ripiegata di una proteina denaturata. È stato infatti dimostrato che  gli osmoliti prevengano il ripiegamento errato e l’aggregazione in condizioni di stress.

In condizioni di stress, infatti, la struttura di una proteina completamente ripiegata è compromessa a causa di un ripiegamento inadeguato della proteina che può causare degradazione scartata o sviluppo di precursori solubili per facilitare la formazione di amiloide. Gli osmoliti possono aiutare a convertire la proteina parzialmente ripiegata in proteina completamente ripiegata, ripristinando così le loro funzioni corrette, portando alla prevenzione della malattia e possono essere utilizzati come bersagli curativi efficienti per la prevenzione e la cura di malattie neurologiche.

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