Stress osmotico

Lo stress osmotico porta all’efflusso o all’afflusso di acqua dalla o nella cellula. Le risposte cellulari a questo tipo di stress riguardano l’attività dei canali dell’acqua e dei trasportatori di elettroliti, l’accumulo di osmoliti e la protezione delle proteine ​​e delle strutture subcellulari.

Nei pesci, sia la bassa che l’alta salinità esterna influenzano l’ambiente interno. L’ambiente di acqua dolce induce principalmente l’afflusso di acqua e la perdita di elettroliti, mentre l’efflusso di acqua e il carico di elettroliti si verificano negli ambienti marini.

Nelle piante sia la siccità che lo stress da salinità attivano una cascata di segnalazione multipla, che porta a una risposta fisiologica.  Lo stress da salinità provoca uno stress osmotico con conseguente generazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) che ha un effetto dannoso sulle stesse.

Fisiologia cellulare e stress osmotico

Lo stress osmotico è un regolatore della normale funzione delle cellule che sono esposte ad ambienti osmoticamente attivi in ​​condizioni fisiologiche o patologiche. I meccanismi attraverso i quali le cellule percepiscono il loro ambiente osmotico sembrano coinvolgere una serie di percorsi di trasduzione basati sui canali ionici.

Inoltre lo stress osmotico può avere effetti fisici sulle cellule che possono avere effetto sul nucleo cellulare, alterando direttamente la morfologia nucleare e l’architettura del genoma. Le cellule salvo qualche eccezione si comportano come osmometri perfetti quando la loro regolazione attiva del volume è soppressa laddove per osmometro perfetto si intende un modello costituito da una soluzione presente in una membrana semipermeabile che consente il libero passaggio dell’acqua bloccando il passaggio delle molecole di soluto.

Se la concentrazione del soluto nel bagno che circonda l’osmometro cambia, l’acqua scorre attraverso la membrana finché la concentrazione all’interno dell’osmometro non corrisponde alla nuova concentrazione ambientale quindi il volume di un osmometro è inversamente proporzionale all’osmolarità esterna.

A temperatura corporea, le cellule hanno la capacità di regolare il loro volume pompando ioni attraverso la membrana cellulare in modo che l’acqua sia obbligata ad attraversare la membrana nella stessa direzione ma le stesse cellule possono anche espellere o produrre molecole di soluto neutre come, ad esempio, la taurina in modo che il volume cellulare possa essere regolato indipendentemente dalla concentrazione degli ioni

Risposta delle piante allo stress osmotico

La siccità, l’elevata salinità e il gelo provocano stress osmotico alle piante che interrompe le normali attività cellulari o addirittura causa la morte della pianta. Pertanto le piante rispondono, in parte, modulando l’espressione genica, finalizzata al ripristino dell’omeostasi cellulare, alla disintossicazione delle tossine e al recupero della crescita.

Alcune di queste risposte sono innescate dai segnali primari di stress osmotico, mentre altre possono derivare da stress e/o segnali secondari causati dai segnali primari. Questi segnali secondari possono essere costituiti da fitormoni come, ad esempio, ad esempio l’acido abscissico e l’etilene, specie reattive dell’ossigeno e secondi messaggeri intracellulari come i fosfolipidi.

Per 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 si accumulano all’interno delle cellule degli organismi gli osmoliti, composti organici che possono essere classificati in: carboidrati, amminoacidi, metilammine e composti organici dello zolfo.

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.

Se le proteine ​​danneggiate sono irreparabili, sono eliminate per impedirne l’aggregazione e, in questo caso, le cellule avviano la degradazione delle proteine ​​danneggiate o la distruzione dell’intera cellula, processi osservati per cellule vegetali stressate

Stress osmotico e pesci

I pesci affrontano continuamente stress osmotico e la branchia è il primo tessuto che percepisce e risponde alle sfide osmotiche esterne e pertanto hanno un meccanismo osmoregolatorio per regolare l’omeostasi di fluidi e ioni per mantenere un’osmolarità corporea costante durante lo stress osmotico.

Quando si trovano di fronte a variazioni di salinità, per mantenere l’equilibrio osmotico, i pesci dipendono dalle risposte indotte osmoticamente e dalla segnalazione endocrina sistemica indotta dal trasporto ionico nelle branchie, per l’adattamento allo stress salino.

Pertanto, quando si trovano di fronte a variazioni di salinità, i pesci impiegano molte acclimatazioni fisiologiche per rispondere rapidamente allo stress osmotico, come l’induzione di chaperoni molecolari, classe di famiglie proteiche, la cui funzione predominante è la prevenzione di associazioni non corrette e aggregazione di catene polipeptidiche non ripiegate la rapida eliminazione delle macromolecole danneggiate, l’arresto della crescita e l’alterazione dell’espressione genica di molteplici geni che mediano la tolleranza allo stress osmotico

Stress osmotico e batteri

I batteri sono delimitati da membrane citoplasmatiche semipermeabili in cui sono presenti acquaporine che facilitano il flusso molto veloce delle molecole d’acqua all’interno o all’esterno delle cellule di specifici tessuti. La maggior parte è anche circondata da una parete cellulare rigida, elastica e porosa che determina la forma della cellula.

Nei batteri Gram Negativi l’area tra la membrana esterna e quella citoplasmatica è indicata come periplasma dove avvengono molte reazioni enzimatiche. L’integrità e l’idratazione della cellula e dei suoi compartimenti sono dettate dal loro contenuto di soluti e dalle pressioni osmotiche dei loro ambienti.

Una diminuzione della pressione osmotica esterna causa l’afflusso di acqua e il rigonfiamento o persino la rottura mentre un aumento della pressione osmotica esterna causa l’efflusso di acqua e la disidratazione. Le cellule rispondono alle variazioni della pressione osmotica esterna accumulando o rilasciando soluti, attenuando così i flussi d’acqua. Tali soluti includono ioni inorganici spesso ioni potassio e osmoliti. Molteplici enzimi, trasportatori e canali con determinate funzioni e specificità mediano l’accumulo e il rilascio di soluti da ciascun organismo

Lieviti

I lieviti sono funghi microscopici alcuni dei quali, in assenza di ossigeno, danno luogo alla fermentazione in cui gli zuccheri fermentabili come saccarosio, glucosio e fruttosio sono convertiti in anidride carbonica ed etanolo. Questo processo viene seguito in ambito scientifico per la produzione di etanolo dalla canna da zucchero e dal mais.

La fermentazione con alti livelli di zucchero fermentabile nel tentativo di ottenere un elevato contenuto di etanolo può avere un impatto negativo sulla fisiologia del lievito e sull’efficienza della fermentazione. Infatti alti livelli di zucchero possono indurre stress osmotico sul lievito, portando a una riduzione della vitalità cellulare e dei tassi di riproduzione.

La risposta di Saccharomyces cerevisiae allo stress iperosmotico comporta l’arresto della progressione del ciclo cellulare, cambiamenti nell’espressione genica a livello di trascrizione e traduzione e singolarmente sintesi e ritenzione di glicerolo come osmolita compatibile. Nel lievito le risposte cellulari allo stress da iperosmolarità sono regolate dalla proteina chinasi attivata da mitogeni Hog1 attraverso la via di segnalazione del glicerolo ad alta osmolarità

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