Il concetto di chaperoni molecolari è emerso per la prima volta nel 1987 grazie al chimico britannico R. John Ellis. Egli suggerì di utilizzare il termine per definire una serie di proteine cellulari la cui funzione principale è quella di garantire il corretto folding e assemblaggio di altre catene polipeptidiche in strutture oligomeriche.

Funzione dei chaperoni molecolari

Gli chaperoni molecolari sono classificati come proteine in grado di facilitare il folding e l’assemblaggio di altre proteine senza far parte della loro struttura finale. Un sottoinsieme di queste proteine è rappresentato dalle proteine da shock termico, così denominate per la loro espressione sensibile a condizioni di stress, come temperature elevate e danni ossidativi. Questi chaperoni sono universali, presenti in tutti gli organismi, e rivestono un ruolo cruciale nella sopravvivenza cellulare. Facilitano il ripiegamento di polipeptidi non ripiegati o anomalie della struttura, stabilizzando gli intermedi di folding e prevenendo l’aggregazione.

Tipi di chaperoni molecolari

Le informazioni strutturali attualmente disponibili permettono di distinguere cinque principali classi di chaperoni, basate sui loro pesi molecolari: Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104 e le piccole proteine da shock termico (sHsp). Le differenze di dimensione tra queste classi sono notevoli, così come le loro strutture distintive. Ciascuna di queste famiglie presenta soluzioni strutturali diverse per affrontare i problemi di ripiegamento proteico. Le due classi di chaperoni più studiate sono Hsp70 e Hsp60, che interagiscono con polipeptidi non ripiegati o parzialmente ripiegati, impedendo la loro aggregazione.

Chaperoni Hsp60

Hsp60 è uno chaperone appartenente alla classe I e svolge un ruolo fondamentale nel ripiegamento di proteine non correttamente ripiegate, utilizzando un meccanismo dipendente dall’ATP. Questa proteina, che ha una massa di 60 kDa, è codificata dal gene nucleare HSPD1 ed è tradotta nel citosol.In particolare, Hsp60 è cruciale per mantenere l’omeostasi proteica nei mitocondri. La sua struttura è costituita da tre domini principali: apicale, medio ed equatoriale, ognuno dei quali gioca un ruolo distinto nell’interazione con substrati e chaperoni, oltre a facilitare la turnover dell’ATP.

Chaperoni Hsp70

Le proteine Hsp70, che pesano 70 kDa, sono chaperoni versatili coinvolti in svariati processi biologici. Queste includono folding e assemblaggio di nuove proteine, il recupero di quelle mal ripiegate, e la traslocazione di proteine all’interno delle membrane cellulari.Questi chaperoni possiedono un dominio ATPasi N-terminale e un dominio di legame al substrato C-terminale, ed è stato stimato che supportano il ripiegamento de novo tra il 10 e il 20% di tutte le proteine nei batteri. La loro funzione è estremamente importante per garantire l’omeostasi cellulare, interagendo con proteine critiche nei percorsi di segnalazione.

Chaperoni Hsp90

La proteina Hsp90, prevalentemente localizzata nel citosol, è coinvolta in molteplici processi cellulari, dalla proliferazione alla morte cellulare. Negli esseri umani, le isoforme Hsp90α e Hsp90β mostrano un’alta omologia, interagendo con oltre 2000 altre proteine. A differenza delle famiglie Hsp60 e Hsp70, la cui funzione principale è facilitare il ripiegamento, Hsp90 è più focalizzata sulla rifinitura delle strutture proteiche, modificando i recettori e i fattori di trascrizione, e contribuendo alla regolazione genica.

Chaperoni Hsp104

Hsp104, una proteina da 102 kDa, appartiene alla famiglia Clp/Hsp100 ed è notevole per la sua capacità di disaggregare le proteine. Agisce in sinergia con Hsp70, formando un macchinario che sfrutta l’energia dell’ATP per rimuovere aggregati proteici e amiloidi.La proteina Hsp104 è fondamentale per la crescita e la propagazione di aggregati, e quando le cellule affrontano carenze di ATP, essa attiva programmi metabolici specifici per adattarsi a tali condizioni critiche.

Piccole proteine da shock termico (sHsp)

Le piccole proteine da shock termico (sHsp) sono chaperoni molecolari indipendenti dall’ATP, capaci di ritardare la formazione di aggregati proteici dannosi. Questi monomeri variano da 12 a 42 kDa e presentano un dominio β-sandwich α-cristallino, con porzioni N- e C-terminali variabili. Le sHsp possono formare complessi oligomerici, contribuendo a mantenere l’omeostasi proteica durante il riallineamento sotto stress. Nel caso dei vertebrati, esse partecipano anche alla protezione della chiarezza del cristallino, e mutazioni in queste proteine sono collegate a diverse patologie, tra cui miopatie e neuropatie. Fonte Verificata

L’ectoina, il cui nome ufficiale secondo la I.U.P.A.C. è acido 2-metil-3,4,5,6-tetraidropirimidino-4-carbossilico, rappresenta un composto accumulato da alcuni microrganismi come strategia per difendersi dallo stress osmotico in ambienti con elevate salinità. Questa sostanza è un derivato amminoacidico eterociclico dell’aspartato e presenta una struttura zwitterionica.

Proprietà dell’ectoina

La sua natura di osmolita compatibile consente all’ectoina di fungere da efficace agente protettivo per biomolecole e cellule, aiutandole a resistere a diverse condizioni avverse come il riscaldamento, il congelamento e l’esposizione ai raggi U.V. oltre a condizioni di estrema salinità. Essendo parte del gruppo degli osmoliti, l’ectoina non interferisce con il metabolismo cellulare anche a elevate concentrazioni molari. Questa sostanza, insieme al suo derivato idrossilato, è prodotta da alcune specie di microrganismi alofili per garantire la loro sopravvivenza in ambienti con salinità molto alta, come nel caso di laghi salati presenti in regioni desertiche. Questi organismi raggiungono l’osmoadattamento regolando la pressione osmotica, accumulando ectoina anche in presenza di concentrazioni elevate di sale esterno.

Biosintesi dell’ectoina

L’ectoina è largamente sintetizzata da diversi membri dei batteri in risposta a stress ambientali, comprese temperature estreme che limitano la crescita. Questo processo di sintesi può essere attuato dalla maggior parte delle specie alofile. La biosintesi avviene attraverso un percorso che impegna enzimi codificati da tre geni specifici. Questi includono ectA, che codifica per L-2,4-diamminobutirrato acetiltransferasi, ectB, che è la L-2,4-diamminobutirrato transaminasi, ed ectC, che funge da ectoina sintasi. Le reazioni enzimatiche sequenziali trasformano l’intermedio centrale del metabolismo degli amminoacidi microbici, L-aspartato-β-semialdeide, in ectoina. Nel primo stadio, la L-aspartato-β-semialdeide subisce una reazione di transaminazione, catalizzata dall’enzima EctB, formando L-2,4-diamminobutirrato (DABA). Nel secondo stadio, DABA interagisce con l’acetil-coenzima A grazie all’azione dell’enzima EctA, portando alla produzione di N-γ-acetil-2,4-diaminobutirrato. Infine, l’ectoina sintasi EctC catalizza la chiusura dell’anello dell’ectoina attraverso un processo di condensazione intramolecolare, eliminando una molecola d’acqua.

Usi dell’ectoina

In ambito terapeutico, questo osmolita ha dimostrato di inibire le risposte infiammatorie nelle cellule, sia respiratorie che cutanee, ed è stata impiegata nel trattamento di malattie infiammatorie croniche. L’applicazione topica di ectoina è stata utilizzata con successo per la rinite secca, la faringite acuta e per alleviare i sintomi della dermatite atopica, incluse le infiammazioni della superficie oculare. Recentemente, sono stati condotti studi clinici sulla rinocongiuntivite allergica stagionale, evidenziando l’efficacia di uno spray nasale a base di ectoina per il trattamento della rinite allergica. Inoltre, questo composto trova applicazione nel settore estetico come agente anti-invecchiamento, poiché contribuisce a ridurre la comparsa di rughe e linee sottili, migliora la consistenza della pelle, aumenta la sua elasticità e promuove la riparazione della barriera cutanea, proteggendo la pelle dai danni provocati dai raggi UV, dall’inquinamento e da altri fattori ambientali. Fonte Verificata

L’ossido nitrico sintasi (NOS) rappresenta un gruppo di enzimi appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi. Questi enzimi sono cruciali poiché catalizzano l’ossidazione della L-arginina, impiegando nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH) e ossigeno molecolare per generare L-citrullina e monossido di azoto, conosciuto anche come ossido nitrico.

Le isoforme di ossido nitrico sintasi

Esistono tre forme di ossido nitrico sintasi, designate come NOS1, NOS2 e NOS3. Ciascuna di queste isoforme è codificata da un gene distinto e presenta differenze sia nella struttura che nella funzione. Sebbene condividano aree di elevata omologia, come i domini ossigenasi e reduttasi, ogni isoforma presenta caratteristiche uniche che riflettono le loro specifiche funzioni biologiche. Le isoforme NOS1 e NOS3, comunemente chiamate NOS neuronale e NOS endoteliale, sono classificate come enzimi costitutivamente espressi e sono mediamente dipendenti dal calcio (Ca²⁺). Tuttavia, la NOS3 ha la capacità di attivarsi anche in assenza di calcio. D’altra parte, la NOS inducibile, o NOS2, è espressa solo in risposta a citochine o agenti infiammatori, la cui attività non richiede un aumento dei livelli di calcio.

Struttura dell’enzima

Queste tre isoforme presentano una struttura dimerica, formata da due subunità identiche. Tutte le ossido nitrico sintasi contengono flavina mononucleotide (FMN), flavina adenina dinucleotide (FAD), eme e tetraidrobiopterina. Il sito di legame della tetraidrobiopterina è affiancato dall’eme, facilitando in questo modo l’interazione tra i due cofattori. Ciascun monomero è dotato di tre domini distintivi: il dominio reduttasi, il dominio ossigenasi e il dominio legante la calmodulina, una piccola proteina formata da due domini globulari collegati da un connettore flessibile che subisce modulazione in risposta al calcio. Il dominio reduttasi ospita i siti di legame per FMN, FAD e nicotinammide adenina dinucleotide, mentre il dominio ossigenasi è fondamentale per l’interazione con la tetraidrobiopterina, essenziale per la sintesi di amminoacidi aromatici, neurotrasmettitori e ossido nitrico. Il ruolo del dominio reduttasi consiste nel traghettare elettroni dal NADPH al dominio ossigenasi della subunità opposta, mentre il legame con la calmodulina è cruciale per mantenere l’attività delle diverse isoforme di ossido nitrico sintasi. Questi domini sono connessi attraverso il dominio legante la calmodulina, che funge da interruttore molecolare, regolando il flusso di elettroni dai gruppi prostetici flavinici al dominio ossigenasi. Grazie a questa interazione, si facilita la conversione di ossigeno molecolare e L-arginina in ossido nitrico e L-citrullina.

Meccanismo della reazione di sintesi

Le isoforme di ossido nitrico sintasi impiegano L-arginina e ossigeno per la produzione di L-citrullina e ossido nitrico. I cofattori come tetraidrobiopterina, NADH, FAD, FMN, ione calcio, calmodulina ed eme svolgono un ruolo cruciale in questo processo. La sintesi dell’ossido nitrico avviene in due fasi. Nella prima fase, l’enzima catalizza l’ossidazione della L-arginina a Nω-idrossi-L-arginina, la quale rimane legata all’enzima. Nella fase successiva, avviene l’ossidazione dell’intermedio a L-citrullina e ossido nitrico. L’ossido nitrico è un gas altamente reattivo e tossico. Grazie a queste proprietà, agisce come un potente agente per il sistema immunitario, attaccando cellule estranee e tumorali, e svolge anche un ruolo di mediatore nella sintesi di cGMP all’interno delle cellule. Inoltre, il rapido interazione dell’ossido nitrico con i radicali liberi è giocano un ruolo importante, portando alla formazione di specie reattive dell’azoto, come il perossinitrito, che risulta chimicamente instabile e può trasformarsi in nitrato, un composto generalmente inerte all’interno delle cellule dei mammiferi, contribuendo così alla neutralizzazione delle specie reattive dell’ossigeno. Fonte Verificata

Le proteine di trasporto giocano un ruolo fondamentale nel regolare il passaggio di molecole attraverso le membrane biologiche. Questi importanti complessi proteici facilitano sia il trasporto passivo che il trasporto attivo di diverse sostanze, permettendo loro di attraversare la membrana cellulare anche contro un gradiente di concentrazione o in presenza di molecole impermeabili al doppio strato fosfolipidico.

Funzionamento delle proteine di trasporto

Il meccanismo attraverso cui le proteine di trasporto trasferiscono una molecola di soluto attraverso il doppio strato lipidico ricorda una reazione di tipo enzima-substrato. I trasportatori si comportano in modo simile agli enzimi, tuttavia, a differenza delle reazioni tradizionali, il soluto non subisce modifiche chimiche durante il trasferimento, ma viene semplicemente condotto inalterato da un lato all’altro della membrana. Queste proteine possiedono uno o più siti di legame mirati al loro substrato specifico. Nel processo di trasferimento, esse subiscono cambiamenti conformazionali reversibili, esponendo alternativamente il sito di legame su entrambi i lati della membrana. Nonostante la maggior parte di esse sia localizzata nella membrana di una cellula, è possibile trovarle anche nelle membrane di organelli interni come i mitocondri, i cloroplasti e altri.

Tipologie di proteine di trasporto

Nel contesto del trasporto attivo, le molecole si spostano contro il gradiente di concentrazione, un processo che richiede energia, solitamente fornita sotto forma di ATP, prodotta dal metabolismo cellulare. Le proteine specifiche, come uniporter e pompe, sono necessarie per facilitare questo movimento. Esistono anche le simporter, che sono proteine integrali di membrana responsabili del trasporto simultaneo di due molecole nella stessa direzione. Il loro funzionamento dipende da vari fattori, tra cui la corretta conformazione delle proteine, le modifiche post-traduzionali e l’organizzazione cellulare. Inoltre, vi sono gli antiporter che trasportano due molecole in direzioni opposte, svolgendo un ruolo cruciale nell’equilibrio del pH e nell’omeostasi degli ioni sodio nelle cellule di diverse forme di vita, dai batteri agli esseri umani e alle piante. Un esempio significativo di proteina di trasporto è la pompa sodio-potassio, nota anche come pompa Na⁺/K⁺ ATP-dipendente. Questa proteina integrale di membrana sfrutta l’energia derivante dall’idrolisi dell’ATP per muovere gli ioni attraverso la membrana cellulare, contro il loro gradiente elettrochimico. La pompa sodio-potassio esercita una funzione essenziale trasportando degli ioni sodio all’esterno e degli ioni potassio all’interno della cellula. Tale scambio di ioni è un processo che viola le leggi della diffusione, in cui le molecole tendono a spostarsi da aree di alta concentrazione a zone di bassa concentrazione. Questo scambio energetico è quindi reso possibile dall’ATP. Ogni ciclo della pompa scambia tre ioni sodio intracellulari con due ioni potassio extracellulari, creando così una carica positiva all’esterno della cellula. Per tale motivo, viene definita elettrogenica, poiché genera una differenza nelle concentrazioni di cariche elettriche tra l’interno e l’esterno della cellula. Il risultato è un accumulo di cariche positive all’esterno e cariche negative all’interno della membrana. Grazie alla sua natura elettrogenica, la pompa sodio-potassio contribuisce alla stabilizzazione del potenziale di membrana a riposo, alla regolazione del volume cellulare e alla trasduzione dei segnali all’interno della cellula. Un ulteriore esempio di proteina di trasporto è rappresentato dai trasportatori del glucosio (GLUTs), che sono un gruppo di proteine transmembrana in grado di catalizzare la diffusione facilitata del glucosio, oltre a degli esosi e polioli correlati, attraverso la membrana plasmatica. Infine, i cotrasportatori del glucosio sodio-dipendenti (SGLTs) rivestono un ruolo cruciale nell’assorbimento del glucosio nelle membrane cellulari apicali, mediando il trasporto combinato di sodio e glucosio. Questi trasportatori sono vitali per garantire l’efficienza del metabolismo energetico nelle cellule. Fonte Verificata