Funzioni della prolina

La prolina viene spesso definita come un “amino acido multifunzionale”; in effetti solo il ruolo di osmoprotettore sembra un po’ riduttivo. La sua produzione viene stimolata da un numero considerevole di condizioni di stress abiotico e biotico (Figura 31), dato che è in grado di proteggere l’integrità delle proteine, di preservare l’attività di numerosi enzimi, e di esercitare il ruolo di chaperone molecolare sia in caso di temperature estreme che in condizioni di stress osmotico o di stress ossidativo indotto da metalli pesanti.

Numerosi studi attribuiscono infatti proprietà antiossidanti alla prolina, che si concretiz- zano nel “silenziamento” del singoletto dell’ossigeno. Il trattamento con prolina diminuisce lo sviluppo dei ROS in funghi e lieviti (Chen et al., 2005), riduce la perossidazione lipidica in

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alghe in seguito esposizione a metalli pesanti (Mehta et al., 19999) e limita l’effetto dannoso dei ROS sulle membrane del fotosistema II (PSII) (Alia et al., 1997). Silenziando geni per il metabolismo della prolina si osserva una maggiore tendenza all’accumulo di radicali dell’ossigeno. È stato osservato anche un ruolo “indiretto” nella protezione dai ROS: quando subentrano condizioni di stress, la prolina stabilizza infatti in maniera specifica alcuni degli enzimi coinvolti nella detossificazione delle forme radicaliche, come perossidasi, glutatione transferasi e superossido dismutasi.

Un altro ruolo svolto dalla prolina è quello di regolare l’equilibrio redox della cellula. In condizioni di alta irradianza è stato osservato un aumento di sintesi glutammato-dipendente dell’amino acido nei plastidi. Tale processo assicura un alto quantitativo di prolina capace di stabilizzare le proteine del cloroplasto, e soprattutto riossida il NADPH in NADP+_{, che viene}

utilizzato come accettore finale degli elettroni dal fotosistema I (PSI), evitando così la formazione di ROS (Chaves et al., 2009). Inoltre la fosforilazione del glutammato consuma ATP, producendo nuovo substrato per la sintesi di ATP durante la fotosintesi. In questo modo la sintesi di prolina nel cloroplasto assicura un basso rapporto NADPH/ NADP+_{, limita il}

fenomeno della fotoinibizione e consente il fondamentale mantenimento dell’integrità delle membrane anche in condizioni di stress. Un ulteriore elemento a favore di questa ipotesi è la dimostrazione dell’andamento circadiano luce-dipendente dell’accumulo di prolina, ottenuto mediante regolazione sia della sintesi (P5CS) che del catabolismo (PRODH) (Hayashi et al., 2000). Il metabolismo della prolina influenza inoltre la via metabolica dei pentosi fosfati, in cui le prime due reazioni irreversibili, partendo dal glucosio-6-fosfato, portano alla formazione di due molecole di NADPH e liberando anidride carbonica. In condizioni di stress (stomi chiusi, bassa concentrazione di anidride carbonica) la CO2 può venire utilizzata nel ciclo di Calvin

mentre il NADPH, come visto in precedenza, può essere usato per la sintesi di prolina riottenendo NADP+ _{e prevenendo la formazione dei ROS (Ben Rejeb et al., 2014).}

Nei mitocondri la prolina può fornire direttamente potenziale riducente tramite la sua ossidazione a opera della PRODH e della P5CDH; la prima fornisce elettroni alla catena respiratoria che verranno convertiti in energia utile per riprendere la crescita una volta terminate le condizioni di stress, la seconda produce NADH (Hare et al., 1997). Di recente è stato ipotizzato un ciclo prolina/P5C, in cui la prolina viene ossidata a P5C, che passa nel citosol per venire riconvertito in prolina, la quale può rientrare nei mitocondri e venire ossidata nuovamente (Figura 31). Questo ciclo, all’apparenza futile, fornisce elettroni alla catena di trasporto mitocondriale, che se sovraccaricata può cederli all’ossigeno generando ROS. Si è infatti osservato che nel mutante p5cdh di Arabidopsis l’induzione della PRODH disaccoppiata da quella della P5CDH porta all’accumulo di P5C e di ROS, i quali possono agire come stressori e provocare la morte cellulare programmata (PCD) (Miller et al., 2009). Ormai è accettato il ruolo ricoperto dai ROS come secondi messaggeri e vi sono sempre più evidenze che vedono coinvolto il catabolismo della prolina nella modulazione di queste molecole. Infatti si è osservato che trattando piante con prolina esogena, queste morivano in seguito a un accumulo di ROS e frammentazione del DNA (Deuschle et al., 2004). Di recente è stato proposto che la prolina esogena induca la sintesi di ROS mediante un segnale calcio-dipendente che stimola la NADPH ossidasi. Successivamente si ha la produzione di acido salicilico (SA), che attiva la HR (Chen et al., 2011).

Va infine ricordato che il metabolismo della prolina è fondamentale anche nei risi “aromatici”, che ultimamente hanno una porzione di mercato globale sempre maggiore a causa delle caratteristiche organolettiche, che conferiscono un valore aggiunto rispetto alle varietà non aromatiche. Il composto volatile maggiormente responsabile di queste proprietà è la 2-acetil-1-pirrolina, un prodotto derivante dalla prolina e capace di conferire al riso un’aroma simile a quello del pop corn. In seguito alla osservazione che nelle varietà aromatiche era presente un quantitativo maggiore di P5C, è stato proposto per la sintesi di 2- acetil-1-pirrolina un modello basato su una maggiore attività della P5CS (Figura 32) (Huang

et al., 2008). Appare però strano che un composto potenzialmente tossico venga accumulato

all’interno dei tessuti di riserva del riso. Non sono d'altra parte stati sinora condotti studi per verificare se alla “aromaticità” sia associata anche una maggiore tolleranza allo stress osmo- salino in funzione e alla maggiore attività catalitica della P5CS.

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Figura 31. Ruolo della prolina nella risposta allo stress. A

sinistra con i cerchi vengono rappresentati gli enzimi, con i rettangoli i fattori di stress verificati

su A. thaliana (bianchi) e T. salsu- ginea (neri); PL, fosfolipasi. Sotto sono riportate le relazioni fra ROS e prolina, che si accumula in rispo- sta all’induzione ROS dipendente dalla P5CS1 (stress osmotico) o P5CS2 (biotico). In presenza di un

eccesso di prolina il ciclo prolina/ P5C è più attivo, provocando la formazione di ROS e attivando la

risposta ipersensibile (HR; Ben Rejeb et al., 2014).