Lacetilcolina (ACh) è un composto chimico di formula C7H16NO2+ che in condizioni standard si presenta come un solido.

Storia

L'acetilcolina è stato il primo neurotrasmettitore a essere identificato. L'acetilcolina fu sintetizzata per la prima volta nel 1867, ma solo quarant'anni dopo fu dimostrato che era un depressore fisiologico estremamente potente.Dale to Richards 22 Mar 1929, National Institute for Medical Research Archives/647. Nel 1904, un giovane studente di Cambridge, Thomas Renton Elliott, osservò che l'adrenalina imitava l'effetto della stimolazione nervosa simpatica, suggerendo che potesse essere la sostanza liberata quando lo stimolo nervoso raggiungeva le zone periferiche.

Sebbene l'interpretazione precisa di queste parole fosse inizialmente incerta, esse preannunciavano il concetto di neurotrasmissione chimica. Henry Hallett Dale, intrigato dal lavoro di Elliott, accettò un'opportunità di lavorare per il produttore farmaceutico Henry Wellcome presso i Wellcome Physiological Research Laboratories (WPRL) nel 1904.

Qui, il suo lavoro sulla segale cornuta lo portò alla scoperta di sostanze come l'ergotossina, l'istamina, l'acetilcolina e la tiramina. Insieme a George Barger, condusse anche un ampio studio sulle azioni fisiologiche di sostanze chimiche strutturalmente simili all'adrenalina, coniando il termine "simpatomimetico".

L'acetilcolina naturale fu isolata per la prima volta nei WPRL nel 1913 da Dale e Arthur Ewins. Questa scoperta fu descritta da Dale come un "fortunato incidente". L'anno successivo, Dale pubblicò un articolo sulla farmacologia dei derivati della colina, notando due effetti principali dell'acetilcolina: uno riproducibile dalla muscarina e uno dalla nicotina. Tuttavia, all'epoca, c'erano poche prove dirette del significato fisiologico dell'acetilcolina, e l'interesse per la ricerca fu in parte deviato dagli impegni bellici.

L'interesse per l'acetilcolina fu riacceso negli anni 1920 grazie al lavoro di Otto Loewi all'Università di Graz. Nel 1921, Loewi eseguì un esperimento dimostrando che un cuore di rana denervato poteva essere rallentato o fermato da un fluido proveniente da un cuore innervato che aveva rallentato o smesso di battere in risposta alla stimolazione del suo nervo vago.

Loewi suggerì che una sostanza chimica, da lui chiamata "Vagusstoff", fosse rilasciata dal vago del primo cuore e trasferita al secondo. Ulteriori lavori di Loewi e dei suoi colleghi dimostrarono che il composto era un estere della colina rapidamente idrolizzato da un'esterasi, sebbene non suggerirono che fosse acetilcolina.

Nonostante l'interesse di Dale per il Vagusstoff, egli rimase preoccupato per l'apparente assenza di acetilcolina dal corpo dell'animale, tuttavia, solo pochi mesi dopo, Dale e il suo collega Harold Dudley trovarono l'acetilcolina come costituente naturale del corpo dei mammiferi. Questa fu una scoperta fondamentale, che stimolò un rinnovato interesse per il suo significato funzionale.

I passi decisivi successivi nel laboratorio di Dale furono possibili grazie all'arrivo di Wilhelm Feldberg nel 1933. Feldberg importò il "test della sanguisuga", una tecnica che rivoluzionò l'analisi del ruolo dell'acetilcolina. Il problema principale negli studi sull'acetilcolina era la transitorietà dei suoi effetti a causa della rapida idrolisi da parte dell'acetilcolinesterasi. Il test della sanguisuga di Feldberg fornì un metodo semplice e affidabile per rilevare l'acetilcolina, utilizzando la fisostigmina per inibire l'attività dell'acetilcolinesterasi permettendo l'identificazione e la misurazione accurata dell'acetilcolina.

Gran parte del lavoro sull'acetilcolina venne effettuato nel laboratorio di Dale tra la fine del 1933 e l'inizio del 1937, con la partecipazione di collaboratori come George Lindor Brown, Marthe Vogt, John Gaddum e Frank MacIntosh. In particolare, Feldberg fu coautore di tutte le ventiquattro pubblicazioni uscite dal laboratorio di Dale in quel periodo. Questi lavori fornirono la prima prova sperimentale diretta del ruolo dell'acetilcolina nella trasmissione gangliare, alla giunzione post-gangliare parasimpatica e alla giunzione neuromuscolare del sistema nervoso volontario. Essi dimostrarono che la stimolazione nervosa liberava acetilcolina, che l'acetilcolina non era prodotta in assenza di tale stimolazione e che l'iniezione di acetilcolina riproduceva gli effetti dell'attività nervosa.

Una delle contribuzioni scientifiche più significative fu l'introduzione da parte di Dale dei termini "colinergico" e "adrenergico" per designare le fibre nervose in base alla natura della sostanza chimica che utilizzavano come trasmettitore. Questa nomenclatura "neutra" permise di fare riferimento a sostanze "simili all'adrenalina" e "simili all'acetilcolina" senza richiedere una precisa identificazione chimica.

A partire dalla metà degli anni 1930, le questioni sul ruolo dell'acetilcolina nella funzione neurale assunsero un ruolo centrale nei dibattiti fisiologici. L'idea della neurotrasmissione chimica incontrò una vigorosa opposizione, in particolare da John Eccles, che sosteneva che la trasmissione neurale fosse puramente un fenomeno elettrico. Questi dibattiti erano noti scherzosamente come "zuppa contro scintilla", tuttavia, nel 1951, Eccles ammise di accettare le teorie proposte da Dale e dai suoi colleghi.

Per molti anni, il test della sanguisuga eserinizzata rimase il metodo più riproducibile e sensibile per identificare e quantificare l'acetilcolina. Solo negli anni 1960 furono sviluppati metodi chimici più sofisticati. Verso la fine di quel decennio, un progetto collaborativo tra l'Università della California e il Karolinska Institutet di Stoccolma, utilizzando la GC-MS, fu in grado di determinare l'acetilcolina in quantità nell'ordine dei sub-microgrammi. In una lettera a Dale nel 1968, gli autori di questo lavoro riconobbero le sue grandi conquiste con mezzi più semplici quarant'anni prima.

Dale condivise il Premio Nobel nel 1936 e da quell'anno terminò il suo coinvolgimento personale nella ricerca di laboratorio, assumendo numerosi altri incarichi. Furono i suoi colleghi più giovani, in particolare Brown e Feldberg, a continuare ad accumulare prove sul ruolo dell'acetilcolina nel sistema nervoso. Nei decenni successivi, furono sviluppate teorie sofisticate sulle interazioni farmaco-recettore nel sistema colinergico portando a un approfondimento delle conoscenze sul ruolo di diverse sostanze chimiche endogene nel sistema nervoso. Dale continuò a seguire da vicino l'accumulo di prove sulla neurotrasmissione chimica, esprimendo il suo stupore per i progressi raggiunti con tecniche come l'ultramicroscopia elettronica e la registrazione elettrica.

Caratteristiche strutturali e fisiche L'acetilcolina è un estere dell'acido acetico e della colina, facilmente solubile in acqua ed etanolo, ovvero poco solubile in etere. La torsione nella molecola di acetilcolina può verificarsi attorno ai legami τ1, τ2 e τ3. Poiché i gruppi metilici sono disposti simmetricamente attorno a τ3 e l'acetossile planare può porre dei vincoli su τ1, l'angolo di torsione più importante nel determinare la conformazione dell'acetilcolina in soluzione è τ2. Le configurazioni a più bassa energia si presentano attorno a τ2.

Studi di risonanza magnetica nucleare indicano che la conformazione gauche è predominante in soluzione. Studi sull'attività di analoghi rigidi dell'acetilcolina suggeriscono che la conformazione trans potrebbe essere la conformazione attiva sui recettori muscarinici. Tuttavia, i risultati degli studi mostrano che l'atomo di azoto dell'acetossile e quello quaternario nello stato legato dell'acetilcolina sono troppo vicini perché questa conformazione possa esistere quando l'acetilcolina è legata al recettore nicotinico. +Caratteristiche del compostoN. di atomi pesanti10N. di accettori di legami a idrogeno2N. di legami ruotabili4Massa monoisotopica146,118103753 uSuperficie polare26,3 ŲSezione d'urto129,5 Ų [M]+ 129,2 Ų [M*]+ 129,7 Ų [M+H]+Carica formale +1

Sintesi L'acetilcolina può essere sintetizzata facilmente in diversi modi. Ad esempio, il 2-cloroetanolo viene fatto reagire con trimetilammina e il composto risultante, N,N,N-trimetiletil-2-etanolamina cloridrato viene acetilato con anidride acetica o cloruro di acetile. Un secondo metodo consiste nel far reagire la trimetilammina con ossido di etilene, ottenendo l'N,N,N-trimetiletil-2-etanolamina idrossido che, reagendo con acido cloridrico, si trasforma nel cloridrato, il quale viene successivamente acetilato seguendo il procedimento descritto sopra. Infine, l'acetilcolina può anche essere ottenuta facendo reagire l'acetato di 2-cloroetanolo con trimetilammina.

Reattività e caratteristiche chimiche

Spettri analitici

1D NMR 1H NMR 13C NMR 1H-1H NMR 1H-13C NMR MS-MS LC-MS

Biochimica La molecola agisce come:

neurotrasmettitore, vasodilatatore, agonista colinergico muscarinico, agonista colinergico nicotinico, regolatore della produzione della somatotropina.

Nei vertebrati, è il principale trasmettitore nelle giunzioni neuromuscolari, nei gangli autonomi, nelle giunzioni neuroeffettorie parasimpatiche, in un sottoinsieme di giunzioni neuroeffettorie simpatiche e in molti siti del sistema nervoso centrale. L'acetilcolina è presente sin dai primi momenti dello sviluppo del sistema ectodermico (piastra neurale), poiché la sua azione è fondamentale per la differenziazione delle cellule neuronali. Questo neurotrasmettitore agisce infatti come morfogeno.

L'acetilcolina è stata trovata anche in cellule di origine non neuronale, oltre che nei microbi. Si è scoperto infatti che specie di protisti appartenenti al genere Ancanthamoeba contengono acetilcolina che fornisce segnali di crescita e proliferazione attraverso un omologo del recettore muscarinico M1 situato nella membrana.

Biosintesi

Muscoli

L'acetilcolina deriva da due costituenti: la colina e un gruppo acetile, quest'ultimo derivato dal coenzima acetil-CoA. La colina è naturalmente presente in alimenti come tuorli d'uovo, fegato, semi di vari ortaggi e legumi. Inoltre, la colina viene prodotta naturalmente dal fegato. Una volta in circolazione nel plasma, può attraversare facilmente la barriera emato-encefalica ed essere captata dalle terminazioni nervose colinergiche tramite canali di trasporto sodio-dipendenti. La fase limitante della produzione di acetilcolina è la disponibilità di acetato derivato dall'acetil-CoA mitocondriale e di colina proveniente direttamente dal plasma o dal riassorbimento nella fessura sinaptica.

La sintesi avviene nelle estremità terminali degli assoni. La colina acetiltransferasi (CAT) è l'enzima che catalizza la reazione tra la colina e l'acetil-CoA per creare una nuova molecola di acetilcolina. La CAT viene prodotta nel soma neuronale e successivamente trasportata fino al terminale assonico tramite trasporto asso-plasmatico, in cui vescicole piene di varie proteine sono "agganciate" ai filamenti di actina che attraversano la lunghezza del neurone per il trasporto. Sebbene localizzata principalmente al terminale assonico, la CAT è presente in tutto il neurone stesso.

Nel terminale assonico, l'acetilcolina appena formata viene collocata in vescicole, con un numero minimo di molecole libere ancora presenti nel citosol. Le vescicole vengono acidificate tramite una pompa dipendente dall'energia (H-ATPasi), che viene utilizzata per creare un gradiente che consente all'acetilcolina di entrare attraverso il trasportatore vescicolare dell'acetilcolina (VAChT), il quale scambia un protone con una molecola di acetilcolina.