O - I blog di Unica
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Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Reazioni tra O2 e metalli: ossidoriduzioni e complessi 4Fe2+ + O2 + 2H2O + 8 OH- O2 interagisce con i metalli ossidandoli e passando allo stato di ox -2 e portando alla formazione di composti in cui il legame O-O viene spezzato O O L L Co L L L 4(FeOH)3 2Fe2O3 + H2O O2 interagisce con alcuni complessi di metalli di transizione (Co, Ir, Rh) per formare addotti in cui O2 è legato in maniera reversibile e dove apparentemente il metallo non cambia stato di ossidazione. L = NH3, CN- end-on (h1) Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Gli stati di ossidazione formali di O2 possono essere identificati dalle distanze di legame O-O nei complessi (strutture cristalline) oppure dalla vibrazione di stiramento ν(O-O) (spettroscopia IR/Raman) o da misure EPR side-on (h2) Complesso di Vaska n+ d(O-O) H3N NH3 H3N NH3 H3N Co O H N NH O Co NH3 3 3 H3N NH3 n=4 n=5 1.47 Å 1.31 Å Legante O22– O2· – Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Orbitale Molecolare donatore σ donatore π accettore π Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 La densità elettronica è trasferita sul centro metallico dalle coppie elettroniche libere e dal doppio legame del diossigeno. Gli orbitali nd parzialmente occupati del metallo possono contribuire alla formazione del legame con O2 attraverso retrocoordinazione. In questi casi l’O2 agisce da σ e π donatore/accettore. P. L. Holland, Dalton Trans., 39, 5415-5425 (2010) Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Utilizzo di O2 negli organismi viventi Prelievo di O2 dall’aria Trasporto negli organi Conservazione fino all’utilizzo Invertebrati Molluschi Crostacei complessi bimetallici con coordinazione amminoacidica : emocianina (Cu-Hc) emeritrina (Fe-Hr) Vertebrati Organismi più evoluti complessi monometallici di macrocicli porfirinici EME: tetramero: emoglobina (Hb) monomero: mioglobina (Mb) Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Reattività con gruppi eme O2 transport in blood (65%) O2 storage in muscles (6%) electron transfer (0.1%) incorporation of molecular O2 (0.1%) metabolism of H2O2 (0.1%) terminal oxidation (0.5%) Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Reattività con gruppi eme I complessi porfirinici del FeII (ferro-eme) FeIIP, reagiscono velocemente con il diossigeno per formare l’ossido FeIIP + O2 ⇆ FeIIIPO2FeIIIPO2- + FeIIP ⇆ FeIIIP –O-O–PFeIII FeIIIP –O-O–PFeIII → 2FeIVPO FeIVPO + FeIIP → FeIIIP –O–PFeIII P = ione porfirinato P2- (1) Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Reazione 1 Deoxy form FeIIP + O2 ⇆ FeIIIP(O2·-) 3d6 HS Reazione spin permessa con 3O2 S=2 4 e- spaiati paramagnetico 3d6 LS + 1O2 3d5 LS + 2O2·– S=0 diamagnetico Pauling S=0 diamagnetico Weiss Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 La reazione è limitata all’equilibrio (1) se sulla porfirina del ferro-eme s’introducono barriere strutturali che impediscono la riduzione bi-elettronica dell’ossigeno (Collman 1974). In questo caso il ferro eme può assumere funzione di trasporto. Mioglobina ed Emoglobina Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Le porfirine più semplici da un punto di vista strutturale spesso vanno incontro alla formazione irreversibile di dimeri ferrile ematina insolubile Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 La funzionalizzazione delle porfirine viene utilizzata per prevenire la formazione di dimeri e quindi il blocco delle funzioni di trasporto Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O2 Chimica Inorganica Biologica Il Trasporto del diossigeno O2 Il trasporto del O2 negli organismi viventi avviene utilizzando le metalloproteine; Esse sono presenti in tutti i vertebrati, molti invertebrati (artropodi e molluschi) e in quattro phyla di invertebrati marini: Emoglobina (Hb), contiene quattro gruppi eme; Emeritrina (Hr), contiene due atomi di Fe; Emocianina (Hc), contiene due atomi di Cu. Si realizza l’equilibrio: metalloproteina + O2 ⇆ metalloproteinaO2 Chimica Inorganica Biologica Trasporto di O2: Pigmenti Respiratori Deoxy Oxy Hb HbO2 Forme intensamente colorate HcO2 HrO2 Chimica Inorganica Biologica Trasporto di O2: Pigmenti Respiratori Chimica Inorganica Biologica Immagazzinamento del diossigeno O2 Emoglobina Emeritrina Emocianina Origine Animali superiori Invertebrati Artropodi, molluschi M:O2 legato Fe(eme) : O2 2Fe(non eme) : O2 2Cu : O2 M in ossiproteina Fe3+ Fe3+ Cu2+ M in deossiproteina Fe2+ Fe2+ Cu+ Colore nella forma ossi rosso borgogna blu Colore nella forma deossi rosso-porpora incolore Gli stati ossidati inattivi sono detti meta incolore Chimica Inorganica Biologica Immagazzinamento del diossigeno O2 Il diossigeno trasportato è ceduto ad altre metalloproteine quali la Mioglobina (Mb) e Mioemeritrina (mioHr) nei tessuti per essere immagazzinato e quindi utilizzato. Presentano strutture simili alle metalloproteine di trasporto con la differenza che devono possedere una maggior affinità per il diossigeno. Chimica Inorganica Biologica Mioglobina La struttura della Mb è stata ottenuta da campioni di balena Sono state determinate le strutture delle tre forme: deossi, ossi e meta. globina Coordinazione: 4 N pirroli 1 N imidazolo proveniente (His) 1 posizione libera per O 2 150-160 aminoacidi Presente nei muscoli dei vertebrati Polipeptide PM 17000 formato da 153 amminoacidi contenuti in sette eliche e sei segmenti non elica avvolti intorno al gruppo eme 64500 Da Chimica Inorganica Biologica Mioglobina ed Emoglobina Chimica Inorganica Biologica Deossimioglobina ed Ossimioglobina raggio 0.92 Å Il centro attivo è FeII pentacoordinato da cinque atomi di N con l'atomo metallico fuori dal piano dei quattro pirroli di 0.42 Å. Quattro N provengono dai pirroli, il quinto N dall’imidazolo dell’His (His prossimale). È anche presente un residuo istidinico, His distale, vicino alla tasca che ospita il O2. raggio 0.75 Å Il legame con il diossigeno avvicina il Fe al piano N4. O2 è legato end-on al Fe e forma un angolo Fe-O-O di 115°. Chimica Inorganica Biologica Interazione fra O2 e FeII La coordinazione con O2 comporta il trasferimento di un elettrone dal ferro all’ossigeno per formare O2·– stabilizzato via legame-H con un protone imidazolidinico distale Il FeII presente nell’eme pentacoordinato è d6 AS con quattro elettroni spaiati (S=2), nell’eme esacoordinato FeIII è d5 a BS con un elettrone spaiato (S=1/2) L’interazione con lo spin dell’elettrone O2– produce un sistema diamagnetico (S=0). Chimica Inorganica Biologica Interazione di O2 nel sito eme Chimica Inorganica Biologica Interazione di O2 nel sito eme Nella forma deossi FeII (AS) non entra nella cavità Nell'ossi FeIII a BS si posiziona nel piano Chimica Inorganica Biologica Interazione di O2 nel sito eme È presente un residuo istidinico (distale), vicino alla tasca che ospita O2 Si forma un legame ad idrogeno fra O2 coordinato e H-N dell’imidazolo che produce una coordinazione angolata dell'O2. Chimica Inorganica Biologica Interazione di CO nel sito eme Nei composti fra CO ed Hb/Mb l'angolo Fe-C-O è ancora angolato Il rapporto K(CO)/K(O2) vale circa 200. J. N. Harvey, J. Am. Chem. Soc. 2003, 127, 165-177 Chimica Inorganica Biologica Emoglobina Il diossigeno dall'aria passa ai polmoni, catturato dall’Hb presente nel plasma sanguigno: Polmoni(branchie) Hb + 4 O2 Hb(O2)4 L’O2 circola attraverso tutto l’organismo e trasportato nei muscoli dove è strappato dalla Mb Tessuti K Mb [ Mb(O2 )] [ Mb][O2 ] K Hb [ Hb(O2 ) 4 ] [ Mb][O2 ]2.8 Hb(O2)4 + 4 Mb 4 Mb(O2) + Hb Chimica Inorganica Biologica Emoglobina L’emoglobina (PM 64500) è un tetramero costituito da 4 subunità (α1, α2, β1, β2) ciascuna delle quali lega un gruppo eme. Le catene sono organizzate in coppie simmetriche αβ: l'emoglobina può essere considerata un doppio dimero. α1, α2, β1, β2 sono disposte simmetricamente intorno a una cavità centrale occupata da molecole di acqua. Le subunità sono tenute insieme da interazioni elettrostatiche e da legami a idrogeno che rendono la struttura quaternaria assai stabile. a2 b2 eme b1 Contenendo quattro gruppi eme, l'emoglobina può legare sino a 4 molecole di O 2 . Chimica Inorganica Biologica Emoglobina Hb è una proteina multisubunità della Mb ed è costituita da due catene polipeptidiche α (141 ac) e due β (146 ac) In ogni catena è presente un eme legato ad un imidazolo istidinico Ιn Hb Fe è fuori dal piano porfirinico di 0.36-0.40 Å nel legame con O2 si muove di ±0.12 Å. Nel trasferimento di O2 da Hb a Mb gioca un ruolo importante lo spostamento di Fe verso il piano porfirinico Lo spostamento funge da grilletto per un legame cooperativo dell'O2 nell'Hb Chimica Inorganica Biologica Emoglobina: conformazioni T e R L’emoglobina è una proteina allosterica Minor affinità per O2 Maggior affinità per O2 Ponti salini O2 O2 T Gli stati conformazionali T e R sono in equilibrio R Chimica Inorganica Biologica Emoglobina: conformazioni T e R Lo stato T prevale quando le quattro subunità non sono legate ad O2 Interazioni fra le subunità costringono l’His prossimale a resistere nei confronti del movimento verso il piano allentando il legame con O2 Legame cooperativo Quando circa 2 molecole di O2 sono legate ad Hb la struttura quaternaria della proteina cambia in R facilitando il legame degli altri due O2 Il legame con O2 porta il Fe nel piano dell'anello porfirinico trascurando l'His prossimale. R T Chimica Inorganica Biologica Effetti Allosterci Il legame dell’O2 in vivo è modulato da effettori allosterici che attraverso interazioni con la proteina cambiano l’affinità e il grado di cooperatività. Regolatori H+ CO2 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG) Stabilizzano la forma T e favoriscono il rilascio di O2 coordinato Chimica Inorganica Biologica Effetto Bohr Il catabolismo dei nutrienti porta alla formazione di CO2 CO2 + H2O HCO3– + H+ Protonazione di amminoacidi Diminuzione del pH Formazione di ponti salini Stabilizzazione forma T Rilascio O2 Chimica Inorganica Biologica Effetto Bohr La CO2 prodotta nella respirazione forma carbammati con i gruppi amminici N-terminali della Hb RNH2 + CO2 ⇆ RNHCOO- + H+ L'Hb quindi non solo trasporta O2 ma facilita la rimozione di CO2 Chimica Inorganica Biologica 2,3-BPG Il 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) deriva da un intermedio della glicolisi ed è presente in quantità elevata nei globuli rossi. Il 2,3-BPG interagisce mediante legami ionici con i residui di His-143 delle catene b Stabilizzazione forma T Rilascio O2 A pH fisiologico, il 2,3-BPG è deprotonato
