Chimica Inorganica Biologica
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Chimica Inorganica Biologica Emeritrina La presenza biologica delle emeritrine è molto rara ed è ristretta a quattro phyla di invertebrati: Policheti, Sipunculidi, Priapulidi e Brachiopodi. Proteina binucleare di ferro meglio caratterizzata perché è relativamente facile da cristallizzare. Neanthes succinea (Nereis) - Policheti L'emeritrina è un pigmento respiratorio violetto nello stato ossigenato e incolore nello stato deossigenato. Nella sua forma monomerica (mioemeritrina) ha un peso molecolare di 13.000-14.000 dalton e contiene due ioni Fe2+ senza però alcun gruppo eme come nella emoglobina. La sua limitata distribuzione nel regno animale ne sancisce il fallimento evolutivo. Le funzioni che compie negli animali marini non sono chiare. Si pensa abbia funzioni di immagazzinamento di O2 ma probabilmente partecipa ad altri processi metabolici. Un rappresentante del Phylum Sipuncula Chimica Inorganica Biologica Emeritrina Sono disponibili informazioni strutturali ad elevata risoluzione per l’azoturo-metaemeritrina (mHrN3) e l’azoturo-metamioemeritrina mMrN3 N3– è legato al FeIII al posto di O2 in HrO2 Hr esiste abitualmente come un ottamero di subunità identiche, ma sono stati isolati e identificati anche tetrameri, trimeri, dimeri e monomeri (mioHr). La forma monomerica contiene due atomi di Fe circondati da 4 catene proteiche elicoidali quasi parallele. Sono note forme mono-, tri- e ottameriche dell’emeritrina addette a differenti funzioni Chimica Inorganica Biologica Emeritrina Le strutture determinate mostrano che la proteina si ripiega disponendo le sue quattro eliche quasi parallele. Questa disposizione produce un canale idrofobico dove si colloca il centro binucleare di FeII e attraverso il quale penetra la molecola di O2 Chimica Inorganica Biologica Emeritrina e Ossiemeritrina I due ioni FeIII con intorno ottaedrico, sono uniti da un atomo di O a ponte e da due gruppi carbossilati CO2– a ponte, derivanti da residui amminoacidici del glutammato e aspartato della catena proteica Tre posizioni terminali su un atomo di FeIII e due sull'altro sono completati da imidazoli dell'His. Un centro metallico ha quindi una posizione di coordinazione vacante che serve per legare la molecola di O2 e formare ossiHr. R.E. Stenkamp et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1984, 82 713–716 Chimica Inorganica Biologica Caratterizzazione Hr/HrO2 Tramite l'uso di O2 marcato in modo asimmetrico (18O – 16O) è stato stabilito che in Hr O2 il diossigeno si lega asimmetricamente: Da tecniche spettroscopiche è stato dedotto un angolo FeFe–O2 di circa 90°, in contrasto con la geometria a ponte -1,1-(idro)perosso. Inoltre la coordinazione di O2 avviene con un solo centro di ferro con una geometria angolata. La prima struttura è quindi quella corretta. L’ossigeno è legato come idroperossido H-O-O– Chimica Inorganica Biologica Caratterizzazione Hr/HrO2 Magnetismo Hr: HrO2: Strutture Hr: HrO2: Raman HrO2: 2 x FeII d6 AS (paramagnetico) 2 x FeIII d5 BS accoppiati in modo antiferromagnetico attraverso un ponte -osso. FeII···FeII = 3.57 Å FeIII···FeIII = 3.24 Å ν = 844 cm–1 (perosso) Si conoscono ossidate: anche due forme metaHr: due nuclei di FeIII semi-metaHr: un FeII e un FeIII Nessuna delle due forme è capace di legare O2 Chimica Inorganica Biologica Emocianina Hc Le emocianine sono grandi proteine contenenti molte subunità Palinurus interruptus 460000 Da L’unità simmetrica è composta di sei subunità Chimica Inorganica Biologica Emocianina Hc La struttura della forma HcO2 contiene due atomi di CuII La Hc contiene due ioni CuI Ogni CuI è coordinato da tre residui His Chimica Inorganica Biologica Strutture e Magnetismo Magnetismo Hc: 2 x Cu I d 10 HcO 2 : 2 x Cu II d 9 antiferromagneticamente accoppiati con conseguente diamagnetismo. Strutture Hc: HcO 2 : Cu I ···Cu I = 4.6 Å Cu II ···Cu II = 3.6 Å Raman HcO 2 : ν = 744 cm –1 (perosso) Chimica Inorganica Biologica Strutture e Magnetismo Tramite l’uso di O2 marcato in modo asimmetrico (18O–16O) è stato stabilito che in HcO2 il diossigeno si lega simmetricamente (è valida solo una di queste strutture) Chimica Inorganica Biologica Emocianina e Ossiemocianina In Hc, il sito di legame di O 2 consiste di 2 unità di Cu I (D 3h ), Cu I (His) 3 , quasi coplanari, in cui la distanza Cu···Cu è 4.6 Å, senza leganti a ponte In HcO 2 , è presente un gruppo perossidico a ponte, Cu II (- 2 : 2 O 2 )Cu II , (coordinazione " side-on") con una distanza Cu···Cu di 3.6 Å 2 dei 3 leganti istidinici su ogni Cu rimangono a formare un arrangiamento approssimativamente planare (Cu 2 O 2 N 4 ). La coordinazione a piramide quadrata di Cu II è completata da una istidina assiale: le due istidine assiali hanno una configurazione trans BLU Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Citocromi e respirazione La principale reazione di O2 negli organismi viventi è la respirazione O2 + 4H+ + 4e– ⟶ 2H2O La reazione avviene nell’enzima citocromo c ossidasi dove gli elettroni provenienti dalla catena respiratoria sono utilizzati per la riduzione di O2 ad H2O. La riduzione della molecola di O2 ad acqua richiede 4 elettroni che, quando sono ceduti uno alla volta alla molecola, attraverso riduzioni monoelettroniche e/o bielettroniche porterebbero alla formazione di specie tossiche quali O2·–, O22– e HO· Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione I trasportatori di elettroni sono disposti secondo una precisa sequenza, in modo da garantire un potenziale di riduzione crescente ovvero una maggiore tendenza a ridursi. Alcuni trasportatori di elettroni occupano una posizione fissa nella membrana; altri sono liberi di muoversi e fungono da navette tra i trasportatori fissi. Il flusso di elettroni attraverso la catena respiratoria inizia quando, su un lato della membrana a contatto con la matrice, una molecola di NADH e l’ambiente interno cedono due elettroni e due ioni H+ al primo trasportatore della catena: i due elettroni vengono poi ceduti al successivo trasportatore, mentre i due ioni H+ vengono “pompati” sul lato esterno della membrana. nicotinammide adenina dinucleotide Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione Gli e- passano attraverso i trasportatori e alla fine della catena, si combinano con l’accettore finale, l’ossigeno che si trasforma in O2-. L’ossigeno così ridotto forma H2O perché si combina con due ioni H+ ritrasportati all’interno della matrice. Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione il NADH viene ossidato liberando due elettroni e riducendo la FMN a FMNH2 (o FAD a FADH2 in alternativa) Queste riduzioni coinvolgono molecole organiche e il centro metallico Fe-S del gruppo prostetico dell'enzima NADHcoenzima Q reduttasi, noto anche come coenzima Q reduttasi o NADH deidrogenasi o complesso I flavina adenina dinucleotide Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Centri Fe-S (Fe non eme) Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione Il QH2 si ossida a Q liberando due H+ e riducendo il Fe3+ del citocromo b a Fe2+ che riossidandosi a sua volta riduce i centri Fe-S da Fe3+ a Fe2+. L'enzima di questa tappa è il QH2-citocromo c reduttasi noto anche come citocromo c reduttasi o complesso III Durante questa tappa due protoni vengono prelevati dalla matrice e quattro vengono liberati nel citoplasma mitocondriale. Cit c Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Complesso III Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione Prima che termini la catena respiratoria e avvenga la reazione con O2 entrano in gioco i citocromi dei sistemi redox altamente specializzati Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Citocromi La chimica inorganica che avviene nei citocromi è legata al gruppo eme: chimica di coordinazione chimica di ossidoriduzione Nei citocromi il Fe può esistere negli stati di ossidazione +2 e +3 da cui la capacità di agire come intermedi redox nel trasferimento elettronico: Cloroplasti: fotosintesi Mitocondri: respirazione Il gruppo eme è avvolto da catene polipeptidiche che differiscono nel numero di amminoacidi: 103 in alcune specie marine 104 in pesci e vertebrati terrestri 112 in organismi vegetali La coordinazione del Fe è simile a quella dell’Hb ma un atomo di S di un residuo metioninico completa la coordinazione rendendo impossibile ulteriori coordinazioni chimica di Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Citocromi Sono divisi in vari gruppi (a, b, c etc.) che si differenziano per alcune caratteristiche del gruppo prostetico e si distinguono per differenze di solubilità e di spettro di assorbimento. Il potenziale redox dipende dai leganti presenti e può essere finemente modulato. Il trasferimento di elettroni avviene nell’ordine: b c a O2 Alcuni citocromi di tipo a sono in grado di legare l’O2 per poterlo ridurre citocromo c ossidasi (a3) Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Citocromi Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione L’enzima citocromo c ossidasi contiene 4 centri metallici, costituiti da 2 gruppi ferro-eme del tipo citocromo a e a3, uno ione rame (CuB) e 2 ioni rame raggruppati in un cluster (CuA), che possono acquistare un totale di 4 elettroni da 4 molecole di citocromo c Il diossigeno e i protoni necessari alla riduzione provengono dall’esterno L'enzima, quando è totalmente ridotto, può legare l'ossigeno e ridurlo completamente ad acqua, cedendogli in rapida sequenza i 4 elettroni, senza liberare nessuno degli intermedi tossici. I quattro elettroni necessari alla riduzione all’interno dell’enzima provengono: uno dall’emea ed uno dalla coppia di Cu+A, uno dal Cu+B ed uno dal Fe2+ dell’eme a3. Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione Il Fe2+ del citocromo c viene ossidato riducendo il Fe3+ del citocromo a Quest'ultimo riossidandosi riduce il Fe3+ del citocromo a3. Il Fe2+ del citocromo a3 riduce il Cu2+ legato alla citocromo ossidasi (o citocromo c ossidasi o complesso IV) a Cu+ che riossidandosi riduce l'O2 a H2O consumando due H+ ogni O. Altri due protoni vengono portati dalla matrice al citoplasma Il citocromo a3 e CuB sono il cuore della catalisi e nell’enzima ossidato sono legati a ponte da un legante, non nella forma ridotta; Entrambi posseggono siti di coordinazione vacanti per legare il diossigeno. Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 La respirazione 1) (cit c) Fe2+ + (cit a) Fe3+ ⟶ (cit c) Fe3+ + (cit a) Fe2+ 2) (cit a Fe2+ + (cit a3) Fe3+ ⟶ (cit a) Fe3+ + (cit a3) Fe2+ 3) [(cit a3)Fe2+ CuB+] + O2 ⟶ (cit a3)Fe3+-(O2-) CuB+ 4) (cit a3)Fe3+-(O2-) CuB+ ⟶ (cit a3)Fe3+-(O2-2)-CuB+2 5-6) (cit a3)Fe3+-(O2-2)-CuB+2 + e + 2H+ ⟶ (cit a3)Fe4+=O H2O-CuB+2 7) (cit a3)Fe4+=O H2O-CuB+2 + e ⟶ (cit a3)Fe3+-(OH-) (HO-)-CuB+2 (cit a3)Fe3+-(OH-) (HO-)-CuB+2 + 2H+⟶ (cit a3)Fe3+ CuB2+ + 2H2O Chimica Inorganica Biologica Reattività del diossigeno O2 Citocromo c ossidasi La coppia dall’emea /Cu+A, Cu+A è detta a basso potenziale quella dell’emea3/Cu+B alto potenziale; La prima coppia accetta elettroni dal citocromo mentre la seconda è il centro catalitico di riduzione; In assenza di diossigeno i potenziali redox sono simili.
