Chimica di Coordinazione
CHIMICA BIOINORGANICA
La Chimica Bioinorganica si occupa dello studio degli ioni metallici
nei sistemi biologici, delle loro interazioni con biomolecole e delle
loro proprietà chimiche legate alla funzione (legame di substrati,
catalisi, signaling, regolazione, sensing, difesa e supporto
strutturale).
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La struttura cellulare:
Cellule viventi e organelli sono delimitati da membrane, doppi strati
lipidici spessi circa 4 nm, che agiscono da barriera e controllano
l’accesso di acqua, ioni e nutrienti attraverso proteine di membrana
(canali, pompe e recettori).
La struttura della cellula dipende dalla pressione osmotica, che viene
mantenuta grazie ad alte concentrazioni di soluti (compresi gli ioni),
importati mediante trasporto attivo.
La struttura cellulare:
Le cellule procariotiche consistono di una fase acquosa, il citoplasma,
che contiene il DNA e la maggior parte del materiale utilizzato e
trasformato durante le reazioni biochimiche.
I batteri sono classificati in gram + e gram – in dipendenza della
assenza o presenza del periplasma tra la membrana esterna e quella
citoplasmatica (crystal violet test).
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La struttura cellulare:
Le cellule eucariotiche contengono comparti
intracellulari specializzati noti come organelli:
il nucleo (contiene il DNA), i mitocondri
(addetti alla respirazione cellulare), i
cloroplasti (“fotocellule” per la cattura
dell’energia
luminosa),
il
reticolo
endoplasmatico (sintesi proteica), il Golgi
(maturazione delle proteine ed esporto), i
lisosomi (contengono enzimi degradativi), i
perossisomi (servono ad eliminare H2O2).
La composizione inorganica delle cellule:
Sono utilizzati tutti gli elementi del secondo e terzo periodo (eccetto Be,
Al e gas nobili) e la maggior parte degli elementi della serie 3d con Cd,
Br, I, Mo, W (l’elemento più pesante essenziale per la vita).
Molti altri come Li, Ga, Tc, Ru, Gd, Pt, Au hanno importanti
applicazioni in medicina.
Gli elementi “in tracce” come Fe, Zn e Cu hanno funzioni fondamentali.
2.3 miliardi di anni fa l’atmosfera era riducente, il ferro disponibile
come Fe(II) mentre Cu e Zn erano presenti come disolfuri insolubili
(negli organismi primordiali ipertermofili non sono presenti enzimi
contenenti Cu, ma W).
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Compartimentalizzazione:
I vari elementi sono segregati all’interno e all’esterno delle cellule e tra
diversi compartimenti interni (Es: [K+]out 5·10-3 e [K+]in 3·10-1; Na+ è al
contrario abbondante extracellularmente; Ca2+ è concentrato in organelli
come i mitocondri ma scarso nel citoplasma).
Il mantenimento della loro concentrazione entro ristretti limiti è noto
come omeostasi e implica un trasporto selettivo.
Anche il pH varia molto tra i vari compartimenti. Il mantenimento di un
gradiente protonico è essenziale per la respirazione e la fotosintesi.
In una cellula procariotica (V = 10-15 dm3), pH = 6 corrisponde a 1000
ioni H+ liberi. Per gli ioni metallici ai primi posti nella serie di IrvingWilliams come Zn2+ persino una cellula eucariotica contiene molto poco
ione metallico non complessato (10-4 dm3)
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Compartimentalizzazione:
La compartimentalizzazione è un processo che richiede energia (Es.:
dall’idrolisi di ATP) poiché gli ioni devono essere pompati contro un
gradiente di potenziale chimico.
Stabilita una differenza di concentrazione, si crea una differenza di
potenziale elettrico attraverso la membrana:
Siti di coordinazione biologici:
I maggiori siti di coordinazione sono gli aminoacidi (con atomi donatori
del backbone o delle catene laterali), ma anche acidi nucleici e teste
lipidiche (Es: Mg2+).
Le proteine dopo la traduzione sui ribosomi, subiscono modifiche posttraduzionali come il legame di cofattori metallici (da forma apo a holo).
Le metalloproteine acquisiscono quindi nuove funzioni (Es.: redox con
Fe, Mn, Cu e Mo; idrolisi con Zn, Fe, Mg, Mn e Ni; processing del DNA
con Zn; cell signaling con Ca).
Esistono inoltre piccole molecole come solfuro, solfato, carbonato,
cianuro, monossido di carbonio e ossido di azoto, così come gli acidi
organici, come citrato, che ad esempio formano forti complessi
polidentati con Fe (III).
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Siti di coordinazione biologici:
La struttura secondaria delle proteine dipende dalla formazione di
legami a idrogeno tra –NH e CO del backbone. Le α eliche forniscono
maggiore flessibilità rispetto ai foglietti β.
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Siti di coordinazione biologici:
Un fattore importante che influenza la coordinazione di un metallo ad
una proteina è l’energia richiesta per posizionare una carica all’interno
di un mezzo a bassa permittività (4 vs 78). Questa differenza porta ad una
forte tendenza a preservare l’elettroneutralità del sito metallico, e quindi
influenza la chimica redox e l’acidità di Brønsted dei leganti.
Le catene laterali forniscono maggiore selettività nella coordinazione,
sulla base della teoria hard-soft.
Cu
Fe
Me
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Le strutture dei siti di coordinazione:
Di solito le strutture si determinano mediante diffrazione e assorbimento
a raggi X con luce di sincrotrone o mediante spettroscopia NMR.
Dato l’impacchettamento denso delle catene laterali, la sostituzione di un
aminoacido lontano dal sito metallico può determinare variazione del
sito di coordinazione.
Di particolare interesse è la presenza di canali o cavità che determinano
l’accesso selettivo di un substrato o rappresentano i cammini di
traferimenti elettronici o protonici a lungo raggio (Es.: centri redox a
meno di 1.5 nm o gruppi basici a meno di 0.3 nm).
Nel caso di metalli redox del blocco d si può applicare la spettroscopia
EPR. La spettroscopia vibrazionale viene usata per caratterizzare
leganti come CO e CN- (IR), le transizioni elettroniche intense come
nelle porfirine (Raman), siti di Fe (Mossbauer). Inoltre ci si avvale
dell’ausilio di tecniche bioinformatiche.
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Siti di coordinazione biologici:
Le proteine sono in grado di imporre una geometria di coordinazione
insolita, che somiglia ad esempio a quella dello stato di transizione di un
particolare processo da svolgere. Inoltre esse forniscono gruppi
funzionali a distanze opportune per la formazione di legami a idrogeno e
interazioni elettrostatiche essenziali per il legame e l’attivazione dei
substrati (chimica supramolecolare complessa).
Questo rende difficile il modeling con piccole molecole che possa mimare
sia le proprietà strutturali e spettroscopiche che quelle funzionali.
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Lo zinco nella trascrizione:
Lo zinco forma complessi stabili (vedi serie di Irving –Williams) con
donatori soft in siti catalitici (con un legante scambiabile) e strutturali
(quattro legami stabili).
I fattori di trascrizione sono proteine che legano il DNA contenenti
domini ripetuti noti come zinc fingers la cui sequenza più caratteristica è
Altri zinc finger non classici sono (Cys)3His or (Cys)4, insieme ai più
complessi Zn-thiolate clusters, come i fattori di trascrizione GAL4 in cui
due atomi di zinco sono legati da cisteine a ponte.
Lo zinco non è un metallo redox e non danneggia il DNA. Per gli studi
strutturali e spettroscopici può essere sostituito da 113Cd o Co2+.
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Trasporto del ferro:
Il ferro è essenziale per tutte le forme viventi, ma poco disponibile come
Fe(III) per la sua insolubilità (ad alto pH forma polimeri con ossigeno a
ponte). Esso inoltre può generare specie radicaliche tossiche.
Esso dunque richiede un intorno di coordinazione protetto.
La natura ha
sviluppato un ciclo:
Siderofori:
I siderofori sono piccoli leganti polidentati con O/N donatori che hanno
grande affinità per lo ione hard Fe(III) (e scarsa per Fe(II)) e lo rendono
solubile attraverso la formazione di complessi ottaedrici ad alto spin.
Oltre al complesso con citrato, vi sono siderofori basati su fenolati o
catecolati come l’enterobactina (costante di associazione 1052) e basati su
idrossammati come l’esapeptide ciclico ferricromo (3 glicine + 3 Nidrossil-l-ornitine).
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Transferrine:
Le trasferrine (sierotransferrina nel plasma, ovotransferrina
nell’albume e lattoferrina nel latte) sono formate da due lobi N- e C-,
ottenuti per duplicazione genica, ciascuno a sua volta costituito da due
domini 1 e 2 tra i quali si forma un sito di legame ottaedrico distorto per
lo ione Fe(III) in seguito ad un movimento a cerniera (hinge motion)
mediante la reazione:
Transferrine:
In condizioni fisiologiche, a pH = 7, le costanti di associazione delle
transferrine per Fe(III) sono 1022-1026.
In seguito all’interazione con specifici recettori di membrana, le
transferrine vengono internalizzate mediante endocitosi. Nelle vescicole
il pH si abbassa a valori inferiori a 5 per effetto di pompe protoniche ed
il Fe(III) viene rilasciato (complesso con citrato) per effetto della minore
affinità (protonazione del carbonato sinergistico).
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Ferritina:
Costituisce la principale riserva di ferro non-eme, che è presente al suo
interno in un core simile al minerale ferridrite (5Fe2O3·9H2O; 500 atomi
di ferro, 20% in massa), basato su un hexagonal close packing di ioni O2e OH- con strati di Fe(III) in intorni ottaedrici e tetraedrici.
La forma apo si prepara con agenti riducenti e chelando Fe(II) con 1,10fenantrolina o 2,2’-bipiridile.
Ferritina:
Il guscio proteico è costituito da 24 subunità (ciascuna costituita da 4
lunghe α eliche e una corta) che formano una sfera cava con assi di
simmetria binari, ternari (pori idrofili per il passaggio degli ioni Fe(II))
e quaternari (pori idrofobi). Nell’assemblaggio un loop forma un
piccolo β-sheet tra subunità adiacenti.
La mineralizzazione dovrebbe avvenire
mediante attività ferrossidasica in siti
dinucleari di ferro presenti in ciascuna
subunità.
La mobilizzazione del ferro dovrebbe
avvenire mediante il processo inverso di
riduzione.
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Trasporto e immagazzinamento dell’ossigeno:
O2 è una sostanza fortemente ossidante e tossica per molte forme di vita.
Deve la sua esistenza alla trasformazione dell’energia solare da parte di
organismi viventi durante il processo di fotosintesi.
O2 richiede speciali sistemi di trasporto e immagazzinamento per la
distribuzione ai tessuti più distanti.
Mioglobina:
Lega O2 reversibilmente ed è costituita da α eliche e da un singolo
gruppo eme tra le eliche E ed F. Il piano dell’eme separa una regione
distale (legante scambiabile, O2) da una prossimale (istidina conservata).
La deossimioglobina è di colore rosso bluastro e contiene Fe(II) in grado
di legare O2 per dare ossimioglobina di colore rosso intenso.
Talvolta la forma deossi viene ossidata a Fe(III) per dare metmioglobina,
che non lega O2. La reazione si può considerare una reazione redox di
sostituzione di O2- con Cl-:
In tessuti sani la metemoglobina-riduttasi riduce Fe(III) a Fe(II).
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Distal
E helix
Proximal
F helix
Mioglobina:
Nella deossimioglobina Fe(II) è
pentacoordinato ad alto spin (t2g4eg2)
e giace fuori dal piano dell’eme.
Quando si lega O2 (forte πaccettore),
si
passa
alla
configurazione a basso spin (t2g6)
che riduce la repulsione elettronica
e riporta Fe(II) nel piano.
Il legame può essere descritto in
termini di coordinazione di Fe(II)
da parte di uno stato di singoletto di
O2 (con 2πg2 pieno che agisce da σ–
donatore e 2πg vuoto che accetta
una coppia di elettroni dal Fe(II)).
In alternativa, Fe(III) a basso spin
si può considerare legato a O2-.
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Emoglobina:
L’emoglobina è un trasportatore di O2 che si trova nei globuli rossi (150
g in 1 L). E’ un tetramero costituito da due tipi di subunità simili alla
mioglobina (si indica con β2χ2).
Emoglobina:
Le curve di legame di O2 mostrano un andamento
sigmoidale indicativo di uptake e rilascio
cooperativo.
A bassa pressione parziale di O2 e maggiore
acidità (Es.: sangue venoso e tessuto muscolare
dopo esercizio prolungato) l’emoglobina ha bassa
affinità per O2 (stato teso T, deossiemoglobina) e lo
trasferisce alla mioglobina.
Ad alta pressione parziale di O2 (Es.: polmoni)
l’emoglobina lega O2 subendo un cambiamento
conformazionale
(stato
rilassato
R,
ossiemoglobina).
La cooperatività è dovuta al rientro di Fe(II)-O2
nel piano dell’eme con conseguente attrazione
della istidina prossimale e dell’elica F, che viene
trasmessa alle altre subunità, che acquistano lo
stato R.
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Emocianina:
E’ una proteina oligomerica extracellulare che
trasporta O2 in artropodi e molluschi.
La deossiemocianina (incolore) contiene due
ioni Cu(I) tricoordinati piramidali che legano
O2 a ponte in forma diapto, rapidamente e
reversibilmente.
Nella ossiemocianina (blu intenso) O2 viene
ridotto a O22- e i due Cu(II) pentacoordinati si
avvicinano.
Cu
-O2
Cu
O2
Trasferimento elettronico:
L’energia necessaria alla vita deriva dal sole in maniera diretta
(fotosintesi) o indiretta (fonti energetiche da organismi fotosintetici).
L'energia può essere acquisita come un flusso di elettroni dai nutrienti agli
ossidanti. Nutrienti (fuel) importanti sono i grassi, gli zuccheri e H2, importanti
ossidanti biologici sono O2, nitrati, e H+.
L’ossidazione degli zuccheri da parte di O2 fornisce molta energia (>4 eV per
molecola di O2), e questo è il motivo del dominio degli organismi aerobici su
quelli anaerobici (che un tempo dominavano la Terra).
Il flusso degli elettroni lungo catene di trasporto costituite da donatori e
accettori è accoppiato a processi chimici come il trasporto degli ioni, in
particolare H+ (teoria chemiosmotica). Oltre a cofattori redox organici (flavine e
chinoni), vi sono cluster Fe-S, citocromi e siti di Cu. I potenziali di riduzione
dipendono da vari fattori: l’energia di ionizzazione, i leganti (forti donatori
stabilizzano alti stati di ossidazione e abbassano il potenziale, al contrario dei
π–accettori), la permittività relativa (che stabilizza centri con piccola carica
totale), le cariche vicine e i legami a idrogeno (che stabilizzano lo stato ridotto).
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In base alla teoria di Marcus, per avere un trasferimento elettronico
veloce ed efficiente (anche quando ΔG° è piccolo) è necessaria una
piccola energia di riorganizzazione, che si realizza tenendo rigido
l’intorno dei leganti e proteggendo il sito dall’accesso del solvente.
Le distanze ottimali tra i centri sono circa 1.4 nm.
Citocromi:
Utilizzano la coppia Fe3+/Fe2+ in un intorno ottaedrico a basso spin.
Gli orbitali t2g pieni si sovrappongono agli orbitali π* vuoti della
porfirina, determinando una delocalizzazione elettronica fino al margine
dell’anello eminico.
Porphyrin
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Citocromi:
Il citocromo c mitocondriale si trova nello spazio intermembrana dove
cede elettroni alla citocromo c ossidasi, l’enzima terminale della catena
respiratoria che riduce O2 ad H2O.
Il potenziale di riduzione del citocromo c è +0.26 V. Il margine
dell’anello porfirinico esposto al solvente è il sito di accesso degli
elettroni e presenta un pattern di cariche riconosciute dai partner
redox.
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Cluster ferro-zolfo:
Utilizzano la coppia Fe3+/Fe2+ in intorni tetraedrici ad alto spin e operano
a potenziali più negativi dei citocromi. Esistono vari tipi di cluster:
[2Fe–2S] (25), [4Fe–4S] (26), and [3Fe–4S] (27).
La loro efficienza è dovuta alla capacità di delocalizzare gli elettroni, ciò
minimizza la variazione delle lunghezze di legame e l’energia di
riorganizzazione.
Cluster ferro-zolfo:
Piccole proteine che contengono cluster Fe-S sono le ferredossine. Nelle
idrogenasi sono presenti vari cluster a circa 1.5 nm di distanza che
formano un relay system.
Oltre alle cisteine i cluster Fe-S possono
contenere leganti non-tiolati come carbossilati,
imidazolo, alcossidi e leganti esogeni come H2O e
OH-, possono interconvertirsi e formare
superclusters.
Nonostante la presenza di molti atomi di ferro a
valenza mista, Fe(II) e Fe(III), i cluster Fe-S sono
generalmente coinvolti in trasferimenti di un
singolo elettrone.
Il livello di ossidazione del cluster è determinato
dalla somma delle cariche di Fe e degli atomi di
S (2-).
Possono derivare diversi stati magnetici da
accoppiamenti ferro e antiferromagnetici.
La cisteina desulfurasi serve per ottenere ioni S2e alanina dal momento che il solfuro libero è
nocivo.
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Molti cluster hanno potenziali negativi.
Il cluster cubano [4Fe-4S] oscilla tra +2 e +3 ed è stato
inizialmente scoperto nelle high-potential iron proteins
(HiPIP) (+0.35 V).
Esistono inoltre i centri Rieske [2Fe-2S] in cui la
coordinazione di istidine stabilizza Fe(II) e innalza il
potenziale di riduzione (> +0.2 V).
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Redox switch:
Oxidative stress or cell iron depletion result in the IRP1 protein, an aconitase enzyme,
losing its iron-sulphur complex and becoming inactive. By changing form, the protein can
bind to a fragment of messenger RNA that is an iron-responsive element (IRE) regulating
iron metabolism. Depending on the IRP1 binding site on the messenger RNA, it is either
blocked, as with RNA coding proteins involved in iron complexation (ferritin) and export
(ferroportin) or stabilized, as with RNA coding proteins involved in iron transport to the
cytoplasm (DMT1 and transferrin).
RNA
Siti di rame:
L’esigenza di creare siti redox ha portato a imporre intorni di
coordinazione rigidi ed in grado di ospitare Cu(I) e Cu(II).
I siti di rame “blu” hanno potenziali di riduzione compresi tra 0.15 e 0.8
V. La plastocianina è la proteina più nota con una struttura β-barile e il
metallo pentacoordinato (bipiramide trigonale).
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Siti di rame:
Esistono siti dinucleari, come nella citocromo c
ossidasi dove prende il nome di CuA. Nella
forma ridotta entrambi gli ioni sono Cu(I).
Questa si ossida con un elettrone per dare una
specie viola paramagnetica in cui l’elettrone
spaiato è condiviso tra i due atomi di rame.
Citocromo c ossidasi:
Catalizza la reazione
Negli eucarioti l’enzima si trova sulla membrana mitocondriale interna.
4 H+ non si consumano ma vengono pompati contro gradiente attraverso
la membrana. Gli elettroni provengono dal citocromo c secondo la
sequenza:
Cytochrome c
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Citocromo c ossidasi:
Il sito binucleare di Fe e Cu per la riduzione di
O2 consiste di una porfirina simile alla
mioglobina (eme a3) e di un sito simile alla
emocianina (CuB), in cui una istidina modificata
lega covalentemente una tirosina vicina .
Il legame O-O dell’intermedio
perossido si rompe per
ossidazione dei siti metallici a
Cu(II) e ossido di Fe(IV)
(ferrile) e formazione di un
radicale sulla tirosina (EPR
sulla specie P). Alla fine si
formano due molecole di H2O.
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Cobalto enzimi:
Nelle cobalamine, Co è coordinato ad un anello
corrinico (a 15 termini) e a dimetilbenzilimidazolo,
legati covalentemente tramite un nucleotide, e
catalizza trasferimenti metilici e dealogenazioni.
Nel coenzima B12 Co come sesto legante la
deossiadenosina, a cui è legato tramite un –CH2-, e
catalizza riarrangiamenti radicalici.
La vitamina B12 è la forma biodisponibile con
diversi leganti assiali come: -H2O, -CN,-OH ,-CH3.
Base-on
Base-off
La struttura elettronica di Co
è cruciale per l’attività
biologica: Co(III), d6 (18 e-),
ottaedrico; Co(II), d7 (17 e-),
piramidale quadrato; Co(I),
d8 (16 e-), quadrato planare.
Cobalto enzimi:
Nella metionina sintasi la nucleofilicità di
Co(I) estrae l’elettrofilo (CH3+) dal
tetraidrofolato
per trasferirlo
alla
omocisteina.
R-H
Nelle
deidratazioni
e
deamminazioni radicaliche il
legame Co-C si indebolisce e
viene rotto omoliticamente
generando
Co(II)
pentacoordinato e il radicale
CH2R.
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Molibdo-enzimi:
Il molibdeno catalizza trasferimenti di O da H2O a
molecole inorganiche. Nella solfito ossidasi Mo è legato
al ditiolene della pterina, a una cisteina e a H2O/OH-. Il
solfito attacca O elettron-deficiente legato ad Mo(VI).
Nel meccanismo di reazione sono coinvolti 3 stati di
ossidazione Mo(IV), Mo(V) (d1, osservabile mediante
EPR) ed Mo(VI).
Molibdo-enzimi:
Nel ciclo dell’azoto,
catalizza la reazione
l’enzima
nitrogenasi
grazie a 3 tipi di Fe-S clusters, uno dei quali
contiene Mo secondo la formula [Mo7Fe-8S,X].
Nella struttura a gabbia 6Fe racchiudono un
atomo X (= C, N, O)
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Ioni metallici in diagnosi e terapia
Thompson and Orvig, Science, 2003
Terapia chelante:
L’eccesso di ferro dovuto a disordini genetici che alterano i processi
regolatori (Es.: emocromatosi, porfirina insufficiente) può essere curato
mediante sequestro da parte di chelanti che si ispirano ai siderofori,
come deferoxamina e 3,4,3-LIMACC (che contiene 4 gruppi catecolo).
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Chemioterapia:
Il cisplatino fu scoperto per caso durante le misure degli effetti di un
campo elettrico sulla crescita di E. coli (dove impediva la divisione
cellulare e determinava una crescita filamentosa). Nella forma neutra
attraversa la membrana plasmatica, subisce idrolisi nel citosol (dove è
minore la concentrazione di Cl-), inibisce la replicazione del DNA a
causa della coordinazione del frammento -Pt(NH3)2 a due guanine
adiacenti, che determina bending e unwinding del DNA e apoptosi.
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