Sistemi inorganici in biologia 9/03/2021 Gli acidi sono le sostanze che rilasciano ioni H+ e le basi sono le sostanze che legano gli ioni H+. Acidi e basi sono fondamentali quando si analizza una proteina perché è estremamente ricca di amminoacidi con catene laterali acide o basiche. Le catene laterali acide sono quelle associate agli acidi (glutammati e aspartati) mentre le catene laterali basiche (lisine, istidine). Paradossalmente le catene laterali acide sono quelli che danno le cariche negative (perché sono deprotonati e sulla superficie c’è COO-) mentre gli amminoacidi basici ci danno le cariche positive (perché protonate sull’NH2 a formare NH3+). La presenza di questi aa carichi è essenziale sia per la solubilità delle proteine che per il riconoscimento del partner biomolecolare con cui devono reagire. Generalmente gli H+ che si muovono dentro a un sito attivo si spostano perché ci sono delle molecole d’acqua nel sito attivo che assistono i processi di trasferimento di H+. Tutte le volte che si ha un acido si può ottenere una costante di dissociazione acida essendo una costante di equilibrio indica se una reazione è più spostate verso destra o verso sinistra. Una costante di equilibrio è tanto più grande tanto più la composizione del sistema è spostata verso i prodotti oppure è piccola se la composizione è spostata verso i reagenti, quindi se l’acido è molto forte ci sono molti prodotti quindi la costante di dissociazione diventa grande. Soluzioni tampone sono soluzioni che hanno la proprietà di non far variare il pH per piccole aggiunte di acidi o di basi. I sistemi biologici hanno bisogno di essere tamponati, anche perché ad esempio se vario il pH di lavoro di una proteina molto probabilmente cambierà la sua attività. In cinetica chimica è definita velocità di reazione la variazione di concentrazione di un reagente o di un prodotto nel tempo e questo reagente o questo prodotto lo possiamo considerare come substrato di un enzima o prodotto di una reazione. A parità di concentrazione dell’enzima e parità concentrazione del substrato tanto più l’enzima è efficiente quanto più la variazione della concentrazione del prodotto aumenta a parità di tempo, quindi a parità di tutte le condizioni un enzima più efficiente nello stesso tempo produce più prodotto. Dopo un po', facendo la reazione in un sistema chiuso, la concentrazione di prodotto non cambia più o perché sono finiti i reagenti o perché siamo all’equilibrio. Non esiste nessun enzima che vi fa ottenere più prodotto rispetto a quello indicato dall’equilibrio chimico e una cellula per trasformare reagenti in prodotti sfrutta l’equilibrio di le chatelier per cui il prodotto viene espulso dalla cellula in modo da poter trasformare altri reagenti. Alcuni processi avvengono spontaneamente mentre altri necessitano di energia per funzionare. Se si ha la velocità di una reazione questa è uguale al prodotto di entrambi i reagenti moltiplicato per una costante. Gli ordini di reazione alfa e beta sono in numero di molecole che servono (si devono incontrare) nel passaggio lento di una reazione. Quando bisogna trasformare dei reagenti in prodotti quello che facciamo è riarrangiare nello spazio la disposizione degli atomi quindi magari due atomi che prima erano vicini ora sono distanti oppure atomi che erano distanti ora si trovano vicini e legati, nel processo di rompere alcuni legami e formarne degli altri il sistema aumenta in energia L’energia che si libera è il AH, la maggior parte di questa energia può essere prelevata per trasformarla in ATP. La differenza di energia tra il livello dei reagenti e il max di energia che deve essere fornita si chiama energia di attivazione mentre il valore massimo di energia si chiama stato di transizione che corrisponde a A e B non ancora legati e B e C non ancora slegati si chiama complesso attivato (specie chimica transiente). Perciò per far avvenire la reazione serve superare una barriera energetica, per far avvenire questa reazione più rapidamente si può fornire calore. Modello di michaelismenten si basa sul fatto che il substrato prima si lega con l’enzima, forma delle interazioni che permette di assumere delle geometrie particolari e dopo che il substrato ha interagito con l’enzima avviene la vera e propria trasformazione chimica che trasforma il substrato. La costante di michaelis è una costante di dissociazione perché al numeratore ci sono i parametri che descrivono il distacco del substrato dall’enzima (K-1) o la scomparsa del substrato rispetto all’enzima (K2) diviso l’interazione del substrato con l’enzima (K1). Kcat è la velocità con la quale la proteina riesce a operare sull’enzima a siti saturati e si misura in secondi alla meno 1. La Kcat la si può immaginare come una serie di proteine, c’è tantissimo substrato perciò ho bloccato tutti i siti e appena un sito trasforma il substrato in prodotto, compare subito un altro substrato nel sito attivo, perciò questa costante è collegata con il numero di eventi che riesce a operare una proteina sul substrato in un secondo nella condizione dell’enzima a siti saturati. Se si è a una concentrazione di substrato bassa quindi con siti attivi non saturati, quindi non tutti gli enzimi sono attaccati a del substrato e in questo caso la velocita diventa la concentrazione dell’enzima per la concentrazione del substrato per un parametro che è Kcat fratto Km che è l’efficienza catalitica o costante del secondo ordine. È un ottimo parametro per confrontare la capacità di promuovere una reazione di due enzimi diversi questo perché potrebbero esserci mutanti diversi di uno stesso enzima che hanno magari una Kcat diverse, magari il mutante ha una Kcat più bassa, quindi, fa più fatica a fare un’operazione sul substrato ma ha anche un Km più bassa, quindi, tiene legato meglio il substrato, quindi è vero che fa l’operazione più lentamente ma tiene più vicino il substrato quindi i due parametri si compensano. Potenziali redox Molti ioni metallici presenti in biologia esistono in più di uno stato di ossidazione stabile. Il caso classico è il ferro Fe2+ e Fe3+. Questi ioni metallici che esistono in più stati di ossidazione hanno in vantaggio di riuscire a trasferire l’elettrone. Il trasferimento degli elettroni è estremamente importante perché è la base su cui si base l’approvvigionamento dell’energia nei sistemi biologici. La catena di trasporto degli elettroni che va dai cofattori ridotti (NADH e FADH2) fino all’ossigeno che viene trasformato in acqua, non è altro che un trasferimento di elettroni da una posizione di una proteina ad un’altra che causa un riarrangiamento strutturale con liberazione di energia che permette a dei protoni di essere trasferiti dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana, contro gradiente. gli ioni metallici hanno la grossa capacità di poter prendere gli elettroni, ricederli e non subire una trasformazione (come dei garage per gli elettroni). Ci sono molti enzimi che contengono ioni metallici, ad esempio l’enzima perossidasi del rafano contiene del ferro, per condurre test ELISA. Se il processo di trasferimento elettronico da una proteina ad un’altra avviene da solo, l’elettrone quando si trasferisce ci da una certa disponibilità di energia (AG). Glicolisi, ciclo di krebs, catena di trasporto degli elettroni usano il 40% di questo AG mentre il restante 60% finisce in calore. Si ha quindi una certa quantità di energia AG a disposizione e alla cellula interessa quell’AG e fa avvenire il trasferimento di elettroni per riuscire a recuperarla questa energia. Questa energia può essere usata per tutta una serie di processi, ad esempio può essere usata per pompare i protoni contro gradiente, guardando la catena di trasporto degli elettroni ciascun passaggio elettronico e anche tutti i salti da un sito a un altro all’interno di una proteina, corrisponde a un passaggio di elettroni e fornisce energia e alla fine ha una bella quantità di energia che è servita per realizzare delle reazioni chimiche. Vengono fatti più passaggi perché spezzando in tanti processi piccoli si riesce in ogni passaggio a recuperare il più possibile di energia. Il passaggio non deve essere troppo piccolo ma deve essere un salto energetico sufficiente a spostare il protone, il più possibile numerosi perché così si trasferiscono tanti protoni. Ossidoriduzione un atomo di zinco ha numero di ossidazione 0 che reagisce con uno ione rame che ha numero di ossidazione +2 a dare zinco 2+ e rame metallico. Questa è una reazione spontanea, perciò, c’è dell’energia che può essere sfruttata, mescolando questi due oggetti la soluzione si scalda ma volendo si può recuperare l’energia in altra forma. Il AG0 si può dimostrare che è uguale alla formula (a destra), E0 è il potenziale di riduzione o potenziale redox. Se il AG0 è negativo quindi il processo è spontaneo l’E0 deve avere segno positivo (ogni volta che si ha un E0 positivo la reazione va da sola) perché il AG0 è negativo quindi è spontanea. Se il processo lo si fa avvenire in due compartimenti diversi cioè da una parte ci mettete lo zinco metallico e il rame 2+ lo si mette in soluzione e dall’altra parte mettete lo zinco 2+ in soluzione e il rame metallico, gli elettroni dello zinco passano dal filo e vanno nella soluzione di rame dell’altro becker e se a metà filo viene messa una lampadina questa si accende. A ciascuna reazione cioè lo zinco che diventa zinco 2+ è associata una semireazione in questo caso di ossidazione perché lo zinco aumenta il suo numero di ossidazione. Il rame 2+ passa a 0 e può essere descritto da una semireazione di riduzione. Cercando un parametro numerico che mi descriva la reazione Tutte le volte che ho una reazione redox, si può descrivere l’E0 totale come l’E0 dell’oggetto che si riduce meno l’E0 dell’oggetto che si ossida (come nell’esempio nell’immagine). L’E0 per far avvenire la reazione deve essere positivo quindi se conosco l’E0 di ogni oggetto che si ossida e si riduce posso sapere se quella reazione avviene o no. Il potenziale di riduzione (indicato a pH7) ci dice quanto quell’elemento ha la tendenza a stare in forma ridotta rispetto alla forma ossidata, più il potenziare di riduzione è positivo ed elevato, più quell’elemento o composto tende a prendersi degli elettroni. Avere un potenziale di riduzione molto elevato significa acquistare facilmente gli elettroni invece avere un potenziale di riduzione basso significa che l’elettrone viene ceduto molto facilmente. Take home message: se la riga di Aox è sopra a quella di Brid, la reazione è spontanea. Data una coppia di semireazioni, quella con potenziale più elevato procede nel senso della riduzione, quella con potenziale inferiore procede nel senso della riduzione. Nella tabella degli E0’ il NADH è a potenziale negativo ciò vuol dire che il NADH si ossida cedendo gli elettroni a qualcos’altro come, ad esempio, il coenzima Q ossidato e lo va a ridurre e facendo il conto del potenziale di reazione la reazione ha un E0 positivo quindi è spontanea. La riduzione del citocromo C a pH 7 ha un potenziale più alto di quello del coenzima Q quindi se il citocromo C ossidato trova il coenzima Q ridotto, il citocromo C che ha il potenziale più alto si riduce e ossida il coenzima Q. I potenziali cambiano con il pH, quindi attenzione, perciò da biologi bisogna tenere conto degli E0’ che hanno già tenuto conto del pH. RILEVANZA BIOLOGICA DEI METALLI Tavola periodica dei biolelementi, cioè gli elementi usati dal sistema biologico per costruire tutte le componenti. Sodio, potassio, magnesio e calcio presenti sotto forma di ioni e sono estremamente importanti, ad esempio, nelle pompe sodio potassio. I metalli a parte lo zinco sono presenti a più di uno stato di ossidazione, il cadmio è indicato in giallo perché si pensava fosse un metallo tossico in realtà si sono trovati degli micro-organismi acquatici (che vivono sui fondali) che utilizzano il cadmio al posto dello zinco, non è così strano anche perché lo zinco e il cadmio stanno sullo stesso gruppo e quindi hanno un comportamento chimico simile. Un metallo non utilizzato dai sistemi biologici, non significa che non sia rilevante per i sistemi biologici, il caso classico è il platino perché i composti chimici a base di platino sono utilizzati tantissimo nel trattamento di tumori solidi perché vanno ad interagire con il DNA innescando meccanismi di apoptosi. Un altro caso è il mercurio2+ che si lega alle proteine e ne blocca le proteine, per questo è un metallo estremamente tossico, per questo motivo ha una rilevanza biologica. Gli enzimi sono classificati in 7 grosse categorie (tabella a lato non sa sapere nel dettaglio) di reazione. Circa il 40% degli enzimi noti contiene un metallo come cofattore e di questo 40% circa il 50% (circa 6-7% del totale) sono dipendenti da due cofattori metallici a volte con ruolo sinergico e a volte con ruolo indipendente. Il 64% delle metallo proteine ha dentro il Mg2+ o il Mn2+ che spesso possono essere intercambiabili. Le funzioni dei metalli classiche: -ruolo strutturale à ad esempio zinc fingers che sono dei fattori di trascrizione che hanno un sito metallico che serve per dare robustezza strutturale -ruolo catalitico à ed esempio il Cu2+ nella superossido dismutasi che prende lo ione super ossido e lo dismuta in perossido e ossigeno, lo ione super ossido si forma o per stress ossidativo o come sottoprodotto della catena di trasporto degli elettroni. La super ossido dismutasi è l’enzima con l’efficienza più alta in natura. -ruolo di trasporto à ad esempio il ferro dell’emoglobina che lega l’ossigeno lo porta ai tessuti e poi lo dissocia; hanno ruolo di trasporto anche gli enzimi che trasportano elettroni. Magnesio zinco e manganese la fanno da padrone in quasi tutte le categorie di enzimi tranne in una categoria, che sono le ossidoreduttasi questo perché magnesio e zinco sono sempre 2+ mentre nelle ossidoreduttasi servono ioni metallici in grado di cambiare lo stato di ossidazione, infatti, sono presenti il ferro, il rame e il manganese (fotosistema2). Se troviamo una proteina con Zn2+ quasi sicuramente non è un’ossidoreduttasi, ma se è un’ossidoreduttasi sicuramente non dipende dal cofattore metallico, infatti, lo zinco serve per dare robustezza alla proteina. I metalli in una proteina possono favorire delle reazioni chimiche come nella reazione a fianco che esemplifica il meccanismo di funzionamento della anidrasicarbonica che prende la CO2 dai tessuti e la trasforma in idrogenocarbonato. Lo ione metallico ha preso la molecola d’acqua, l’ha resa più acida e ha permesso l’attacco con la CO2 permettendo la formazione di prodotto. L’anidrasicarbonica è un altro degli enzimi più efficienti in natura. Inoltre, gli ioni metallici possono funzionare anche da centro redox. COMPOSTI DI COORDINAZIONE Il numero di ossidazione di uno ione riflette il numero di elettroni persi rispetto all’atomo neutro, cioè l’atomo di cui si leggono le caratteristiche nella tavola periodica è quello neutro. Per scrivere il numero di ossidazione serve sempre prima il segno e poi la carica (ad esempio n.o. 2+) Per uno stesso metallo, all’aumentare del numero di ossidazione, diminuisce la dimensione dello ione questo perché se diminuisco in numero di elettroni e il nucleo rimane uguale, gli elettroni che rimangono sono più attratti inoltre se tolgo un elettrone lo tolgo dai gusci più esterni perciò tolgo un “guscio”. Ioni con numero di ossidazione maggiore tendono ad attrarre maggiormente ioni carichi negativamente. In questa molecola si ha un atomo di nichel centrale con attorno delle molecole di ammoniaca. Le molecole di ammoniaca ha una coppia solitaria sull’atomo di azoto che se è vicino a una molecola polare forma una interazione di tipo elettrostatico. In questo composto ci sono 6 molecole di ammoniaca legate e si indica con la parentesi quadra che racchiude il metallo più tutte le molecole che interagiscono direttamente con il metallo. Se il nichel è presente attaccato a una proteina ad esempio attaccato al glutammato, molto probabilmente questa non è l’unica interazione che c’è ma probabilmente ci sono altri glutammato o aspartato, perché lo ione metallico ha la tendenza a circondarsi di gruppi che siano in grado di fornire coppie solitarie. Ad esempio, l’emoglobina è perfetta per descrivere questo fenomeno perché c’è lo ione ferro con i quattro atomi di azoto del gruppo eme e un’istidina prossimale sotto, la sesta molecola è la molecola di ossigeno che si lega in posizione apicale. Quando si ha un sistema di questo tipo, lo ione metallico prende il nome di atomo centrale e le molecole che stanno attorno e hanno le coppie elettroniche che sono in grado di interagire con l’atomo centrale sono detti leganti. Il cisplatino è stato il primo composto a base metallica con attività antitumorale che è stato portato in fase clinica. Il cisplatino entra dentro alla cellula dove è presente una concentrazione di Cl- molto bassa così i Cl- si stacca per ragioni di equilibrio, e li ci sono posizioni disponibili e ci finiscono gli atomi di azoto delle basi azotate del DNA provocando delle distorsioni nel DNA che portano a cascate di segnali che come step finale portano alla morte cellulare. à questa sarà la rappresentazione prevalente per i siti metallici con i leganti attorno nelle proteine. Lo ione metallico rappresentato da una sferetta, i leganti rappresentati con uno stick grossi (legami covalenti rappresentati da delle bacchette), spesso non sono rappresentati gli atomi di idrogeno e poi l’interazione tra ione metallico e l’atomo del legante viene rappresento con una linea più sottile o un tratteggio e indica che questa interazione è l’interazione elettrostatica.
