DISPENSA DI BIOINORGANICA, Dispense di Chimica Inorganica
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DISPENSA DI BIOINORGANICA, Dispense di Chimica Inorganica

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Composti di coordinazione. teoria hard - soft. effetto chelato. reattività composti di coordiazione. geometrie. teoria del campo cristallino. tecniche di indagine. ioni nelle metalloproteine: ferro, rame, zinco, litio, p...
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BIOINORGANICA COMPOSTI DI COORDINAZIONE

I composti di coordinazione sono addotti acido – base di Lewis che hanno come acido di Lewis un metallo M di transizione.

In generale un composto di coordinazione è costituito da:

• Metallo centrale: che interagisce con molecole cariche o neutre in numero maggiore alla propria valenza

• Legante: specie coordinata con almeno un doppietto di elettroni da donare, e può essere mono o polidentato a seconda del numero di centri donatori di elettroni.

Ha un numero di coordinazione che corrisponde al numero di leganti e determina la geometria del complesso.

SFERA DI COORDINAZIONE

È l’insieme dei leganti + M centrale. Ne esistono due tipi:

Sfera interna: è costituito da leganti che legano direttamente il metallo, contando il numero dei leganti della sfera interna si risale al numero di coordinazione e quindi alla geometria del complesso.

Sfera esterna: l’associazione del complesso legante + M con leganti anionici debolmente coordinati mediante interazione elettrostatiche.

TEORIA SOFT – HARD

I leganti si legano al metallo secondo la teoria hard – soft. Infatti considerando soft le specie grandi e falcimente polarizzabili e come hard le specie piccole e meno polarizzabili, possiamo affermare che leganti hard legheranno metalli hard, mentre leganti soft, preferiranno metalli soft.

All’aumentare del numero di ossidazione aumenta il carattere hard e diminuisce quello soft.

Andando dall’alto verso il basso della tavola periodica aumenta il carattere soft.

Esempio chiarificatore: metallotioneine

EFFETTO CHELATO

La chelazione avviene quando due o più atomi donatori appartenenti ad uno stesso legante polidentato si coordinano ad un unico atomo metallico centrale. La distanza tra i due o più atomi donatori è detta bite distance, a seconda della distanza, la chelazione può essere più o meno stabile, in quanto gli angoli di legame possono essere troppo stretti o troppo larghi.

Caso particolare: acido carbossilico

Infatti questo può comportarsi sia come monodentato, che come bidentato presenta infatti due ossigeni che possono fungere da atomi donatori di doppietti elettronici, quindi possiamo avere chelazione o legame monodentato (no chelazione).

Un singolo legante, può disporsi con configurazione a ponte, ovvero, con un suo atomo donatore, legare due metalli diversi, anche in questo caso non si tratta più di chelazione.

Ad ogni modo l’EFFETTO CHELATO DETERMINA LA FORMAZIONE DI UN COMPLESSO MAGGIORMENTE STABILE rispetto a quella di un complesso il più possibile simile, ma non contenente un anello.

La chelazione può essere influenzata dal numero di anelli formati: all’aumentare degli atomi donatori appartenenti allo stesso legante, posso avere la formazione di più cicli, quindi complessi bischelati o trischelati. Questi complessi con più anelli di chelazione sono ancora più stabili.

Come si misura la stabilità del complesso? Mediante le COSTANTI K e β

K: o step wais, è la costante di formazione utile per capire quanti legami il mio metallo può fare: ad un certo punto tale K avrà valori molto bassi, pertanto saprò che altri legami non si formeranno.

β: o costante complessiva, è utile per identificare quale tra due composti presi in esame, è il più stabile.

In generale l’aggiunta di leganti successivi è sempre meno favorita per ragioni statistiche, steriche ed elettrostatiche.

SERIE DI IRVING – WILLIAMS

Principio della preferenza di legame a parità di legante, degli ioni metallici di transizione 2+:

Il valore di k aumenta in funzione del metallo coordinato partendo da sinistra verso destra ed alto della tavola periodica, fino al Cu 2+ che è il preferito, per poi riscendere con lo Zn 2+

REATTIVITÀ DEI COMPOSTI DI COORDINAZIONE

Possiamo classificare i composti di coordinazione, tenendo conto della velocità con la quale la reazione procede o non procede, parliamo di complessi labili quando la reazione di sostituzione dei leganti è rapida, mentre parliamo di complessi inerti quando la reazione avviene in modo lento.

In termini termodinamici invece, possiamo classificarli in stabile o instabile che si riferiscono alla tendenza della specie di esistere in condizioni di equilibrio.

Valori di pka dei leganti coordinati: tutte le volte che il legante lega il metallo, il legante diventa più acido, e la pka si abbassa gli ioni metallici 3+ sono più di abbassare la pka del legante rispetto ai metalli 2+.

GEOMETRIE

La geometria del complesso, è determinata dal numero dei leganti, i quali con carica negativa, si disporranno intorno al metallo centrale con carica positiva in modo da non darsi fastidio.

N coordinazione:

2: sistema lineare, tipico dei metalli con numero di ossidazione 1.

3: esistono due diverse forme

Trigonale planare: il complesso è sul piano e presenta angoli di legame di 120°

Piramidale: il metallo è leggermente sopraelevato rispetto al piano dei leganti

Geometria P: tra due leganti abbiamo un angolo di 180° e il terzo legante si dispone con angolo di legame di 90° rispetto ad essi

4: abbiamo due tipi di geometrie

Planare quadrata: i quattro leganti si posizionano sul piano con angolo di legame di 90°. (platino funzione antitumorale)

Tetraedrico: figura geometrica che si dispone su 3 dimensioni, un metallo al centro e gli altri leganti con angoli di 109°. (zinco)

5: abbiamo due tipi di geomentrie:

Bipiramide trigonale: 3 leganti sono disposti sul piano con angoli di 120°, i due rimanenti si dispongono ortogonalmente rispetto al piano con angolo di 90° rispetto al piano, rispettivamente uno sotto ed uno sopra il piano.

Piramide a base quadrata:(PORFIRINE)

Queste forme sono in equilibrio tra loro, si possono convertire una nell’altra tramite meccanismo di pseudo-rotazione di Berry, ovvero non sono configurazionalmente stabili, ma passare da una forma all’altra continuamente.

6: GEOMETRIE OTTAEDRICHE

Figura geometrica altamente regolare, dove il metallo è al centro e tutti i leganti sono disposti a 90° da esso. (EME)

MODULAZIONE DEI POTENZIALI REDOX

Il potenziale redox del metallo è influenzato dal legante in due termini:

1. Termine elettronico: numero di ossidazione

2. Termine stechiometrico: geometria del composto

TEORIA DEL CAMPO CRISTALLINO

Tale geometria si basa sugli orbitali d del metallo centrale. Gli orbitali d sono 5 e teoricamente vengono considerati degeneri, ovvero hanno tutti stessa energia.

Abbiamo:

• d x2y2 e d z2 hanno lobi che puntano verso gli assi del sistema cartesiano

• d xy dxz dyz hanno i lobi che puntano verso le bisettrici dei rispettivi piani

I livelli energetici degli orbitali d si modificano a seguito del legame e perdono la loro degenerazione: fenomo ligand – field splitting.

Riferendoci ad una geometria ottaedrica, quindi ad un complesso di sei leganti, noteremo che i leganti si avvicineranno al centro metallico lungo gli assi cartesiani andando a “disturbare” gli orbitali d giacenti proprio sugli assi cartesiani ed in particolare gli orbitali d x2y2 e d z2 . Questi orbitali pertanto avranno una maggiore energia di legame rispetto agli altri 3 orbitali d giacenti sulle bisettrici.

La geometria tetraedrica invece, è l’opposto. I leganti infatti si avvicinano al centro metallico lungo le bisettrici dei piani cartesiani (angolo di legame di 120°) pertanto avremo maggiore destabilizzazione dei 3 orbitali d xy dxz dyz rispetto agli altri due, e quindi questi avranno energia maggiore.

L’energia necessaria per passare da un orbitale a bassa energia ad un orbitale ad alta energia è detta Ʌo e la capacità dell’elettrone di passare ad uno stato energetico superiore determina il colore della sostanza.

Quando abbiamo configurazioni maggiori a d 3 possiamo avere due conformazioni:

conformazione elettronica ad alto spin: l’energia Ʌo è minore dell’energia richiesta dall’orbitale per mettere un secondo elettrone con spin opposto in questo caso sarà facile intuire che l’elettrone andrà allo stato energetico superiore perché meno dispendioso rispetto alla sua addizione ad uno stato energetico con già un elettrone

conformazione elettronica a basso spin: l’energia Ʌo è maggiore dell’energia richiesta dall’orbitale per mettere un secondo elettrone con spin opposto andremo in questo caso a riempire

tutti gli orbitali del livello energetico più basso prima di aggiungere elettroni agli orbitali con livello

energetico più alto.

La capacità di un legante di indurre la separazione degli orbitali d varia secondo la serie spettrochimica nell’ordine:

Il Ʌo è influenzato da diversi fattori:

1. Il numero di ossidazione del metallo: tanto è più alto tanto più sarà il valore di Ʌo

2. Natura dello ione metallico: tanto più è grande tanto più aumenta il valore di Ʌo

3. Numero e geometria dei leganti: all’aumentare del numero dei leganti aumenta Ʌo

4. Dalla natura dei leganti: serie spettrochimica

MACROMOLECOLE BIOLOGICHE

Nei sistemi biologici solo le proteine, tra le varie macromolecole, hanno struttura e gruppi funzionali opportuni e specifici per il legame con un centro metallico.

Più precisamente, possiamo dire che , sono gli aminoacidi di cui è composta una proteina che possiedono gli atomi donatori adatti alla coordinazione con gli ioni metallici.

Non tutti gli aminoacidi, però, possono legarsi ai metalli; bisogna tenere in considerazione anche la pKa, in quanto un aminoacido deve essere in condizioni di protonazione tali da avere dei doppietti da donare per il legame al metallo.

Es : l’NH3 non è a pH plasmatico (7) un buon legante, poiché la pKa è 9 e a pH 7 è praticamente tutta protonata (NH4+ : NH3 ~ 100 : 1), mentre Glu e Asp, con pKa = 4.1 e 3.9 rispettivamente, a pH 7 sono dissociati (quindi RCOO-) e hanno doppietti disponibili per coordinare il metallo.

COME SI LEGANO GLI AA AL METALLO??

Possono legarsi a:

1. catena laterale (atomi donatori);

2. gruppi carbonilici peptidici

3. atomi di azoto del legame peptidico deprotonati

4. gruppi carbossilici terminali.

I più comuni aa che si legano sono:

il tiolato della cisteina

l’imidazolo dell’istidina

i carbossilati degli acidi glutammico e aspartico

il gruppo fenolato della tirosina

METALLOPROTEINA

E’ una proteina avente più atomi metallici coordinati e che presenta attività catalitica.

L’orientazione di tutti gli atomi donatori leganti di tale proteina, dipende dalla struttura tridimensionale.

La struttura delle proteine è descritta a quattro livelli:

1. Struttura primaria sequenza degli aa. Si riferisce quindi ai legami covalenti.

2. Struttura secondaria disposizione nello spazio di residui aa adiacenti alla sequenza lineare, spesso determinata da legami a idrogeno. Esistono due diverse forme : alfa elica e foglietto beta.

3. Struttura terziaria la disposizione nello spazio dei residui di aminoacidi lontani tra loro nella sequenza lineare.

4. Struttura quaternaria più catene polipeptidiche.

Il ripiegamento di un polipeptide verso un’unica struttura tridimensionale dipende da alcune forze in gioco, tra cui :

. Forze di impacchettamento delle superfici idrofobiche;

. Formazione specifici legami a idrogeno e interazioni ioniche;

. esistenza di legami covalenti incrociati realizzati dai legami disolfuro.

NB: Non è possibile prevedere con certezza il sito di legame del metallo partendo dalla sequenza di aminoacidi nella metalloproteina.

ACIDI NUCLEICI

Le unità formanti questo polimero sono i nucleotidi, costituiti da:

• Base B Ci sono cinque basi; le purine sono ADENINA e GUANINA, mentre le pirimidine CITOSINA, TIMINA.

• Zucchero (ribosio);

• Gruppo fosfato.

I siti di legame per metalli sulle basi nucleosidiche sono costituiti dagli ATOMI DI AZOTO endociclici.

L’N7 delle purine è il miglior nucleofilo (e quindi il sito di legame più probabile) tra gli eteroatomi delle basi degli acidi nucleici.

ALTRE BIOMOLECOLE CHE LEAGANO I METALLI

a. Gruppi prostetici Sono gruppi che possono contenere ioni metallici coordinati.

Es : - gruppo eme

-clorofille

b. Coenzima B-12 Interviene nella catalasi enzimatica come vero substrato.

Il più studiato è la COBALAMINA (o vitamina B12), che è ottenuta come ciano- addotto e viene ridotta a dare un complesso di Co(I). Reagisce con l’ATP dando coenzima b-12 adenilato.

Le metil-cobalamine sono anche in grado di trasferire in soluzione acquosa

ioni CH3 - Sali di Sn, Pb e Hg, una reazione di biometilazione che contribuisce probabilmente alla tossicità di questi elementi.

c. Bleomicina e siderofori

La bleomicina è un antibiotico naturale che si lega al DNA e catalizza la rottura di zucchero-fosfato.

I siderofori sono piccole molecole che facilitano l’assorbimento del ferro; agiscono legando lo ione ferrico con elevata affinità, e producendo complessi solubili assorbibili dall’organismo.

TECNICHE DI INDAGINE IN CHIMICA BIOINORGANICA

Per capire la natura di un centro metallico in biologia è spesso utile ricavare informazioni sui suoi stati elettronici e sulle proprietà magnetiche.

Fenomeni magnetici ed elettronici sono alla base delle tecniche spettroscopiche utilizzate per monitorare la reattività chimica dei siti metallici. (Tutte le forme di spettroscopia hanno in comune l’irradiazione di un campione con luce di una data frequenza o con un range di frequenze. Questa luce può essere assorbita o dispersa, dando luogo a modificazioni nell’intensità che costituiscono la base del metodo fisico). Metodi a raggi-X Hanno lunghezze d’onda nell’ordine di 1 Å e questo rende questa tecnica utile nella determinazione della struttura molecolare.

1. DIFFRAZIONE

= quando i raggi X attaccano il mio oggetto questi diffrangono, in quanto hanno λ dello stesso ordine di grandezza. Si esaminano i CRISTALLI, in quanto serve qualcosa di fisso e fermo; non si può lavorare in soluzione ( la diffrazione è utile per molecole prive di acqua). Per ovviare al possibile problema dell’acqua, si effettua la DERIVATIZZAZIONE, ovvero l’aggiunta di metalli pesanti, come platino, mercurio e oro. Questo metodo mi fornisce l’elenco degli atomi e accanto le rispettive coordinate x,y dell’atomo. Quindi ci fornisce la MAPPATURA TRIDIMENSIONALE degli atomi e della molecola.

2. ASSORBIMENTO E’ un metodo poco diffuso in quanto è necessaria molta energia. L’assorbimento di raggi-X può eccitare gli elettroni 1s o 2s,2p di un elemento verso orbitali vuoti localizzati. Con questa tecnica ottengo :

• stato di ossidazione del metallo di interesse; • informazioni strutturali elettroniche • dettagli delle geometrie di coordinazione del metallo.

È una tecnica vantaggiosa in quanto posso studiare i non cristallini e anche soluzioni. E’ svantaggiosa, però, in quanto il metodo non è accessibile a tutti gli sperimentatori e perché necessita temperatura di acquisizione (4.2 K), raggiungibile solo dall’elio.

METODI DI RISONANZA MAGNETICA (le frequenze sono nella regione delle microonde)

Se pongo la particella in un campo magnetico, si orienta secondo le linee di forza, dando vita ad un fenomeno di risonanza magnetico. Quando le particelle sono degli elettroni parliamo di SPETTROSCOPIA EPR, mentre quando le particelle sono nuclei, parliamo di SPETTROSCOPIA NMR.

1. Spettroscopia EPR Richiede campioni che abbiano elettroni spaiati, ed è adatto a studiare metalloproteine, incluse Cu(II), Co(II), Fe (III). Servono delle frequenze nella regione delle microonde.

2. Spettroscopia NMR Servono frequenze d’onda nella regione delle radio frequenze. L’assorbimento della frequenza d’onda avviene ad opera di nuclei di particolari atomi (1H e 13C nuclei con spin risultante diverso da 0). Altri nuclei sono l’azoto, fluoro e fosforo; i migliori risultati li hanno avuti con Cadmio, calmodulina e piombo. È una tecnica che permette di ottenere informazioni sulla struttura molecolare dei composti in esame. Sono spesso utilizzati per studi cinetici. Da un NMR ottieniamo un picco.

SPETTROSCOPIA ELETTRONICA E VIBRAZIONALE

Gli spettri elettronici mi permettono di capire come si spostano gli elettroni quando compiono i salti. Per far fare il salto all’elettrone, sono necessarie frequenze d’onda di regioni del : . Ultravioletto; . Visibile; . infrarosso.

Come originano queste transizioni?? Sono tre le principali situazioni che danno origine :

1. Bande interne al legante ( può essere il legante stesso che genera spettri, come ad esempio avviene nel caso della PORFIRINA. Ha anche propri spettri elettronici).

2. Transizioni iscrivibili a orbitali del metallo (transizione d-d); 3. Trasferimento carica tra metallo e legante (associazione legante-metallo).

In base agli spettri ricavo le seguenti informazioni:

• Stati di ossidazione dei metalli; dovuto all’assorbimento del metallo ad una certa λ;

• Seguire l’andamento delle reazioni (catalasi); • Identificare specie chimiche in sistemi di nuova scoperta.

In sistemi più complessi la situazione si complica. Si vanno quindi a determinare le singole bande associate al metallo specifico, tramite :

• Privazione selettiva di uno o più centri del metallo • Cambiamento dello stato di ossidazione del metallo, con seguente

modificazione dello spettro.

Spettri a fluorescenza per ioni metalli alcalini.

GLI IONI METALLICI IN BIOLOGIA Solo un numero limitato di elementi presenti nella tavola periodica viene usato nei sistemi biologici. Le funzioni più importanti le svolgono gli ALCALINI, gli ALCALINO-TERROSI e soprattutto i metalli di TRANSIZIONE, i quali sono utilizzati: . nelle metalloproteine;

. per proteggersi dagli effetti tossici di eccesso del metallo.

NB : Esiste un range fisiologico nel quale il metallo è presente.

Sia un difetto che un eccesso portano a stati patologici.

Per cosa sono essenziali i metalli???

• Funzione strutturale (funge da connettore);

• Funzione di idrolisi;

• Funzione di trasporto lega generalmente piccole molecole come ossigeno;

• Funzione di messaggero

Un metallo si dice ESSENZIALE quando la sua assenza comporta perdita della vita.

FERRO

Il ferro lo definiamo metallo essenziale; nell’organismo risulta importante soprattutto per :

Trasporto e metabolismo dell’ossigeno;

Per le reazioni electron-transfer.

La carenza del ferro non si può definire fisiologica; questa è dovuto al MANCATO ASSORBIMENTO e al MAL ASSORBIMENTO. Provoca ANEMIA, a causa di una inadeguata sintesi di emoglobina. Un suo eccesso invece??? Un eccesso (dovuto ad un’ingestione accidentale, per trattamento di talassemia) è difficilmente smaltibile e può catalizzare la formazione di radicali liberi e danneggiare i tessuti. Per poterlo rimuovere dall’organismo in maniera più semplice è necessaria la somministrazione della Deferoxamina, un farmaco utile per chelare il ferro e quindi eliminarlo.

Il complesso che si forma risulta stabile perché: 1. Ha una costante alta 2. gli atomi donatori sono idonei 3. c’è un effetto chelato

4. forma anelli e quindi composti bischelati, trischelati che sappiamo sono più stabili.

Principali funzioni del ferro: • facili reazioni redox (è facile trasformarlo dalla forma 2 a quella 3); • vasto repertorio di potenziali redox ottenibile per sostituzione o modificazione

dei leganti.

Quantità totale di ferro nell’organismo : 3-5 g. Il ferro è insolubile a pH neutro; è quindi necessario trovare delle molecole in grado di trasportarlo all’interno del nostro organismo. Queste molecole, che sono in grado di solubilizzare il ferro, sono i SIDEROFORI, distinguibili in:

1. Idrossamati; 2. Catecolati

Questi gruppi sono presenti TRE VOLTE, in modo da avere sei leganti che coordinano il ferro.

I catecoli si coordinano come catecolati con entrambi gli ossidrili dissociati (la chelazione aumenta l’acidità del composto) e presenteranno quindi una carica netta complessiva di – 3.

Gli idrossamati hanno una sola carica negativa (c’è solo un OH che si può dissociare), quindi chelando il Fe 3+ sarà a carica risultante = 0.

Legame ferro-enetrobactina

L’enterobactina è molto affine per il ferro (K- 10^49); avendo un potenziale negativo, presenta un’affinità maggiore per il Fe 3.

Organismi superiori

Negli organismi superiori la situazione si complica maggiormente, in quanto la forma facilmente assorbibile è il ferro 2; quindi il ferro 3+ verrà ridotto a ferro 2+, assorbito e poi riossidato a ferro 3+.

Le molecole che trasportano il ferro nei liquidi biologici sono chiamate TRANSFERRINE, che sono delle glicoproteine monomeriche protettive nei confronti della forma 2+, che libero può andare a reagire con l’ossigeno.

Struttura transferrine: Sono formate da DUE LOBI, ciascuno contente DUE DOMINI, detti C1, C2 e N1, N2. Ciascun lobo ha un sito di legame per il ferro. Siccome queste proteine legano anche un anione, che è lo ione carbonato, esiste un effetto SINERGICO tra questo e il ferro. Questo effetto è importante per il rilascio dello ione all’interno della cellula.

TRANSFERRINA La transferrina è in grado di legare non solo il ferro, ma anche altri metalli come Al, Zn ecc. dando vita ad intossicazioni. L’affinità alta per l’alluminio, sembra essere in qualche modo coinvolta con malattie neurodegenerative come l’Alzheimer. Il ferro dopo essersi legato alle transferrine, deve entrare nelle cellule: per questo scopo esistono dei recettori di membrana, dimeri connessi da un ponte disolfuro, che riconoscono solo le trasferrine legate a due atomi di ferro.

Schema: Dopo il legame della transferrina con il recettore mediato da clatrine, si forma un endosoma con ph più basso, tale ph determina il rilascio del ferro da parte della transferrina. Tale ferro così liberato viene trasportato dalle chaperonine dove serve mentre la transferrina apo viene rilasciata nuovamente in circolo. Il ferro liberato va a far parte di metalloenzimi o rimane in deposito con la ferritina.

FERRO

Tutti i trasportatori, pensiamo alla transferrina, hanno la funzione di trasporta il metallo e portarlo la dove serve. E funziona benissimo.

Qual è il problema con il Ferro?? Per vincere l’insolubilità del ferro, che precipiterebbe in questo ambiente, bisogna che il sistema di leganti (disegnato sopra) sia MOLTO STABILE.

Questo perché : tanto più stabile è , tanto più il ferro non si stacca e non precipita. • ROVESCIO DELLA MEDAGLIA

La K in questo momento è molto alta;

FOTO : Fe + transferrina ferro-transferrina : con una costante cosi, l’equilibrio è spostato tutto verso destra, e quindi si potrebbe NON scrivere la doppia freccia.

Se questo “complesso” è cosi stabile, quando devo rilasciarlo come faccio??

Non posso far si che la reazione avvenga al contrario, perché è impossibile!

Il nostro organismo deve trovare un escamotage: si deve andare a modificare uno dei leganti. Questo porterebbe ad un cambiamento del valore della costante.

Come faccio???

MEZZO ACIDO-BASE, non serve staccarli.

Siccome alcuni di questi leganti sono sensibili alla PROTONAZIONE, quindi all’H+ al pH, il sistema va a modificare il pH dell’ambiente che è intorno, e questo fa si che i leganti si vadano a protonare, quindi cambiano, sono meno leganti , il ferro è meno stabilizzato e quindi viene rilasciato.

• Questo avviene inizialmente per un legante (guarda immagine), e in parte poi per gli altri.

DOMANDA: Perché all’inizio proprio quello (cioè il bicarbonato)????

• Perché ha una carica -2,e quindi è maggiormente attratto.

Com’è fatta la FERRITINA?

La ferritina è una proteina di forma globulare costituita da un rivestimento proteico di 24 subunità con 175 aa, ognuna di queste subunità è costituita da 4 alfa – eliche che formano delle cavità interne che possono essere C3 (triangolare e idrofilo) e C4 (quadrata e idrofoba). Il ferro entrerà all’interno della ferritina mediante il canale C3.

Come entra il Fe nella ferritina? Il ferro entra come Fe 2+ attraverso il canale C3 ricco di aminoacidi acidi (tirosinato) che determinano la sua ossidazione a Fe 3+. Tale ferro 3+ incontra lungo la parete interna del canale C3, dei carbossilati che lo coordinano formando aggregati che precipitano all’interno della cavità formando dei cristalli ordinati ferridrite.

TRASPORTO DELL’OSSIGENO

Il trasporto dell’ossigeno è una funzione essenziale, e tale processo sembra essere svolto esclusivamente dal ferro e dal rame, mediante 3 principali complessi:

Emoglobina Hb in tutti i vertebrati ed invertebrati

Emocianina Hc in artropodi e molluschi

Emeritrina Hr in invertebrati marini

Emocianina: nella forma deossi presenta 2 rame legati a 3 istidine. Tale complesso permette il legame con l’ossigeno, che quando avviene determina l’ossidazione dei 2 rami e formazione di 02- .

Emeritrina: nella forma deossi ci sono 2 ferri che non sono coordinati allo stesso modo nella molecola, in quanto, il ferro proeittato verso sinistra è legato a 3 imidazoli (6 legami), mentre quello proiettato verso destra è legato a 2 imidazoli (5 legami). L’ossigeno pertanto si andrà a legare al ferro non saturo, con i 5 legami, formando il 6° legame.

Il colore tra la forma deossi e ossigenata cambia.

Come si lega l’ossigeno ai metalli?

Ci sono 4 modalità:

La lunghezza di legame dell’ossigeno con il metallo varia: quando l’ossigeno è ridotto, tale distanza aumenta e il legame si indebolisce. Per conoscere la distanza di legame tra ossigeno e metallo usiamo la tecnica RAMAN.

GRUPPO EME

È un sistema ciclico piano e stabile che può chelare un metallo centrale con i 4 atomi di N.

Questo sistema presenta una parte organica costitutita dalla protoporfirina IX e una parte inorganica costitutita dal Fe. Il gruppo EME è in grado di legare reversibilmente l’O2.

Parte organica: PROTOPORFIRINA

La protoporfirina è costituita da 4 anelli pirrolici legati tra loro a formare un anello tetrapirrolico. Tale anello forma legami con 4 gruppi metilici, 2 gruppi vinilici, 2 gruppi propionici.

Il ferro forma 6 legami di coordinazione: 4 con gli atomi di azoto e 2 addizionali, rispettivamente con ossigeno in 6° posizione e con l’ossigeno al 5° posto.

FUNZIONI

• Lega l’ossigeno

• Impedisce che l’ossigeno ossidi altre sostanze

• Rilascia l’ossigeno solo a seguito di risposta a richieste specifiche

Senza il ferro l’EME svolgerebbe lo stesso la sua azione?

Il ferro è essenziale perché essendo un metallo di transizione, può avere 2 stati di ossidazione con tendenza a legare l’ossigeno. Quindi l’emoglobina svolge la sua funzione esclusivamente grazie al Fe che si lega alla componente organica protoporfirina.

Un eme stericamente protetto è importante per la funzione della mioglobina: la vicinanza della valina e fenilalanina permette all’eme di formare una tasca idrofobica stericamente ostruita. Il ferro subisce quindi una ossigenazione reversibile e non una vera ossidazione perché questa è impossibilitata dagli ingombri sterici attorno all’anello porfirinico.

La tasca per l’ossigeno può contenere sia ossigeno che monossido di carbonio perché hanno le stesse dimensioni. Il CO ha affinità di legame maggiore e il legame non è reversibile, proprio per questo il monossido di carbonio è tossico. Infatti il Fe quando lega l’O forma un angolo di legame di 60° molto più debole di quello a 180° del CO.

Quando l’EME è all’interno della tasca della mioglobina, il legame del CO è inibito dalla presenza dell’istidina distale, mentre l’O si lega allo stesso modo, sia all’Heb che alla ferroporfirina isolata. Questo è un vantaggio per l’O2 che è in competizione con il CO per il legame con il ferro.

La struttura dell’EME può risultare deformata in due modalità:

• A sella: con due anelli pirrolici non adiacenti ripiegati verso il basso

• A conca: tutti gli anelli pirrolici ripiegati verso il basso

Anche le subunità dell’Heb posso avere due forme estreme:

• Forma R o rilassa: c’è affinità alta per l’ossigeno ed il Fe è sul piano dell’eme

• Forma T o tensionata: deossi, ha bassa affinità per l’O2 il ferro deforma il piano dell’EME in modo da formare una cupola, l’attacco dell’ossigeno diminuisce questa deformazione fino a passare alla forma R

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