Cellula deve mantenere omeostasi Relazione struttura attivit biologica

Cellula deve mantenere omeostasi Relazione struttura – attività biologica di proteine ed enzimi Cellula: ambiente separato dall’ambiente esterno ma in comunicazione con esso

Elementi essenziali H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Rb Sr Y Zr Cs Ba La Hf Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Ta Os Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn W Re Ir La loro assenza non consente una normale attività cellulare

La concentrazione di un elemento essenziale è un parametro importante positiva Sintomi da deficienza Stato di “salute” Effetti tossici Risposta fisiologica negativa morte Concentrazione dell’elemento essenziale

Tabella 1 Elemento deficitario Tipici sintomi da deficit Ca Ritardo crescita scheletrica Mg Crampi muscolari Fe Anemia F Carie dentale I Disfunzioni della tiroide Mn Infertilità Zn Ritardo maturazione sessuale

Funzioni biologiche svolte dagli elementi inorganici. ü funzione strutturale (es. Ca 2+ e Mg 2+ per il polianione DNA) ü portatori di carica per il trasferimento veloce di informazioni (es. Na+, K+, per gli impulsi elettrici nervi, Ca 2+ per la contrazione muscolare) ü formazione, metabolismo e degradazione di composti organici. Queste funzioni richiedono catalisi acido/base secondo Lewis (es. Zn 2+) ü processi di trasferimento elettronico. Questa funzione richiede elementi con attività redox (es. Fe. II/Fe. IV, Cu. I/Cu. II, Co. I/Co. II)

La reazione tra uno ione metallico e una o più molecole di legante dà un complesso. [Co(NH 3)6]3+ ione Co 3+ è circondato da 6 molecole di NH 3 La reazione di formazione di un complesso è una reazione tra un acido di Lewis (lo ione metallico centrale) e una base di Lewis (il legante). L’atomo del legante che forma il legame con lo ione metallico si chiama atomo donatore, mentre lo ione metallico è l’atomo accettore I complessi possono essere carichi o neutri: Es. [Cu(NH 3)4]2+, Ni(CO)4, [Fe(CN)6]3 i leganti si distinguono in monodentati e polidentati Il numero di coordinazione dello ione è il numero di atomi del/dei leganti che si coordinano al centro metallico. Esso non sempre coincide al numero di molecole di legante in un complesso. Es. [Cu(NH 3)4]2+, Ca(EDTA)2 -. Dipende dalle dimensioni dello ione metallico, dall’ingombro dei leganti e dalle interazioni elettroniche tra i due.

Tabella 2: leganti monodentati formula Nome come legante Molecole neutre formula Nome come legante Anioni H 2 O aquo F- Fluoro SO 42 - Solfato NH 3 ammino Cl- Cloro NO 2 - Nitro (atomo N lega) CO carbonile Br- Bromo ONO- Nitrito (atomo O lega) NO nitrosile I- Iodo SCN- Tiocianato (atomo S lega) C 5 H 5 N piridina O 2 - Osso NCS- Isotiocianato (atomo N lega) OH- Idrossi CN- ciano

leganti multidentati

Numero di coordinazione 4: Geometria tetraedrica: favorita se atomo centrale è piccolo o se i leganti sono grandi Geometria piano quadrata: si osserva per i metalli configurazione d 8 (es cis platino) Numero di coordinazione 5: Poco comune, piramide a base quadrata (eme + istidina) o bipiramide a base triangolare Numero di coordinazione 6: Geometria ottaedrica: molto diffusa, spesso è il punto di partenza per geometrie di simmetria inferiore

Nei complessi ci sono vari tipi di isomerie [Pt. Cl 2(NH 3)2] Esistono due isomeri di tipo geometrico NH 3 cis Cl trans

Teoria del campo cristallino Descrive i composti di coordinazione, ne spiega le proprietà spettroscopiche (es. il colore) e quelle magnetiche La teoria prevede che l’interazione tra metallo e leganti sia puramente elettrostatica Metallo è costituito da un nucleo carico positivamente circondato da elettroni degli orbitali d Leganti che circondano lo ione metallico sono visti come cariche negative puntiformi Quando i leganti si avvicinano allo ione metallico interagiscono con gli elettroni d del metallo

fra gli assi cartesiani a 45° lungo gli assi cartesiani

Il baricentro resta inalterato e n e r g i a dx 2 -y 2 dz 2 eg Do dxy dxz dyz dx 2 -y 2 dz 2 Ione metallico libero Ione metallico in un campo cristallino sferico dxy dxz dyz t 2 g Ione metallico in un campo cristallino ottaedrico

DO dipende dalla forza del legante: Legante a campo debole e n e r g i a dx 2 -y 2 dz 2 Legante a campo forte dx 2 -y 2 dz 2 eg eg Do dxy dxz dyz Do t 2 g dxy dxz dyz t 2 g I- < Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H 2 O < NH 3 < en < phen< CN-< CO Forza del legante

Il valore di Do dipende anche dall’identità dello ione metallico Mn 2+< Ni 2+< Co 2+< Fe 2+< V 2+< Fe 3+< Co 3+< Mo 3+< Rh 3+< Ru 3+< Pd 4+< Ir 3+ Do : Øaumenta con lo stato di ossidazione del metallo (es. Fe e Co). Fe 3+ è più piccolo e le distanze metallo-legante sono minori e quindi le interazioni sono più forti Øaumenta scendendo lungo un gruppo (es Co, Rh, Ir). A parità di carica, le dimensioni dei 4 d e dei 5 d sono maggiori di quelle dei 3 d e quindi anche le interazioni con i leganti sono maggiori.

Configurazioni elettroniche di un complesso allo stato fondamentale non è più così ovvia Ti 3+ Ti 2+ V 2+ Cr 2+ Fe 3+ Fe 2+ Co 2+ Ni 2+ Cu 2+ Zn 2+ d 7 d 8 d 9 d 10 Alto spin d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 Basso spin

Configurazione d 4 [Cr(H 2 O)6]2+ [Cr(CN)6]4 - DO < P DO > P S=2 S=1

Ione Fe 2+: configurazione d 6 Do basso Do elevato Alto spin Basso spin S=2 S=0

Uno ione metallico di transizione non complessato ha orbitali d degeneri. In un complesso gli orbitali d sono separati in energia e sono possibili transizioni d-d a seguito dell’assorbimento di energia pari a Do. e n e r g i a dx 2 -y 2 dz 2 eg Do dxy dxz dyz t 2 g dxy dxz dyz Le energie richieste cadono nella regione del visibile e i complessi dei metalli di transizione sono colorati. Do= E = hn = hc/l eg t 2 g

Complessi a geometria tetraedrica

Poiché i leganti sono solo 4 e nessuno di loro punta direttamente sugli orbitali d DT < DO I complessi tetraedrici sono ad alto spin

Geometria piano quadrata Lo splitting degli orbitali d vede il dx 2 -y 2 più in alto in energia rispetto agli altri. Ciò favorisce complessi di metalli d 8 a basso spin o di metalli di 4 a o 5 a serie di transizione (es. cisplatino)

LEGANTI DI INTERESSE BIOLOGICO ü peptidi e/o proteine attraverso residui aminoacidici ü leganti chelanti macrociclici ü basi azotate degli acidi nucleici

1) residui aminoacidici di proteine Aminoacid R Aminoacid tyrosine histidine H methionine aspartate cysteine glutamate R

I complessi di coordinazione tra ioni metallici e residui aminoacidici presenti nei sistemi biologici possono presentare coordinazione completa o incompleta attorno allo ione metallico in relazione all’attività biologica (es. se il substrato si deve legare al metallo, se deve avvenire solo un trasferimento elettronico…ecc. ) Con ioni tipo Fe 2+ le proteine formano complessi stabili termodinamicamente ma labili dal punto di vista cinetico La stabilità cinetica è garantita da un’altra classe di leganti

2 a) leganti macrociclici tetradentati Tutti C sp 2 Orbitale p non ibrido per coniugazione doppi legami planare sp 3 Manca un ponte metinico Eme, clorofilla, cobalamine

PRINCIPALI PROPRIETA’ DEI LEGANTI TETRAPIRROLICI ü anello planare, nessuno stress geometrico (lunghezze ed angoli di legame) ü assicurano stabilità cinetica al complesso chelato ü data la rigidità dell’anello sono selettivi sulle dimensioni dello ione e accolgono ioni metallici di raggio 60 -70 pm. Fe 2+ basso spin ha raggio di 61 pm, Fe 2+ alto spin ha raggio di 78 pm. ü il sistema coniugato p è responsabile del colore intenso di questi leganti e dei relativi complessi. Sono i pigmenti della vita. ü il metallo tetracoordinato può fare altri due legami sfruttando le posizioni assiali (es. eme dell’emoglobina)

2 b) Ionofori, leganti macrociclici multidentati ü good for coordination of Na+, K+, Mg 2+, Ca 2+ üMultiple heteroatoms are strategically positioned for bonding metal ions üring size is tailored to fit metal ionic radius üDissociation is possible but very unlikely Complessi macrociclici tridimensionali üInner cavity is polar, outside is lipophile. So these complexes can be transported through biological membranes.

Etere corona che coordina uno ione K+

EFFETTO CHELATO La sostituzione di leganti monodentati da parte di leganti chelanti è accompagnata da un forte guadagno di stabilità termodinamica [Co(NH 3)6]3+ + 3 en K= [Co(en)3]3+ + 6 NH 3 [[Co(en)3]3+] [NH 3]6 [[Co(NH 3)6]3+] [en]3 DG° = - RT ln. K DG° = DH° -TDS°

Reazione con legante chelante [Cd(H 2 O)6]2+ + en DH° = -29. 4 k. Jmol-1 [Cd(en)(H 2 O)4]2+ + 2 H 2 O DS° = +13. 0 JK-1 mol-1 DG favorevole Kf elevata Reazione con legante NON chelante [Cd(H 2 O)6]2+ + 2 NH 3 DH° = -29. 8 k. Jmol-1 [Cd(NH 3)2(H 2 O)4]2+ + 2 H 2 O DS° = -5. 2 JK-1 mol-1 DG meno favorevole, Kf più bassa DG° = - RT ln. K DG° = DH° -TDS° Il vantaggio entropico è tanto maggiore quanto maggiori sono le proprietà chelanti del legante

3) Basi azotate amino amido imine R = ribose or deoxyribose hydroxo Coordinano ioni metallici utili a neutralizzare la carica negativa del DNA. Offrono diversi siti per la coordinazione.

CONCETTO HARD-SOFT Metalli (acidi Lewis) Hard H+ Na+ K+ Mn 2+ Al 3+ Fe 3+ Cr 3+ Co 3+ Mg 2+ Borderline Fe 2+ Ni 2+ Co 2+ Cu 2+ Soft Cu+ Hg 2+ Pt 2+ Cd 2+ Leganti (basi Lewis) Ca 2+ Es. criptati e ferro-porfirine CO 32 RNH 2 PO 43 - Borderline NO 2 SO 32 Imidazole Zn 2+ Pt 4+ Pb 2+ Hard H 2 O NO 3 ROH Au+ Soft R 2 S RNC RSCN- NH 3 OHCH 3 CO 2 ROCl. Br- R 3 P SCN- RSH CO

“un metallo hard lega facilmente ed in modo stabile un legante hard un metallo soft lega facilmente ed in modo stabile un legante soft”

Metallotioneine Basano la loro attività biologica esclusivamente sul concetto hard-soft ü 30 -35% of aminoacid are cysteins with soft –SH groups ü repetitive distribution of Cys-X-Cys etc… ü coordination of soft heavy metal ions such as Cd 2+, Hg 2+, Pb 2+, Zn 2+. ü biological function of metallothioneins is to protect cells from toxic heavy metals