Testi di riferimento

Testi di riferimento
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Principles of Bioinorganic Chemistry
S.J. Lippard, J. M. Berg
University Science Book (1994).
Bioinorganic Chemistry
Bertini, Gray, Lippard, Valentine
University Science Book (1994).
Inorganic Biochemistry- An introduction
J.A. Cowan
Wiley-VCH (1997)
BIOINORGANIC CHEMISTRY. A short course
Rosette M.Roat-Malone
Wiley-Interscience (2002)
Quimica Bioinorganica
J. Sergio Casas et al.
Editorial Sintesis (2004)
Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry
Kraatz-Metzler-Nolte (Eds)
Wiley-VCH (2006)
Contenuti del corso
1.
Parte introduttiva. Elementi inorganici nei sistemi biologici. Aspetti essenziali della
chimica di coordinazione. Complessi metallo-biomolecola. Aspetti essenziali delle
biomolecole più significative (macrocicli naturali, proteine, acidi nucleici).
2.
Biochimica dello zinco: Zn nei sistemi viventi; principali enzimi (carbossipeptidasi A,
fosfatasi alcalina, anidrasi carbonica); complessi modello.
3.
Biochimica del ferro: principali funzioni biologiche; trasporto e immagazzinamento del
Fe e di O2; trasferimenti elettronici e processi enzimatici.
4.
Biochimica del rame: trasporto di O2 (emocianine) e funzioni redox. Metallo-enzimi
protettori (Cu,Zn-superossido dismutasi).
5.
Biochimica del Mo e W: trasferimenti di O e attivazione dell’N.
6.
Biochimica del manganese. Aspetti catalitici (Mn-SOD) e fotosintesi.
7.
Biochimica del cobalto: vitamina B12.
8.
Cenni di chimica tossicologica di metalli (Cd, Hg e Pb) e non metalli.
9.
Composti metallici nella terapia e nella diagnostica: composti antitumorali a base di Pt
(cisplatino) e antiartritici (Au). Metalli nella radiodiagnostica (99mTc) e radioterapia.
10. Cenni sui principali metodi di indagine nella ricerca bioinorganica
10
La chimica bioinorganica
E’ la disciplina che interfaccia la chimica inorganica e la biologia
La biologia è generalmente associata con la chimica organica, ma elementi inorganici
(in particolare i metalli) sono essenziali per i processi vitali
Delle oltre 4000 proteine di cui è nota la struttura, il 52% contengono metalli
Elemento essenziale: è un elemento necessario per il mantenimento della vita.
La sua assenza determina la morte o un severo malfunzionamento dell’organismo
Criteri per definire l’essenzialità:
1)
La rimozione dell’elemento dalla dieta dell’organismo esaminato determina un danno
fisiologico: l’organismo non può né crescere né completare il suo ciclo vitale in assenza
dell’elemento in questione
2)
La deficienza fisiologica può essere rimossa per l’aggiunta di uno specifico elemento
3)
Ad un particolare elemento è associato una specifica funzione biochimica
Gli elementi chimici in BIOLOGIA
Sono note quasi 2 milioni di differenti specie di organismi viventi:
- Animali
1.032.000
- Piante
248.400
- Funghi
69.000
- Protozoi
30.800
- Alghe
20.900
- Batteri
4.800
- Virus
1.000
L’analisi chimica ha mostrato che 11 elementi appaiono approssimativamente costanti e
predominanti in tutti i sistemi biologici: H, C, N, O, P, S, Na, K, Mg, Ca, e Cl
[nel corpo umano essi costituiscono il 99.9 % del numero totale di atomi presenti e 4 di essi
costituiscono il 99 % del totale ( H, 62.8; O, 25.4; C, 9.4; N, 1.4; altri 1 %)]
Oltre a questi 11 elementi, che sono assolutamente essenziali, sono necessari altri 10 elementi per
la maggior parte degli esseri viventi (ma non tutti): Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, B, Si, Se
Composizione % in peso di alcuni elementi essenziali per l’uomo (adulto)
Ossigeno
53.6
Carbonio
16.0
Idrogeno
13.4
Azoto
2.4
Sodio, potassio, zolfo
0.10
Cloro
0.09
Silicio, magnesio
0.04
Ferro, fluoro
0.005
Zinco
0.003
Rame, bromo
2 ·10-4
2 ·10-5
Piombo, cobalto
2 ·10-6
Selenio, manganese,
Arsenico, nichel
E. Frieden J. Chem. Ed. 1985, 62, 917-923
Curve dose-risposta degli elementi essenziali
Ogni elemento essenziale segue una curva dose-risposta (diagramma di Bertrand, 1912)
1.
L’assenza dell’elemento porta alla
morte dell’organismo
2.
Con una assunzione limitata
l’organismo sopravvive ma può
mostrare limitate funzionalità
3.
Aumentando la quantità di nutriente
si arriva ad una funzionalità ottimale
dell’organismo osservato
4.
Un eccesso di nutriente provoca
dapprima una piccola tossicità che in
presenza di un più grande eccesso
porta alla morte
La quantità giornaliera di un elemento essenziale è specifica per ogni elemento e può variare dai
microgrammi ai grammi (vedi Se e F nell’uomo)
Elementi essenziali, tossici e di interesse farmacologico
Classificazione degli elementi essenziali
1.
Elementi strutturali (bulk elements): H, C, N, O, P, S
2.
Macrominerali e ioni: Na, K, Mg, Ca, Cl, PO43-, SO42-
3.
Tracce: Fe, Zn, Cu
4.
Ultra tracce (non metalli): F, I, Se, Si, As, B
5.
Ultra tracce (metalli): Mn, Mo, Co, Cr, V, Cd, Sn, Pb, Li
Tecniche di indagine sempre più accurate hanno permesso di considerare essenziali anche elementi che in
passato erano ritenuti tossici
Elementi essenziali per l’uomo
Aspetti strutturali e funzionali dei metalli in biologia
I metalli associati a proteine definiscono dei siti attivi delle biomolecole che possono
essere così classificati:
1.
Strutturali: determinano la configurazione e la struttura terziaria e/o quaternaria della proteina
2.
Uptake, binding e rilascio di metalli in forma solubile
3.
Trasferimento di elettroni (uptake, cessione e immagazzinamento di elettroni)
4.
Binding, trasporto e trasferimento di diossigeno
5.
Catalitici: i metallo enzimi sono delle metalloproteine che svolgono una specifica funzione catalitica.
Il ruolo dei metalli in biologia può riguardare anche:
- la comunicazione: ioni metallici funzionano come bussole per l’orientamento (in batteri
magnetotattici)
- interruttori di specifiche funzioni cellulari (ioni del I e II gruppo), bilanci elettrici e
osmotici
- interazioni di ioni metallici con acidi nucleici
- metalli in medicina