Cellula deve mantenere

omeostasi

Relazione

struttura – attività biologica di proteine ed enzimi

Cellula: ambiente separato

dall’ambiente esterno ma

in comunicazione con esso

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Elementi essenziali

La loro assenza non consente una normale attività cellulare

morte morte

Effetti tossici

Sintomi da deficienza

Stato di “salute”

Concentrazione dell’elemento essenziale

Risposta fisiologica

negativa

positiva

La concentrazione di un elemento essenziale è un parametro importante

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

Tabella 1

Funzioni biologiche svolte dagli elementi inorganici.

funzione strutturale (es. Ca2+ e Mg2+ per il polianione DNA)

portatori di carica per il trasferimento veloce di informazioni (es. Na+, K+, per gli impulsi elettrici nei nervi, Ca2+ per la contrazione muscolare)

formazione, metabolismo e degradazione di composti organici. Queste funzioni richiedono catalisi acido/base secondo Lewis (es. Zn2+)

processi di trasferimento elettronico. Questa funzione richiede elementi con attività redox (es. FeII/FeIII/FeIV, CuI/CuII, CoI/CoII)

La reazione tra uno ione metallico e una o più molecole di legante dà un complesso.complesso.

[Co(NH[Co(NH33))66]]3+ 3+ ione Co3+ è circondato da 6 molecole di NH3

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(NH3)4]2+, Ni(CO)4, [Fe(CN)6]3-

i leganti si distinguono in monodentati e polidentati

Il numero di coordinazionenumero 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(NH3)4]2+, Ca(EDTA)2-. Dipende dalle dimensioni dello ione metallico, dall’ingombro dei leganti e dalle interazioni elettroniche tra i due.

formula Nome come legante

formula Nome come legante

formula Nome come legante

Molecole neutre

Anioni Anioni

H2O aquo F- Fluoro SO42- Solfato

NH3 ammino Cl- Cloro NO2- Nitro (atomo

N lega)

CO carbonile Br- Bromo ONO- Nitrito (atomo O lega)

NO nitrosile I- Iodo SCN- Tiocianato (atomo S lega)

C5H5N piridina O2- Osso NCS- Isotiocianato (atomo N lega)

OH- Idrossi

CN- ciano

Tabella 2: leganti monodentati

leganti multidentati

H2N NH2

NNH

N HN

N N

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 con configurazione d8 (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

[PtCl2(NH3)2]

Esistono due isomeri di tipo geometrico

NH3 Cl

ciscis transtrans

Teoria del campo cristallinoTeoria 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

lungo gli assi cartesianifra gli assi cartesiani a 45°

Ione metallico libero

dxy dxz dyz

dx2-y2 dz2

eg

t2g

o

dxy dxz dyz dx2-y2 dz2

Ione metallico in un campo cristallino sferico Ione metallico in un

campo cristallino ottaedrico

energia

Il baricentro resta inalterato

dx2-y2 dz2

eg

t2g

o

energia

dx2-y2 dz2

eg

t2g

o

O dipende dalla forza del legante:

Legante a campo debole

Legante a campo forte

I- < Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H2O < NH3 < en < phen< CN-< CO

Forza del legante

dxy dxz dyz

dxy dxz dyz

Il valore di o dipende anche dall’identità dello ione metallico

Mn2+< Ni2+< Co2+< Fe2+< V2+< Fe3+< Co3+< Mo3+< Rh3+< Ru3+< Pd4+< Ir3+

o :

aumenta con lo stato di ossidazione del metallo (es. Fe e Co). Fe3+ è più piccolo e le distanze metallo-legante sono minori e quindi le interazioni sono più forti

aumenta scendendo lungo un gruppo (es Co, Rh, Ir). A parità di carica, le dimensioni dei 4d e dei 5 d sono maggiori di quelle dei 3d e quindi anche le interazioni con i leganti sono maggiori.

Basso spin

Alto spin

d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10

Ti3+ Ti2+ V2+ Cr2+ Fe3+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Zn2+

Configurazioni elettroniche di un complesso allo stato fondamentale non è più così ovvia

[Cr(H2O)6]2+

O< P

[Cr(CN)6]4-

O > P

Configurazione d4

S = 2 S = 1

Ione Fe2+: configurazione d6

o elevato

Basso spin

S=0

o basso

Alto spin

S=2

energia

dx2-y2 dz2

eg

t2g

o

dx2-y2 dz2

eg

t2g

dxy dxz dyz

dxy dxz dyz

o= E = hhc/

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 o.

Le energie richieste cadono nella regione

del visibile e i complessi dei metalli di

transizione sono colorati.

Complessi a geometria tetraedrica

Poiché i leganti sono solo 4 e nessuno di loro punta direttamente sugli orbitali d

T < O

I complessi tetraedrici sono ad alto spin

Geometria piano quadrata

Lo splitting degli orbitali d vede il dx2-y2 più in alto in energia rispetto agli altri. Ciò favorisce complessi di metalli d8 a basso spin o di metalli di 4a o 5a serie di transizione (es. cis-platino)

LEGANTI DI INTERESSE BIOLOGICO

peptidi e/o proteine attraverso residui aminoacidici

leganti chelanti macrociclici

basi azotate degli acidi nucleici

CH2 OHN

NCH2

histidine

CH2CH2SCH3methionine

CH2SHcysteine

Aminoacid R

tyrosine

CH2COO-aspartate

CH2CH2COO-glutamate

Aminoacid R

H

1) residui aminoacidici di proteine

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 Fe2+ le proteine formano complessi stabili termodinamicamente ma labili dal punto di vista cinetico

La stabilità cinetica è garantita da un’altra classe di leganti

2a) leganti macrociclici tetradentati

Eme, clorofilla, cobalamine

NN

N NH

H

porphyrin chlorin (2,3 dihydroporphyrin)

NN

N NH

H

NN

NHN

corrin

NN

N NM

metalloporphyrin complex

sp3

Manca un ponte metinico

Tutti C sp2

Orbitale p non ibrido

per coniugazion

e doppi legami

planare

PRINCIPALI PROPRIETA’ DEI LEGANTI TETRAPIRROLICIPRINCIPALI PROPRIETA’ DEI LEGANTI TETRAPIRROLICI

anello planare, nessuno stress geometrico (lunghezze ed angoli di legame)

assicurano stabilità cinetica al complesso chelato

data la rigidità dell’anello sono selettivi sulle dimensioni dello ione e accolgono ioni metallici di raggio 60-70 pm. Fe2+ basso spin ha raggio di 61 pm, Fe2+ alto spin ha raggio di 78 pm.

il sistema coniugato è responsabile del colore intenso di questi leganti e dei relativi complessi. Sono i pigmenti della vita.

il metallo tetracoordinato può fare altri due legami sfruttando le posizioni assiali (es. eme dell’emoglobina)

M

N N

NN

X

Y

2b) Ionofori, leganti macrociclici multidentati

good for coordination of Na+, K+, Mg2+, Ca2+

Multiple heteroatoms are strategically positioned for bonding metal ions

ring size is tailored to fit metal ionic radius

Dissociation is possible but very unlikely

Inner cavity is polar, outside is lipophile. So these complexes can be transported through biological membranes.

Complessi macrociclici

tridimensionali

Etere corona che coordina uno ione K+

EFFETTO CHELATOEFFETTO CHELATO

[Co(NH3)6]3+ + 3en [Co(en)3]3+ + 6 NH3

K = [[Co(en)3]3+] [NH3]6

[[Co(NH3)6]3+] [en]3

G° = - RT lnK

G° = H° -TS°

La sostituzione di leganti monodentati da parte di leganti chelanti è accompagnata da un forte guadagno di stabilità termodinamica

[Cd(H2O)6]2+ + en [Cd(en)(H2O)4]2+ + 2 H2O

H° = -29.4 kJmol-1 S° = +13.0 JK-1mol-1

G favorevole Kf elevata

[Cd(H2O)6]2+ + 2NH3 [Cd(NH3)2(H2O)4]2+ + 2 H2O

H° = -29.8 kJmol-1 S° = -5.2 JK-1mol-1

G meno favorevole, Kf più bassa

G° = - RT lnK G° = H° -TS°

Reazione con legante chelante

Reazione con legante NON chelante

Il vantaggio entropico è tanto maggiore quanto maggiori sono le proprietà chelanti del legante

3) Basi azotate

imine

amino amido

oxohydroxo

N

N

NH2

N

NR

adenine

RN

NN

N

H

O

H2N

guanine

N

N

NH2

R

O

cytosine

O

R

N

N

H

O

R'

R' = CH3 thymine

R' = H uracil

N

N

R

O

NH

HN

N

R

NH

H

N

N

NH2

R

O O

R = ribose or deoxyribose

Coordinano ioni metallici utili a neutralizzare la carica negativa del DNA. Offrono diversi siti per la coordinazione.

Metalli (acidi Lewis) Leganti (basi Lewis)

Hard

H+ Mn2+ Cr3+ Ca2+

Na+ Al3+ Co3+

K+ Fe3+ Mg2+

Hard

H2O CO32- NH3 OH-

NO3- RNH2 CH3CO2

-

ROH PO43- RO- Cl-

Borderline

Fe2+ Ni2+ Zn2+

Co2+ Cu2+

Borderline

NO2- SO3

2- Br-

Imidazole

Soft

Cu+ Pt2+ Pt4+ Au+

Hg2+ Cd2+ Pb2+

Soft

R2S RS- R3P RSH

RNC CN- SCN- CO

CONCETTO HARD-SOFTCONCETTO HARD-SOFT

Es. criptati e ferro-porfirine

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

Metallotioneine

Basano la loro attività biologica esclusivamente sul concetto hard-soft

30-35% of aminoacid are cysteins with soft –SH groups

repetitive distribution of Cys-X-Cys etc…

coordination of soft heavy metal ions such as Cd2+, Hg2+, Pb2+, Zn2+.

biological function of metallothioneins is to protect cells from toxic heavy metals