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 degli elementi essenziali nel corpo umano (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

Selenio, manganese,

Arsenico, nichel 2 ·10-5 Piombo, cobalto 2 ·10-6

Curve dose-risposta degli elementi essenziali

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

Ogni elemento essenziale segue una curva dose-risposta:

Elementi essenziali

Classificazione degli elementi essenziali

1. Bulk (strutturali): H, C, N, O, P, S

2. Macrominerali: Na, K, Mg, Ca, Cl, PO4, SO4

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

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 metallo proteine che svolgono una specifica funzione catalitica.

I metalli associati a proteine definiscono dei siti attivi delle biomolecole che possono essere così classificati:

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)

- interazioni di ioni metallici con acidi nucleici

- metalli in medicina