Chimie Bioanorganica
=== chimie1 ===
INTRODUCERE
Chimia bioanorganică s-a dezvoltat ca un domeniu interdisciplinar (de înalt grad) abia după 1960.
Pentru această au existat următoarele motive hotărâtoare:
identificarea ionilor metalici în cantități considerate “în urme” în componența substanțelor biologice a putut fi realizată abia după punerea la punct a unor metode de analiză sensibile (cromatografia, spectroscpia de absorbție și de emisie) ; de exemplu : deși Zn este intr-o cantitate de cca. 2 g în omul adult și nu poate fi considerat un adevărat element în urme – prezența sa în enzime a fost evidențiată abia în anii ’30 ai secolului nostru; bioelemente mai rare cum sunt Ni sau Se au fost recunoscute abia în 1970 ca părți constitutive ale multor enzime importante;
au urmat, în mijlocul acestui secol, eforturi de lămurire a mecanismelor reacțiilor biochimice și ale celor anorganice și organice ce au permis în unele cazuri o înțelegere a funcțiunilor specifice ale elementelor anorganice;
importanța crescândă a cercetării interdisciplinare a trebuit în principal să determine apariția unor domenii – Chimia bioanorganică permițând efectuarea de progrese în cunoașterea un profunzime a substanțelor biologice ; acest domeniu cuprinde – așa cum sugerează denumirea – părți din discipline clasice chimice;
importante pentru progresul rapid în domeniul chimiei bioanorganice apar următoarele contribuții:
ale fizicii (aparatură și tehnici de studiu )
ale diferitelor ramuri ale biologiei (pregătirea eșantioanelor, ingineria genetică )
ale științelor agricole și alimentare (efectele elementelor anorganice asupra organismelor superioare –influente negative)
ale farmacologiei (interacția dintre medicamente și substanțe anorganice proprii și străine)
ale medicinii (pentru punerea diagnosticelor, terapia tumorilor)
chimia alimentare, toxicologia (caracterul toxic al combinațiilor anorganice-probleme de concentrație)
Fără îndoială este spectaculos succesul combinației complexe anorganice cis-diaminodiclorplatin cis- [Pt] în tratarea unor anumite forme tumorale; este vorba despre patentul de succes (câștig mai mare de 55 milioane $ din 1970) care a fost propus de universitatea americană din Michigen.
CAPITOLUL 1
ELEMENTELE CHIMICE DIN ORGANISMELE VII
Prezentare generala
In afară de schimbul de energie cu mediul, organismele vii fac și un schimb de materie, care în principiu cuprinde toate elementele chimice. Frecvența acestor elemente în elemente în organisme depinde, printre altele de condițiile exterioare; unele pot fi intr-o proporție deosebită “biodisponibile” sau pot fi preluate de ființe pentru procesele energetice.
Compoziția medie elementară a unui adult (70 kg) se prezintă astfel:
O 45500(g) P 700 Fe 4,2 Br 0,2 I 0,03 Cr 0,005
C 12600 S 175 Zn 2,3 Sr 0,14 Mn 0,02 Ca 0,003
H 7000 K 140 Si 1,4 Cu 0,11 V 0,02 Li 0,002
N 2100 Cl 105 Rb 1,1 Al 0,8 Se 0,02
Ca 1050 Na 35 F 0,8 Pb 0,08 Ba 0,02
Mg 35 Zr 0,3 Sb 0,07 Ni 0,01
Aceste date oferă posibilitatea următoarelor comentarii:
Valorile pentru O și H oglindesc conținutul ridicat în apa (anorganică) , abia pe locul al doilea, apărând elementul “organic” carbonul.Primul element cu caracter metalic este calciul, pe locul al V-lea; el servește predominant în stabilizarea scheletului intern. Mai departe, apar și cantități relativ mari K, Na, Mg, și Cl, înainte de Fe și Zn; apoi apar elemente mai puțin frecvente.[1]
Ca elemente în urme pentru organismul uman sunt considerate acelea al căror necesar zilnic nu depășește 25 mg.
In acest interval de aproximativ 1 g se găsesc împreună – fluorul și siliciul – două elemente nemetalice importante pentru structura de rezistentă a corpului.
In continuare apar adevăratele elemente în urme, dintre care pentru unele nu sunt clar definite, frecvența, funcția și caracterul lor esențial – necesar pentru viată.
Ca elemente esențiale sunt definite acele elemente a căror lipsă completă în organism determină leziuni grave, ireversibile.
Din tabel rezultă un conținut în cantități mari pentru elementele declarate neesentiale (Rb, Zr, Sr, Br, Al, Li) aceste elemente își datorează preluarea lor asemănării cu elementele esențiale frecvente
O atenție deosebită merită acele elemente care în mod obișnuit sunt cunoscute ca toxice (de ex. As, Pb, Cd); chiar și pentru acestea s-a discutat? în ultima un efect pozitiv în urme (ambivalentă în urme) [2]
Este posibil ca în cursul evoluției vieții să se fi stabilit o funcție fiziologică pentru toate elementele existente în natură , chiar și pentru cele care nu sunt esențiale.
Dacă se compară frecvența exprimată în concentrație molară (logaritmul ) în corpul uman, scoarța și apa marii, rezultă o bună corespondentă cu compoziția apei de mare, probabil locul în care s-a dezvoltat viața. Frapează conținutul mic în siliciu, aluminiu sau titan ca elemente componente ale structurii de rezistentă a corpului, care sunt mai frecvente în scoarța terestra dar asemănătoare cu cele ale apei marii. Explicația poate fi ca la pH-ul ~ 7 la care au loc procesele vitale, în soluția apoasa, aceste trei elemente există ca oxizi ( hidroxizi ) greu solubili și deci nu pot fi proprii desfășurării acestor procese. Invers, molibdenul mai frecvent ca element esențial în organism la pH 7 ca este prezent și în apă cu aproximativ aceiași frecventă.
In general elementele metalice sunt pe de o parte în stări de oxidare inferioare (+I,+II) și pe de altă parte în stări de oxidare foarte înalte (+V,+VI,+VII) ca oxoanioni solubili în mediu apos neutru și astfel biodisponibile.
In general, compoziția elementară poate varia la diferitele organisme în funcție de metabolism și habitat.
Se discută în legătură cu întrebarea, care elemente sunt esențiale pentru un anumit tip de organism (sau benefice ), care sunt tolerate sau toxice.
Un punct de vedere analitic prevede dependența condițiilor, capacității funcțiilor fiziologice ale unui organism de doza sau concentrația unui element adesea component al alimentelor. Se cunoaște o diagrama doză/acțiune fiziologică care ilustrează principiul lui PARACELSIUS al ambivalenței acțiunii multor substanțe .
O noțiune importanța este lărgimea terapeuticii ce conectează domeniul de concentrație cu acțiunea cea mai importantă .[2]
Pentru o discuție concretă trebuie să se ia în considerație următoarele aspecte :
reabsorbția combinațiilor anorganice depinde în primul rând de solubilitate și de sarcina sistemului; molibdatul este foarte eficient resorbit în hrană (70 – 80 %) în timp ce Sr , din contra chiar în formă complexată este foarte puțin resorbită ( mai puțin de 1% )
nu este de așteptat ca organismele complexe, superioare din interiorul unei populații sau ale unei etape din dezvoltarea ei să reacționeze unitar; de aici apar dozele medii intr-o anumită situație, de exemplu pentru stadiul de maturitate al unei populații;
variația concentrației unui element influențează concentrațiile și acțiunea fiziologică a altor substanțe și chiar a altor elemente anorganice. Această interdependența este cunoscută încă de la Liebig care a studiat calitativ elementele simple; Două componente pot fi una fată de alta intr-un raport de stimulare (sau sinergetic), sau antagonic.
Comportare antagonică
– prin înlocuire
– prin dezactivare:
acțiune antagonică acțiune sinergetică
Comportarea antagonică poate să apară prin înlocuire :
Sau dezactivare :
( greu solubil )
Comportarea este mai complicată în sistemele formate din trei componente – exemplu Cu/Mo/S.
In ciuda acestei complexități există în prezent date confirmate referitoare la discuțiile care apar în lipsa unor elemente anorganice.
Ca tulburări de creștere (schelet) a fătului
Mg crampe
Fe anemie, dezordini ale sistemului imunitar
Zn boli de piele
Cu boli ale arterelor, ficatului, anemie secundară
Mn sterilitate
Co anemie pernicioasă
Ni tulburări de creștere, dermatite
Cr simptome asemănătoare diabetului
Si tulburări de creștere ale scheletului
F carii
I lipsa funcției tiroidei, metabolism încetinit
Se dureri musculare
Mo încetinirea creșterii celulelor
As tulburări de creștere (la animale)
Având în vedere acestea, s-a stabilit necesarul zilnic în elemente chimice pentru adulți și sugari, doze cuprinse intre anumite limite.
Tulburări ale funcționării organelor apar nu numai în situațiile de carență ci și în cazurile de supradoza / exces intr-un anumit element. și în aceasta situație chimia bioanorganică are o soluție : complexarea cu agenți de chelare ( chelat – terapia ) a ionilor metalici acut toxici.
Acești liganzi sunt polidentați și sunt aleși după teoria acizilor și bazelor tari și slabe, pentru o mai buna selectivitate. Astfel, atomi donori (sulf) pentru metale grele de clasă b (slabe), azot în special pentru , oxigen pentru metale de clasă a (tari), care conduc la compuși stabili termodinamic. Liganzii au grupări hidrofile ( OH ) pentru o rapida eliminare a metalelor complexate din organism.[1]
Exemple :
Dimercaptopropanol (BAL) pentru ,
Dimetilcisteină (Trolovol) pentru
3. EDTA pentru
Funcții biologice ale elementelor anorganice
Există funcții ca cele de mai jos pentru care sunt necesare anumite combinații sau ioni metalici :
funcția structurală – numai în domeniul structuri de rezistentă se găsesc în special elementele Ca, Mg ( ca și cationi ), P, O, C, Si, F ( ca anioni ).
transportor de sarcină – pentru transmiterea rapida a informației sunt ioni simpli, mici ( );
sinteza și degradarea combinațiilor organice în organism – necesită adesea cataliza acidă sau bazica, dar la pH-ul fiziologic de 7 este vorba de cataliza prin acizi și baze Lewis prin intermediul ionilor metalici. în organele active hidrolitic se găsesc ioni relativi mici cu sarcina +2 ( );
pentru depozitarea energiei organismelor este esențial transportul de electroni – care se realizează prin centri metalici activi redox.
In mod surprinzător se întâlnește o serie întreagă de perechi redox, care în condițiile fiziologice conțin stări de oxidare neobișnuite, care sunt stabilizate prin intermediul bioliganzilor.
Relevante din punct de vedere biologic sunt următoarele stări de oxidare ale metalelor redox active :
Fe(II) / Fe(III) / Fe(IV)
Cu(I) / Cu(II)
Mn(II) / Mn(III) / Mn(IV)
Mo(IV) / Mo(V) / Mo(VI)
Co(I) / Co(II) / Co(III)
Ni(I) / Ni(II) / Ni(III)
acțiunea moleculelor mici înalt simetrice – cu energii mari de formare se realizează în prezența unor catalizatori :
preluarea reversibila, transportul, depozitarea și folosirea ( Fe, Cu ) sau chiar generarea ( Mn ) moleculelor de paramagnetice ;
fixarea molecular și transformarea în ( Fe, Mo, V )
reducerea reversibilă a și a la metan (Ni, Fe );
reactivitatea tipic metalorganică – obținerea relativ ușoară se găsește la coenzimele colamine, în care există o legătură intre metalul tranzițional cobalt și o grupare alchil primară .
Metale alcaline
1.2.1 Sodiul
Sodiul este asimilat de plante numai atunci când se află în mare exces în mediul înconjurător, cum este cazul la plantele marine. în organismul animal concentrația totala a sărurilor determină presiunea osmotica normală a lichidelor;
Aceasta este indispensabilă pentru ca unele componente labile, de mare însemnătate ale celulelor, proteinele să rămână în starea cea mai potrivită pentru îndeplinirea funcțiunilor lor. Menținerea unei presiuni osmotice constante nu este suficienta, mediul salin trebuie să aibă o anumită compoziție sau mai exact, intre concentrațiile ionilor prezenți în lichidele organismului trebuie să existe anumite raporturi constante fără de care procesele vitale nu decurg normal .[3]
Sodiul și potasiul apar în cantități aproape egale în organism. Din totalul sodiului ( sub forma de ) din organism ( aproximativ 75 grame ), în oase se acumulează 35 – 40%. Majoritatea se află în forma NaCl o mică parte legată de proteine, iar o alta parte se găsește sub formă de bicarbonat de sodiu. Sodiul predomină în lichidele extracelulare spre deosebire de potasiu existent cu precădere în lichidele intracelulare. Aceasta repartiție a ionilor de și de o parte și de altă a membranei celulare joacă un rol deosebit în fenomenul contracției musculare ( generând o diferență de potențial electric, așa numitul “ potențial de membrană “de repaus ).
Sodiul pătrunde în organism cu precădere sub formă de clorură de sodiu, prin alimentație, necesarul zilnic fiind 4 –5 grame.
Absorbția se face așa după cum au dovedit experiențele cu izotopi radioactivi, în special la nivelul intestinului subțire.
Eliminarea sodiului se face în majoritate prin rinichi și transpirație ( sub formă de clorură de sodiu ) și doar în mică măsură prin fecale. Cantitatea de sodiu eliminată în cadrul unui metabolism normal trebuie să fie desigur în concordantă cu cea ingerată și depinde deci de alimentație deoarece eliminarea sodiului prin urină este proporțională cu cantitatea de potasiu adus prin alimentație, trebuie ținut seamă de proporția existentă în alimente. Pentru ca în carnea de vită raportul este de 70/355 mg%, iar în cartofi de 7/570 mg%, rezultă că regimul vegetarian implică utilizarea unor cantități mari de în alimente.[4]
In cadrul unui efort îndelungat care se efectuează în condiții de temperatură ridicata, odată cu transpirația se elimină și cantități importante de NaCl, lipsa ionului de sub o anumită limita, putând provocă crampe musculare.
In organism există și o mobilizare internă a sodiului care a fost dovedită cu ajutorul izotopilor radioactivi în decurs de 24 ore aproximativ 40% din totalul de din plasma, este schimbat cu cel din oase și invers. Împreună cu ionul influențează homeostazia, intervenind în echilibrul hidromineral și acido-bazic. Din acest motiv este folosit în mediul medical sub formă de perfuzie ( ) .
Prin creșterea solubilității sulfamidelor, antibioticelor și barbituricelor mărește biodisponibilitatea acestora.
1.2.2 Potasiul
Potasiul joacă un rol important în fiziologia vegetalelor. Solurile cultivate intensiv, sărăcesc până într-atât în ioni de , incit dezvoltarea normală a plantelor este întârziată. De aceea este necesar să se adauge în soluri săruri de potasiu, de obicei KCl, carnalită etc., ca îngrășăminte chimice, alături de combinații ale celorlalte elemente indisponibile vieții plantelor : fosforul și azotul.[3]
Potasiul prezent în organismul uman este localizat mai ales în lichidele intracelulare ( intr-o concentrație de 25 de ori mai mare decât în cele extracelulare ), fiind considerat un “ element celular “ spre deosebire de sodiu care este “ element circulant “.
Rolul potasiului se manifestă în menținerea excitabilității neuromusculare, în reglarea osmozei intracelulare, declanșarea secreției de adrenalină. Aportul potasiului în organism se realizează prin intermediul hranei, absorbția făcându-se în întregime în tractul intestinal, cu viteză mai mică decât a sodiului. După absorbție, potasiul este transportat și distribuit surprinzător de rapid în celulele diverselor organe, acumulându-se mai ales în ficat și țesutul muscular. Se constată în experiențele cu potasiu radioactiv, ca este necesar doar un minut pentru ca 90% din radioactivitatea plasmei să dispară, pentru a fi prezentă cel mai rapid în ficat, apoi în celelalte organe.
Eliminarea potasiului se face pe cale renala, rinichiul având capacitatea de a regla nivelul potasiului în sânge printr-o eliminare abundenta, dacă nivelul acestuia este crescut. Raportul de aproximativ 1/25 care se stabilește intre potasiul extracelular și cel intracelular este de o deosebită importanta, dereglarea lui ( prin creșterea cantității de potasiu extracelular ) ducând la tulburări ale excitabilității musculare sau în funcția respiratorie și cardiacă. Dereglarea acestui echilibru survine în cazul unor pierderi excesive de potasiu prin eliminare renala, exagerata, prin vărsaturi, diaree, în cazul inaniției sau unor traumatisme care au ca urmare distrugeri masive de celule.[4]
In timpul eforului fizic realizat prin contracții musculare, mușchiul pierde cantități apreciabile de potasiu care sunt antrenate în curentul sanguin. Experiențele pe animale dovedesc, ca, conținutul potasiului în mușchi are valori mai mari la animalele antrenate decât la animalele neantrenate.
In mediul medical potasiul este folosit sub forma de KCl soluția perfuzabilă pentru reechilibrarea hidro-minerală și acido-bazică; Pentru creșterea disponibilității medicamentelor formând compuși mai solubili.
Este antagonist al sodiului și calciului.
1.2.3 Transportul ionilor prin membrane
Generalități
Simetria distribuitei ionilor în materialele biologice (mușchi, nervi, celule) este un fenomen binecunoscut. Având o concentrație dată a ionilor din sistemele biologice , aceasta trebuie menținută constantă de o parte și de alta a membranei celulare. Astfel, din acest punct de vedere, prezintă o structură mult mai complicată decât un simplu strat bilipidic, generând termeni specifici propuși pentru studiul mecanismelor de pătrundere selectivă a ionilor prin membrana celulară. Acestea sunt după cum urmează:
PORI= găuri tranziente în membrane care permit cationului să penetreze
PURTATORI = agenți ionifori naturali și sintetici descriși în subcapitolul anterior
CANAL = definit ca o macro moleculă care creează prin membrană un “ pasaj “ de trecere a cationului.[5]
In ciuda eforturilor depuse pentru descrierea detaliată “ în vivo “, totuși mecanismul de transport al ionilor este neclar. , – ATP – așa este un sistem binecunoscut ce realizează o trecere selectivă a ionului prin membrana, dar greutatea sa moleculara mare ( < 270 ) constituie un handicap pentru o analiză detaliată a proprietăților sale.
Interesante sunt studiile pe ionifori naturali sau sintetici care ne permit o profundă înțelegere a procesului de transport ( ionifori naturali – antibiotice sunt metaboliții microorganismelor ). Alte studii s-au bazat pe membrane lichide folosite în elucidarea transportului cationilor prin membrane. Forța conducătoare în acest tip de mecanism este gradientul ionic foarte bine ilustrat în figura 1.
Figura 1 Gradiantul ionic
Mecanismul transportului poate fi ilustrat prin :
complexitatea lui la interfață;
difuzia complexului;
apariția cationului;
difuzia purtătorului.
Membrane biologice și bioelectrochimice
Figura 2 Structura membranei celulare.
Membranele biologice semipermeabile și prin urmare fenomenele de membrană sunt extrem de răspândite în natură. Astfel, membranele celulare sau membranele din plasmă separă partea internă a oricărei celule vii de mediul înconjurător. Compoziția soluțiilor în interiorul și exteriorul celulei este diferită și înseși membranele posedă o permeabilitate selectivă. La baza transportului speciilor prin membrană stau legitățile electrochimice. Una din părțile electrochimiei este axată pe studiul membranelor și a rolului lor în sistemele biologice. Prezentam în figura 2 structura membranei celulare.[5]
Membrana constă dintr-un strat dublu de lipide (1) și grupe polare (2) care sunt îndreptate spre exterior ( lipidele sunt macromolecule formate din molecule de acizi grași ). La părțile exterioare ale membranei este absorbit stratul primar (3) de moleculele de albumina, a căror interacțiune una cu alta conferă membranei stabilitate mecanică și rezistentă. Membranele sunt străbătute de canale speciale lipoproteice (4) ( complecși de lipide și albumine ) cu ajutorul cărora se realizează transportul ionic selectiv. Soluția din interiorul celulei conține de concentrație relativ ridicată și ioni și în concentrații relativ mici. Deficitul anionilor anorganici necesari pentru menținerea electroneutralității este acoperit de anioni anorganici probabil anionii aminoacizilor. Mediul ce înconjoară celula este bogat în ioni .
Diferența potențialelor la membrana celulară depinde de diferența concentrației ionilor din partea inferioară a celulei și din mediul ce o înconjoară precum și de permeabilitatea membranei. Potențialele de membrană a fibrelor nervoase și musculare sunt în starea de repaus 60 – 90 mV. Formal, potențialul de membrană se supune ecuației :
unde si sunt activitățile ionilor din interiorul și respectiv din afara celulei.
Prin metoda indicatorilor radioactivi s-a stabilit ca membrana este permeabilă pentru ionii și câțiva alți ioni.
Prin acțiunea excitantului asupra fibrei nervoase sau musculare potențialul de membrana, la locul excitării se modifică. Aceasta modificare începe să se extindă de-a lungul fibrei aproximativ cu viteza constantă. Inițial, starea de excitare conduce la creșterea bruscă a permeabilității membranei pentru ionii , al căror flux se îndreaptă spre interiorul celulei, apoi apare curentul ionilor , îndreptat spre mediul exterior. Unda care se propagă pe fibră poartă numele de unda acțiunii potențiale. Schema propagării impulsului nervos poate fi modelată pe baza unor sisteme electrochimice.
Menționăm ca în starea de repaus membrana celulara este permeabila selectiv pentru ionii de , dar în starea excitata, în urma unui mecanism încă neelucidat, ea își modifică selectivitatea, devenind permeabilă pentru ionii de , care așa cum s-a arătat pătrunde în celulă. Tocmai această “ scurgere “ de ioni , însoțită de modificarea potențialului de membrană la cca. +40 mV se numește impuls nervos sau potențial de acțiune. Potențialul de acțiune apărut intr-un anumit punct al nervului, schimbă caracteristicile membranei celulare intr-un punct învecinat, determinând fluxurile de ioni menționate; pe aceasta cale se transmite fluxul nervos în nerv, baza comunicării dintre diverse părți ale corpului și creier.
Figura 3 Membrana din organismele vii
Dezvoltarea bioenergeticii al cărei obiect de studiu constă în cercetarea transformărilor biologice a energiei, a arătat ca biomembranele joacă rolul principal în mecanismul eliberării și utilizării energiei în sistemele vii. Există două procese de bază în asigurarea energetică a unor astfel de sisteme : fotosinteza și respirația. La organismele superioare procesele de asigurare energetică sunt localizate pe membrane speciale ale celulei ( organe intracelulare ) denumite mitocondrii, care joacă rolul de “ stații de forță “ pentru plasarea energiei necesare funcționarii celulelor. Mitocondria este înconjurată de doua membrane, una internă și alta externă. Complecși de fermentație care asigură energia celulei sunt situați pe membrana internă mitocondrială. Membrana celulară joacă un rol analog cu bacteriile aerobe.
Studiul fenomenelor de membrană din organismele vii este o problemă extrem de complicată : celula este înconjurată de o membrană care separă interiorul apos de plasmă și permite pătrunderea selectivă a ionilor și a “ nutrienților “, respectiv ieșirea materialelor nedorite sau a materiei produse pentru utilizarea ei în altă parte. Membrana funcționează ca o “ barieră vie “ și în această barieră are loc procesul de separare ă cationilor; ea are aproximativ 70 grosime și este alcătuită dintr-un strat dublu de lipide în care proteinele globulare plutesc că iceberg-urile ( figură 3 ). Cationii alcalini trebuie să traverseze această barieră ( trecând printr-un mediu cu o constantă dielectrică scăzută care nu este favorizată ținând cont de energia electrostatică mare cerută de transferul de ioni de la o regiune cu o constantă dielectrică mare ( plasmă ) în cea cu constantă dielectrică mică ( bistratul de lipide ).
Este nevoie de un purtător molecular la “ încapsularea “ cationului, care în acest fel prezintă o înconjurare organica, lipido-solubilă la membrana. Astfel cationii alcalini traversează membrană fiind trecuți din locul donor spre locul din por donor sau celulă poate acumulă cationi lucrând împotrivă gradientului de concentrație independent de o sursă de energie prin așa-numită difuzie facilitata. în cazul unui transfer activ ( considerat cel de-al doilea proces ) se cere energie : hidroliză A.T.P. – ului la A.D.P. și fosfatul anorganic este considerată sursă de energie pentru acest proces în general cunoscut sub denumire de pompă de sodiu.
Modelele sistemelor cu membrană lichidă au realizate utilizând tehnică tuburilor în formă de U (figură 4 ).
Figura 4: Modelele sistemelor cu membrană colorată (exemplu -4-nitrofenolat)
Un sistem este construit utilizând un tub în formă de U continuând două straturi apoase separate de un mediu semipermeabil sau membrană de cloroform ()ales pentru că constantă să dielectrică este similară cu cea a membranei. O sare de metal alcalin colorată (exemplu -4-nitrofenolat) este introdusă pe o parte ă barierei cu rol de experiment de control (figură 4 ). Al doilea tub conține un ligand purtător în stratul de care datorită metalului alcalin, evidențiază fenomenul de transport. Dacă culoarea se deplasează rapid în stratul organic, ligandul acționează că receptor de ioni ( figură 4 ). Dacă culoarea este prompt transferată prin stratul de , în al doilea strat apos, atunci moleculă adăugată acționează că un purtător de ioni. Diferență în comportament este legată de constantă de formare ă complexului care creste la receptarea ionului și are valoare medie la transportul acestuia.[5]
Cel mai bun purtător de ioni este ligandul care are o stabilitate moderata, decât un complex foarte stabil care nu poate eliberă eficient din complex cationul metalic.
Membranele artificiale au o structură mai simplă decât cele naturale ( compară figură 2 cu 4 ) dar se apropie printr-o serie de parametri cum ar fi: grăsimea, capacitatea electrica, tensiunea interfazică, permeabilitatea apei. Totuși , rezistentă electrică ă membranei este mai mare cu 4-5 ordine de mărime. Conductivitatea electrică ă membranelor creste prin adăugare de acizi grași solubili sau polipeptide. Membrană modificată cu valinomicină (polipeptida) are o rezistentă de S/, iar permeabilitatea ei fată de este de aproximativ 400 de ori mai mare decât fată de . Pe aceste modele modificate s-ă studiat mecanismul permeabilității selective ă membranelor. în condiții date , prin adăugare de componenți albuminici la membrană artificiala, s-ă reușit să se modeleze de asemenea proprietățile de excitabilitate.
Există câteva mecanisme ale transportului ionic :
conform mecanismului transportorilor mobili ai ionoforilor (T) care conduc la conductibilitatea selectivă ă membranelor, se formează la suprafață membranei un complex cu cationul ():
+[CT].
Acest complex neutru difuzează prin partea opusă ă membrane își disociază, astfel că
trece în fază apoasă iar sub acțiunea câmpului electric revine:
CT CT
transportul ionului poate fi efectuat de un purtător ordinar cit și de purtători colectivi;
modelul transportului ștafetă presupune că purtătorii sunt imobili și formează laturi situate de-a curmezișul membranei, iar cationii străpung membrană de-ă lungul acestor lanțuri, prin salt de la un purtător la altul.
Transportul este posibil și pe bază reacției oxido- reducătoare la interfază lipid- apa: . Această reacție este însoțită de injectarea electronilor în membrana. Schemă transportului este diferită dacă particulă B este solubilă sau insolubilă în fază lipidic:
B B
B
Canale de ioni
Introducere
Canalele ionice sunt proteine capabile de o viteză de transport de ioni/sec. Această rapiditate de transport este foarte importantă in semnalarea imediată a evenimentelor cum ar fi generarea proteinelor de acțiune responsabile de transmiterea semnalului prin nervi. Canalele pot exista într-o mare varietate de stări conformaționale, unele sunt deschise (active), capabile pentru transportul ionic, altele sunt închise (inactive). În capitolul următor vom discuta două tipuri de canale-ion în detaliu: receptorul acetilcolina (canal cu poartă, purtători neurotransmițători ) și canal –sodiu cu poartă în tensiune. [5]
Receptorul acetilcolina
Receptorul acetilcolina este o moleculă mare și complexă a cărei structură nu a fost elucidată în toate detaliile atomice; cu toate acestea , studii utilizând o mare varietate de tehnici ale chimiei, biofizicii și biologiei moleculare au realizat totuși o imagine întregită aspra structurii acesteia. În plus metodele electrofiziologice include și acele detalii care permit vizualizarea unui singur receptor din molecula acetilcolinei, care au condus la obținerea unor multitudini de informații legate de mecanismul de acțiune al acestei proteine. Rolul biologic al receptorului acetilcolinei este ilustrat in figura 5.
Receptorului acetilcolinei este o moleculă glicoprteică oligomerică mare, care conține în total cinci lanțuri de polipeptide dintre care patru sunt cu o stoechiometrie de suprafață de . Masa ei este aproximativ de300 kilodaltoni, și este găsită mai ales în mușchi, creier și în organe specializate cum ar fi electroplaxul din peștele electric torpedo. Secvențele aminoacide au fost deduse din clone .
Analiza arată cu claritate că patru subunități sunt omoloage, înrudite printr-o secvență comună. Fiecare glicoproteină leagă două molecule de acetilcolină neurotransmițătoare câte una pentru fiecare din subunități. Aspectul structural al receptorului a fost determinat prin studii cu microscopul electronic; imagini schematice ale structurii sunt arătate în figura 6.
Cinci subunități sunt aranjate într-o formă o pentagonală în jurul unui miez relativ deschis. Un domeniu mare se deschide spre partea extracelulară a membranei în timp ce una foarte mică este prezentă pe partea intracelulară. Analiza resturilor hidrofobe în secvența subunităților aminoacidului permite identificarea regiunilor care probabil penetrează membrana. Structura schematică este arătată în figura 6 . Acolo există patru benzi de 20-25 resturi hidrofobice corespunzând unor anumite poziții în fiecare subunitate, care sunt analoge secvențelor similare din locul în care are loc sinteza bacteriană, ce a fost arătată prin studii cristalografice de raze X, a fi spirale elicoidale care penetrează membrana.
Aceste regiuni au un rol important în formarea canalului prin membrana prin care ionii trebuie să treacă. Studii, așa cum vom vedea, au dezvăluit că a 2-a dintre aceste elice care trec prin membrană, formează probabil partea interioară a canalului
Figura 5: Rolul biologic al receptorului acetilcolină
Figura 6 Aspectul structural al receptorului
Ionii pot fi transportați dincolo de membrană, de molecule care acționează prin unul dintre cele două mecanisme total diferite : într-unul, un ion se leagă de purtător care apoi difuzează și/sau rotindu-se traversează membrana și se eliberează ionul (vezi figura 7)
În celălalt caz, un por este format prin membrană, prin care ionii pot trece fără mari “mișcări” de transportor (adică fără să antreneze o mare cantitate de transportor). Receptorul acetilcolina face parte din ultimul mecanism. Obișnuit, canalul este închis și un număr mic de ioni traversează membrana. În prezența acetilcolinei molecula receptoare are probabilitate mult mai mare de a suferi o tranziție spre o stare deschisă prin care ionii să tracă liber. Receptorul acetilcolina este un canal cationic nespecific prin care prin care numai ionii încărcați pozitiv pot trece, existând și în acest caz o mică discriminare între acești cationi; în condiții fiziologice ionii de sunt principalii cationi transportați.
Figura 7 Transportul ionilor prin membrană
Cum am observat mai sus, ionii pot trece prin astfel de canale cu o rată foarte mare, astfel receptorii acetilcolinei din mușchi rămân deschiși în medie aproximativ 10 msec/tranziție dar în acest timp aproximativ ioni sunt transportați dincolo de membrană. Acest flux corespunde unui curent de câțiva pA.
Figura 8 Metoda patch-camping de urmărire a canalelor individuale
Datorită factorului de amplificare mare, rezultat din deplasarea a ioni dincolo de membrană prin schimbarea conformației moleculei și datorită semnalului produs care este o formă măsurabilă ușor (curentul), a fost posibilă dezvoltarea metodei de urmărire a canalelor individuale în acțiune prin monitorizare. Metoda este numită patch-clamping și este ilustrată în figura 8.
Micropipeta cu o suprafață foarte netedă este către membrana celulară, aspirația ușoară produce o atingere a pipetei de celulă, astfel încât orice curent ce trece între cei doi electrozi produce, unul în interiorul celulei celălalt în interiorul pipetei, trebuie să tracă prin locul de contact.
Metode destul de sensibile pentru măsurarea curenților de ordinul picoamperilor, permit curenților rezultați prin deplasarea unui singur ion în canal să fie înregistrați prin prezența acetilcolinei. O astfel de înregistrare este arătată în figura 9.
Salturile de curent corespund unui singur receptor de acetilcolină suferind schimbări conformaționale din starea deschis la starea închis. Aceste metode care urmăresc trecerea curentului prin mai mult de un canal deodată, permit măsurători detaliate în legătură cu permeabilitatea canalelor în cazul diferiților ioni. Așa cum s-a observat mai sus, canalul acetilcolinei este foarte nespecific în privința ionilor care trec prin el. În plus ionii biologici importanți ( cationi la fel de mari ca și dietilamoniu ) pot trece prin aceste canale aproape la fel de bine ca și ionii de .
Prin metodele folosite s-au putut explica fenomenele de poartă în cazul acetilcolinei, schemă prezentată în figura 10. În absenta unei concentrații mari de acetilcolină canalul este închis. Acetilcolina este apoi eliberată din vezicole, producând o creștere bruscă a concentrației acesteia. O molecula de acetilcolină se leagă de receptorul de acetilcolină dar receptorul rămâne închis. Legând o a 2-a moleculă de acetilcolină, probabilitatea de a suferi o schimbare conformațională la o stare deschisă crește semnificativ, astfel încât pot fi văzute canale deschise. Eventual concentrația acetilcolinei este redusă ( prin difuzie și hidroliză ) de către enzima colinesterază.
Fig. 9 Înregistrarea curenților picoamperici
Dacă are loc o expunere prelungită la acetilcolină, a receptorului, acesta poate suferi o tranziție la o stare inactivă care este distinctă de alte stări închise. Acest mecanism prezice că deschiderea canalului ar trebui să aibă loc în explozie ( brusc ), urmată de perioade mai lungi în care doar o moleculă de neurotransmițător este reglată. S-a observat un astfel de comportament. Este posibil să se obțină receptorii acetilcolinei prin prepararea ARN – ului mesager din cele 4 subunități și microinjectarea lor în ouă de broască ( Xenopus oocytes ).
Fig. 10 Fenomenele de poartă în acetilcolină
Canal de sodiu cu poartă de tensiune
Receptorul acetilcolinei se deschide ca un răspuns la o creștere bruscă a concentrației de acetilcolină așa cum s-a discutat în subcapitolul anterior. Acest proces permite ionilor de să tranziteze canalul astfel încât potențialul membranei în regiunea cu o concentrație ridicată de receptori activi, se schimbă de la valoarea de repaus, respectiv de la potențialul de echilibru al potasiului ( aproximativ – 100 mV ) spre potențialul de echilibru al sodiului ( aproximativ + 70 mV ). Această depolarizare locală a membranei determină reducerea unui potențial de acțiune ( depolarizarea mare a membranei urmată de o repolarizare rapidă ).
Deplasarea căderii de potențial a membranei cu o viteză de 50 mV+sec. Este responsabilă de transmiterea impulsului nervos. Potențialul de acțiune este în mare măsură datorat prezenței canalelor de sodiu sensibile la tensiunea din membrană. Aceste canale pot fi închise când potențialul membranei este apropiat de valoarea de repaus, dar ele suferă tranziții spre o stare deschisă cu probabilitate crescândă cu cât potențialul devine mai puțin negativ. Astfel, deschiderea receptorilor acetilcolinei determină deschiderea canalelor de sodiu, care mai departe depolarizează membrana. Deoarece mai mulți ioni de traversează membrana, depolarizarea se extinde eprs regiunile învecinate ale membranei, determinând canalele de sodiu din apropiere să se deschidă. Un impuls este produs prin deschiderea canalelor de sodiu pentru un timp foarte scurt ( câteva milisecunde ), apoi ele suferă tranziții spre o stare închisă, inactivă. Membrană se repolarizează apoi, cu ajutorul canalelor de potasiu, specifice care se deschid ca răspuns la depolarizarea inițiala dar cu poartă mai mica decât canalele de sodiu. Propagarea unui potențial de acțiune este ilustrată în figura 11. Spre deosebire de receptorul acetilcolinei, canalul de sodiu este foarte receptiv pentru ionii de în raport cu ceilalți ioni inclusiv potasiu. Examinarea permeabilității diferitelor tipuri de ioni cu acest canal, susține cu putere teoria selectivității sodiului în dauna potasiului, rezultată din dimensiunea mai mică a primului ( sodiul ) care permite trecerea prin partea îngustă a canalului.
Fig. 11 Propagarea unui potențial de acțiune.
Permeabilitatea pentru sodiu este de 11 ori mai mare decât cea a potasiului. Alți ioni ca de exemplu litiu și hidroxilamoniu, sunt prompt transportați prin canal. Această observație este mai ușor de acceptat prin ipoteza că acest canal este o restrângere (gâtuitură ) care permite ionului de cu molecula de apă să treacă ușor, iar la ionul de cu o rază ionică de 0,3 mai mare trecerea este mult inhibată.
Modele sintetice pentru canale ionice
Canalele ionice par să fie molecule extrem de complexe și sofisticate. În ciuda acestei complexități, o abordare simplă pentru generarea moleculelor bazate pe peptide active a fost încununată de succes. O peptidă cu 21 aminoacizi cu secvența a fost realizată cu scopul de a produce o moleculă care s-ar autoaduna într-un conglomerat de unități elicoidale, care poate perfora membrana și potențial, produce un por care poate transporta ioni. Modelarea moleculară a sugerat că această peptidă ar putea forma un hexamer cu resturile de leucină hidrofobe adunate una lângă alta și orientate spre exterior, unde ele ar putea intra în contact cu grupe alchil din bistratul lipidic si un por interior căptușit cu mai multe resturi de serină hidrofile. Această structură este arătată în figura 12.
Figura 12 Model pentru canale ionice
Peptida a fost sintetizată, purificată și încorporată într-o membrană cu două straturi astfel încât transportul ionilor dincolo de membrană să poată fi detectat ușor. Creșteri în conductanță, durând câteva milisecunde, au fost observate în mod foarte asemănător cu cele discutate la curenții unicanal. Studii de selectivitate a ionilor au arătat un comportament similar la receptorul acetilcolinei cu o mică discriminare intre cationii monovalenți. În plus, modelul canalului ionic a putut transporta cationi organici de dimensiuni asemănătoare cu ionul de tris (trihidroximetilamoniu ) dar nu mai mari. Aceste studii au indicat că activitatea canalului ionic poate fi redusă prin folosirea peptidelor relativ simple, concepute potrivit și ar putea oferi o rezolvare în privința moleculelor care formează canale ionice în timpurile de început ale evoluției.
Pompa ionică.
Introducere
Permeabilitatea membranelor celulare depinde de structura lor, de sistemele enzimatice care realizează pompa ionică și selectivitatea pentru un anumit tip de cation. Controlul permeabilității celulare se realizează cu medicamente care pot acționa ca liposolubilizanți sau ca inhibatori ai transportului ionilor. Există mai multe pompe ionice ( mecanisme ) care asigură transportul separat sau împreună al cationilor și a anionilor. Studiile pe pielea de broască – care are calități de transportor de NaCl în funcție de un gradient de concentrație – au servit la elaborarea unor teorii și la utilizarea microelectrozilor. Celulele de stratum germinativul de la suprafața exterioară a pieii, posedă membrane extreme permeabile de si membrane interne permeabile la , pompa de schimb / fiind localizată la membrana internă.[6]
Pompa de sodiu
Pompa de sodiu a constituit multă vreme un subiect de controversă. Cea mai simplă înțelegere a felului în care are loc transportul prin membrană se rezumă la presupunerea că între membrană si ion se formează o legătură; ionul este transportat pe cealaltă parte a membranei, unde este eliberat. Studiul experimental al transportului ionic a urmărit cercetarea unui comportament al celulei care se fosforizează numai când pompa ionică este activă.
Transportorul este o fosfoproteină, în care fosfatul este legat de o grupă de serină, care leagă dar nu și , și care, după fosforilare, leagă dar nu și . Fosforilarea si legarea , are loc la suprafața internă a membranei, ATP fiind convertit în ADP. Sistemul se deplasează apoi spre exterior unde este defosforilat, dând fosfoproteina originală, eliberând și legând , după care se reîntoarce la suprafața internă. Aici sistemul este defosforilat, este eliberat în celulă, iar este legat; urmează efluxul din celulă. Legarea și a se face, probabil prin grupe carboxilat și fosfat ale fosfoproteinei. Selectivitatea ar putea fi conferită de natura fidrofobică a catenelor laterale ale proteinei, care vor exclude speciile puternic hidratate (, , ). O astfel de vecinătate , cu donori de oxigen, ar explica legarea selectivă a lui . Centrul selectiv pentru , mai puțin hidrofobic, ar respinge din cauza dimensiunilor. Explicații similare sunt valabile și pentru și . ATP-aza, activată de și , reprezintă sistemul enzimatic implicat în transportul ionilor. Pentru activitate maximă este necesară și prezența în cantitate echivalentă cu cea din substrat. Din studiul cu ATP marcat cu apare posibilă existența unui intermediar, în timpul hidrolizei ATP de către și ATP-aza, care poate avea rolul de transportor de ioni.[6]
Încercările de a realiza transportul prin membrana celulară au dus la rezultate nesatisfăcătoare încât complexitatea membranei este un factor limitativ.
Permeabilitatea membranelor celulare depinde de structura lor, de sistemele enzimatice care realizează pompa ionică și selectivitatea pentru un anumit cation.
Figura 13 Pompa de sodiu.
Controlul permeabilității celulare se realizează cu medicamente care pot acționa ca liposolubilizanți sau ca inhibitori ai transportului ionilor.
Metalele alcalino-pământoase
Calciul
Calciul este un constituent esențial al organismului uman unde se găsește într-o concentrație de aproximativ 2 g % la adult și numai de 0,92 g % la nou-născut.
Cea mai mare cantitate de calciu, peste 98 % , se găsește în țesutul osos, în schele. Oasele sunt formate dintr-o componentă organică majoră, reprezentată în proporție de 95 % colagen, scheloproteină cu structură tridimensională și o componentă minerală formată din cristale de hidroxiapatită, ;I de fosfat tricalcic amorf, depuși într-o anumită ordine în ochiurile plasei colagene. Calciul se mai găsește în lichidul extracelular, în concentrații de M, în mușchi 0,3 %, în rinichi 4-5 mmoli/kg țesut umed, în plasmă 9-11,5 mg% (4,5-5,75 mg Eq/l).[7]
Calciul plasmatic se află sub formă ionizată , difuzabilă, aproximativ 65% , ceea ce corespunde la 5,9-6,5 mg/100 ml plasmă, forma neionizată, reprezentată prin complecși chelați, solubili și difuzabili (1,20 mg %) și sub formă legată de proteine și nedifuzabil (3,20 mg %).
În organism calciul are un rol plastic, fiind un component al oaselor și un rol dinamic , participând sub formă de ioni la numeroase mecanisme vitale ca : menținerea integrității funcționale a sistemului nervos central și periferic, a membranei celulare, proces în care se găsește în antagonism cu ionii și la coagularea sângelui și menținerea stării coloidale a proteinelor, cofactor al unor enzime (lipază, fofatază alcalină, colisterază, succindehidrogenază, etc.)
Micșorarea conținutului calciului ionizat în lichidul extracelular este însoțită de o excitabilitate crescută a celulelor nervoase și musculare (tetanie calciprivă) și tulburarea funcției cardiace . Ionii reduc excitabilitatea neuromusculară scheletică măresc contractibilitatea miocardului.[7]
Conținutul calciului intracelular, de ordinul M , este mult inferior celui extracelular și se găsește în cea mai mare parte sub formă complexată.
Absorbția calciului are loc în partea superioară a tractului intestinal, la nivelul intestinului subțire, mai ales în duoden, înainte ca sucul pancreatic și biliar să producă alcalinizarea schimbului alimentar. Absorbția sa este condiționată de natura compusului solubil sau insolubil sub care se găsește în alimente, de concentrația acidului citric cu care formează chelați solubili și difuzabili prin peretele intestinal, precum și de gradul de saturare cu calciu al organismului; calciul existent în exces devine un inhibitor al propriei sale absorbții.
Absorbția intestinală a calciului este dependentă liniar de rata sa de depunere în oase, ea este favorizată de lactoză, de săruri biliare L- arginină, L-lizină, de prezența vitaminei D și nu pare a fi influențată de fosfați
Absorbția osoasă și eliberarea calciului din schelet în circulație menținând calcemia în stratul extracelular, în limite fiziologice, este reglată de hormonul paratiroidian, de către calcitonina-hormon lipocalciniant, de natură polipeptidică.
Eliminarea de calciu se face prin fecale în proporție de 60-80% mai ales sub formă de și prin rinichi , în proporție de 20-40%. Există o relativă dependență a excreției calciului fată de ingestia lui. Reducerea ingestiei de magneziu și creșterea conținutului de fosfor în alimente duce la o micșorare a calciului.
Deoarece absorbția și excreția calciului variază destul de mult, nu se cunoaște cantitatea optimă necesară ingerării pentru om.[9]
Funcțiile calciului
Figura 14 Modelul filamentului alunecător pentru fenomenele de contracție și relaxare a mușchilor.
Concentrația de ioni de calciu din interiorul respectiv exteriorul celulei este aproximativ moli/. Procesele biochimice și fiziologice sunt declanșate de intrarea calciului în celulă sau de eliberarea acestuia din organite. Influxul de spre celulă în codiții normale reprezintă un mecanism de blocare și control prezent în contracția mușchilor. Acest influx face ca să fie concurat de în raport cu centrii activi din interiorul celulei, inițiind un nou proces prin activizarea enzimei specifice. Fenomenele de blocare se reduc în fond la controlul permeabilității pereților celulei. Contracția mușchilor decurge după modelul filamentului alunecător (figura 14)
(1)Filament de actină (3)Întindere (5)Contracție
(2)Filament de miozină (4)În repaus
Componenții principali ai fibrelor musculare sunt miozina, actina, tropomiozina, troponina și actina. În fibrile, componentele fibrei, miozina și actina sunt organizate sub formă de filamente, unul gros și unul subțire.
Contracția și relaxarea musculară sunt rezultatul interacțiunii dintre capetele unde se află miozina și monomerii de actină. Cele două tipuri de filamente interacționează, contracția mușchiului fiind rezultatul formării unor legături transversale. La capetele cu miozină există un centru pentru hidroliza ATP, activat de . Această reacție este sursa energetică pentru contracție. Adăugarea ATP și la sistemele filiforme în absența . Nu va produce scindarea ATP întrucât ionii de nu au capacitatea de a activa centrul ATP-azei . Complexul MgATP împiedică formarea legăturilor transversale. Introducerea duce la activarea ATP-azelor, de pe capetele miozinei, urmată de hidroliza ATP și deformarea legăturilor dintre filamente respectiv contracția mușchiului. În prezența , ATP este scindat lent, fără contracție, în schimb în prezența calciului scindarea este rapidă dar nu are loc contracția. Pentru scindarea ATP urmată de contracție, este necesară prezența concomitentă atât a cât și a .
Transmiterea impulsului nervos este mecanismul de control în apariția și dispariția în celulele musculare.
Impulsul nervos este un impuls este un impuls electric dirijat de-a lungul membranei, datorită diferenței de potențial dintre interiorul și exteriorul celulei. El poate fi privit ca o undă de depolarizare asociată cu o inversie temporară a selectivității membranei, permițând un flux de .
Propagarea impulsului necesită un mecanism de amplificare a depolarizării parțiale a potențialului membranei.
În starea depolarizată a membranei nervului, fluxul ionilor de sodiu va amplifica micșorarea potențialului de repaos inițial. Acesta va duce la creșterea permeabilității membranei pentru sodiu și la o altă amplificare a micșorării potențialului. Impulsul trebuie transmis peste un gol de 15 – 20 nm ( goluri sinaptice ). Mecanismul de transmisie este neelectric. Studii cu microscopul electronic au evidențiat prezența vezicilor presinaptice care conțin neurotransmițători chimici ( acetilcolina ). Impulsul provoacă ejecția acetilcolinei, care difuzează către capătul membranei placă a axonului următor și inițializează un nou potențial de acțiune. În capătul acestei membrane se află acetilcolinesteraza care distruge acetilcolina, prevenind un efect de depolarizare prea mare. Micșorarea concentrației de si mărirea concentrației de împiedică eliberarea acetilcolinei și blochează neurotransmisia. Ionii de calciu, care în mod normal se află în afara celulei, se leagă preferențial în comparație cu . Efectul de depolarizare afectează selectivitatea membranei și permite fluxul de . Ionul de calciu se leagă puternic, dislocând , provocând astfel apropierea membranei veziculare și a celei exterioare, eliberând conținutul veziculei.
Activitatea acetilcolinei este perturbată de alcaloizi de tip curara, concurenți pentru centrul respectiv, provocând blocarea impulsului neuromuscular.
Calciul si coagularea sângelui
Coagularea sângelui are loc pentru prevenirea scurgerii excesive de sânge, când țesuturile sunt distruse. Întregul mecanism este complex și implica o multitudine de procese în care mulți pași sunt dependenți de calciu. Acest proces ( o inițiere de reacții cuplate ), implică un număr de proteine care sunt prezente în mod normal în sânge ca forme inactive sau precursoare.
Calcifierea
Depozitarea sărurilor de calciu este o caracteristică esențială a dezvoltării structurilor extracelulare cum ar fi : oasele, dinții, cochiliile. Depozitarea într-un anumit loc poate duce la pietre ( osteoartrite, cataracte, probleme arteriale ). Sisteme complexe sunt folosite pentru controlul mobilizării și depozitării calciului și acestea sunt : hormonul paratiroidian, vitamina D , calcitorina, etc. Calciul este depozitat adesea în țesuturi sub formă de granule care pot fi mobilizate pentru formare de structuri extracelulare sau alte procese. Sărurile de calciu sunt exemple de forme cristaline în care depozitarea și reabsorbția se realizează rapid la fel ca și echilibrul acestora.
Proteine care conțin calciu
Rolul biologic al calciului a fost apreciat pentru prima oară atunci când s-au izolat inimi de broaște țestoase, observându-se că acestea au continuat să bată pentru mai multe ore, doar dacă au fost introduse într-o bază izotonică de M soluție .
Studii asupra complecșilor cu liganzi mai mici, s-a stabilit că oxigenul este atomul donor preferat, chiar dacă un atom de azot poate fi disponibil în ligand. Numărul de coordinare este de obicei opt, dar sunt cunoscuți complecși cu număr de coordinare șase sau șapte. Pentru numărul de coordinare opt, geometria este deschisă cel mai bine de o antiprismă pătrată. Complecșii cu număr de coordinare șapte, sunt bipiramide pentagonale și cei cu număr de coordinare șase, au o geometrie regulată de octaedru. Distanța (legătura) calciu-oxigen poate fi corelată cu numărul de coordinare (exemplu: număr de coordinare opt 2.452 A, număr de coordinare șapte 2.35 A, număr de coordinare șase 2.33 A).
Dintre complecșii de tipul calciu-proteină putem enumera: parvalumină, troponină, nucleează staphilococcală, termolizină, concavalină A.
Parvalumina : Calciul care leagă parvalumina s-a găsit în mușchiul alb al cordatelor. Proteina are greutatea moleculară aproximativ 11500 și leagă doi ioni de (p=6.7, unde este constanta de disociere). Structura a fost determinată exact până la o rezoluție de1.9 A și este formată din 6 regiuni elicoidale, notate A-F. Un ion este legat în lanț între elicele C și D și un al doilea ion de calciu este legat în regiunea EF definită ca “ EF – hand ”. Ionul de calciu din zona CD are numărul de coordinare șase, legat cu oxizii donori din Asp-51, Asp-53, Ser-55, Phe-57, Glu-59 și Glu-65. Ionul de este legat de 5 aminoacizi ( Asp-90, Asp-90, Asp-94, Lys-96, Glu-101 ) și de apă. Calciu în EF are numărul de coordinație 8.
Troponină : Complexul troponină al mușchiului este un trimer format din trei proteine separate din care una troponin-C ( TN-C ) leagă patru ioni cu valori ale . Atomii principali de oxigen care leagă, sunt obținuți din grupările carboxilate ale resturilor de aminoacizi ale Glu, Asp ; sunt implicați de asemenea doi oxigeni hidroxili ai serinei (Ser-35, Ser-67 ) și oxigenul amidic al Asp-104.
Nucleasa staphylococcală : Această enzimă hidrolizează AND-ul și ARN-ul a trei mononucleotide. Enzima leagă un singur cu un aparent. Calciul este esențial pentru substratul de legătură și cataliză enzimatică. Structura cristalului a fost determinată cu o rezoluție de aproximativ 2 , de Cotton și colaboratori. Coordinarea calciului este aproximativ octaedrică, dată de grupele carboxil din Glu-43, Asp-19, Asp-40 și oxigenul carbonilic ( legătura peptidică ) din Thr-41. Al șaselea ligand poate fi o moleculă de apă sau oxigenul din Asp-21.
Thermolysina : Thermolysina este o enzimă neutră din Bacillus termoproteolyticus stabilă la căldură, cu greutate moleculară 37.500 și conține patru ioni și un ion .
Dacă trei sau patru ioni sunt îndepărtați, activitatea catalitică nu este prea mult influențată, dar proteina devine destul de instabilă la căldură. Calciul este aparent implicat în menținerea structurii cuaternare a enzimei.[9]
Magneziu
Este un element esențial vieții și are cea mai mare răspândire în apa mărilor.
Magneziul este un constituent normal al organismului, unde se găsește în cantități mari în schelet ( 60% ), în spațiul intracelular, plasmă, eritrocite, mușchi, sub formă difuzabilă ( 80% ) , legat de proteine și în formă nedifuzabilă ( 20% ).
Alături de , și, magneziul are un rol fundamental în conducerea electrică a pulsațiilor inimii și în contractibilitatea musculaturii cardiace. Carența de și favorizează apariția aritmiilor și a fenomenelor toxice la digitalice. Magneziul intervine într-o multitudine de procese metabolice, nervoase, sanguine, viscerale, activează multe enzime, participă la reglarea metabolismului glucidic, lipidic, protidic, la procesele de creștere și de permeabilitate celulară. Are o acțiune antialergică și antiseptică și un rol important în eliberarea și transferul ionilor fosfat, reacții, care necesită în cea mai mare parte, prezența ATP în fosforilarea oxidativă, în sinteza acizilor nucleici, în sinteza proteinelor, în contracția musculară, în transmiterea fluxului nervos și în fenomene de transport activ.[10]
Activează procesul specific de adenilare enzimatică a acizilor aminați realizând estirificarea ARN de transfer conform reacțiilor de mai jos:
Acid aminat + ATP Amino-acil-AMP + pirofosfat anorganic
Amino-acil-AMP + ARN Amino-acil-ARN + AMP
Fiecare acid aminat are o enzimă activatoare specifică și unul sau mai multe specii de ARN de transfer, ionul este necesar studiului inițial a reacției de sinteză a ARN și formării unui amino-acil-adenilat; se pare că nu este indispensabil fazei a II-a, esterificarea specifică a t-ARN.
În concentrații bine definite, magneziul este necesar menținerii integrității ribozomilor, la recunoașterea codonilor nereductanți de către amino-acil-t-ARN și la declanșarea traducerii m-ARN-ului. Un rol important are magneziul în fotosinteză. Pigmenții clorofilieni sunt complecși ai cu un ciclu porfirinic asemănător hemoglobinei, care au rolul de a capta energia fotonilor pe care o folosesc la fixarea și eliberarea .
Magneziul este prezent în cantități mici aproape în toate alimentele. Un adult are nevoie de 200-300 mg/zi. Absorbția magneziului ingerat prin alimente are loc în codiții aproape analoge calciului la nivel intestinal, magneziul putând micșora prin competiție absorbția calciului. Eliminarea sa are loc esențial pe cale intestinală. Deficitul de magneziu la om este determinat de o mulțime de condiții fiziologice și patologice; scăderea aportului alimentar sau o alimentație hiperlipidică sau cu exces de calciu determină creșterea eliminării, malabsorbție, hemodialize, etc. Valori scăzute ale magneziului seric (hipomagnezemie) sub 1,2 m Eq/l, se întâlnesc în coma diabetică, tetanie, rahitism, spasmofilie, delirium tremens, arsuri grave, hepatite cronice, insuficiențe medulosuprarenale.[6]
Din totalul ionilor de și existenți în interiorul celulei, o fracțiune se găsește în formă ionizată sau liberă iar restul sub formă complexată, legată de proteinele intracelulare, enzimele și metaboliții care conțin în special grupări fosfat și carboxidat.
Logaritmii constantelor de stabilitate ale și cu principalii metaboliți celulari și EDTA ligand hexadentat, au valorile 4,58; 3,84; 8,7 respectiv 4,25; 2,89; 10,64 le indicând capacitatea complexantă superioară a EDTA-ului mai ales pentru
1.4 Metale tranziționale
1.4.1 Fierul
Fierul este un element indispensabil pentru viața plantelor și animalelor. Are un rol biochimic important atât sub aspectul structural cât și funcțional.
Intră în constituția unor substanțe feroporfirinice care au un rol deosebit de important în procesul de respirație intrând în sructura unor combinații implicate în procesul vieții cum ar fi citocromii, peroxidazele, catalizele, citocromoxidaza, enzime ca citocromul și nu în ultimul rând, transportorii de oxigen: hemoglobina și mioglobina. De asemenea fierul intră în constituția feredoxinei, care are un rol important în procesul de fotosinteză.[6]
Prezintă un rol important în reacțiile de oxido-reducere, fiind un cofactor și un activator a numeroase sisteme enzimatice cum ar fi: aconitaza, clorofil-sinteza, ferochetalaza etc. Acidul citric ușurează transportul fierului în organismele vii prin formarea unor chelați cu proprietăți speciale.
În plante, fierul se găsește în cantitate relativ mică de 0,01-0,5%, motiv pentru care, deși esențial, este denumit microelement. Se acumulează în cantitate mare în cloroplaste sub formă de feredoxină, în membranele mitocondriilor și în celulele tinere bogate în protoplasmă. Se găsește în plante sub formă de combinații anorganice și organice. Plantele preiau fierul din mediul înconjurător sub formă de fier divalent dar sunt cunoscute situații când este preluat și sub formă de fier trivalent. Așa de exemplu, transferând, proteina de transport a fierului din ser are o afinitate de 27 de ori mai mare pentru , comparativ cu din fiindcă complexul Fe(III) – transferând, este deosebit de stabil, comparativ cu complexul Fe(II) – transferând, ușor oxidabil. Trecerea în reacțiile implicate, în lumea vie, dintr-o stare în alta de oxidare îi explică rolul principal în reacțiile de oxido-reducere.
Fierul are un pol important în procesul de fotosinteză fiind un cofactor catalitic în biosinteza clorofilei. Aproape 75% din fierul existent în țesuturile vegetale se găsește în cloroplaste. Fierul participă și la reacțiile de oxido-reducere implicate în fixarea reductivă a dinitrogenului. Scăderea concentrației de fier din diferite motive favorizează o descreștere a activității nitrat-reductazei și a citocromilor.
În proteinele fier-sulf, fierul este legat de proteine prin sulful resturilor de cisteină. Ele participă la o varietate de reacții de oxido-reducere.
Carența fierului duce la anemie. Se absoarbe în duoden și intestin ca hidroxifosfat de Fe(III) cu apoferitina, dă feritina ce se depozitează în ficat, splină, măduvă, rinichi, limfă.
Mioblobina
Mioglobina este una dintre cele mai simple metaloproteine care leagă reversibil oxigenul molecular.
Structura mioglobinei stabilită destul de precis prin spectroscopie de difracție cu raze X. Ea conține o unitate numită “hem”. În componența ie intrând 153 de aninoacizi, numit și lanț “ m “; structura secundară prezintă spirala ; aminoacizii, în acest caz, sunt situați în structura mioglobinei în așa fel încât grupările hidrofile sunt orientate spre exterior, iar cele hidrofobe spre interior. Aceasta se confirmă și prin aceea că – porfirinele sunt stabile la acțiunea oxidanților numai într-un mediu neapos cu constantă dielectrică mică.[13]
Figura 15 Molecula de mioglobină: a) plierea lanțului polipeptidic în jurul grupării “hem” reprezentată sub formă de disc; b) detaliu asupra grupării “hem” și interacțiunea nucleului heminic al mioglobinei cu componenta proteică.
Centrul activ al mioglobinei este complexul porfirinic – hem el este grupat cu proteina prin gruparea imidazol a histidinei. Este stabilită cu certitudine prin studii spectrale și legătura grupărilor carbonilice a porfirinei cu grupările bazice ale proteinei.
Mioglobina leagă în mod reversibil oxigenul molecular, monoxidul de monocarbon sau ionii de cianură. Ultimele exercită un efect toxic puternic datorită marii afinități pentru proteină.
Hemoglobina
Hemoblobina este o metaloproteină cu masa moleculară destul de mare și constituită din două perechi de subunități mai simple () în fiecare din ele există câte un atom de care este inclus în ciclul porfirinic.
Figura 16 Organizarea spațială a moleculei tetramer a hemoglobinei
Hemoglobina, ca toți ceilalți transportori de oxigen, poate exista în două forme: deoxigenată și oxigenată. În prima dintre ele este un ion cu spinul înalt (S=3/2) și fierul nu intră în “fereastra” porfirinică, dar se găsește deasupra planului. În cea de-a doua formă (după ce oxigenul este legat conform schemei “perpendiculare” ), este caracterizat prin spinul (S=0) și se află în planul format de 4 atomi de azot pirolic. S-a stabilit că dimensiunile ionului în stările cu spin înalt și mic, diferă. Acest fapt este confirmat și de diferența între distanțele Fe-N în cele două forme de hemoglobină (2,90 în deoxihemoglobină și 2,00 în oxihemoglobină).[14]
În hemoglobină ca și în mioglobină, până a nu avea loc procesul de legare a oxigenului, numărul de coordinare a atomului de fier este 5 , toate cele 5 locuri în acest caz, fiind ocupate de atomii donori de azot : 4 din macrociclul porfirinic și al cincilea de un atom de azot imidazolic.
Diferențele dintre hemoglobină și mioglobină în comportamentul lor față de oxigen se referă la structura și mobilitatea celor patru lanțuri proteice. Dacă teramerul este degradat la dimer sau monomer, aceste efecte se pierd.
Gruparea imidazol din radicalul de hitidină se atașează la atomul de fier, iar structura terțiară a lanțului proteic se modifică puternic. Prin această interacțiune se favorizează participarea la reacție a celorlalte grupări “hem”.
Figura 17 Model pentru ilustrarea pătrunderii atomului de fier cu 75 pm în planul hemului în cursul oxigenării hemoglobinei Hb la Hb. Nucleul de histidină His F8 se deplasează împreună cu atomul de fier.
Când molecula de hemoglobină complet saturată cu ajunge la țesuturi, are loc o reacție inversă. Dacă molecula de părăsește sistemul, molecula de hemoglobină se tensionează pentru a împinge molecula de oxigen rămasă. Acesta este un proces deosebit de necesar, chiar vital, deoarece fără el organismele vii s-ar sufoca în dioxigen pur.
Hemeritrina
Hemeritrina este o proteină utilizată de către viețuitoarele marine pentru fixarea dioxigenului.
Macro molecula ei conține 8 subunități identice, fiecare din ele având câte 113 resturi de aminoacizi si câte doi atomi de fier.
Forma cea mai cunoscută este un octamer cu M = 108.000 care conține doi atomi de fier pe subunitate. Contrar proteinelor precedente, hemeritrinele nu conțin un ciclu porfirinic. În prezent sunt cunoscute structurile sale pentru forma oxi și forma deoxi.
În formă de oxi, cei doi atomi de fier posedă gradul de oxidare +2 și sunt uniți printr-o punte hidroxo. Un ion este hexacoordinat , iar cel de-al doilea pentacoordinat .Distanțele sunt – O = 2,15 și – O = 1,88 . În forma oxi, cei doi ioni de fier se găsesc la starea de oxidare +3 și sunt “ puntați “ printr-un ion oxo. Sistemul este legat de ionul peroxid. Distanțele realizate sunt – O = 1,88 și – O = 1,79 . Această scurtare a legăturii poate fi explicată prin oxidarea fierului și deprotonarea punții .[15]
Distanța – O ( peroxo ) va deveni 2,15 .
Cei doi ioni de Fe(II) sunt oxidați în urma fixării dioxigenului și simultan protonului din puntea hidroxo este transferată pe o grupare peroxo. Se observă importanța protonului grupei “ puntate “ și conexiunea electronică a ionului de Fe(II) care permite reducerea dioxigenului cu doi electroni.
Figura 18 Secvența oxidării Fe(II) la Fe(III). Se observă protonul din grupa puntată.
Citocromii
Una din cele mai importante categorii de purtători de electroni implicați în procesele biologice sunt citocromii.
Centrul activ al citocromilor este gruparea “ hem “ a cărei structură este prevăzută mai jos.
Structura constă într-un inel porfirinic chelat la un atom de fier. Starea de oxidare a atomului de fier poate fi atât +2 cât și +3 iar importanța citocromilor în organismele vii consta în abilitatea lor de a se implica în transferul de electroni. Ei sunt prezenți nu numai în cloroplaste, când se realizează procesul de fotosinteză, ci și în mitocondrii când participă la procesul invers de respirație.[16]
Gruparea “ hem “ din citocromul C este înconjurată de un lanț polipeptidic, care conține un număr variabil de aminoacizi, ajungând până la 103 la unii pești, 104 la alți pești și unele nevertebrate și 112 la unele plante. Un atom de azot din restul de histidină și un atom de sulf din restul de metionină, care aparțin acestui lanț, sunt coordinați la a cincia și respectiv a șasea poziție coordinativă a ionului de fier.
De aceea, spre deosebire de hemoglobină și mioglobină, în acest caz nu există o poziție liberă pentru o eventuală coordinare. Prin urmare citocromul C nu poate reacționa printr-o coordinare simplă, dar interacționează indirect printr-un transfer de electroni. Acest proces poate reduce molecula de dioxigen și transmite în continuare capacitatea lui de oxidare în procesul de respirație, proces complementar celui de fotosinteză.
Importanța citocromului C în fotosinteză și în respirație consta, în aceea că, în termeni evolutivi este cele mai vechi component chimic implicat în procesele biologice de tip redox.
Figura 19 Model schematic pentru citocromul c. Gruparea este privită din lateral cu atomul de fier ( atomul mare simbolizat cu negru ), coordinat cu un atom de sulf dintr-un rest de metionină și un atom de azot dintr-un rest de histidină.
Proteine fier-sulf
Proteinele fier-sulf formează o clasă foarte importantă de proteine care participă la transferul de electroni. Ele nu conțin “ hem “ și sunt caracterizate de centrii activi formați din unul sau mai mulți atomi de fier legați de atomi de sulf. Atomii de sulf provin la rândul lor fie din gruparea –SH a restului de histeină, fie dintr-un ion sulfură .[17]
Se remarcă existența în centrii activi ai acestei proteine a unui atom de fier în rubredoxină, doi atomi de fier în rubredoxina din spanac, trei atomi de fier în feredoxina din Desulfovibrio gigas și patru atomi de fier în componenta Fe-S din nitrogenază.
Se poate remarca faptul că proteinele fier-sulf joacă un rol fundamental în etapele care implică transfer de electroni, cum ar fi cele respiratorii, fotosintetice și fermentative. Mai pot fi întâlnite în calitate de componente redox în sistemele enzimatice de tipul oxigenazelor sau nitrogenazei.
Figura 20 Reprezentarea spațială a centrilor activi polimetalici cu doi, trei și patru atomi de fier
În prezent este cunoscut un sistem fier-sulf care are funție redox și anume aconitaza. Această enzimă catalizează transformarea cirat/ izocitrat.
Rubredoxina
A fost izolată din Clorostridium pasteurianum dar se găsește și în unele microorganisme anaerobe. Ea diferă în multe privințe de proteinele care conțin fier și posedă sulf labil. Posedă un atom de fier și patru resturi de cisteină per mol, cca. 55 de resturi de aminoacizi în lanțul proteic și are o greutate moleculară de cca. 6000 Da.
Studii de structură au precizat că în rubredoxina oxidată, atomul de fier este legat într-un complex tetraedric de patru atomi de sulf ai cisteinei. Se pare că și în rubredoxina redusă fierul are o structură tetraedrică. Pe baza lungimilor legăturilor fier- sulf au putut fi identificați câțiva aminoacizi din proteină.[6]
Feredoxinele
Sunt enzime de natură proteică care conțin fier neheminic , foarte importante în procesele de fotosinteză și de fixare biologică a dinitrogenului. Feredoxinele sunt transportori de electroni în multe procese redox, constituind unica grupare cu această funcție care acționează asupra “părții hidrogen” a NAD și NADP spre deosebire de citocromii cu fier heminic care acționează asupra “părții dinspre oxigen” a acestor nicotinadenindinucleotide
Feredoxinele conțin sulf labil și au o greutate moleculară mică de 6000-11500 Da. Cele de natură vegetală conțin doi atomi de fier și doi atomi de sulf anorganic labil pe un mol de proteină, iar cele de natură bacteriană conțin în mod normal câte 8 atomi de fier, respectiv de sulf. Spre exemplu , cazul feredoxinei din Peptococus aerogenes care conține două sisteme [].
Figura 21 Structura feredoxinei din Peptococus aerogenes cu 8 atomi de fier
Cobaltul
Cobaltul își exercită rolul său biologic la om în principal prin intermediul vitaminei din care face parte, importanța sa vitală constând în efectul său ca “grupare funcțională” a vitaminei și a coenzimelor vitaminei .
El catalizează o serie de reacții sistemice importante pentru organim și facilitează stabilirea și desfacerea legăturii care implică gruparea metil, de exemplu, reacția de la metilmalonul-CoA. De asemenea, Co intră în situsul activ într-o serie de enzime, cum ar fi, glicilglicildipeptidaza, carboxipeptidaza A, B-hidroxi-butirat-dehidrogenaza, etc. Parțial, este capabil de a prelua rolul altor ioni divalenți, în activitatea unor reacții enzimatice. Spre exemplu, reacțiile carboxipeptidazei, a aldolazei și carboanhidrazei, fosfatazei, alcool dehidrogenazei și fosfoglucomutazei, care în mod normal sunt activate de către sau/și .[18]
Rolul esențial al Co la animale (rumegătoare) , constă în participarea la sinteza vitaminei , a cărei producere de către microoganismele intestinale este condiționată de prezența unei anumite cantități de Co.
Efectele biologice ale Co depind de dozele ingerate și sunt modificate de prezența aminoacizilor și a grupărilor sulfhidril , cu care formează complecși chelați. Faptul că deficitul de Co la rumegătoare este însoțit de întârziere în creștere, ridică ipoteza participării directe a Co în sinteza proteinelor.
În organism, cobaltul este răspândit peste tot, fără a fi depozitat cu precădere în anumite țesuturi sau organe. Cu toate acestea, concentrații ceva mai ridicate se găsesc în ficat, rinichi, cord și oase.
Dintre oligoelemente, cobaltul este prezent în organism în concentrație redusă raportată la activitatea sa intensă. Ca și constituent tisular se întâlnește în urme. Spre exemplu, conținutul în mușchiul proaspăt este de 0,2 mg %.
Mai mult decât în cazul altor oligominerale, concentrația sa în organism este dependentă de aportul exogen, spre exemplu, concentrația sa în ficat crește de peste 10 ori, printr-un aport suplimentar, dar excesul nu poate fi utilizat în sinteza vitaminei .
În 1977 s-a demonstrat la rumegătoare că un conținut scăzut de cobalt în ficat nu este însoțit de semnele clinice ale carenței, dimpotrivă aceasta se poate instala, uneori în condițiile în care cobaltul hepatic este prezent în concentrații mari. Injectarea vitaminei este capabilă să prevină carența de cobalt fără a modifica concentrația sa hepatică. Aceste argumente vin în sprijinul afirmației că nivelul cobaltului hepatic nu este un indicator sigur al deficitului de cobalt. Mai mult, cobaltul hepatic, sub formă de vitamina , variază conținutul total al cobaltului din organism. Practic toată cantitatea de cobalt hepatic se găsește sub formă de vitamina , iar în carență, numai 1/5 este sub formă de vitamina , ridicând ipoteza că deficitul afectează cobaltul vitaminic și nu atât pe cel nevitaminic.
Cobaltul se găsește în cantități mai mari în hematii decât în plasmă.
În materia de natură anorganică, cobaltul se găsește mai frecvent sub formă de săruri complexe în amestec cu As și Ni, constituind pentru regnul animal și organismul uman un element vital.
Alimentele uzualeconțin mai mult cobalt decât este necesar pentru sinteza vitaminei așa încât cazuri veritabile de carență la om și animale nu sunt citate în literatură.
Cobaltul este prezent chiar și în aerul orașelor industriale astfel că, într-o atmosferă poluată intens, poate fi absorbit și pe cale respiratorie.
Calea de absorbție naturală este cea intestinală. La om 90% din cobaltul ingerat este absorbit. Calea principală de excreție este cea urinară, 70% din cantitatea absorbită fiind excretată prin rinichi. O cantitate neglijabilă doar de 15% se elimină prin fecale și biliar. Absorbția variază cu regimul alimentar, pH-ul gastric și duodenal fiind crescută în carență de fier.[19]
Mecanismul intim al absorbției intestinale nu este cunoscut, date experimentale venind să demonstreze faptul că ar exista o cale comună de absorbție împreună cu fierul, anunțând ipoteza unui sistem comun de transport prin mucoasă. În carență de fier se semnalează o accentuare a absorbției cobaltului, iar în excesul de cobalt o micșorare a absorbției de fier fără să se constate o micșorare a absorbției cobaltului la persoanele cu fier normal. Acest fapt sugerează că mecanismul major al absorbției cobaltului poate fi difuziunea, în timp ce în carență de fier, transportul mediat de purtător este mai important.
Organismul uman nu reține decât foarte puțin cobalt și această fracțiune minimă nu are utilizare fiziologică pentru că organismul nu poate sintetiza vitamina .
Interrelațiile cobaltului cu celelalte oligominerale sunt mult mai puțin tratate țn literatura de specialitate. Relațiile metabolice între Fe și Co însă, sunt evidențiate, iar participarea celor trei oligominerale (Fe, Cu, Co) în procesul de eritropoeză, este recunoscut unanim.[20]
Cobaltul pare să favorizeze utilizarea fierului în sinteza de hemoglobină grație acțiunii conjugate a factorului intrinsec de origine gastrică și a factorului extrinsec, în care vitamina și acid folic sunt constituenți esențiali.
Hematopoeza este un proces foarte complex, pe de o parte vitaminele hematopoetice aduse prin alimentație își dobândesc proprietățile lor după ce s-au combinat cu suporturile minerale (fosforilare) și organice (acizi aminați), proces în care unele glande, endocrine (corticosuprarenale) joacă un rol capital. Pe de altă parte, factorii cu specifitate hemopoetică nu pot fi elaborați, decât plecând de la unele substanțe aduse tot din afară: Fe, Cu, Co (factor intrinsec).
Numeroase cercetări vin să studieze mecanismul de absorbție a Co și Fe, a căror cale să fie comună; Co fiind competitiv cu Fe, descrește absorbția unuia, afectează semnificativ și absorbția celuilalt. Absorbția Co este dependentă de mecanismele fiziologice care cresc absorbția Fe dar nu depinde de mecanismele inhibante.
Configurația electronică a atomilor de Fe și Co este foarte apropiată, fiecare element are doi electroni pe nivelul exterior și 14-15 în interior. Aceste similitudini fizico-chimice sugerează că, Co și Fe concurează pe locuri identice pe o proteină implicată în procesul de absorbție a fierului.
Pentru a determina dacă Co scade absorbția de Fe, făcând Fe intraluminal mai puțin asimilabil, s-a studiat efectul acidului ascorbic asupra absorbției fierului. Acidul ascorbic potențează absorbția de Fe datorită întârzierii în formarea complecșilor de Fe (III), instabil în lumenul intestinului subțire. Co în contrast cu fierul, este mai stabil în stare bivalentă; acidul ascorbic nu reușește să crească absorbția sa, ceea ce s-ar explica prin faptul că nu este necesar un agent reducător pentru menținerea ionilor de Co într-o formă solubilă în secrețiile gastrointestinale.
Interdependența mutuală a Fe și Co în absorbție poate fi explicată prin coprecipitarea mai puțin probabilă la concentrații mici, secrețiile intestinale fiind diluate.
Acidul ascorbic reduce evident cantitatea de Fe din fecale, dar nu are efect asupra secreției intestinale de Co.
Adăugarea unui exces de acid ascorbic la doza test de Co și Fe, care asigură cantitatea suficientă pentru chelatarea și reducerea ambelor metale, a dovedit că, Co a produs o scădere marcantă a absorbției Fe în prezența acidului ascorbic. Această constatare implică faptul că Co nu a diminuat absorbția Fe prin legarea chelatanților intraluminali sau prin folosirea agenților reducători care au acționat asupra Fe.
Vitamina
– compus de coordinare al Ca(III) este singura vitamină sintetizată aproape în exclusivitate de microorganismele din lumen și intestinul gros.
Corinoidele se găsesc în cantitate însemnată în ficat, rinichi, lapte, brânză, ouă, etc. Lipsesc din plante.
Necesarul de vitamina la om, este de 1 – 2,5 mg. Iar aportul alimentar,( mai ales prin carne ), este de 3 – 5 mg.
Vitamina este esențială pentru replicarea ADM – ului. Consecutiv ea intervine în creșterea și maturarea celulară, fenomen evident mai ales la nivelul hematidelor și a altor celule cu proliferare intensă. Această acțiune se exercită prin intermediul folaților activi; corinoida funcționează ca acceptor de metil, cu formare de metil- cobalamină în reacția de transformare a Me– folat înfolat în interacțiune cu 5,10 – metil-tetrahidro-folatul și dihidrofolatul, contribuie la sinteza timidilatului din deoxiuridilat , reacție majoră în formarea ADN – ului.[24]
Cealaltă enzimă activa, 5’ – deoxiadenozil-cobalamin, catalizează transformarea L-metil-malonil-CoA în succinil-CoA. Această reacție care permite acidului propionic este importantă pentru sinteza lipidelor din teaca mielinică a neuronilor.
Carența în vitamina este rar întâlnită. Cauza principală este lipsa “ factorului intrinsec “, datorită incapacității mucoasei gastrice de a produce, în anemia pernicioasă sau la bolnavii gastrectomizați. Mai rar intervine carența alimentară / la cei cu regim alimentar vegetarian prelungit, sindroame de malabsorbție / boală celiacă, steatoree idiopatică, tratamente prelungite cu neomicină, colchicină, absența congenitală de transcobalamină. Există și defecte genetice ( foarte rare ) ale metabolismului celular al vitaminei ( aciduria metilmalonică congenitală ).
Diagnosticarea deficitului de vitamina se face prin dozarea acesteia în plasmă.
1.4.3 Cuprul
Component a numeroase enzime ( tirosinază, acid ascorbic, oxidază vegetală, succinil dehidrogenază, uricază , H-glutamiltransferază, H-glutamillactamază, butiril-Co-A-dehidrogenază, citrocromoxidază, monoaminoxidază, aminolevulinic, acid dehirază, dopamin– hidroxilază, superoxid- dismutaza ) și al hemocianinei, pigmentul sanguin al nevertebratelor, cuprul este un element esențial plantelor și animalelor, cu rol important în hematopoeză, sinteza porfirinei și a numeroaselor procese metabolice.
Conținutul cuprului la adulți variază între 100-150 mg. Distribuția sa în diferite organe componente ale organismului este însă foarte variată. Cel mai ridicat conținut se găsește în ordine descrescătoare în ficat, creier, inimă și rinichi, ier cel mai scăzut în glandele endocrine, mușchi și oase.[6]
În sânge, cuprul se găsește în cea mei mare parte ( 90-93 %) legat puternic sub formă de ceruloplasmină și circa 7 % slab legat de albumine și aminoacizi.
În organismul viu cupru ionic nu poate exista decât în stomac, unde valoarea ridicată a pH-ului o permite. În organism cuprul se găsește în totalitatea lui legat sub formă de combinații complexe, asociat cu proteine, peptide, aminoacizi și probabil cu alte substanțe organice. Cea mai mare parte a proteinelor leagă cuprul prin legături slabe și disociabile, și numai o parte a proteinelor leagă cuprul sub formă de cupru-proteine, în care cuprul nu mai este disociabil, dar joacă un rol important în procesele vitale. Multe cupru-proteine ca: citocrom-C-oxidaza, tirosinaza, uricaza, MAO sunt enzime cu rol biocatalitic deosebit de importante la vertebrate, ele nu funcționează ca transportor respirator ca hemocianina la moluște.
Alte cupru-proteine eritrocupreina și hematocupreina din eritrocitele și ficatul uman, hemocuprina din eritrocitele de bou și cerebro-cupreinele din creier nu au caracter catalitic.
Cuprul este implicat în biosinteza elastinei aortice cu un conținut însemnat de legături încrucișate, dependente de formarea desmozinei, acid tetramino-tetracarboxilic și a izomerului sau izodesmozina.[27]
Constituent al citocromoxidazei, cuprul are un rol important în reacțiile de fosforilare oxidativă.
La omul adult nu a fost semnalată nici o carență în cupru, chiar în regiunile unde ea era gravă la animalele erbivore.
Un număr însemnat de tulburări funcționale ca: anemia, creșterea întârziată, tulburări osoase, depigmentarea părului și a lânei, ataxia neonatală la miei, tulburări de reproducere, gastrointestinale și cardiovasculare, la animale, au fost asociate cu lipsa cuprului alimentar. Ele sunt dependente de specia animală, vârstă, sex, mediu înconjurător, durata și conținutul deficitar al cuprului în alimentație.
Proteine albastre care conțin cupru, cu masa moleculară mică, implicate în procesele redox
Proteinele albastre cu cupru sunt proteine cu absorbție puternică în jurul valorii de 600 nm, sunt de asemenea paramagnetice în formă oxidată și au o despicare hiperfină, îngustă în spectrul RPE.
Centre active albastre de cupru există într-un număr mare de proteine ca: lacează, ascobatoxidază, ceruloplasmină. Până acum se pare că cea mai mare parte a proteinelor albastre se găsesc în bacterii și plante.[28]
Azurine
Proteinele considerate a fi azurine au fost izolate exclusiv din specii de bacterii denumite Pseudomonas, Bordatella, Alcaligines și Achromobacter.
Structura azurinei Pseudomonas aeruginosa a fost determinată prin metoda difracției cu raze X până la o rezoluție de 2,7 utilizând metoda înlocuirii izomorfe multiple și găsindu-se patru molecule într-o unitate asimetrică.
Modelul prezentat constă în coordinarea resturilor 3128 și atomul de cupru. Liganzii cuprului sunt His 46, Cys 112, His 117 și Met 121, cu primii trei aparent apropiați ( 2,0 și aproape coplanari cu atomul de cupru) comparativ cu ultimul (aproximativ 2,6 ). Peptida ce precede His 46 este de asemenea apropiată de cupru ( aprox. 3,5 ), dacă interpretarea curentă cu oxigenul carbonilic legat de cupru este corectă.
Topologia plisată a lanțului poate fi descrisă ca 8 răsuciri sub formă de butoi și este asemănătoare cu cea a superoxid dismutazei si a imunoglobulinelor. Această topologie este aparent reflectarea înfăsurării stabile a unității, mai exact a unității funcționale particulare.
Aceasta este de asemenea prezentă în structura câtorva proteine bacteriene antitumorale.
Figura 22 Structura polipeptidică a azurinei (a) și plastocianinei (b), liganzii cuprului și resturile de histidină
Plastocianinele
Se află în aproape toate cloroplastele din toate organismele, inclusiv din unele bacterii verzi-albastre.
Sunt în general mai mici decât azurinele.
Structura, determinată prin analize cu raze X a plastocianinei din frunzele de plop, a fost raportată la o rezoluție de 2,7 . Structura a fost descoperită utilizând metoda substituirii izomorfe multiple, una din varietatea metodei fiind creată prin înlocuirea cuprului cu Hg(II).
Distanțele metal ligand determinate din structura oxidată rafinată la 1,6 sunt: Cu-N (His 37)=2,07 , Cu-s (Cys 83)=2,13 , Cu-N (His 87)=2,10 și Cu-S (Met 92)=2,90 . Topologia de înfășurare este rezumată în figura de mai sus care a fost orientată pentru a maximaliza asemănarea între azurină și plastocianină. S-au comparat structurile lor tridimensionale pentru a înțelege relațiile lor evolutive. Aranjamentul stratului terminal C-terminal este corect, dar se crede că stratul N-terminal nu are înregistrate două resturi.[28]
Proteine albastre care conțin cupru, cu masa moleculară mare, implicate în procese redox.
Proteine care conțin cupru, transportori de oxigen
Hemocianina
Este o proteină care fixează reversibil oxigenul utilizat de moluște și artropode. Contrar denumirii, este o proteină ce nu conține gruparea “hem”.
Hemocianina artropodelor este forma hexameră sau multimeră, fiecare subunitate are o masă moleculară de aproximativ 75000, conținând 400650 aminoacizi și doi atomi de cupru.
Hemocianina moluștelor conține entități dinucleare de cupru, dar structura cuaternară este complet diferită, centrele conținând Cu sunt situate pe unități denumite funcționale cu masa M=50000 Da care se repetă de șapte sau opt ori într-o subunitate. De remarcat că în raport cu hemoglobinele, o subunitate a hemocianinei conține o entitate dinucleară de cupru și este formată din mult mai mulți aminoacizi.
Centru activ conține doi ioni de Cu(I) legați fiecare de trei resturi histidinice.
Prin EXAFS s-a stabilit că prin reacția cu oxigenul se schimbă substanțial coordinarea cuprului rezultând ioni de Cu(II) cu numere de coordinare 4 sau 5 ce sunt legați printr-un ligand endogen.
Figura 23 Structura centrului activ al deoxihemoglobinei
Modelul propus pentru această reacție de fixare a dioxigenului este redat mai los: dioxigenul este redus la peroxid și realizează o punte între doi atomi de cupru ce sunt acum Cu(II)
Cuprumonoxigenaze
Tirosinaza este o monoxigenază ce se găsește în microorganisme, plante și animale, și catalizează hidroxilarea monofenolilor la orto-difenoli și continuă oxidarea acestora până la ortochinone . Este responsabilă de implicarea chimică în taninarea pielii și în reacția de îmbrunare observată la cartofi, banane atunci când sunt cojite și supuse oxigenului.
Dopamin- -hidroxilaza
Este o altă monoxigenază ce se găsește în țesuturile organice și în medula mamară și catalizează hidroxilarea dopaminei la noradrenalină neurotransmițătoare.[29]
Proteine care conțin cupru cu rol de oxidaze/reductaze
Alături de monoxigenaze dependente de cupru se află și câteva oxidaze “albastre” care transformă ambii atomi ai oxigenului în apă și de asemenea oxidaze “nealbastre” care transformă ambii atomi ai oxigenului în .
Laccaza , ascorbatoxidaza și proteinele ceruloplasminice multifuncționale sunt oxidaze albastre în timp ce gala ctozoxidazele și aminooxidazele aparțin grupului oxidazelor albastre.
Ceruloplasmina conține ferroxidază și prezintă activitate antioxidantă, chiar dacă funcția sa primară în citoplasmă constă probabil în transportul și stocarea cuprului ca și reglarea și mobilizarea fierului
Datele structurale pentru ascorbatoxidază arată că centrii cuprului sunt separați unii de alții și în consecință se poate forma un trimer al cuprului cu proprietăți noi. Acest aranjament pare să favorizeze reducerea cu patru electroni a dioxgenului la două molecule de apă.
Figura 24 Structura enzim-oxidazelor care conțin cupru
În trimer, doi centrii metalici, fiecare coordinat cu trei resturi histidinice sunt legați în punte cu un hidroxid disociabil și sunt inactivi și forma oxidată. Al trelea centru metalic, nesaturat coordinativ, este legat de doi liganzi histidinici și de un ligand de tipul sau .
Acest angajament ilustrează funcția acestor enzime, adică transformarea potențialului de oxidare corespunzător la patru electroni ai oxigenului ce sunt trecuți la un substrat legat de centru de cipru.
În reducerea completă la starea de Cu(I) ligandul hidroxil se disociază, coborând numărul de coordinare în timp ce distanța Cu-Cu măsurată experimental a marcat o creștere.
Figura 25 Creșterea distanței Cu-Cu după reducerea la Cu(I)
Citocrom C-oxidaza
Este o enzimă membranară și componenta ultimă a fosforilării în lanțul respirator. Ea servește la transformarea și în și ca un sistem terminal consumator de reprezintă contraparticula la centrii de magneziu producători de în membrana fotosintetică. De fapt această enzimă este funcțională și stabilă numai la membrane.
Este legată de periplasmă și de complexul prin citocromul C.
Analizele rafinate relevă trei centrii de cupru, două grupări hem cu atomi de fier, un ion și este probabil asociată cu un dimer în membrana mitocondrală.
Figura 26 Reprezentarea schematică a centrilor redox în complexul dimeric multiproteinic citocrom c-oxidaza al membranei mitocondriale
Subunitatea principală a proteinei monomerice conține:
un citocrom a, separat cu Fe(III)-spin scăzut, doi liganzi histidinici axiali cu simetrie porfirinică și un potențial redox înalt.
un complex compus din citocromul ( fier cu spin înalt ) ți un centru de cupru ()
Suplimentar alt centru biochimic relevant, activat de dioxigen, adică cupru reizolat în starea de oxidare (+I) este de asemenea prezent.
Există și o a doua subunitate ce conține un centru de cupru cu starea de oxidare (+II).
Superoxid dismutaze care conțin cupru și zinc (Cu, Zn-SOD)
Cu-Zn SOD este o metaloproteină abundentă în aproape toate celulele ecariote. Complexează ionii metalici într-o configurație unică, foarte interesantă, iar proteina fără metal (apoproteina) acceptă ușor un număr de ioni metalici în locul ionilor normali de Cu și Zn.
Proteina este un catalizator al disproporționării ionului superoxid () de aici și denumirea ei.
Figura 27 Schema subunității Cu, Zn-SOD. Straturile b sunt desenate ca săgeți iar puntea disulfură este desenată ca zig-zag
Observarea acestei activități I-a condus pe cercetători la presupunerea că proteina se implică ca un agent protector contra efectului toxic al generat în celule ca produs inevitabil al metabolismului anaerob.
Studiile de raze X arată că proteina este constituită din două subunități identice, ținute împreună în cea mai mare parte de interacțiuni hidrofobe. Fiecare subunitate este alcătuită din butoiașe cilindrice aplatizate de straturi -pliate, formate din 8 lanțuri antiparalele din care apar trei bucle externe cu o structură neregulată.[6]
Se poate vedea pozițiile de fixare ale Cu și Zn într-o reprezentare schematică:
Manganul
Intră în componența unor metaloproteine cum ar fi piruvatcarboxilaza, diaminoxidaza, etc. Este catalizator al activității unor enzime, cum ar fi polimeraza, galactotransferaza, arginaza, fosfataza alcalină, fosfataza acidă și are un rol foarte important în sinteza proteinelor, celesterolului, în reacțiile de fosforilare oxidativă.
Manganul este implicat direct în centrul activ al sistemului de oxidare al apei în sistemul fotochimic II, care se manifestă în plantele verzi.[30]
În organism mai este implicat în reacțiile de oxidoreducere, carboxilare și hidroliză. Poate înlocui magneziul în reacțiile de fosforilare și de transfer (fosfokinaze, fosfomutaze, adenokinaze, etc.). Multe reacții din ciclul Krebs necesită mangan pentru o activitate optimă. De asemenea , manganul stimulează absorbția potasiului, stimulează germinarea semințelor, extragerea și asimilarea azotaților, biosinteza unor vitamine. Participă în sistemele ce conțin acid citric ca agent oxido-reducător.
Manganul stimulează activitatea ARN-polimerazei și siteza ARN-ului.
Excesul de mangan duce la îngreunarea absorbției fierului și chiar la apariția stărilor carențiale pentru fier.
În unele reacții enzimatice poate fi înlocuit de magneziu. În anumite plante, nu poate fi înlocuit de magneziu.[31]
Are un rol însemnat în procesul de fotosinteză prin stimularea reacției de fotoliză a apei (reacțiile Hill), asigurarea structurii și funcționalității membranelor cloroplastelor, având drept rezultat inhibiția fotosistemului II.
Manganul este luat din mediul înconjurător sub formă bivalentă. Ionii tri și tetravalenți nu sunt utilizați în plante.
Procesul de fotosinteză la plante constă în separarea elementelor din apă urmată de reducerea de către hidrogen a dioxidului de carbon.
unde nu implică de fapt hidrogenul molecular, ci s-a indicat doar componenta reductivă a apei.
Pentru plantele verzi sunt elaborate două sisteme diferite prin tipul clorofilei și accesoriile chimice prezentate în procesul de captare a energiei de la radiația luminoasă absorbită.
În reacțiile redox în care manganul este mediator al oxidării fotochimice a apei la oxigen molecular, ciclul manganului implică participarea stărilor de oxidare II, III și IV
Figura 28 Schema oxidării fotochimice a apei la oxigen molecular mediată de atomii de mangan
Centrii de mangan sunt combinabili pentru cataliza oxidării apei și pentru dezvoltare rapidă a oxigenului datorită.
marii varietăți a stărilor de oxidare stabile sau cel puțin nestabile (+II, +III, +IV, +VI, +VII)
legare labilă a liganzilor, manifestată în mod obișnuit.
1.4.5 Nichelul
Este destul de răspândit ăn natură, în sol și în plante. Compușii naturali cel mai des întâlniți sunt oxizii și carbonații, iar dintre cei de sinteză putem enumera și complecși ai Ni(II) cu tiosemicarbazone sau proguanil:
.
Acești compuși au activitate antitumorală. În ultimii ani au fost sintetizați, studiați și testați și unii complecși ai Ni(II) cu acțiune antineoplazică similară cu accea a unor complecși ai platinei (cu structură analogă) cum sunt: [Ni(asp)Cl], [NiCl], [NiClOH] toți cu simetrie plan pătrată.[33]
Nichelul este prezent în patru tipuri de enzime esențiale în stări de oxidare diferite și cu o coordinare caracteristică mediului. Ureazele conțin Ni(II) penta sau hexacoordinat de liganzi cu atomi de N sau O donori, hidrogenazele mai multor bacterii care conțin nichel în principal coordinat de liganzi cu sulf. Metil coenzima M reductaza bacteriei metanogene, prezintă un complex al nichelului cu inelul tetrapirolic ca grupare prostetică denumit coenzima .
Ureaze
Pot fi izolate din bacterii sau plante.
Catalizează degradarea ureei la dioxid de carbon și amoniac. Ureea este o moleculă foarte stabilă care în mod normal hidrolitează foarte încet obținându-se acid izocianic și amoniac.
Realizarea unei legături Ni-substrat facilitează ultima reacție a mecanismului.
O dovadă în plus pentru legarea metalului la substrat este faptul că activitatea enzimei este inhibată prin legare nichelului de un derivat fosfat.[6]
Secvențele de aminoacizi de diferite ureaze sunt cunoscute, dar informațiile privind structura și activitatea centrilor de nichel sunt puține.
Haloenzima ureazei din fasole este formată din șase unități identice fiecare unitate conținând doi ioni de nichel în poziții apropiate și aparent diferiți.
Hidrogenaze
Sunt enzime care catalizează oxidarea reversibilă a hidrogenului molecular cu implicarea în proces a doi electroni.
Această reacție joacă un rol important în cursul fixării dinitrogenului în fosforilarea microbială sau fermentația substanțelor biologice la metan. Microoganismele anaerobe și câteva aerobe conțin hidrogenaze.[34]
Majoritatea hidrogenazelor conțin clusteri Fe-S. În funcție de prezența altor grupări prostetice, hidrogenazele sunt împărțite în: Ni/Fe-hidrogenaze și Ni/Fe/Se-hidrogenaze.
Ni/Fe-hidrogenazele conțin un atom de Ni în plus în afara clusterului Fe-S.
Ni/Fe/Se-enzimele prezintă Ni și Se (Ni este coordinat la selenocisteină) în raport echimolecular cu cel al clusterilor Fe-S.
Din analiza câtorva Ni/Fe-hidrogenaze a rezultat o analogie a aminoacizilor, în special în ceea ce privește gruparea cisteinică. Enzimele ce conțin nichel sunt mai bine caracterizate, ele fiind mai puțin sensibile decât hidrogenazele numai –Fe care au o activitate mai mare.
Pentru Ni/Fe hidrogenaze se presupune existența în sfera de coordinare a cinci sau șase liganzi dispuși după o geometrie de dipiramidă trigonală sau de octaedru deformat.
CO dehidrogenaza
Multe bacterii metanogene și acetogene (care produc metan și acid acetic) conțin CO dehidrogenază, enzima ce catalizează oxidare .
În biochimie oxidarea este prezentată ca fiind o dehidrogenare, totuși CO nu conține hidrogen iar termenul de CO oxidoreductază pare mai potrivit.
Cealaltă funcție biologică a enzimei este să catalizeze formarea reversibilă a acetil-coenzimei A prin combinarea coenzimei A cu o sursă de metil. Proteinele corinoide cu funcționalitate ale metiltransferazei și disulfit reductazele ce conțin Fe/S contribuie de asemenea la această reacție.[33]
Studii recente structurează ennima în patru subunități un cluster A ce cuprinde atomi de Ni și unități Fe+S active în sinteza Acetil coenzimei A; un cluster C care reprezintă partea activă în oxidarea CO; un cluster și o “componentă feroasă”
Subunitatea metalică a enzimei cu structura cuaternară de tipul , conține un atom de nichel și patru atomi de sulf.
Ni este coordinat la liganzi ce conțin doi atomi de sulf și doi atomi de oxigen și azot, geometria nichelului fiind de plan-pătrat deformat, iar Fe este dispus într-un cluster
Metil-Coenzima M Reductaza
Ruperea din bacteria metanogenă a metil-coenzimei M (2-metiletansulfonat) cu eventuala formare și eliberare a metanului este catalizată de metil coenzima M reductază.
Dimerul proteinic are o masă moleculară de aprox. 300 kDa și este format din trei subunități diferite 68,47 și 38 kDa.
Din enzimă a fost izolată o substanță ce conține Ni, de culoare galbenă, cu masă moleculară mică și care a fost denumită .
Structura acestei prime coenzime biogene prezintă un ciclu porfirinic înalt hidrogenat condensat cu -lactamă și ciclohexanonă. Structura ciclică a fost denumită “hidrocorfin” pentru a arăta asemănarea ei structurală cu porfirina și nu ciclul conjugat corinic ( are o legătură lipsă în inelul tetrapirolic)[6]
Figura 29 Coenzimă
1.4.6 Zincul
Zincul se găsește în materia vie în concentrații foarte mici “în urme”.
Rolul zincului în sistemele biologice a fost evaluat în patru faze
zincul este esențial pentru dezvoltarea, creșterea și diferențierea tuturor speciilor
zincul este component al multor enzime cu funcție catalitică
recunoașterea manifestărilor clinice asociate cu un metabolism anormal al zincului la toate vertebratele ( copii cu deficiențe de zinc prezintă malformații congenitale majore ale scheletului, creierului, inimii, ochilor, plămânilor, deci zincul are importanță în creșterea și dezvoltarea normală[23]
studiul rolului zincului în transformarea informației genetice este încă la început
În complecșii metal-proteină ai zincului, acesta este mai slab legat de proteină.
Metaloenzimele pe bază de zinc cuprind clasele:
Clasa I, Oxidoreductaze (Alcool dehidrogenaza, Reductaza, Superoxid Dismutaza, Reductaza, D-Lactat dehidrogenaza)
Clasa II Transferaze (Trascarboxilaza, AND polimeraza, ARN-polimeraza)
Clasa III Hidrolaze (Fosfataza alcalină, Fosfodiesteraza, Carboxipeptidaza A)
Clasa IV Liaze (Anhidraza carbonică)
Clasa V Izomeraze (Fosfomanoze, Izomeraze)
Clasa VI Ligaze (Piruvat carboxilaza)
Adiția de zinc poate reconstitui complet apoenzima stabilă, inactivă, prin aceasta redobândindu-se activitatea catalitică a enzimei.
Ionii metalici divalenți: Co(II), Mg(II), Ni(II), Fe(II), Cu(II), Cd(II), Hg(II) pot reconstitui chimic și funcțional anumite apoenzime.[36]
În metaloenzime, zincul are următoarele roluri:
rol catalitic când este direct implcat în cataliza enzimelor (anhidraza carbonică, carboxipeptidaza)
rol structural când asigură stabilitatea structurii proteinei, în special cea cuaternară (atomul de zinc ajută la dimerizarea amilazei fără a-I modifica activitatea enzimatică)
rol de reglare pentru activitatea enzimatică (poate juca rol atât de activator în leucin aminopeptidaza din globul ocular al bovinelor cât și de inhibator în leucin aminopeptidaza din rinichii porcinelor
rol necatalitic când nu sunt informații aspra modului de acțiune a metalului.
Metaloenzimele cu zinc se deosebesc între ele atât prin numărul atomilor de zinc conținuți cât și prin rolul diferit pe care zincul îl are în aceste enzime.
Înlocuirea zincului catalitic sau a celui regulator cu alți ioni metalici poate afecta profund activitatea acestora, pe când înlocuirea zincului structural sau necatalitic nu are consecințe majore.
Oxido-reductaze: Superoxid dismutază (SOD)
În 1969, s-a descoperit o enzimă ce catalizează resturile de radical superoxid denumită superoxid dismutaza.
Această activitate este critică pentru protecția celulelor aerobe față de efectele toxice ale dioxigenului.
Au fost descoperite trei tipuri de SOD, metaloproteine cu atomi metalici diferiți. Enzimele izolate din citoplasma celulelor organismelor encariote conțin cupru și zinc, pe când cele din organismele procariote conțin fie mangan fie fier.[37]
SOD bovinelor conține un atom de cupru și un atom de zinc (două subunități). Activitatea SOD nu este inhibată de EDTA, dar ionul CN este un posibil inhibitor reversibil.
SOD este un dimer cu stabilitate mare la disociere. Fiecare subunitate posedă 150 resturi cu masa moleculară egală cu 15600 u.a.m. Zincul este înconjurat tetraedric de liganzii: Asp 81 și histidinele Hys 61, Hys 69, Hys 78. Atomul de cupru este înconjurat de atomi de azot din: Hys 46; Hys 61; Hys 118. Trei dintre resturile histidinice sunt coplanare cu cuprul, iar Hys 61 are o poziție intermediară între coplanar și axial.
Figura 30 Diagrama stereo a geometriei M-L în superoxid dismutaza bovinelor determinată în cristalografie cu raze X
Hidrolaze: Carboxipeptidaza A
Pancreasul mamiferelor și peștilor conține două carboxipeptidaze cu zinc ce catalizează hidroliza atomului de carbon terminal al resturilor de aminoacizi din peptide și proteine; cea notată cu “A” preferă resturile aromatice, iar cea notată cu “B” este specifică resturilor bazice.
Atomul de zinc este esențial în activitatea catalitică a carboxipeptidazei A extrasă din pancreasul bovinelor. Izolată, enzima conține 1 g/mol. Îndepărtarea zincului – fie prin dializă la pH scăzut, fie cu ajutorul agenților de chelatizare – inactivează total enzima, pe când readăugarea lui sau a altor ioni metalici divalenți restaurează activitatea carboxipeptidazei către peptide și esteri.[6]
Carboxipeptidazei A are masa moleculară egală cu 34600 u.a.m. Au fost identificate trei astfel de enzime extrase din pancreasul bovinelor: constituite din: 307, 305, și respectiv 300 resturi de aminoacizi.
Arg – 145 este locul de interacțiune a grupărilor carboxil din poziția , libere ale substratului, cu enzimelor, iar Glu – 270 principala poziție nucleofilă. Atomul de zinc este legat de Glu 72, Hys 69 și Hys 196 precum și de o moleculă de apă, deci are o geometrie tetraedrică distorsionată.
Figura 31 Centrul activ în carboxipeptidaza A
Liaze : Anhidraza carbonică
Catalizează reversibil hidratarea dioxidului de carbon. Enzimele mamaiferelor sunt sub formă monomeră în timp ce enzimele din plante și microorganisme sunt oligomere.
Enzimele eritrocitelor umane, cu activitate mare (HCAB) sau mică (HCAC) și principala enzimă din eritrocitele bovinelor (BCAB) sunt cel mai bine studiate.
HCAB, HCAC, și BCAB conțin un atom de zinc/moleculă. Anioni ce pot complexa metalul, precum; cianura , sulfura inhibă instantaneu activitatea acestor enzime. Din contra, EDTA nu inhibă instantaneu anhidraza carbonică, dar îndepărtează zincul, având drept consecință pierderea activității catalitice.
HCAB, HCAC și BCAB sunt lanțuri proteice simple, fiind cunoscute toate secvențele de aminoacizi, zincul fiind legat de trei histidine.
Au fost determinate structurile cristaline ale HCAB și HCAC la pH de 8,5 la o rezoluție de 2 . Structurile terțiare ale ambelor enzime sunt elipsoidale, atomul de zinc fiind legat de centrul moleculei și fiind în cel mai de jos punct. Sfera de coordinare a zincului este un tetraedru distorsionat și conține atomi de azot ai Hys – 94(93) și Hys – 96(95) și atomul de azot al Hys – 119(118) în HCAB respectiv în HCAC.
Cea de –a patra poziție este ocupată de o moleculă de apă sau de un ion hidroxil, .
Structurile terțiare ale apo- și Zn – carboanhidrazei sunt foarte asemănătoare, ceea ce arată că atomul de metal nu este esențial în stabilirea acestei structuri; îndepărtarea zincului duce însă la destabilizarea acestor enzime, ele putându-se denatura.
Figura 32 Reprezentarea schematică a centrelor active ale anhidrazei carbonice C umane care prezintă geometria de coordinare a metalului
1.4.7 Molibdenul
Importanța biologică a molibdenului a fost pentru prima dată recunoscută în domeniul agriculturii. Astfel s-a descoperit că enzimele responsabile pentru primele etape în fixare ți asimilarea azotului, conțin fiecare atomi de molibden ca părți ale centrilor activi.
Metabolismul multor animale superioare depinde de cantitățile de molibden din organism, acești atomi fiind în fond centrii activi ai metaloenzimelor, care catalizează importante transformări biochimice. Astfel, mamiferele prezintă xantinoxidaza, o enzimă care funcționează defectuos poate produce xantinurie, uricemie sau gută. Molibdenzima sulfitoxidaza este prezentă în ficat și în multe alte organe umane, la vaci, oi sau pui. Ionul sulfit are un efect deosebit de important în multe procese și enzima sulfitoxidază catalizează oxidarea la ionul sulfat făcând din sulfitoxdază un agent detoxifiant important. [6]
Absența acestor enzime la oameni duce la dereglări neurologice, înapoierea mintală și chiar moarte. În plus, molibdenul favorizează fixarea ionului de fluor fiind eficace în prevenirea cariilor dentare.
Totuși, persoanele având o hrană bogată în molibden sunt susceptibile la gută și adesea pot suferi inflamații ale extremităților datorită depozitării unui exces de acid uric.
Biochimia molibdenului este caracteristică sistemelor biologice în care molibdenul este asociat cu sulful. Aceste asocieri molibden-sulf joacă un rol important în cataliza biochimică. Sistemele molibden-sulf manifestă o reactivitate diferită față de moleculele organice. Aceste sisteme pot reacționa într-o varietate de modalități utilizând atât molibdenul cât și particule policentrice la interacțiunea cu moleculele organice și anorganice.
Metabolismul molibdenului poate fi privit într-un context larg sub forma interacției sale cu alte elemente. Astfel, vacile manifestă o boală foarte gravă ca urmare a deficienței de cupru, dar este interesant că prezența, în cantități mari a molibdenului în sistem produce aceleași simptome ca și în cazul deficienței de cupru.
Această observație este denumită antagonismul molibden-cupru la rumegătoare.
Molibdenzimele sunt prezente în bacterii simple și la fel de bine și în sistemele complexe ale mamiferelor.
Molibdenul, singurul element biologic esențial din seria a II-a de metale tranziționale “d” are același rol în metabolismul azotului, ca rolul pe care îl joacă elementele din prima serie tranzițională (fier, mangan și cupru) în metabolismul oxigenului anorganic.
Procesul reversibil de transformare a nitriților în nitrați se realizează cu o proteină ce conține molibden și resturi FAD care se numește nitratreductază.
Molibdenoenzimele participă la reacțiile esențiale de reducere a azotului anorganic
Este evident că molibdenoenzimele joacă un rol direct în asimilarea azotului în multe plante și sisteme bacteriene.
În sistemele de fixare a azotului pot fi implicate cel puțin două metalo-proteine care sunt sensibile față de oxigenul molecular:
fier-molibden-proteina din nitrogenază ce conține molibden, fier, resturi de cisteină și sulf labil în proporția 1:20.20:15.
Metaloproteina ce conține doi atomi de fier și doi atomi de sulf labil
Pentru fixarea azotului este necesară prezența simultană a ambelor proteine. În acest caz, ambele proteine trebuie să aparțină la unul și același sistem biologic.
Molibdenenzimele pot fi clasificate conform participării la metabolismul sulfului, formal pierd sau câștigă un atom de oxigen legat de un atom de sulf dintr-o moleculă organică sau ioni anorganici.[38]
Molibdenoenzimele de tipul monoxid de carbon-reductaza și formiat dehidrogenaza joacă un rol cheie ăn anumite organisme.
Multemolibdenenzime conțin alături de molibden, multe prosteice care devin active prin transfer de electroni. Aceste hemuri, clusteri Fe-S și flavine servesc la medierea proceselor de transfer de electroni între centrii de molibden și donorii sau acceptorii de electroni. Datoria centrului de molibden este de a influența reacțiile redox ale substratului.
Nitrogenaza
În nitrogenază sunt prezente mai multe sisteme complexe. Se disting două proteine: una denumită FeMo-proteină, iar cealaltă Fe-proteină. Proteina cu Fe acțoinează ca un agent specific cu transfer de electroni de la proteina MoFe, în concordanță cu hidroliza ATP. Proteina FeMo este locul de reducere a azotului și a altor substraturi reactante ale nitrogenazei.
Succesiunea transferului de electroni este “in vivo” Ferredoxine Flavodoxine “ in vitro” Fe-proteină proteina MoFe substrat )
este mult utilizat ca donor de electroni pentru nitrogenaza “in vitro” deoarece predisocierea
generează reducătorul activ .
Toate reducerile realizate de către nitrogenază necesită prezența ambelor proteine ale nitrogenazei și sunt cuplate cu hidroliza MgATP la ADP+Pi
Reacții catalizate de nitrogenază:
De fapt, proteina cu fier acționează ca un agent specific cu transfer de electroni, transferând electroni de la proteina molibden-fier, în concordanță cu hidroliza ATP. Astfel, putem spune că are loc un ciclu catalitic de tipul:
Clasificarea molibdenzimelor
O metodă specială de clasificare consideră molibdenoenzimele cuprinse în două clase, fiecare posedând un tip particular al centrului de molibden sau al cofactorilor.
În acest context, cofactorii desemnează o grupă prosteică, care leagă la distanță mare “apo” proteina producând activarea enzimatică a entității.
Oxomolibdenoenzimele- catalizează oxidarea sau reducerea substratului cu doi electroni, și multe au formă de hidroxilaze. Orice “entitate” ce are cel puțin o grupă oxo legată de molibden, în cel puțin o stare de oxidare, este importantă pentru activitatea enzimei. Orice oxomolibdenoenuimă ce conține un anumit tip de centru de molibden poate forma molibdencofactori
Nitrogeneza- este singura enzimă ce alcătuiește două grupe de molibdenoenzime . Această enzimă conține în interiorul său proteina FeMo, un cluster unic al fierului, molibdenului și sulfului desemnând fiermolibdencofactorul.[39]
CAPITOLUL II
LIGANZI BIOLOGICI
2.1 LIGANZI BIOLOGICI PENTRU IONII METALICI
Metalele apar în mediul biologic în cea mai mare parte sub formă de ioni pozitivi (centrii formal ionizați) și de aceea este necesar ca în jurul lor să existe liganzi donori de perechi de electroni
Deoarece elementele chimice, atât organice cât și anorganice nu pot avea o evoluție biologică prin ele însele, au căpătat relevanță biologică sub forma combinațiilor înalt complexate.
Se cunoaște încă puțin despre importanța coordinării metalelor la grăsimi și hidrați de carbon.
Adesea este vorba despre complecși relativ labili, a căror izolare și elucidare a structurii este îngrunată ; se cunoaște de mult că funcția ascorbatului (vit.C) este corelată cu echilibrul redox Fe(II)/Fe(III).
Studierea combinațiilor complexe care apar și funcționează în sistemele biologice se face în general pe compușii metal-ligand .
Există trei tipuri importante de “ bioliganzi ” care vor fi discutați în cele ce urmează:
peptide ( proteine ) cu potențiali centrii de coordinare resturile de aminoacizi;
liganzi de chelare macrociclici biosintetici
baze nucleice ca părți componente ale acizilor nucleici
2.2 Coordinarea prin proteine- remarci asupra catalizei enzimatice
Proteinele, în special chiar enzimele, sunt formate în principal doi – aminoacizi legați prin punți peptidice -C(=O)-N(-H).
Funcția carbonamidă însăși este capabilă de coordinare la ionii metalici într-o măsură relativ mică.
Grupările funcționale care pot coordina la ionii metalici ( ca liganzi) sunt cele prezente în lanțurile laterale ale următorilor aminoacizi:
Cisteină (Cys) –
Selenocisteină (SeCys) –
Tirosină (Tyr) –
Acid asparagic (Asp) –
Acid glutamic (Glu) –
H proton acid, înlocuibil cu ion metalic
Histidina acționează mai mult ca – imină bazică, iar uneori ;I prin atomul de N iminei din cadrul imidazolic; totuși pot fi implicați ambii atomi de azot după deprotonare indusă de metal, când se formează punți – imidazolat între doi ioni metalici
Metionina se coordinează prin atomul de sulf neutru al grupării tioeter.
Cisteina posedă după deprotonare (pk=8,5) un centru – tiolat încărcat relativ negativ ce poate coordina chiar 2 ioni metalici.
Selenocisteina ( ca noul al 21-lea aminoacid ) are prin deprotonare un atom de seleniu cu sarcină negativă;
Tirosina se coordinează prin atomul de oxigen fenolic negativ încărcat după deprotonare (pk=10,0)
Glutamatul și aspartatul se coordinează prin funcția carbonilat cu sarcină negativă formală (pk=4,5)
Carboxilații pot funcționa ca liganzi , și , : :
Coordinarea cu formarea unui ciclu chelat tetraatomic se întâlnește la ionii metalici cu volum mare, ca în cazul proteinelor cu . Coordinarea dublă , : : a glutamatului și aspartatului apare în dimerii fierului și manganului, la care adesea centrii metalici sunt adesea în punte printr-un ligand de tip -oxid.
În cazuri diferite de (deci , , : 🙂 este necesară o deviere a unghiului (C-O-M) de la valoarea ideală de caracteristică hibridizării .
O importanță redusă pentru coordinare la ionul metalic o au aminoacizii cu grupări hidroxil și amine simple, cum sunt : Serina, Threonina, Lysina și Triptofan.
Afinitatea resturilor de aminoacizi pentru anumite stări de oxidare ale metalelor este adesea caracteristică, astfel încât rezultă o anume selectivitate.
Din valorile constantelor de formare ale complecșilor din aminoacizii liberi, ca și din observațiile asupra proteinelor reala, a reprezentat o confirmare a conceptului tare/slab pentru următoarele perechi aminoacid – ion metalic .
His: Cu(II), Zn(II), Cu(I), Fe(II);
Met:Cu(I), Fe(II), Fe(III), Cu(II);
: Cu(I), Zn(II), Cu(II), Fe(III), Fe(II), Mo(IV-VI), Ni(I-III)
: Fe(III);
: Fe(III), Fe(II), Zn(II), Mg(II), Ca(II)
Reciproc, stările de oxidare ale diferitelor metale prezintă preferințe de coordinare caracteristice pentru anumite resturi de aminoacizi. În tabelul următor se prezintă regularităților observate în coordinare, precum și stereochimia coordinării.
Se pot face două remarci specifice care sunt neobișnuite din punctul de vedere al chimiei coordinative preparative , în legătură cu aceste regularități de coordinare:
ionii metalici sunt adesea nesaturați din punct de vedere coordinativ în raport cu resturile de aminoacizi, respectiv mai mici de n.c.=4 (tetraedru plan pătrat ) sau 6 (octaedru). Acest lucru este o caracteristică necesară pentru activitatea catalitică, respectiv pentru coordinarea substratului, nu rareori această poziție de coordinare liberă este un ligand ușor de substituit cum este .
Numerelor de coordinare uzuale 4 și 6 din complecși le corespund adesea, în cazul centrilor metalici, în cazul centrilor metalici coordinați de proteine, o stereochimie asimetrică, puternic deformată de la structura ideală tetraedrică sau octoedrică. O abatere sigură se datorează în special liganzilor aminoacid diferiți și înconjurării proteice.
Ion Tăria Nr. și felul liganzilor Geometria
legăturii coordinării
puternică 3 : His, distorsat
puternică 3,4: ,His,Met distoxiat
puternică 3,4: His, () distorsat-plan pătrat
slabă 4-5: His, (slab distorsat)
puternică 4-5: ,, (slab distorsat)
Ionul metalic se găsește cel mai adesea în interiorul polipeptidei pliate mai mult sau mai puțin globulare, astfel încât aceasta, în structura sa tetraedrică, apare ca un ligand de chelare uriaș prin resturile sale de aminoacizi adesea există posibilitatea unei căi de acces (culoar) a substratului prin canale specifice.
Liganzii aminoacid din tabelul 1 formează cu unii ioni metalici ca sau complecși cu adevărat stabili din punct de vedere termodinamic, dar totuși labili din punct de vedere cinetic. Energia de activare pentru disocierea combinației complexe este așa de redusă încât rezultă o combinație puțin stabilă (cu viață scurtă). Acest lucru nu favorizează funcția catalitică eficientă a metal enzimelor, astfel încât este necesară o stabilizare cinetică prin liganzi de chelare polidentați.
2.3 Liganzi tetrapirolici și alți macrocicli
Prin macrocicli tetrapirolici se înțeleg liganzii de chelare tetradentați nesaturați, care în formă de deprotonată pot să fixeze ioni metalici divalenți substituibili.
Dintre combinațiile complexe astfel rezultate fac parte și următoarele combinații bioanorganice, bine cunoscute:
clorofilele conțin (în mod normal labil) ca ion metalic central și un ligand porfirinic (Pheofitin) substituit, parțial parțial hidrogenat cu un ciclu adiacent
Structura clorofilei
Figura 34 a,b
cobalaminele, formele active coenzimatice ale vitaminei conțin cobalt și un ciclu corină, care are un membru mai puțin decât macrociclurile porfirină
Corrină
Structura moleculei de vitamină
Figura 35 a,b
grupa hemului, formata dintr-un ion metalic central de fier și un ligant mporfirinic substituit (porfirină ), apar în hemoglobină, mioglobină, citocromi și peroxidaze .
Metalporfirină
Structura grupării “hem”
Figura 36 a,b
În urmă cu câțiva ani a fost izolat și caracterizat un complex porfinoid de nichel, denumit “ Factor 430 “ ( conzima ) din microorganismele ce produc metan. Sistemul ciclic este numai parțial conjugat.
Importanța acestor combinații complexe intens colorate care fac parte din compușii bioactivi rezultă din faptul că elucidarea structurii și funcționării lor, ca și sinteza lor totală au fost onorate cu premii Nobel pentru chimie.
PREMII NOBEL
R. Willstater – Constituția Chl – 1915
H. Fischer – Constituția hemului – 1930
I.C. Kendrew, M.F. Perutz – Structura Hb, Mb – 1962
D. Crowfoot, Hodgkin – Structura vitaminei și a derivaților – 1964
R.B. Woodward – Sinteze ale substanțelor naturale – Chl; împreună cu A. Eschenmoser sinteza vitaminei – 1965
I. Deisenhoter, R. Huber, H. Michel – Structura unui centru de reacție fotosintetică din bacterii – 1988
Care sunt caracteristicile acestor bioliganzi biologici neobișnuiți, a căror biosinteză stimulată de zinc și puternic prejudiciată de plumb necesită atâta risipa de efort ?
sistemul ciclic plan nealterat este foarte stabil așa cum dovedește prezența complecșilor porfirinici în fracțiunile de țiței.
Conform lui Wuillstalter, toate lungimile legăturilor ( 134-145 nm ) și mărimile unghiurilor () ca și unghiul de torsiune ( <) se află între limite normale pentru atomii de C hibridizați legați de atomi de azot, de asemenea . Nu apar tensiuni geometrice.
în calitate de liganzi de chelare tetradentați pot fi ( după deprotonare ca macrocicli tetrapoliedrici cu sarcina –1, Corină, sau –2 ) chiar și ioni metalici labili;
Efectul cinetic al stabilizării prin chelare se bazează pe faptul că numai la o rupere simultană ( puțin probabilă ) a tuturor legăturilor metal-ligant poate să aibă loc o disociere.
ligazii macrociclici sunt selectivi față de dimensiunile ionilor metalici complexați. Datele structurare și studiile pe modele arată că ionii sferici cu o rază de 60-70 pm se potrivesc cel mai bine golului macrociclului, formând complecși “ în plan “.
În tabelul următor se prezintă ioni metalici diferiți din acest punct de vedere.
Ion (pm) Compatibilitatea cu “golul” macrociclului
45 prea mic
72 potrivit
100 prea mare
53 relativ mic
62 complecși – porfirină au fost găsiți
în țiței dar nu în organisme vii (element
foarte rar)
80 relativ mare, element rar
cca 60 porfirine de vanadil sunt relativ rare în
(nesferic) țiței și împiedică eliminarea catalitică
a N și S prin rafinare; în organismele
vii nu au fost observate
(h.s) 83 prea mic
(h.s) 78 prea mare (structură out-of-plane)
(l.s) 61 relativ mic
(h.s) 65 potrivit
(l.s) 55 prea mic
Valoarea medie pentru
65 sistemul hem cu în diferite
S.O. și stări de spin
(l.s) 65 potrivit Cobalamine
69 potrivit
73 relativ mare; porfirine de cupru nu
au fost găsite în organismele vii
74 relativ mare; porfirine de zinc nu au
fost găsite în organismele vii
cei mai mulți ligazi tetrapoliedrici conțin un sistem conjugat de electroni .Cu 18 = 4n + 2electroni în ciclul interior de 16 atomi ai porfirinei se îndeplinește regula lui Huckel pentru sistemele “ aromatice “ ciclice și prin aceasta, deosebit de sterile, care explică în plus și stabilitatea termică, amintită mai înainte a inelui.
Ca urmare a acestei conjugări atotcuprinzătoare de electroni , ligazii dar și combinațiile complexe prezintă absorbții puternice în domeniul vizibil al spectrului, motiv pentru care aceste sisteme sunt cunoscute sub denumirea de “ coloranți “ – tetrapirolici sau “ pigmenți ai vieții “.
În continuare, din aceeași cauză- a apropierii orbitalilor , are loc o ușurare a prelucrării și cedării de electroni, adică reducerea și oxidarea acestor heterocicli; radicalii anionici și cationici rezultați sunt adesea foarte stabili.
macrociclii tetrapirolici – liganzii tetradentați plani, sau aproape plani lasă libere pozițiile de coordinare X și Y pentru n.c.=6 și geometria octaedrică. În cazul activării substraturilor, controlate stoechimetric sau catalitic sunt necesare două astfel de poziții de coordinare : unul pentru coordinarea substratului și unul pentru comanda acestei reactivități; de exemplu prin folosirea unui “ efect trans “.
De exemplu:
în hemoglobină substratul este molecular transportat și în plus al VI –lea ligand este histidina “proximală” .
în cobalamină substituenții saturați ai C se pot lega direct la cobalt. Eliberarea hemolitică a acestui rest alchilic ca radical sau în altă formă este posibilă enzimatic sub influența celui de-al VI– lea ligand ( derivat de benzimidazol )
clorofilele sunt organizate în înalt grad în pigmenții antenei sau ca dimeri în “ perechile speciale “ ale centrilor de reacție fotosintetică; această dimerizare are loc prin interacția între centrul acceptor de electroni ( acid Lewis ) și cel donor – grupările carbonil ale clorofilei ( baze Lewis ).
în condițiile distorsiunii tetragonale a geometriei octaedrice –ligandul tetrapirolic fiind un câmp puternic, are loc o schimbare a grupului de orbitale d ale ionului metalic tranzițional complexat.
Deși ligandul ecuatorial plan (dianionul tetrapirolic) ar trebui să stabilizeze configurația tip spin minim, există în cazul Hb și Mb echilibrul de spin pentru Fe(II). Acesta apare datorită faptului că raza ionică a Fe(II) spin maxim este prea mare pentru coordinarea în planul macrociclului. În mod asemănător se comportă și Ni(II) spin maxim în coenzima .
Alți liganzi macrociclici
Există macrocicli polidentați care se numesc “ionofori”, pentru că servesc la transportul cationilor metalelor alcaline sub formă de combinații complexe.
Aceștia sunt liganzi de chelare polidentați (numere de coordinare ), care sunt fie ciclici, fie sunt închiși ca ciclu prin punți de hidrogen – denumiți cvasi-macrociclici.
Astfel de liganzi coordinează puternic ioni ai metalelor alcaline și (care sunt labili în complecșii nechelați în golul interior polar, în conformitate cu dimensiunile ionilor și prin heteroatomii aleși strategic (oxigen sau azot).
Exteriorul, adesea lipofil al complexului, permite migrarea și prin aceasta transportul cationului metalului alcalin prin membranele biologice fosfolipidice; pe această proprietate se bazează, printre altele, întrebuințarea unor substanțe de acest gen ca antibiotoce (perturbarea echilibrului ionic în membranele bacteriene). Înțelegerii acestei “recunoașteri moleculare” I se datorează dezvoltarea studiului substanțelor macrociclice sintetice analoge precum și atribuirea premiului Nobel pentru chimie în 1987 lui Petersen, Lehn și Crem.
Valinomicină
2.4 Nucleobaze libere și polimere ca liganzi
Bazele nucleice heterociclice care apar în structura acizilor nucleici sunt recunoscute de mult ca posibili parteneri de complexare a ionilor metalici.
Atât formarea, replicarea și scindarea polimerilor acizilor nucleici (ARN,ADN) cât și stabilitatea lor structurală (de exemplu ordonarea în elice dublă a ADN) necesită prezența combinațiilor metalelor într-o formă “ enzimatică “ ( exemplu ) sau “ liberă “ cu sarcină neutralizabilă ( ); în ultimul caz, gruparea fosfat a nucleotidului poate fi neutralizantul sarcinii.
Adenină Guanină Citozină R’=H:Uracil
R’=CH:Timină
R=H:Bază nucleică liberă
Bazele nucleice sunt liganzi ambidentați ( se pot coordina fie printr-un atom dimer fie prin altul ) care atât în forma nucleozid , cât și nucleotid pot ocupa una sau mai multe poziții de coordinare ale unui ion metalic.
În funcție de caracteristica centrului de coordinare ( atomul donor ) – respectiv specia atomică, hibridizarea, bazicitatea, formarea de cicluri chelate, precum și de condițiile externe ( pH-ul ) și în sfârșit de dimensiunea și caracterul ionului metalic central, baza nucleică poate funcționa ca mono- sau polidentat prin grupările imino, amino, amido, oxo sau hidroxo.
Un aspect foarte important este capacitatea bazelor nucleice de a putea exista în diferite structuri tautomere cum demonstrează, de exemplu, citosina N (1 ) substituită.
Forme tautomere ale citozinei N(1)-substituite
Prezența cationilor metalelor, în special în exces, poate influența numai efectul sarcinii, necesarele punți de hidrogen pentru perechile de baze AND “ naturale “; astfel încât favorizează formarea unui tautomer “ fals “ care are ca rezultat o pereche nenaturală de baze ( “ mispairing “) și ca urmare poate fi provocată o modificare a informației genetice dacă nu se face repararea acesteia ( mutagene, acțiune carcinogenă ).
Cuplare corectă “mispairing” între
Timină – adenină tautomer “fals” timină-guanină
Studiile intense asupra acțiunii carcinostatice a “ cis-platinei “ ( ) au arătat că poate să apară o specificitate relativ înaltă pentru coordinarea combinației metalului la anumite secvențe din interiorul elicei duble. În concordanță cu noua biologie moleculară, nu este necesară o intervenție covalentă complex metalic-nucleotid; studiile pe această temă au în vedere molecule mici specifice secvenței care se determine anumite modificări cu scop precis, ale ADN, în special pentru chimioterapia tumorilor.
Specificitatea pentru secvența, inclusiv recunoașterea structurilor chirale se poate realiza prin coordinarea directă a metalului, prin geometrii de coordinare speciale sau prin specificitatea liganzilor mai mari.
Importanța combinațiilor model
Studierea “ combinațiilor model “ cu masă moleculară mică este un mijloc agreat de cercetătorii chimiști anorganicieni, pentru simularea caracteristicilor importante spectroscopice dar și ale structurii și reactivității sistemelor bioanorganice complexe, chiar și atunci când nu sunt cunoscute pe deplin sau deloc particularitățile structurale.
Se pot distinge mai multe etape de apropiere între modelele și sistemele biologice reale.
Ca premisă fundamentală, trebuie să fie redate asemănător proprietățile fizice, în special cele spectroscopice si particularitățile structural-constitutive ale complexului natural, prin sistemul model. Implicit, trebuie ca structura, mai ales a primei sfere de coordinare a metalului să corespundă prin comportarea spectroscopică.
A doua etapă , simularea calitativă a reactivității exemplului natural nu se atinge decât în puține studii. Acest scop este însă foarte important, deoarece procedeele care au loc biochimic au adesea o paralelă în procedeele tehnice ( de exemplu catalizatorii eficienți sunt căutați în domeniul tehnic ).
În modelele enzimelor, studiile se opresc la reactivitatea stoechiometrică și nu catalitică față de substratul natural.
Ultima etapă a unei modelări, simularea reactivității cantitative ( în raport cu viteza de reacție specificitatea față de substrat ) nu s-a atins deloc pentru sistemele cu moleculă mică. Datorită structurii complexe a combinațiilor biochimice, apare corelarea dintre înalta selectivitate și înalta reactivitate.
BIBLIOGRAFIE
SOLOMON E.I., TUCZEK F., ROOT D.E., BROWN C.A. – CHEM. REV. 94,3,827,1994
2. STRĂJESCU M., TEODOR F. – ELEMENTE DE CHIMIE BIOANORGANICĂ, EDITURA DACIA, CLUJ-NAPOCA, 1979
3. GRECU I., ENESCU I., NEAMȚU M. – IMPLICAȚII BIOLOGICE ȘI MEDICALE ALE CHIMIEI ANORGANICE, EDITURA JUNIMEA, IAȘI, 1982
4. MARCU Gh – SODIUL, EDITURA TEHNICĂ, BUCUREȘTI, 1996
5. PALAMARU M.N., IORDAN A.R., CECAL A. – CHIMIE BIOANORGANICĂ ȘI METALELE VIEȚII, EDITURA BIT, IAȘI, 1997
NEHER E. – SCIENCE 256,498,1992
7. EICHHORN G.L. – INORGANIC BIOCHEMISTRY, ELSEVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMPANY, NEW YORK, 1975
MILLER R.J. – SCIENCE 235,46,1987
9. SHRIVER D.F., ATKINS P.W., LANGFORD C.H. – IMORGANIC CHEMISTRY, OXFORD UNIVERSITY PRESS, OXFORD, 1990
10. ZEANA C. – MAGNEZIUL, BIOLOGIE, CLINICĂ, TRATAMENT, EDITURA EDCILOPEDICĂ, BUCUREȘTI, 1994
11. BREMARD C., GIRERD J.J., MERLIN J.C., MOREAUS J. – CHEM. SOC. DALTON TRANS. 1493,1993
12. BOMINAAR E.L., BORSHCH S.A., GIRERD J.J., BORSHCH S.A – J. AM. CHEM. SOC. 94,3,659,1994
13. SPRINGER B.A., SLIGAR S.G., OLSON J.S., PHILLIPS G.N.JR. – CHEM. REV. 94,3,699,1994
14. MOMENTEAU M., REED C.A. – CHEM. REV. 94,3,659,1994
15. STENKAMP R.E. – CHEM REV. 94,3,175,1994
16. FEIG A.L., S.J. LIPPARD – CHEM REV. 94,3,759,1994
17. BOOMINAR E.L., HU Z., MUNCH E., GIRERD J.J., BORSHCH S.A – J.AM. CHEM. SOC. 117,1976,1995
18. SAUSSINE L., BRAZI E., ROBINE A., MIMOUN H., FISCHER J., WEISS R. – J. AM. CHEM. SOC. 107,3534,1985
19. COLLINS T.J., POWELL R.D., SLEBODNICK C., UFFELMAN E.S. – J.AM. CHEM. SOC. 113,8417,1991
20. BUSCH D.H., ALCOK N.W. – CHEM. REV. 94,3,585,1994
21. CHIN J. – ACC. CHEM. RES. 24,145,1991
22. MAGNUS K.A., TON – THAT H., J.E. CARPENTER – CHEM. REV. 94,3,727,1994
23. GROVES J.T.,BARON L.A. – J. AM. CHEM. SOC. 111,5442,1989
24. COJOCARU D.C. – BIOCHIMIA VITAMINELOR, EDITURA GAMA, IAȘI, 1996
25. LEVER A.B.P., GRAY H.B., J. AM. CHEM. SOC 11,348,1978
26. NEGOIU D. – OXIGENUL, EDITURA TEHNICĂ, BUCUREȘTI, 1996
27. NARA SIMHA N.M., MOHAMMAD M.T., KENNETH D.K. – J. AM. CHEM. SOC 115,10404,1993
28. NORRIS G.E., BAKER E.N. – J. AM. CHEM. SOC 108,2784,1986
29. MORO-OKA Y., KITAYIMA N. – CHEM. REV. 94,3,737,1994
30. PHILOUSE C., LEXA D. – J. AM. CHEM. SOC. 116,8557,1994
31. PECORADO V.L., BALDWIN M.J.,GELASCO A. – CHEM. REV., 94,3,807,1994
32. FRAPART Y. M., BOUSSAC A., ALBACH R., ANXOLABEHERE – MALLART E., DELROISSE M., VARLHAC J.B., BLONDIN G., GIRRERD J.J., GUILHEM J., CESARIO M., ROTHERFORD A.W., LEXA D. – J. AM. CHEM. SOC. 118,2669,1996
33. PATEL S.U., SADLER P.J., TUCKER A., VILES J.H. – J. AM. CHEM. SOC 115,9285,1993
34. EFROS L.L., THOPR H.H., BRUDIIG G.W., CRABTREE R.H. – INORG. CHEM 31,1722,1990
35. DIXON N., GAZZOLA C., BLAKELLEY R.L., ZERNER B. – J. AM. CHEM. SOC 97,4131,1975
36. GROVES J.T., BARON L.A. – J. AM. CHEM. SOC. 111,5442,1989
37. KEILLOR J.W., NEVEROV A.A., BROWN R.S. – J. AM. CHEM. SOC 116,4669,1994
38. HOLM R.H., COORD – CHEM REV 100,183,1990
39. XIAO Z., ZOUNG C.G., ENEMARK Y.J., WEDD A.G., – J. AM. CHEM. SOC 114,9194,1992
40. BREZEANU M., SPACU P. – CHIMIA COMBINAȚIILOR COMPLEXE, EDITURA DIDACTICĂ ȘI PEDAGOCICĂ, BUCUREȘTI, 19974
41. HUHEY J.E. – INORGANIC CHEMISTRY, PRINCIPLES OF STRUCTURE END REACTIVITY, HARPER ROW PUBILSHERS, NEW YORK, 1990
42. KAIM W., SCHWEDERSKI B. – BIOINORGANIC CHEMISTRY: INORGANIC ELEMENTS IN THE CHEMISTRY OF LIFE, JOHN-UNVERSITY PRESS, OXFORD, 1995
43. BREZEANU M., CRISTUREANU E., ANTONIU A., MARINESCU D., ANDRUH M. – CHIMIA METALELOR, EDITURA ACADEMIEI ROMÂNE, 1990
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Chimie Bioanorganica (ID: 161300)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.