Compusi Coordinativi In Sisteme Biologice

CUPRINS

CAP I. Generatori de compuși coordinativi. Biometale…………………………………3

I.1 Capacitatea ionilor metalici de a forma combinații complexe………………3

I.2 Elemente esențiale și microelemente în sistemele biologice…………………..4

CAP II. Liganzi biologici……………………………………………………………………………17

II.1 Generalități………………………………………………………………………………………17

II.2 Grupe funcționale ale aminoacizilor si peptidelor…………………………….18

II.3 Molecule organice cu rol de liganzi………………………………………………….25

CAP III. Proprietățile combinațiilor complexe…………………………………………….32

III.1 Stabilitatea ionilor complexati în soluție………………………………………..32

III.2 Numărul de coordinare și gradul de formare………………………………….34

III.3 Relații între constantele de stabilitate…………………………………………….35

III.4 Tipuri de legături în compușii metal-organici…………………………………..36

III.5 Procese de înlocuire a ligandului – cinetică și mecanism………………….39

CAP IV. Compuși coordinativi din sistemele biologice…………………………………42

IV.1 Generalități……………………………………………………………………. …………….42

IV.2 Fierul în sistemele biologice…………………………………………………………….45

IV.3 Cuprul în sistemele biolgice…………………………………………………………….62

IV.4 Zincul în sistemele biolgice………………………………………………………………64

IV.5 Manganul în sistemele biolgice……………………………………………………..65

IV.6 Cobaltul în sistemele biolgice………………………………………………………….65

IV.7 Calciul în sistemele biolgice…………………………………………………………….66

IV.8 Magneziul în sistemele biolgice……………………………………………………..67

IV.9 Rolul pompelor transportoare……………………………………………………….69

IV.10 Combinații coordinative cu acțiune antitumorală.Cis-platin …….73

Bibliografie…………………………………………………………………………………………….81

=== l ===

CUPRINS

CAP I. Generatori de compuși coordinativi. Biometale…………………………………3

I.1 Capacitatea ionilor metalici de a forma combinații complexe………………3

I.2 Elemente esențiale și microelemente în sistemele biologice…………………..4

CAP II. Liganzi biologici……………………………………………………………………………17

II.1 Generalități………………………………………………………………………………………17

II.2 Grupe funcționale ale aminoacizilor si peptidelor…………………………….18

II.3 Molecule organice cu rol de liganzi………………………………………………….25

CAP III. Proprietățile combinațiilor complexe…………………………………………….32

III.1 Stabilitatea ionilor complexati în soluție………………………………………..32

III.2 Numărul de coordinare și gradul de formare………………………………….34

III.3 Relații între constantele de stabilitate…………………………………………….35

III.4 Tipuri de legături în compușii metal-organici…………………………………..36

III.5 Procese de înlocuire a ligandului – cinetică și mecanism………………….39

CAP IV. Compuși coordinativi din sistemele biologice…………………………………42

IV.1 Generalități……………………………………………………………………. …………….42

IV.2 Fierul în sistemele biologice…………………………………………………………….45

IV.3 Cuprul în sistemele biolgice…………………………………………………………….62

IV.4 Zincul în sistemele biolgice………………………………………………………………64

IV.5 Manganul în sistemele biolgice……………………………………………………..65

IV.6 Cobaltul în sistemele biolgice………………………………………………………….65

IV.7 Calciul în sistemele biolgice…………………………………………………………….66

IV.8 Magneziul în sistemele biolgice……………………………………………………..67

IV.9 Rolul pompelor transportoare……………………………………………………….69

IV.10 Combinații coordinative cu acțiune antitumorală.Cis-platin …….73

Bibliografie…………………………………………………………………………………………….81

CAPITOLUL I : GENERATORI DE COMPUȘI COORDINATIVI. BIOMETALE

Capacitatea ionilor metalici de a forma compuși coordinativi

Compușii coordinativi sunt acei compuși chimici care rezultă în urma reacțiilor dintre ioni, ioni și molecule sau molecule, pe baza unor interacții de tip donor-acceptor sau interacții electrostatice.

Teoriile moderne corelează capacitatea ionilor metalici de a forma compuși coordinativi cu capacitatea lor de a funcționa ca acizi Lewis (acceptori de perechi de electroni). Formarea compușilor coordinativi implică deci reacția dintre un acid Lewis (A) și o bază Lewis (:D), conform echilibrului:

A + 😀 ↔ A←D

unde: A este acceptorul, un agent electrofil sau acid Lewis;

😀 este donorul de perechi de electroni, un agent nucleofil sau o bază Lewis;

A←D este aductul format care poate fi combinație complexă, compus coordinativ sau compus molecular ce prezintă legături covalent-coordinative sau dative.

Acidul Lewis este un acceptor de perechi de electroni. Pentru a putea funcționa ca acid Lewis, un element (atom sau ion) trebuie să posede orbitali vacanți. Fac parte din această categorie ionii metalici, în special cei ai metalelor tranziționale.

Deși majoritatea ionilor metalici pot participa la formarea de combinații complexe de tip clasic sau chelat, există deosebiri esențiale în funcție de structura electronică, de raza și de sarcina lor:

– cationii metalelor de tip “s” (cu excepția Li+ si Be2+ ) manifestă cea mai scazută capacitate de a forma coplecși clasici. În schimb ei pot genera chelați cu liganzii polidentați, cu mai mult de 4 atomi donori, cum sunt cei din grupa complexonilor, dar mai ales cu macrociclurile naturale sau artificiale, formând “criptați”;

– cationii metalelor de tip “p” (perioadele 4-6) și ai metalelor din grupele I B și II B au o tendință mai accentuată de a forma complecși cu numerele de coordinare 2, 4 și 6;

– cationii metalelor tranziționale “d” și “f”, parțial ocupați cu electroni, prezintă cea mai mare capacitate de a forma compuși coordinativi din cele mai diverse clase și cu numere de coordinare variabile, cele mai frecvente fiind 4 și 6.

Astfel, ionii metalelor tranziționale se numesc generatori tipici de compuși coordinativi. Dintre aceștia, cei mai semnificativi sunt: Cr(III) – 3d34s0; Co(II) – 3d74s0; Co(III) – 3d64s0; Ni – 3d84s0; Pd – 4d 85s0; Pt – 5d86s0 etc.

Capacitatea ionilor metalici de a genera compuși coordinativi depinde de anumiți factori, cum ar fi: tăria ionică, ce depinde în principiu de sarcina și raza ionului central; capacitatea ionului central de a forma legături nepolare cu ajutorul liganzilor; factori sterici, care pot să faciliteze sau să creeze impedimente la formarea compușilor coordinativi.

I.2 Elemente esențiale și microelemente în sisteme biologice

Generalități

În natură, elementele urmează un anumit geociclu, care a fost și este influențat de activitățile umane. În epoca noastră, caracterizată printr-un proces de industrializare continuă, biosfera este din ce în ce mai contaminată de cei mai diverși poluanți și supusă unei redistribuiri posibil nocive a sărurilor și ionilor metalici, care pot intra, alături de substanțele toxice și de poluanți, în ciclurile biologice. Deplasarea elementelor toxice în societatea noastră în continuu proces de industrializare constituie o amenințare pentru organismele vii și este susceptibilă să dezorganizeze echilibrul delicat pe care natura l-a stabilit pentru toate elementele.

Evoluția și adaptarea elementelor la nevoile organismelor vii a urmat schema: otravă- impurități tolerabile- elemente utile- elemente esențiale.

Ținând seama de răspândirea elementelor în scoarța terestră, elementele esențiale organismelor vii se încadrează între cele frecvent întâlnite, ceea ce înseamnă că selecția naturală, a înlăturat dependența organismelor vii, de elemente mai puțin accesibile.

Selectivitatea chimică a evoluției vieții poate fi demonstrată urmărind comparativ compoziția, în elemente, a corpului omenesc, cu cea a apei de mare, a scoarței terestre și a universului în totalitate. În Tabelul 1 se poate urmări răspândirea ionilor metalici în ape marine, sediment marin și în plasma extra- și intracelulară:

Tabelul 1 – Elemente componente ale universului, scoarței terestre, ale apei de mare și ale organismului uman:

Ionii de K+, Na+, Mg2+, si Cl- sunt predominanți, atît în apa de mare, cât și în organismele vii. Dintre ionii metalelor tranziționale, cei de Fe2+, Zn2+, Cu2+ sunt prezenți în concentrații mici, iar cei ai Co2+ si Ni2+, numai în urme.

Concentrația ionilor de K+, Mg2+ și HPO42- din plasmă, apă de mare și sedimentul marin este însemnată, în timp ce concentrația ionilor clorură este ridicată în apa de mare și plasma extracelulară, comparativ cu sedimentul marin și plasma intracelulară.

Carbonul și fosforul, al treilea, respectiv al șaselea element ca abundență, componente ale organismului uman, apar rar în regnul mineral, concentrația lor în scoarța terestră este de 0, 087%, respective 0,12%.

Dirijarea chimiei structurilor vii a fost influențată în largă măsură de: omniprezența apei, proprietățile chimice caracteristice ale carbonului comparativ cu cele ale siliciului, de rază și de sarcina atomilor.

Apa, solventul de bază al oricărei forme de viață pe planeta noastră, ocupă 71% din suprafața totală a globului și aproximativ 60% din greutatea corporală a adultului. Ea are o comportare cu totul diferită, unică pentru o moleculă cu o compoziție atât de simplă, caracterizată printr-o stabilitate termică deosebit de mare și valori ridicate ale unor constante fizice, precum: densitate, p.t., p.f., constantă dielectrică, căldură specifică, căldura de vaporizare, proprietăți care explică utilizarea ei în cele mai diverse domenii. Dealtfel, utilitatea multor complecși esențiali pentru viată, se apreciază după comportarea lor fața de apă: sunt sau nu solubili în apă, disociază sau nu în apă, îi măresc sau îi micșorează vâscozitatea etc.

A doua caracteristică este strâns legată de particularitățile chimice ale carbonului, selectat de către evoluția vieții, ca element central pentru formarea macromoleculelor din organism, comparativ cu chimia siliciului, de 146 de ori mai abundent decât carbonul în scoarța terestră, selectat de către natură ca element de bază al regnului mineral.

Preferința pentru compușii carbonului față de cei ai siliciului pare a se datora atât stabilității deosebită a CO2, oxid monomer, ușor solubil în apă cât și tendinței particulare a atomilor de carbon de a se uni între ei, prin legături covalente, formând catene liniare, ramificate sau ciclice, stabile, dar reactive. Legăturile “σ” C-C cu d(C-C)=1,54 Å, energia de legătura de 83 Kcal/mol, sunt foarte stabile, slab polarizabile, în timp ce legătura “π” >C=C< cu d(C=C) = 1,32 Å și o energie de legătură de 64 Kcal/mol, este mai slabă și explică reactivitatea superioară a compușilor nesaturați comparativ cu cei saturați.

Chimia siliciului, element care urmează după carbon în grupa a IV-a a sistemului periodic, este caracterizată tot prin formare de compuși covalenți. Atomii de siliciu se unesc între ei ca și cei de carbon și formează catene de dimensiuni uneori destul de mari. Energia legăturilor Si-Si, Si-H si Si-Cl (Br, I), este însă inferioară legăturilor analoage carbonului, fapt care explică reactivitatea mai mare și stabilitatea inferioară a silanilor, față de hidrocarburi, tendința inferioară a siliciului de a forma lanțuri și hidroliza ușoară a derivaților halogenați.

Având însă o electronegativitate inferioară, C(2,5), Si(1,8) manifestă o afinitate superioară față de carbon și fluor, energia legăturilor Si-O și Si-F fiind superioară celei a legăturilor C-O și C-F, din care cauză, legătura Si-O, deosebit de stabilă (88,2 Kcal/mol), apare în toate combinațiile naturale ale siliciului și constituie o caracteristică în chimia acestui element. Din această cauză SiO2, spre deosebire de CO2, are o structură macromoleculară, bazată pe repetarea unor legături Si-O-Si, care fiind mult mai rigide, nu ar putea asigura metabolismul și creșterea treptată a complexității moleculelor în procesul evoluției. Siliciul dispunând de OA “d”, care participă la formarea legăturilor în diferiții săi compuși, nu formează legături “π”, cu hibridizare “sp” sau “sp2”, caracteristici chimiei carbonului, ci numai legături “σ”, hibridizarea “sp3” fiind caracteristică acestui element.

Ținând seama de abundența sa în scoarța terestră, fiind după oxigen cel mai răspândit element care constituie baza regnului mineral, cât și asemănările lui chimice cu carbonul, este greu de explicat eventuala excludere a siliciului de la un rol biochimic vital. Dealtfel, recent s-a aratat că siliciiul este esențial, într-un mod necunoscut încă, pentru dezvoltarea animalelor tinere și a oaselor. Astfel, dupa Carlisle, de la Universitatea din Los Angeles (1972), lipsa urmelor de siliciu din hrana puilor de găină, împiedică dezvoltarea normală a penelor și scheletului.

În fine, selecția evolutivă a elementelor esențiale vieții este strâns legată și de dimensiunile și densitățile de sarcină ale atomilor. Bineînțeles că, elementele transuranice cunoscute până astăzi, începând cu Np, Z=93 și terminând cu hahniu, Z=105, ca și elemente cu Z=43 (Tc) și Z=61 (Pm) preparate pe cale artificială, nu au fost disponibile pentru natură. De asemenea, elementele cu Z=84÷92 (Po, At, Fr, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U) ce au caracter radioactiv însemnat, nu au putut și nu pot fi utilizate în structurile vii.

În plus, dacă ținem seama de reactivitatea foarte scazută a celor 6 gaze rare (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) considerate până în 1962 ca inerte, cât și de accesibilitatea dificilă a unor elemente din seria lantanidelor și actinidelor, ca și toxicitatea ridicată a Be, Hg și Pb, înseamnă că, din cele 90 de elemente existente în natură, abia 50-52 au fost disponibile utilizării lor potențiale pentru structurile vii.

Organismele vii utilizează pentru propriile lor necesități un număr relativ redus de elemente chimice, 25, dintre care molibdenul (Z =42) este cel mai greu metal, iar iodul (Z =53), cel mai greu nemetal cu importanță biologică. Unele din aceste elemente sunt absolut necesare, esențiale dezvoltării lor, altele posibil esențiale, tolerabile sau neesențiale, lipsa lor putânt fi substituită de prezența altora. (Fig. 1)

Fig. 1 – Elemente esențiale organismelor vii

Determinarea caracterului de „esențial” al unui element este deosebit de dificilă, iar procesele biologice dependente de ele, deosebit de variate ca funcție și complexitate. Utilizarea lor se face în cantități care variază de la ordinul gramelor, la ordinul părților de milion (ppm) sau părților de bilion (ppb), de unde și denumirea de „microelemente”, „elemente în urme” („trace element”, „spurenelement”), „oligominerale”, „oligoelemente”, termeni incă imprecis definiți. De obicei elementele care se găsesc în cantități egale sau mai mici de 1 mg/kg țesut sau sub 0,01% țesut uscat în greutate, sunt considerate „elemente în urme”.

Rolul biometalelor este foarte diversificat. Astfel, biometalele se clasifică în:

Transportori de sarcină: Na, K

Stabilizatori ai structurii: Mg, Ca

Catalizator acid Lewis: Zn

Catalizatori redox și transportori ai oxigenului: V, Cr, Mn, Fe.

În sistemele biologice, diferențele au un rol foarte important, care se manifestă în mai multe direcții:

-ionii de Na+ intră în componența fluidului extracelular pe când ionii de potasiu K+ intră în componența fluidului intracelular. Ionii de K+ pot fi înlocuiți în biosisteme cu ioni cu dimensiuni fizice mari: Rb+, Cs+, NH4+, Tl+. Ionii de sodiu, pot fi înlocuiți cu ionii de Li+, dar nu și cu ioni de Cu+ cu dimensiuni apropiate, deoarece cuprul are tendința de a forma covalențe și de a participa la o serie de procese redox.

-ionii de Ca2+ și Mg2+ se diferențiază mai puternic unul de altul. Este de remarcat diferența între dimensiunile ionilor de Ca2+ și Mg2+ și diferența între căldurile de hidratare. Diferențele între potențialele de ionizare explică tendința mai puternică de a forma legături covalente pentru magneziu în raport cu calciul.

-ionii de Zn2+ se deosebesc destul de mult de ceilalți ioni ai biometalelor. Raza ionică a Zn2+ este apropiată de raza ionică a ionului Ca2+ sau Mg2+. Valorile ridicate ale potențialului de ionizare a zincului conduc la concluzia că interacțiunile covalente ale acestuia sunt mai puternice față de alți ioni luați în discuție. Ionul de zinc joacă un rol important în biosisteme, intrând în componența multor enzime (spre exemplu alcooldehidrogenza ADH).

Distribuția ionilor în mediile fluide ale organismului indică o specificitate a acestora; astfel celulele sunt bogate în K și Mg, iar plasma inconjurătoare în Na și Ca. Această repartiție a ionilor în plasma animalelor superioare reflectă de fapt originea oceanică a strămoșilor lor. Deși acești ioni, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, au aceeași configurație electronică de octet, ns2np6 și raze ionice apropiate și sunt predominanți atât în apa de mare cât și în sistemele biologice, ele prezintă o specificitate biologică greu de explicat, selectată în timp, de către celula primitivă.

Deși frecvent utilizate în practică, funcția specifică exercitată de multe elemente, structurile în care se integrează, sunt numai parțial cunoscute sau necunoscute.

Practica medicală a confirmat însă de multa vreme că, multe maladii și tulburări metabolice se datoresc unei lipse sau unui exces al unor compuși metalici sau nemetalici. Din păcate, de cele mai multe ori nu s-a facut nici o deosebire între perturbările metabolismului oligoelementelor, care constituie cauza primară a maladiei și cele care sunt simple consecințe ale altor leziuni preexistente.

Mult timp, lipsa unor metode analitice cu sensibilitate și specificitate ridicată, capabile să deceleze prezența oligoelementelor în concentrații de ordinul ppm sau chiar mai mici, ppb, concentrații uneori optime pentru unele dintre ele, a constituit un factor important în studierea lor, cât și în ceea ce privește valorile, de obicei controversate ale cantităților lor în diferite țesuturi, raportate de diferiți autori. Utilizarea în scop analitic a absorbției și fluorescenței atomice, a fluorescenței de raze X, a analizei activate, a polarografiei cu redizolvare anodică, cromatografia gaz-lichid etc., metode care permit evidențierea și determinarea unor cantităti de ordinul ppm, deschide noi perspective în aprofundarea cunoștințelor actuale privind rolul microelementelor în organismele vii, problema fundamentală a chimiei bioanorganice.

În scopul comparării însă a datelor analitice, diferitele laboratoare participante la astfel de cercetări, vor trebui să aplice recomandările laboratorului de referințe ale O.M.S.-ului, în ceea ce privește metodele utilizate, tehnicile de preparare, macerare, digestie etc., a eșantioanelor, schimbul acestora între laboratoare în vederea validării rezultatelor și asigurarea unor eșantioane de referință, cel putin în ceea ce privește determinarea oligoelementelor în sânge, lapte, carne, legume și cereale.

În cadrul cercetărilor privitoare la relațiile dintre oligoelemente și diferitele maladii, Comitetul de experți ai FAO și O.M.S.-ului, au sugerat unele direcții prioritare de cercetare în acest domeniu, dintre care se menționează:

– efectele oligoelementelor alimentare asupra genezei și tratamentului malnutriției la copii și preșcolari;

– rolul elementelor în urme în etiologia diabetului și a bolilor cardiovasculare;

– relații între concentrația oligoelementelor în roci, soluri și ape și mortalitatea prin boli cardiovasculare;

– influența bilanțului zincului asupra creșterii, dezvoltării și reacției la arsuri;

– relații între bilanțurile oligoelementelor esențiale și toleranța la metale grele etc.

În lucrarea sa: „Trace elements in human and animal nutrition” (1956), Eric J. Underwood, om de știință de origine britanică, scrie că, elementele în urme pot fi grupate în: „dietetice esențiale, posibil esențiale și neesențiale”. Un element este considerat esențial pentru organismele vii dacă:

este prezent în toate țesuturile normale ale materiei vii, în concentrații aproape constante de la animal la animal;

suprimarea lui induce reproductibil aceleași modificări structurale și fiziologice, indiferent de speciile studiate;

administrarea elementului evită și înlătură simptomele produse și reface modificările biochimice produse în lipsa lui.

Din Figura 1, unde sunt indicate elementele esențiale și neesențiale la mamifere se observă că, în mare măsură, ele sunt elemente tranziționale cu numere atomice (Z) mari, exceptând fluorul și siliciul (nemetale cu Z < 20). Dealtfel, dintre componenții metalici totali ai organismului, patru metale Na, K, Mg, Ca reprezintă aproximativ 99%, în timp ce concentrația totală a metalelor tranziționale în urme, esențiale sau poluante, este sub 10g.

Esențialitatea unui microelement nu constituie o caracteristică pentru toate organismele; așa de exemplu borul este esențial pentru plante, dar nu și pentru mamifere; o situație inversă pare a se întâlni după toate posibilitățile în cazul iodului. Diferențe de acest gen se pot întâlni chiar între diferite specii de animale, din care cauză evaluarea și extrapolarea rezultatelor și deducțiilor de la o specie animală la alta, sau de la animale de experiența la om, trebuie făcută cu prudență și rezervă.

Determinarea limitelor de concentrație între care microelementele manifestă o acțiune esențială, inertă, toxică sau terapeutică, constituie o problemă importantă a chimiei și biochimiei anorganice.

Deoarece produsele vegetale constituie masa principală a substanțelor minerale necesare animalelor, inclusiv a omului, maladiile de nutriție observate, se datoresc incapacității solului de a furniza, prin intermediul plantelor, aceste elemente în cantități corespunzatoare.

Majoritatea „elementelor în urme” provin mai ales din hrana zilnică; cantități mici provin din aerul atmosferic, exceptând regiunile puternic poluate, iar pentru unele din ele, apa constituie o sursă semnificativă.

În cadrul proceselor tehnologice industriale de rafinare, a tratamentelor acide sau bazice tot mai avanste a alimentelor, ca și utilizarea unor resurse noi neconvenționale de proteine, este insoțită de sărăcirea acestora în elemente esențiale; nu este exclusă posibilitatea contaminării alimentelor prin prelucrare, cu elemente toxice.

Pierderile medii % a oligoelementelor din legume prin fierbere sunt de 86% în cazul Co, 70% Mn, 66%Cu, 47% Mg și 40% Cr.

Din această cauză, în viitor se preconizează suplimentarea cu microelemente a alimentelor. Pe această linie, forma cea mai ușor utilizabilă a bioelementelor în organism cât și proporția lor unele față de altele, pentru a se evita eventualele lor interacțiuni antagoniste, (Ca- Zn, Pb- Zn, F- Cd, Cu- S- Mo, Zn- Se- Cd, Se- Hg, Cu- Cd, Cu- V etc), constituie probleme importante de studiu.

Tabelul 2 – Pierderea % a unor oligoelemente prin rafinarea alimentelor

Deoarece la organismele vii apariția „bolii” este în multe cazuri o consecință a creșterii sau micșorării concentrației unor ioni metalici, a interacțiunilor lor reciproce, a pătrunderii în organism a unor poluanți metalici, substanțe toxice, bacterii sau virusuri și a competițiilor permanente metal-ligand, chimiei bioanorganice îi revine un rol important în elucidarea comportării lor în organismele vii.

Modul de acțiune al microelementelor

Microelementele esențiale apar și funcționează în organismele vii în concentrații scăzute, caracteristice și variabile ca mărime, în funcție de natura microelementului. Ele sunt exprimate uzual în ppm, μg/g (10-6) sau pentru unele din ele ca: I, Cr, Ni, V, în ppb, ng/g (10-9). În unele cazuri microelementele neesențiale ca Br, Rb, se găsesc în țesuturi animale mult superioare majorității microelementelor esențiale. Menținerea concentrațiilor caracteristice fiecărui microelement esențial este însoțită de o dezvoltare normală a animalului. Ingerarea continuă a unor diete alimentare sau expunerea excesivă într-un mediu în care, conținutul în microelemente este mult deficitar sau în mare exces, este insoțită de o variație însemnată a concentrației sale de la limitele normale, care se manifestă prin afectarea funcțiilor fiziologice și apariția unor tulburări structurale denumite „oligomineraloze” sau „dismineraloze” pe căi care diferă de la element la element, dependente de gradul și durata la diete deficitare sau toxice, în raport cu specia, vârsta sau sexul animalului afectat. În unele cazuri apar mecanisme de protecție proprii organismului animal.

Microelementele îndeplinesc o gamă largă de funcțiuni și acționează mai ales în calitate de catalizatori în metaloenzime. Cheia specificității potențialului lor catalitic constă, după Valee, în diversitatea și aranjamentul topologic atât al centrelor lor active cât și al atomilor lor metalici, interacționând ca un întreg cu substratele lor.

Interacțiunile metal-proteine măresc în același timp activitatea catalitică a enzimelor ca și stabilitatea suportului proteic la „turn-over”-ul metabolic.

Cu toate că, microelementele și activitățile tisulare a numeroase metaloenzime au putut fi corelate cu manifestările de carență sau toxicoză la animale, numeroase tulburări clinice și patologice observate la animal, consecințe ale acestor carențe sau excese în microelemente, nu pot fi explicate înca pe baze biochimice. Se sugerează astfel posibilitatea existenței de enzime, încă necunoscute, sau localizate microelement-dependente sau a implicării microelementelor în activitatea și structura altor compuși vitali în țesuturile organismului.

După Venchikov, microelementele acționează în trei zone: „zona de acțiune biologică” (unități sau zeci de micrograme) însoțită de creșterea proceselor bioenergetice și de răspuns protector al organismului; „zona de acțiune farmacotoxicologică”, în care oligoelementele în doze mari, produc efecte iritative sau depresive asupra sistemelor vitale și „zona inactivă” (zeci sau sute de micrograme) , zonă de tranziție între celelalte două, în care efectele oligoelementelor sunt neînsemnate sau absente.

Necesități și toleranță

Cantitatea minimă în microelemente esențiale necesare organismelor vii, ca și aportul lor maxim tolerabil, se exprimă uzual, ca proporție sau concentrație în dieta uscată consumată zilnic. Forma chimică în care microelementul se găsește în dieta ingerată influențează simțitor biodisponibilitatea lui.

Importanță deosebită prezintă nivelul altor elemente existente în hrană care pot influența biodisponibilitatea sau utilizarea elementului în cauză. În acest sens este indicată precizarea necesarului de bază minim sau „real”, în sensul în care toate condițiile alimentare care afectează un anumit element pe calea interacțiunilor posibile care ar avea loc în organism, sunt la un optim.

Aportul de microelemente din mediu, prin alimente, apă, aer, variază însă în limite destul de largi, calitativ și cantitativ, nefiind întotdeauna adecvat cerințelor organismului. De asemenea, mecanismele homeostazice care asigură controlul nivelelor compatibile fiziologic sunt relativ recente din punct de vedere filogenetic și prezintă unele puncte nevralgice, deschise competiției între diferite elemente chimice. În astfel de condiții, probabilitatea unor dereglări crește considerabil, mai ales în cazul persistenței unui dezechilibru între microelemente, ca urmare a ingerării continue a unor anumite diete sau a expunerii excesive în medii deficiente sau supraîncărcate în ceea ce privește concentrația unora sau mai multor elemente.

Dintre etapele metabolice ale microelementelor, procesul absorbției pare să fie cel mai amplu cunoscut sub aspectul interacțiunilor, care la acest nivel sunt posibile pe multiple căi, cel mai adesea implicând competiția pentru centri activi ai sistemelor de transport transmucozal.

Astfel, s-ar explica faptul că, absorbția fierului scade în aporturi mari de Co, Cu, Mn, Zn, dar că, la rândul lor, aceste elemente sunt mai puțin absorbite când Fe din dietă este în exces. La fel, aporturi mărite de Zn deprimă absorbția Cu și Cr, după cum și acestea, în exces, afectează negativ, captarea Zn.

Semnificativ este și faptul că, în stări de carență, paralel cu amplificarea absorbției elementului deficitar, se modifică și captarea celorlalte microelemente. Astfel, în carența de Fe crește absorbția Co, Mn, Ni, în timp ce, în carența de Zn, crește absorbția Cu și a Cr.

Diminuarea absorbției poate avea loc și prin formarea unor compuși greu absorbabili sau cu o biodisponibilitate redusă, între unele elemente, în anumite condiții dietetice. Acest aspect este ilustrat în cadrul interacțiunii dintre Al și F, care duce la inhibarea absorbției fluorului, sau, mai complex, la nivelul triplei intercondiționări ce are loc între Cu – Mo – S.

Există însă numeroase dovezi că, un dezechilibru în balanța dietetică a microelementelor are repercusiuni asupra tuturor etapelor metabolice ale fiecărui element.

Astfel, aporturi mari de Mo și sulfați induc o redistribuire marcată a Cu sanguin din eritrocite spre plasmă, iar distribuția sa în țesuturi poate fi modificată de Ag și Mg. De asemenea, este cunoscut efectul limitant al Mo asupra reținerii Cu în ficat, dar că Mn poate bloca sau antagoniza acest efect.

Legarea Cu de proteinele hepatice poate fi alterată și în condițiile unui exces de Zn în dietă, exces care antrenează paralel diminuarea depozitării hepatice a Fe, prin inhibiția sintezei feritinei.

De importanță considerabilă sunt și implicațiile de ordin toxicologic ale modificării proporției cantitative între microelemente. În acest sens, se poate vorbi de existența unor nivele de securitate pentru microelementele cu potențial toxic ridicat, dependent de gradul în care sunt prezente elementele care pot afecta absorbția sau retenția lor. Astfel, toxicitatea Cd este atenuată în prezența unei anumite proporții de Zn sau Se și, în mai mică măsură, în prezența Mn și Cu. De asemenea, toxicitatea Cu poate fi modificată de aporturi adecvate de Fe și Zn, după cum și efectele toxice ale Zn pot fi contracarate de anumite nivele ale Cu. A fost semnalat și faptul că, As, Ag, Cd, Cu si Hg conferă protecție față de efectele toxice ale Se, dar aceasta se realizează prin mecanisme distincte. Astfel, selenoza poate fi prevenită dacă se menține un raport de 1:1 între Se și Hg, sau între Se și Cu. Interesant este însă faptul că, Se la rândul său poate proteja organismul față de efectele nocive ale unor elemente, în particular ale Hg. În acest sens, Kasta și colaboratorii săi au observat că, acumularea concomitentă a Hg și Se, în organele și țesuturile minerilor din minele de mercur, sub raport de 1:1, a fost fără efecte nocive asupra indivizilor, mulți dintre ei fiind pensionați de vârstă, și nu ca urmare a expunerii la nivele toxice de Hg timp îndelungat.

În același context se înscrie și observația că, toxicitatea oricărui nivel particular al Mo în dietă, este afectată de raportul între Mo și Cu dietetic. Tot aici semnalăm că, raportul între Mn și Fe necesită atenție mărită, întrucât nivelul minim de Mn capabil să afecteze formarea hemoglobinei este în domeniul ppm.

Interesant este faptul că, în unele cazuri, varietatea proporției între microelemente generează un răspuns adaptiv al organismului. Așa de exemplu, compoziția xantinoxidazei se modifică fără ca activitatea ei să fie sensibil diminuată, în funcție de proporția de Cu, Mo si Fe, în dietă sau țesut. Un alt aspect revelator în această privință este acela că, transferina, transportorul plasmatic al Fe, poate lega și Cu, Cr, Mn, Zn, Ga, In, fiind în plus, aptă de a transporta și Se.

Varietatea aspectelor pe care le comportă problema acțiunii biologice și a interacțiunii dintre microelemente reclamă însă aprofundarea studiilor, mai ales în direcția surprinderii mecanismelor moleculare, implicate în exprimarea lor.

Boli și dereglări element-dependente

Excesul sau deficitul în ioni metalici din organism explică multe afecțiuni clinice sau patologice, în timp ce concentrațiile intermediare sunt esențiale dezvoltării normale. Dealtfel, fiecare organism necesită o concentrație optimă dintr-un element dat, peste care sau sub care nu se mai dezvoltă corespunzator.

Tabelul 1 – Boli și dereglări dependente de metale:

Ionii metalici, în special cei tranziționali, exercită un control calitativ și cantitativ asupra reacțiilor catalitice, oxidoreducătoare, de hidratare, deshidratare, hidroliză etc., din organism și pot influența direct sau indirect activitatea enzimelor.

După abundența și importanța în metaloenzime, metalele pot fi încadrate în seria: Fe>Mg>Mn>Ca>Zn>Cu>Co>Mo>V>Cd. Prezența Cr, Ni, Mn în preparate de ARN provenite de la diferite surse, în concentrații constante față de concentrația fosfatului, 1:50 pentru ARN si 1:150, pentru ADN, ar putea exercita un control asupra configurației acizilor nucleici, stabilizând structura lor helicoidală secundară într-un mod analog cu ditiolegăturile în punte și li s-ar putea atribui un rol în sinteza proteinelor și în transmisia informației genetice; de altfel, cuprul prezintă capacitatea de a desfășura și reînfășura helicele ADN-ului.

Concentrația microelementelor în sângele uman, corelată cu alți parametri, este utilizată clinic în scop de diagnostic și tratament. Așa de exemplu, limitându-se la microelemente mai puțin cunoscute, concentrații inferioare de zinc în plasmă au fost semnalate în ateroscleroză, tumori maligne, afecțiuni hepatice, infarct miocardic, hipertonie, hipertiroidism, anemie pernicioasă, tuberculoză activă, infecții acute și cronice. Conținutul redus al Zn în leucocite, în leucemia cronică, ca și în unele boli neoplazice, ar putea constitui un test de diagnostic al cancerului. În infecții acute sau cronice, concentrația serică a Fe și Zn scade, iar cea a cuprului crește.

Raportul [(Zn)+(Se)+(Rb)]/(Fe)3 este utlizat de către Kasperck ca un parametru biochimic de diagnostic; el are valorile: 1,8 – în carcinoame; 2,3- în pielornefrita cronică; 3- în hipertiroidism; 3,75- în procese inflamatorii acute și 4,8- în diabet zaharat. În mod analog, Reis, ținând seama de raportul dintre echivalenții elementelor și volumul lor atomic, a introdus noțiunea de „linia substanțelor nutritive” („Nährstofflinie”) ca indicator al acțiunii fiziologice a microelementelor. Așa de exemplu, ionii bivalenți ai microelementelor mai ușoare sunt activatori ai enzimelor, în timp ce ionii mai grei, cu numere de oxidare superioare, manifestă acțiune inhibitorie.

În Tabelul 2 se poate urmări modificarea concentrației serice a unor microelemente în diferite maladii.

Tabelul 2 – Concentrația serică a microelementelor

Deoarece conținutul în diferitele organe ale unui microelement este o rezultantă a interacțiunii mai multor factori (alimentație, mediu înconjurător, resorbție activă sau pasivă, transport cu ajutorul proteinelor, depozitare, etc) iar modificarea concentrației lui poate constitui cauza sau efectul unei îmbolnăviri, în cazul coexistenței unei concentrații anormale microelement- boală, nu sunt excluse cazuri de a acorda, în mod nejustificat, microelementului rolul factorului etiologic hotărâtor.

Din această cauză se recomandă a se cerceta acele organe asupra cărora microelementul își exercită cu predilecție acțiunea fiziologică sau nocivă, sau să se țina seama de valorile mai multor elemente și de raportul acestora. Așa de exemplu, raportul Cd/Zn este crescut semnificativ în hipertensiune, comparativ cu conținutul cadmiului luat ca atare.

Cercetări recente efectuate sub egida OMS-ului au atras, în mai multe rânduri, atenția asupra relației între microelemente și bolile cardiovasculare. Deoarece aceste boli constituie cauza principală a mortalității în țările industrial-avansate, echilibrul microelementelor din organism și mediu, modificat în mod adecvat prin alimentație, ar putea constitui un factor important în reducerea incidenței acestora.

Acumularea unor metale în unele organe, în tumori maligne și corelarea acestor date cu variațiile geografice ale frecvenței mortalității prin cancer, indică și în acest caz, rolul important pe care l-ar putea avea factorul de mediu.

Corelarea datelor privind conținutul surselor de apă în „metale în urme” și cancer, au confirmat, în cazul plumbului, mortalitatea ridicată prin cancer renal, gastric, intestinal, ovarian, prin leucemie, în cazul beriliului, prin cancer osos și uterin, cât și frecvența scăzută a cancerului în cazul seleniului, dar ridicată în cazul cadmiului. Este cunoscută și incidența ridicată a cancerului tiroidian în regiunile deficitare în iod, dar chiar și în cele în care acest element se găsește în exces.

Concentrarea seleniului în tumori cu creșterea rapidă, permite utilizarea sa în diagnosticul tumorilor cerebrale și osoase, iar a 67Ga, la detectarea externă a limfoamelor maligne.

Faptul că, multe tulburări clinice și patologice întâlnite la om și animale se datoresc deficitului sau excesului unor microelemente, denotă insuficienta cunoaștere a rolului și a interacțiunilor multiple și complexe ale acestora în alimentație și în starea de sanatate și de boală. Dealtfel, relația individ-mediu înconjurator și echilibrele stabilite între microelementele din organism și mediu, constituie parametri importanți în evaluarea stării de sănătate sau de

boală a unei populații.

Problemele legate de prezența în mediul înconjurător a elementelor metalice, necesită un interes din ce în ce mai crescut. Originea acestor elemente este cel mai adesea greu de precizat. La concentrațiile naturale ale solului în anumite metale, concentrații care depind de natura și de compoziția rocii, se mai adaugă și aportul generat de o serie de activități umane, cum ar fi de exemplu arderea combustibililor, tratamentul minereurilor, aditivii din benzină, fumul de tigară, precum și o serie de alte activități industriale.

În urma acestora, sunt emise în atmosferă și în apele continentale și oceanice, cantități importante de metale grele. Metalele grele eliminate în apă, ajung în țesuturile organismelor acvatice. Emisiile atmosferice de metale grele sub formă de pulberi în suspensie, se depun pe sol la distanțe variabile față de sursa de emisie, distanțe care depind de dimensiunea particulelor și de intensitatea curenților atmosferici. Cu cât dimensiunile particulelor sunt mai mari cu atît acestea se vor depune mai aproape de sursa de emisie, ceea ce face ca solul din apropierea exploatărilor miniere, a combinatelor care realizează extragerea acestor metale din minereuri, a altor intreprinderi în care se procesează diverse metale grele (pentru fabricarea unor vopsele, a bateriilor, etc), precum și din apropierea arterelor de circulație cu un trafic auto intens sa fie extrem de poluat cu metale grele.

Metalele grele sunt cunoscute ca fiind foarte puțin mobile, ceea ce înseamnă, cu alte cuvinte, ca odată ajunse într-un ecosistem se elimină extrem de greu din acesta. O parte din acestea sunt absorbite de către plante prin intermediul rădăcinilor și se acumulează în țesuturile acestora, fiind preluate prin consum de către animalele ierbivore, iar ulterior de către cele carnivore. Datorită slabei lor mobilități, metalele grele se concentrează la nivelul fiecarui nivel trofic, respectiv concentrația lor în plante este mai mare decât în sol, în animalele ierbivore mai mare decât în plante, în țesuturile carnivorelor mai mare decât la ierbivore, concentrația cea mai mare fiind atinsă la capetele lanțurilor trofice, respectiv la răpitorii de vârf și implicit la om. Acest fenomen poartă denumirea de bioacumulare și la nivelul grupelor amintite, concentrațiile ridicate de metale grele pot determina afecțiuni grave care duc la mortalităti importante generând grave tulburări la nivelul ecosistemelor. De asemenea prin intermediul carnivorelor și în special al răpitorilor de vârf, aria afectată de poluare se extinde foarte mult, deoarece acestea din urma controlează regiuni extinse.

Dintre metalele grele, patru sunt cunoscute ca determinând, în cazurile în care depășesc anumite concentrații, afectiuni grave la animale și implicit la om: cadmiul, plumbul, mercurul (sub forma de metil mercur) și nichelul.

Efectele acestora asupra organismului sunt variate. Astfel, cadmiul, provenit din arderea păcurii, minereul de zinc, fumul de țigară, determină afecțiuni cardio-vasculare si hipertensiune.

Plumbul, eliminat în cea mai mare parte în urma arderii benzinei aditivate și din diverse vopsele, determină afecțiuni ale sistemului nervos central, tulburări de comportament și convulsii, intoxicarea putând fi letală.

Rezultă așadar, în mod evident, importanța monitorizării emisiilor de metale grele generate în urma diverselor activități umane, a prezenței acestora în mediul înconjurator, precum și înțelegerea mecanismului de acțiune la nivelul plantelor.

Metalele grele, din punct de vedere metabolic fac parte din categoria microelementelor, intrând în zona activă a unor enzime sub formă ionică, fie sub formă combinată cu alte substanțe, constituind astfel cofactorii sau coenzimele. Metalele grele intră mai ales în structura oxidoreductazelor, dar numeroase alte enzime sunt dependente de aceste microelemente, ca unele dintre hidrolaze, liaze, ligaze sau izomeraze.

Rolul lor în cataliza celulară este mai larg, putând participa și în calitate de stimulatori sau inhibitori ai activității unor enzime. Importanța acestora este deosebită în biochimia plantelor, animalelor și omului.

Toxicitatea metalelor grele care se realizează prin exces se datorează intereacției ionilor acestora cu grupările carboxilice, sulfhidrilice, dând legături de tip covalent, ionic sau ion-dipol, micșorând hidrofilia proteidelor, legând lanțurile polipeptidice între ele, determinând astfel precipitarea proteidelor. Toxicitatea se poate manifesta prin creșterea sau scăderea puternică a activității enzimelor, provocând haos metabolic.

Metalele grele acționează asupra macromoleculei de ADN ceea ce poate determina apariția de aberații cromosomiale, modificări ale duratei fazelor ciclului de diviziune cu repercusiuni asupra creșterii și dezvoltării normale a plantelor.

Astfel, este cunoscut faptul că plumbul prelugește ciclul celular, sensibilitatea față de acest metal depinzând de faza ciclului celular în care se află celulele.

Studii privind influența metalelor grele asupra diviziunii celulare la Secale cereale, evidențiază o represare a indicelui mitotic (IM) la o concentrație de 1,5 ppm cadmiu, la concentrația mare de 200 ppm cadmiu mitoza fiind complet inhibată.

La nivelul ADN-ului, în cursul interacțiunii cu ionii metalici apar modificări conformaționale care schimbă parametrii sterici ai macromoleculei. Interacțiunea ADN-ului cu ioni metalici determină o destabilizare a conformației ADN, cea ce implică perturbări ale activității biologice. Astfel, mesajul genetic conținut în secvența deoxiribonucleotidelor din ADN cromozomial, vehiculat prin succesiunea proceselor de replicație-transcripție-translație, apare denaturat.

Structura, stabilitatea și reactivitatea ADN sunt influențate de cationii esențiali existenți în celule în cantități mici. ADN-ul poate interacționa cu diverși agenți fizici, chimici sau biologici care induc schimbări în structura sa chimică și, implicit, modificări ale activității biologice

CAP II. LIGANZI BIOLOGICI

II.1 Generalități

Liganzii sunt ioni sau molecule neutre conținând unul sau mai mulți atomi donori, atașați direct de un atom central, capabili de a ceda electroni acestui atom, care funcționează ca acceptor de electroni sau bază Lewis.

În funcție de numărul de atomi coordinatori (donori), liganzii se clasifică în: liganzi monodentați, bidentați, polidentați s.a. În cazul în care, un ligand este atașat de un atom central prin doi sau mai mulți atomi donori, el se numește ligand chelat, iar când este atașat la mai mulți atomi centrali, el poartă numele de ligand în punte.

Rolul de donor poate fi îndeplinit, în anumite molecule sau anioni, de elementele din grupele IV A- VII A:

IV A : C, Si, Ge, Sn

V A : N, P, As, Sb

VI A: O, S, Se, Te

VII A: F, Cl, Br, Î

Liganzii imprimă compușilor coordinativi o serie de proprietăți cum sunt: sarcina electrică, stabilitatea, unele tipuri de izomerie, proprietăți magnetice, spectre de absorbție, reactivitate și altele.

Clasificarea liganzilor se face după mai multe criterii:

– în funcție de natura lor chimică, deosebim:

-liganzi anorganici: X-, H2O, NH3, CO32-, C2O42-, ONO-;

-liganzi organici: etilendiamina, ixina, o-fenantrolina, piridina, acetilacetona;

– în funcție de numărul de atomi donori, liganzii pot fi:

-monodentați, realizează o singură legătură cu ionul metalic (conțin un singur atom și ocupă un singur punct coordinativ al complexului): H2O, NH3, CO, NO2-, F-, Cl-, Br-, I-, H-, HO-,CN-, SCN-, piridina;

-polidentați, coordinează simultan prin 2 sau mai mulți atomi donori diferiți, O22-, CO32-, SO42-, C2O42-, oxina, etilendiamina, dimetilglioxima, o-phenantrolina, acetilacetona, EDTA, bazele Schiff, β-dicetonele, polieteri macrociclici etc;

– în funcție de sarcina electrică, liganzii pot fi:

– anionici: X-,CN-,NO2-;

– molecule neutre: H2O,NH3, en, ox, CO, NO

– după natura atomilor donori, liganzii pot fi:

– C-donor: CO, CN-, R-NC;

– N-donor: NH3, NCS-, NO2-, en, py, o-phen;

– O-donor: H2O, R-OH, R-OR, HO-, R-COO-, CO32-, C2O42-;

– P-donor: R3P, PX3, (X= F, Cl, Br);

– S-donor: R2S, SCN-, S2O32-;

– X-donor: F-, Cl-, Br-, I-;

– doi sau mai mulți atomi donori diferiți: ox, baze Schiff, dmgl.

Unii liganzi care conțin 2 sau mai mulți atomi donori diferiți pot coordina la ionii metalici prin unul sau celălalt atom donor, funcție de particularitățile electronice sau sterice ale ionului metalic. Acești liganzi se numesc ambidentați. De exemplu, NO2- poate coordina prin atomul de azot (M-NO2), în nitrocomplecși sau prin atomul de oxigen (M-ONO), în nitritocomplecși. Ionul SCN-, poate coordina prin sulf (M-SCN), în tiocianocomplecși sau prin azot (M-NCS), în izotiocianocomplecși.

Liganzii care coordinează simultan la doi sau mai mulți ioni metalici, formând compuși coordinativi polinucleari se numesc liganzi în punte. Aceștia pot fi monodentați (Cl-, Br -, I-, HO-, RO-, NH2-, CO), bidentați sau polidentați (SCN-, SO42-, dipy, hidrazina).

În funcție de natura ionului metalic și a celorlalți liganzi, precum și funcție de metoda de obținere, un anumit ligand poate adopta moduri de coordinare diferite. De exemplu, ionul SO42- poate funcționa ca:

liber „necombinat”, ex: [Co(NH3)6]2(SO4)3, [Co(NH3)4CO3]2SO4;

ligand monodentat, ex: [Co(NH3)5OSO3]Br;

ligand bidentat în punte, ex:

Aminoacizii, peptidele, nucleotidele, acizii nucleci, proteinele și porfirinele pot îndeplini „n vitro” sau „in vivo” rol de liganzi. Majoritatea aminoacizilor funcționează ca liganzi bidentați și coordinează, de obicei, prin atomii de azot- N (amino) și de oxigen- O (carboxilic). Cisteina și penicilina coordinează prin atomii de azot, N (amino) și de sulf- S (sulfhidril). Acidul aspartic funcționează ca ligand tridentat, iar acidul glutamic ca unul bidentat.

Stereoselectivitatea, reactivitatea comportarea spectrală și structura cristalină a complecșilor ionilor metalelor tranziționale cu aminoacizi și peptide prezintă interes deosebit în studiul comportării liganzilor naturali, a proteinelor în reacțiile metal-proteine, cât și ca modele în studiul unor sisteme biologice, inclusiv în înțelegerea activității enzimelor.

II.2 Grupe funcționale ale aminoacizilor și peptidelor

Participarea unei grupe funcționale date într-o legătură metalică depinde de gradul ei de competiție cu grupele funcționale vecine existente și de competiția ionilor metalici și a protonilor de atomii potențial donori.

Tendința atomilor de a forma legături Me-L crește odată cu scăderea pKa în ordinea: COO- (pKa~ 1,8)> imidazol (pK~ 6,5)> NH2 (pK~ 9), fiind influențată de variațiile de entalpie și de efectele favorabile entropiei.

Grupe aminoterminale

Cele mai comune puncte de legare ale ionilor metalici la aminoacizi și peptide sunt grupele aminoterminale. Coordinarea la atomul de N (amino), pusă în evidență la complecși cristalizați cu liganzi di- și polidentați aminoacizi sau peptide, este favorizată, nu numai de caracterul electron-donor și de câmpul de ligand puternic al acestora, dar și de poziția lor față de atomul de oxigen al grupării carboxilice sau peptidice (-CO-NH-), niciodată la o distanță mai mare de 3-4 atomi, care favorizează formarea unor cicluri chelate. Valoarea unghiului metal-N (amino)-Cα este apropiat de valoarea tetraedrică, 109○ ± 1, în α-aminoacizi, 110○± 0,4○ în peptide și 113○± 2○ în β-aminoacizi. Formarea chelatului este favorizată de creșterea entropiei sistemului ca urmare a formării moleculelor de apă și a neutralizării reciproce a sarcinilor electrice ale ionului metalic și ale grupărilor COO-. Așa se comportă glicina, alanina, valina, prolina, leucina, sarcosina, serina, treonina, lizina, arginina, triptofanul etc. , care coordineaza majoritatea ionilor metalelor tranziționale din seria 3d la stări de oxidare, de obicei +2, cât și ionii Pt2+, Pd2+, Hg2+ din seria 4d sau 5d.

Coordinarea monodentată la gruparea aminoterminală, fără formarea unui ciclu chelat este rar întâlnită, de exemplu la complecșii Ag (I) (d10) (1.I, 1.II) și Pt (II) (d8), în glicina (pKNH2= 9,76) (1.III, 1.IV, 1.V).

Coordinarea monodentată a glicinei la Pt (II) (d8) este avantajată în ultimul caz de creșterea entalpiilor de legătură cu configurație plan-pătratică a Pt(II), ca urmare a creșterii ESCC.

Grupe carboxil terminale sau din catena laterală

Participarea grupelor carboxil la formarea de complecși chelați este dependentă de existența în molecula ligandului a unui al doilea atom donor la o distanță adecvată formării unui ciclu de 5 sau 6 atomi. Aminoacizii α și β satisfac această cerință. Poziția grupării COO- terminale a peptidelor, față de cealaltă grupare donoare, nu este favorabilă formării unui complex chelat, exceptând ca grupa terminală COO- a histidinei.

Interacțiunile Metal-O(carboxilic) cu peptide pot fi deci nechelatizante sau absente. La valori de pH la care aminoacizii și peptidele se găsesc sub formă amfionică, H3NCHR(CONH-CHR)n-COO-, la care grupările bazice din catena laterală, ca de exemplu imidazolul, sunt protonate, grupările carboxil încărcate negativ sunt singurele accesibile pentru legarea imediată a ionului metalic. În aceste condiții probabilitatea formării legăturii ion metalic-carboxil este maximă pentru ionii metalici neafectați de ESCC, adică pentru cei cu configurația electronică: d0, d5 si d10.

Structurile cristaline ale multor combinații complexe ale aminoacizilor și peptidelor, indică o coordinare monodentată prin atomii de O (carboxilic). Tipurile de interacțiuni posibile metal- O(carboxilic) sunt indicate în figura următoare:

Tipul a, cel mai simplu tip de coordinare monodentată prin gruparea carboxil este rar întâlnită în Fe(HGly)So4 ◦ 5 H2O, reprezentat mai corect prin formula: [Fe (H2O)6][Fe(HGly)2(H2O)4]SO4, iar coordinarea Ag(I) în complexul [Ag(HGly)NO3] și [Ag(HGly-Gly)]NO3, de tip c este aproximativ diagonală, cu o configurație sin-sin a legăturii în jurul grupării carboxilice.

Formarea tipului (d) cu ciclu chelat nesimetric de 4 atomi are loc numai în cazurile în care nu este posibilă sau este energetic defavorabilă obținerea unui chelat prin participarea grupării carboxilice cu o altă grupare donoare de electroni.

În cazurile în care un atom O(carboxilic) este implicat într-un ciclu chelat, cel de-al doilea O(carboxilic) poate forma legături de hidrogen sau o legatură cu un alt atom metalic de la un complex adiacent.

Interacțiunile de tip a,b,c din figura anterioară sunt frecvent întâlnite la complecșii în stare solidă și contribuie la stabilitatea în soluție a complecșilor dimeri și polimeri.

Lungimea celor două legături C-O donor – grupare carboxilică variază între 1,26 Å – 1,3 Å și între 1,22 Å- 1,27 Å. Unghiul M- O(carboxilic)- C este apropiat de 114○ în pentacicluri și de 123-126○ la hexacicluri.

Grupări peptidice

Atomul de oxigen al grupării peptidice, cu structura de rezonanță

are un caracter slab bazic; legătura O(peptidic)- metal, atunci când apare, este stabilizată de formarea unui ciclu chelat cu o grupare învecinată –NH2 terminală.

Atomul de N(peptidic) leagă un atom metalic numai în cazurile în care procesul este însoțit de disocierea unui proton peptidic care implică pierderea rezonanței peptidice și trecerea de la hibridizarea sp2, trigonală, la sp3, tetraedrică, cu formarea celei de-a patra legături.

Atomii de O (peptidici)

Interacțiunile între ionii metalici și ionii de O(peptidici) au loc fără, sau cu formare de cicluri chelate. Primele sunt rar întâlnite la ionii metalelor alcaline și alcalino-pământoase, cu caracter ionic accentuat, stabile chiar în soluție.

În interacțiunile chelatizante, frecvent întâlnite, participă ca atomi donori alături de O(peptidic) și atomii N(amino). Pentaciclurile cu atomi donori N(amino) și O(peptidic) sunt stabile în soluția metal-peptidei.

Atomii de N (peptidici)

Labilizarea protonilor peptidici și formarea legăturii metal-N (peptidic) în locul legăturii metal- O(peptidic) este limitată la metalele la care valoarea ESCC crește semnificativ prin substituirea atomilor de azot de câmp intens cu atomi cu câmp de ligand slab, având oxigenul ca atom donor. Astfel de complecși formează Co(III) (d6), Co(II) (d7), Ni(II), Pd(II), Pt(II) (d8) și Cu(II) (d9).

Câmpul de ligand exercitat de către N(peptidic) asupra ionilor metalici se manifestă în mod diferit. Disocierea protonilor peptidici facilitează formarea legăturilor N(peptidic)- metal fără pierderea energiei de rezonanță peptidică, labilizarea protonilor peptidici fiind în mare măsură un efect de entalpie. Protonii moleculelor de apă coordinate pot fi și ei labilizați după deprotonizarea tuturor grupărilor peptidice capabile de a forma legături metal- N(peptidic).

În sistemele metal-peptide există echilibre complexe între specii mononucleare, stabile la concentrații inferioare ~ 10-3 M, specii polinucleare la concentrații mai ridicate ≥ 10-2 M, ionii Me(II) si H+, ceea ce indică un proces de deprotonizare succesivă a complexului la creșterea pH-ului.

Din punct de vedere geometric, atomul de O(peptidic) coordinat nu poate participa decât la formarea unor cicluri de 5 si 6 atomi. În schimb, atomul de N(peptidic), deprotonizat, poate include ușor două cicluri chelate adiacente având o legătură comună metal- N(peptidic). Atomii donori cei mai obișnuiți, care sunt situați într-o poziție chelatizantă adiacentă N(peptidic) sunt atomii de N(amino) sau de N(peptidic) din catena NH2 terminală, N(peptidic), O(peptidic), O(carboxilic), N-histidil (imidazol) sau S-metionil (tioeter) de la o catenă COO- terminală.

Un atom de N(peptidic) și doi atomi adiacenți acestuia într-o peptidă tri- sau tetradentată pot fi coordinați la același atom metalic, numai dacă ei ocupă poziții de coordinare coplanare. În acest mod nu au loc decât distorsiuni angulare mici de la configurația trigonală normală (sp2) a legăturii în jurul atomului de azot. Astfel se explică de ce un atom de N(peptidic) poate să aparțină numai la două pentacicluri chelate sau la un penta- și la un hexaciclu, dar nu și la două hexacicluri.

Coordinarea la N(peptidic) este însoțită de modificări în lungimea legăturilor C=O (de la 1,24 Å la 1,26 Å) și la legături C-N, de la 1,325 Å la 1,3 Å la complecșii Cu(II), ceea ce denotă o micșorare a contribuției structurii de rezonanță –N-C=O-, în favoarea structurii =N+=C-O-, adică o deplasare electronică spre metal mai mică decat cea spre protonul înlocuit de Cu2+, confirmare dată și de spectrele IR ale complexului Cu(II)- peptidă în D2O.

Complecșii Ni(II) cu peptide sunt octaedrici și paramagnetici sau plan-pătratici și diamagnetici și au o stabilitate puțin inferioară celor ai Cu(II). Creșterea intensității câmpului de liganzi favorizează, prin creșterea ESCC, configurația plan-pătratică, deprotonizarea grupării peptidice și micșorarea distanței între atomii donori și metal cu 0,2 Å, comparativ cu configurația octaedrică.

Ionii Pd(II) și Pt(II) cu aceeași configurație electronică ca și Ni(II), induc ionizarea hidrogenilor peptidici și formarea unor complecși cu configurație plan-pătratică, în care atomii de N(peptidic) deprotonizați constituie centre de legare ai ionilor metalici.

Ionul Co(II) favorizează disocierea protonului peptidic la pH=10 la complecșii octaedrici metal-ligand 1:2, având ca atomi donori doi atomi N(amino) și doi- N(peptidic), generatori de câmp puternic de ligand.

Atomii de N (imidazol)

Imidazolul este o bază cu p.t=90○C, p.f.= 256○C și Kb=1,1◦10-7 care prezintă bune proprietăți donoare de electroni; în seria spectrochimică el este așezat în apropierea apei, după N(amino) și N(peptidic) și formează legături covalente puternice. Entalpia de legatură metal- N(imidazol) într-un proces de complexare are o valoare apropiată de cea a legăturii metal- N(amino), cea mai mare contribuție datorându-se legăturii σ. Nu trebuie neglijate însă posibilitățile formării unor legături π și efectele ESCC. Formarea legăturii dπ – pπ, dependentă de complex, are însă rol inferior în stabilizarea legăturii cu N(imidazol), comparativ cu N(amino) și N(peptidic).

Interacțiunile Me-imidazol sunt nechelatizante. Ca ligand, imidazolul prezintă o mare flexibilitate; legăturile metal-N(imidazol) sunt situate la 30○ față de planul moleculei imidazolului, iar unghiul metal- N(imidazol) –C la atomii donori variază între 121○- 131○ la ciclurile imidazol neîmpiedicate steric. Mișcările de rotație ale imidazolului în jurul legăturii metal- N(imidazol) par a fi guvernate, mai ales, de factorii sterici decât de cei electronici, delocalizarea electronilor π fiind dovedită chimic, magnetic și spectroscopic.

Frecvența grupărilor imidazol ca centru de legare al ionilor metalici o constituie și accesibilitatea lor la un pH fiziologic. O serie de histidil peptide au pKImH2+ ~ 5,5 -7,2, iar catenele laterale histidil sunt grupări importante în legarea ionului metalic în metalo-proteine.

Chelatarea cu histidină

Histidina, aminoacid cu structura protonată H2His2+, pKCOOH= 1,8; pKimidazolium=6, pKNH3=9,1 și pKimidazol=14, prezintă o tendință mare de a funcționa ca ligand mono- sau polidentat. Coordinarea histidinei poate fi monodentată prin atomul de O(carboxilic), la pH< 4, prin atomul de N(imidazol) cu formarea unui ciclu chelat cu 7 atomi, la N(amino) funcționând ca tridentat la 4<pH<11, sau prin ionizarea celui de-al doilea proton al grupării imidazol.

Zn(L-His)2 în Zn(L-His)2 ◦2 H2O (a) Zn(D-His)(L-His) ◦ 5 H2O (b)

Complecșii Co(II), Ni(II) cu histidină de tipul Me(L-His)2 sunt octaedrici, cei ai Zn(II), bazați pe o structură tetraedrică, de tipul Zn(L-His)2, Zn(L-His)2◦ 2H2O și Zn(O-His)(L-His)◦5H2O cu legături puternice Zn- N(amino) și Zn- N(imidazol) și două legături Zn- O(carboxilic), au configurații diferite; cei ai Pt(II) și Pd(II), de tipul [Pt(H His)2]2+ și [Pt(H-1 His)2]2- au o configurație plan-pătratică în toate domeniile pH-ului: 1≤ pH≤ 12.

Coordinarea Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II), Zn(II) și Cd(II) cu histidina este monodentată și are loc la atomul de oxigen carboxilic, la pH-uri mici, formându-se complecși 1:1. În cazul Co(II) la pH< 4, se formează complexul CoII(His)2, cu coordinare monodentată la O(carboxilic), la pH Є(4,11) – complecși octaedrici 1:1 și 1:2 în care histidina funcționează ca tridentat, iar la pH superior – complecși tetraedrici [Co(L-H-1 His)2]2-, colorați în albastru, în care histidina fucționează ca bidentat având ca atomi donori, atomii de N(amino) și N(imidazol). Pt(II) este coordinată la histidină prin intermediul atomilor de azot aminic și imidazol, la pH Є(1,12); la pH scăzut are loc formarea complexului (1), iar la pH ridicat – a complexului (2), ambele configurații fiind plan-pătratice. În cazul în care chelatarea histidinei are loc prin intermediul atomului de oxigen- O(carboxilic) și a atomului de azot- N(imidazol), are loc formarea unui complex chelat Me(HHis)2+, al cărui ciclu este format din 7 atomi (structura „(3)” ).

Structura cristalină a complexului [Cu(L-HN2Y)2(OH)3]2(NO3)2 (1.XIII) la pH=3,7 – indică coordinarea Cu(II) prin intermediul atomului de azot (amina) și de oxigen, O(carboxilic), ambii atomi de azot ai grupării imidazol sunt protonați și nu participă la formarea chelatului.

(1.XIII)

Structura complecșilor Cu(II)-histidină, Cu(H His)2+ indică o coordinare prin intermediul atomilor de N(amino) și N(imidazol) la pH ridicat.

Atomii de O(hidroxil) din catena laterală

Gruparea hidroxil din catena laterală a serinei, treoninei, tirozinei, nu constituie un punct de coordinare pentru o legătură cu metale; coordinarea are loc prin N(amino) și O(carboxilic). Structura cristalină a Ni(L-Ser)2(OH)2, Cu(L-Ser)2 și Zn(L-Ser)2 confirmă acest mod de coordinare.

Atomii de sulf ai grupărilor sulfhidril, tioeter și disulfură

Sulful, cu electronegativitate inferioară oxigenului, 2,5 față de 3,5 și cu polarizabilitate superioară, așezat în seria spectrochimică după Br- (sub formă de tioeter la mijlocul seriei) prezintă o tendință superioară oxigenului de a forma combinații complexe cu ionii metalici „moi” de clasa b.

Legăturile formate în combinațiile complexe la care participă atomii de sulf ai grupării sulfhidril sunt legături dative σ Me←L, în cazul liganzilor ușor polarizabili și legături π retrodative Me←L, cu participarea OA dπ ale metalului și OA dπ sau pπ ale ligandului.

Cisteina ( pKNH2= 10, 78), cu o grupare –SH relativ reactivă și metionina (pKNH2= 9,13), aminoacizi esențiali organismului, formează și combinații complexe în special cu ionii metalici de clasa b, dar și cu Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II), Zn(II) și Pb(II), cu stabilitate superioară complecșilor acelorași metale cu glicina și histidina.

Coordinarea normală a ionului metalic are loc prin intermediul atomului N(amino) și S(sulfhidric)- la pH ridicat, dar poate coordina și prin atomii de O și de S la pH scăzut. Se cunosc și complecși în care cisteina funcționează ca tridentat, coordinarea având loc prin N(amino), S(sulfhidril) și O(carboxilic), ca de exemplu în Na2[MoV (L-H-1Cys)2O4]◦ 5 H2O.

Penicilina sau dimetilcisteina, utilizată ca antidot în intoxicații cu metale grele (Cu, Pb, Hg, Au, Co, Zn) coordinează prin atomii de S(sulfhidril) și N(amino), formând chelați pentaciclici stabili.

Coordinarea Cu(I) la mecaptide poate fi monodentată prin atomul de sulf, bidentată cu formarea unui chelat prin atomii de N(amino) și O(carboxilic), N(amino) și S(sulfhidril), sau O(carboxilic) și S(sulfhidril).

Atomul de sulf din tioeteri, cu o polarizabilitate inferioară grupării

-S și proprietăți donoare inferioare, ar trebui să fie un bun acceptor de electroni dπ ; singurii ioni metalici legați la catena laterală a metioninei –CH2-CH2-SCH3 sunt ionii de clasă b, cu configurație electronică d8 si d10, adică ionii Pd(II), Pt(II), Ag(I), Cu(I) și Hg(I).

Cicluri hexachelate cu participarea atomilor N(amino) și S(tioeter) formează Pt(II), Pd(II), iar cu participarea N(peptidic) și S(tioeter) – Pt(II), la pH scăzut (grupările carboxil fiind protonizate).

În complexul [Ag(Met)2]-, coordinarea are loc numai prin atomul de sulf; grupările NH2 și COOH libere pot participa la formare de complecși chelați cu ioni metalici de clasă a. Sunt cunoscuți astfel de complecși micști cu: Cr3+, Co3+, Ce2+, Ni2+, Co2+, Ca2++.

În complecșii de tip [MII(Met)2] (M= Mn, Co, Ni, Cu, Cd, Pb) și cei de tipul [MIII(Met)3] (M= Al, Cr, Bi, Fe, Rh), gruparea S-CH3 nu este implicată în formarea legăturii, coordinarea având loc prin N(amino) și O(carboxilic).

Puntea disulfură –S-S- a cistinei, frecventă în numeroase proteine, constituie un centru reactiv pentru unii ioni metalici Ag(I), Cd(I). Cu(II) este redus de cisteină la Cu(I) și nu este coordinat de fapt. Complexul conține cupru într-o stare de oxidare nedefinită, datorită echilibrelor:

Reducerea de către cisteină a Cu2+ la Cu + nu are loc în prezența histidinei, ligand specific Cu2+.

II.3 Molecule organice cu rol de liganzi

În organism există un număr mic de molecule simple, care iau parte la procesele biochimice. Majoritatea lor, reacționează una cu alta formând macromolecule sau biopolimeri cu o structură deosebit de complexă.

Mai mult de 90% din masa materiei vii este constituită din apă. Moleculele de apă, au o structură specifică, unghiulară cu momentul de dipol μ=1,84 D. Legăturile H-O sunt polare perechea de electroni a legăturii σ fiind deplasată spre atomul de oxigen.

Moleculele de apă, reacționează cu ionii metalici formând aquaioni cu energia de interacțiune a ionilor metalici cu solventul, respectiv cu moleculele de apă este caracterizată o anumită energie de hidratare. In faza apoasă a celulei, se găsesc anioni simpli și complecși care reacționează cu ionii biometalelor și cu o serie de molecule organice cu masă moleculară relativ mică. Se cunosc trei tipuri de biopolimeri:

-polizaharide

-proteine

-acizi nucleici

Polizaharide

Macromoleculele de polizaharide sunt constituite dintr-un număr mare de unități structurale identice; rolul unităților structurale poate fi jucat de exemplu de unele monozaharide cum ar fi glucoza sau fructoza.

Cele mai răspândite polizaharide în organismele vii sunt : amidonul, glicogenul, celuloza. Ele conțin elemente identice de glucoză. Polizaharidele diferă între ele prin succesiunea unităților structurale.

Dacă lanțul macomolecular este format din unități -glucoză se formează biopolimeri de tip amidon și glicogen, iar dacă lanțul macromolecular este format din unități β-glucoză se formează celuloza, biopolimer ale cărui proprietăți fizice și chimice diferă mult de cele ale amidonului și glicogenului.

În timpul policondensării formei β nu se obțin lanțuri macromoleculare ramificate, catenele formate tinzând să stabilească legături între ele. Prin policondensarea formei poate avea loc și ramificarea lanțului macromolecular.

Amidonul are două componente: amiloza și amilopectina.

Diferența între cele 2 componente constă în existența unor puncte de ramificare la nivelul amilopectinei datorate existenței unor legături 1-6 la fiecare 24-30 resturi de glucoză, așa cum se observă în figura de mai jos:

Polizaharidele ca și monozaharidele pot forma compuși de coordinație cu biocationii. De exemplu, se poate forma un compus de coordinație între celuloză și ionii de Cu2+ pentru obținerea fibrelor artificiale.

Proteine

O altă clasă deosebit de importantă de biopolimeri sunt proteinele. Ele se formează printr-un proces de policondensare alternativă a 21 aminoacizi legați prin punți peptidice. In structura proteinelor, a fost identificată și cistina, produsul de oxidare al cisteinei, precum și doi aminoacizi ca prolina și hidroxiprolina.

Macromoleculele proteice au de obicei o structură în formă globulară și de lanț închis. Structura helix a proteinelor se pliază astfel încât în final determina structura terțiară a proteinei determinată de porțiunile de contact dintre lanțurile macromoleculare.

Funcția carboxamidă însăși este capabilă de coordinare la ionii metalici într-o măsură relativ redusă. De aceea, grupările funcționale care se pot coordina la ionii metalici, ca liganzi sunt cele prezente în lanțurile laterale ale următorilor aminoacizi:

-Histidina acționează mai mult ca o δ-imină bazică; pot fi implicați ambii atomi de azot după deprotonarea indusă de metal, când se formează punți μ imidazol între doi ioni metalici.

-Metionina se coordinează prin atomul de sulf δ neutru al grupării tioeter

-Cisteina posedă, după deprotonare (pK=8.5) un centru γ-tiolat încărcat negativ și poate coordina chiar doi ioni metalici

-Selenocisteina (al 21 aminoacid) are prin deprotonare un atom de Se cu sarcina negativă

-Tirozina se coordinează prin atomul de oxigen fenolic încărcat negativ după deprotonare (pK=10,0)

-Glutamatul și aspartatul se coordinează prin funcția carboxilat cu sarcină negativă formală (pK=4.5)

-Carboxilatul poate funcționa ca ligand η1; η2 și μ, η1; η1

Din valorile constantelor de formare ale complecșilor cu aminoacizii liberi, ca și din observațiile asupra proteinelor reale a rezultat o confirmare a conceptului de caracter tare/slab pentru urmaătoarele perechi aminoacid –ion metalic.

His: Cu(II), Zn(II), Cu(I), Fe(II)

Met: Cu(I); Fe(II); Fe(III); Cu(II)

Cys-: Cu(I); Zn(II); Cu(II); Fe(II); Fe(III)

Tyr-: Fe(III)

Glu-; Asp-: 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.

Ionul metalic se găsește, cel mai adesea în interiorul polipeptidei pliate mai mult sau mai puțin globulare, astfel încât aceasta apare ca un ligand de chelare uriaș prin resturile sale de aminoacid existând adesea posibilitatea unei căi de acces (culoar) a substratului prin canale specifice.

Liganzi tetrapirolici

Acești liganzi, conțin în structura lor 4 nuclee pirol unite între ele. Aceste nuclee, formează ciclul porfinic și corinic.

În pozițiile 1 și 8 se pot plasa diferiți substituenți. În natură, se întâlnesc cel puțin 8 tipuri de porfirine, în funcție de natura substituenților. Unul dintre cei mai importanți este protoporfirina.

Doi atomi de hidrogen care aparțin grupărilor –NH din ciclu pot fi substituiți cu biocationi în special cu Fe2+, Mg2+, Cu2+, Co3+, CVO2+ etc. Porfirinele se pot lega covalent de proteine (citocromi) prin diferite grupări funcționale. Numărul de coordinare în porfirine este 4, obținându-se o structură plană sau pătratică, cu toate că în unele cazuri, ionul metalic se ridică deasupra planului porfirinei la o înălțime de ~0,5Ǻ.

În afară de coordinarea pătratică, în compușii de coordinație porfirinici se mai întâlnește coordinația 5 cu structură piramidală și coordinația 6 cu structură de bipiramidă pătratică sau octaedrică. Axial, în al 5-lea și respectiv al 6-lea punct de coordinare se leagă cel mai adesea un rest de imidazol.

Proprietățile fizico-chimice ale acestor compuși sunt consecința structurii lor.

Astfel:

sunt compuși stabili cu caracter aromatic și amfoter care conțin 11 duble legături conjugate

grupările carboxil au funcții acide slabe, atomii de azot terțiar sunt acceptori de protoni iar cei secundari pot funcționa atât ca donori cât și ca acceptori de protoni

solubilitatea lor în apă și eter scade cu numărul catenelor laterale neacide

prezintă spectre de absorbție caracteristice în UV/VIS analoge în același solvent care diferă prin poziția maximului de absorbție. Toate porfirinele prezintă un maxim de absorbție în jur de 400 nm (banda Soret).

Cele mai importante proteine din această clasa sunt: hemoglobina, mioglobina, catalaza, peroxidaza, citocromii, etc. In clorofilă, ionul Mg2+, este inclus în fereastra ciclului tetrapirolic, iar ionul Cu2+ intră în macrociclul tetrapirolic inclus în structura proteinei dennumită turacină.

Acizi nucleici

A treia clasă de biopolimeri o constituie acizii nucleici. Acești compuși îndeplinesc funcțiile de acumulare și de transmitere a informațiilor biologice.

Asemănător cu polizaharidele care au ca unități structurale monozaharide, proteinele care au ca unități structurale aminoacizii, acizii nucleici sunt constituiți din nucleotide.

Molecula de nucleotid este de fapt un acid care este alcătuit din trei componente:

-o bază heterociclică cu azot de tip purinic sau pirimidinic:

-un rest de hidrat de carbon –riboză sau deoxiriboză:

-resturi de acid fosforic:

Formula generală a unui acid nucleic este următoarea:

Macromoleculele de acizi nucleici sunt constituite dintr-un număr foarte mare de nucleotide legate liniare între ele. Fiecare atom de carbon este legat de gruparea fosfat prin atomii de oxigen legați de atomii de carbon C3 și C4.

Ionii metalici sunt implicați practic în toate etapele biologice în care participă acizii nucleici. Astfel reacția ADN-polimerazei implicată în replicarea ADN-ului necestiă prezența unor ioni metalici bivalenți mai ales a Mg(II). Reacția include scindarea pirofosfatului din trifosfat și formarea legăturilor fosfat-diester între deoxinucleotidele adiacente. ADN-polimeraza conține aparent și doi ioni de Zn(II) legați strâns de molecula de enzimă.

În etapa transcrierii, ionii de Mg(II) produc încorporarea nucleotidei corespunzătoare atât în sinteza ADN cât și în cea a ARN. Mn(II) poate promova cantitativ reacția, dar poate determina încorporarea eronată a deoxinucleotidelor.

Prezența ionilor metalici bivalenți determină numărul aminoacizilor ce pot fi încorporați în proteine, sub acțiunea unui codon determinant, având astfel un rol important în procesul de traducere.

Lipide

Un rol important îl joacă la rândul lor în procesele biochimice și moleculele de lipide a căror structură generală este următoarea:

Lipidele intră în structura membranelor biologice și a altor structuri biopolimere complexe. Moleculele lipidelor pot să se unească în agregate mai mari, denumite „micele” în care porțiunile hidrofobe se leagă între ele prin legături hidrofobe iar regiunile polare se orientează spre exteriorul micelei și reacționează cu componenții soluției apoase.

În calitate de bioliganzi pot funcționa diferite coenzime, în special vitaminele și alte molecule organice cum ar fi medicamentele, care participă la procesele biochimice din organismele vii. Printre liganzii importanți în procesele vieții putem enumera:

-vitamina C (acidul ascorbic)

-riboflavina

-nicotinamida

-piridoxalul

-acidul lipoic

-biotina

CAP III – PROPRIETĂȚILE COMBINAȚIILOR COMPLEXE

III.1 Stabilitatea ionilor complexați în soluție

În cazurile multor ioni metalici este cunoscut cu siguranță – în particular

pentru prima serie de metale tranziționale – gradul de coordinare al moleculelor de apă. Pentru seriile anterioare, complecșii apoși sunt specii hexacoordinate cu structură octaedrică (sau octaedrică distorsionată). Acest lucru este probabil, în cazurile multor metale tranziționale având grad de hidratare mare.

Introducerea unor noi specii de ligand în sfera de coordinare, în locul

moleculelor de apă este un caz particular al reacției de înlocuire a unui ligand,

astfel de procese fiind considerate în detaliu în continuare. Formarea complecșilor metalici în soluție cu liganzi particulari poate avea loc printr-o înlocuire succesivă a moleculelor hidratate. Măsura în care acest lucru are loc este în funcție de labilitatea speciilor, iar un complex poate fi considerat labil când reacțiile de substituție ale tipului menționat au loc rapid.

O mare confuzie se face între termenii labilitate și stabilitate. Termenul

labilitate se referă la ușurința cu care au loc procesele de substituție și este în relație cu stabilitatea cinetică a speciilor particulare. Pe de altă parte, se referă, de asemenea, la stabilitatea termodinamică a unui complex. Aceasta este exprimată cantitativ în termenii unei constante de stabilitate a cărui semnificație și determinare va discutată ulterior. Stabilitatea termodinamică este o problemă a gradului în care un complex va fi format din, sau transformat în alte specii într-un sistem în echilibru. În primul caz, pe de o parte este considerată viteza la care modificările ce au loc vor conduce în final la atingerea stării de echilibru; pe de altă parte, schimbările într-un sistem care a atins deja starea de echilibru.

O reacție de complexare între un ion metalic, M și un ligand, L, al cărui

număr de coordinare maxim este N, poate fi scrisă astfel:

Presupunând că ligandul este monodentat și că nu se formează nici un

complex binuclear. Din punct de vedere termodinamic, de stabilitate a speciilor MLN este definită prin relația:

unde termenii din parantezele “| |” se referă la activitățile diferitelor specii.

Dacă astfel de procese de complexare se petrec în mai multe etape, este posibil să se scrie o serie de N echilibre pentru formarea fiecărui complex intermediar, cu constantele de stabilitate corespunzătoare:

Fiecare dintre aceste echilibre se referă la formarea totală într-o etapă a

fiecărei specii complexe. Este posibilă, de asemenea, exprimarea formării

complexului în termenii unor constante referitoare la adiția ligandului în următorul mod:

Constantele sunt constantele de formare sau de stabilitate.

Este evident faptul că există o relație între constantele fiecărei etape și cea totală. Astfel, o considerare a expresiei pentru , arată că:

Astfel că, în general, se poate scrie:

În sistemele în care este posibilă menținerea a coeficienților de activitate ai fiecărei specii, pot fi utilizate concentrațiile sau constantele de stabilitate stoechiometrice:

și

Determinarea experimentală a unei constante de stabilitate este puternic

evidentă pentru un complex care există în soluție. Dacă se cunosc toate constantele de stabilitate pentru un sistem, este posibilă calcularea concentrațiilor la echilibru pentru toate speciile prezente în condițiile experimentale utilizate. Pentru toate interacțiile metal-ligand sunt obținute constantele de echilibru respective, iar relația dintre funcțiile termodinamice este:

III.2 Numărul de coordinare și gradul de formare

Numărul de coordinare sau gradul de formare, , al unui sistem metal-ligand M, L este definit prin:

= concentrația totală a lui L legat la M / concentrația totală a lui M adică:

unde cL , cM sunt concentrațiile analitice ale ligandului și respectiv, metalului, iar [L] este concentrația ligandului liber.

Astfel, poate fi exprimat în felul următor:

Gradul de formare al complexului j, αj, este dat de:

Constantele de stabilitate se pot obtine polarografic, daca se cunosc si [L]. poate fi calculat în sisteme în care concentrația ligandului liber este măsurabilă direct (sau indirect). Când , [L] sunt disponibile, “curba de formare” pentru un sistem se obtine din graficul in functie de log[L]. Un exemplu tipic este prezentat în figura 1.

Constantele totală și de treaptă pot fi obținute utilizând integrala Fronaeous:

unde:

Aceste valori ale lui log Fo la concentrații diferite ale ligandului liber sunt

obținute din aria de sub curba de formare corespunzătoare valorilor potrivite ale d lg [L]. Integrala reziduală este calculată din relația:

Cunoscându-se constantele de stabilitate, pot fi calculate valorile αj pentru fiecare complex din ecuația pentru întreg domeniul de concentrații ale ligandului. Funcția Σ αj este data de relația:

poate fi utilizată pentru a arăta contribuția complecșilor individuali la sistemul

complet.

III.3 Relații între constantele de stabilitate

Dacă un metal formează o serie de complecși în trepte cu anumiți liganzi, o scădere generală a constantelor de stabilitate este observată prin micșorarea numărului de coordinare. O astfel de scădere este de așteptat pe baza statisticilor, efectelor sterice și interacției coulombiene. De fapt, s-a găsit pentru multe sisteme că valorile Kj / Kj+1 sunt în general pozitive și aproximativ egale pentru toată seria. Doar pe baza statisticilor este posibilă prevederea valorilor aproximative ale Kj / Kj+1 în felul următor: se consideră un sistem M, L în care moleculele de apă ale ionului apos sunt înlocuite succesiv de speciile L, adică:

Speciile M(H2O)N-jLj pot pierde un ligand din pozitia j. Specia anterioara, M(H2O)N-j+1Lj-1, pe de alta parte, poate castiga un ligand in pozitia N-j+1, astfel ca, probabilitatea relativa a trecerii complexului Lj-1 la cel cu Lj este proportionala cu (N-j+1)/j. In mod asemanator, se poate arata ca, probabilitatea trecerii de la speciile cu Lj la cele cu Lj+1, este proportionala cu (N-j)/(j+1). Astfel:

Aceste rapoarte succesive se pot determina dacă se cunoaște N. În practică, valorile prevăzute statistic sunt în mod normal mai scăzute în întreaga serie decât cele determinate experimental. Acest lucru indică importanța efectelor sterice și coulombiene. Relațiile dintre diferitele constante având semnificație cantitativă au fost puse în evidență de van Eck, astfel:

Pentru multe sisteme, graficele lg Kj în funcție de (j-1) sunt liniare cu o

pantă caracterizată de λ care este un parametru empiric al fiecărui sistem.

În Tabelul 1 sunt comparate valorile constantelor de stabilitate pentru un număr de complecși cu amoniac și câteva amine chelate. De asemenea, este de notat că, odată cu creșterea mărimii legăturii chelate, stabilitatea scade. O explicație a acestor efecte este posibilă făcând referire la ecuația, din care este evident faptul valori mai pozitive și respectiv, mai negative ale ΔH și ΔS duc la o de stabilitate mai mare.

Entalpia determinată experimental modifică, dar nu suficient, explicația

pentru mărirea observată a valorilor K, indicând importanța modificărilor de

entropie. Valorile ΔS calculate din K și ΔH arată, nesurprinzător, că creșterea chelării corespunde valorilor pozitiv descrescătoare ale ΔS.

III.4 Tipuri de legături în compușii metal-organici

Combinațiile metal-organice se caracterizează prin prezența uneia sau mai multor legături metal-carbon. Proprietățile fizice și chimice ale compușilor

organici sunt determinate în mare măsură de natura legăturii metal-carbon, dar și de natura metalului și a grupării organice. Pentru compușii metal-organici, tipurile clasice de legături chimice – ionice și covalente – reprezintă doar una din posibilitățile de legare între atomii metalelor și grupările organice atașate.

Legătura ionică este întâlnită în compușii metal-organici ai metalelor

alcaline (mai puțin în compușii litiului) și ai metalelor alcalino-pământoase: calciu, stronțiu, bariu.

În acești compuși, metalul este prezent sub formă de cation (M+ sau M2+), iar gruparea organică este un carbanion cu sarcina negativă localizată la un atom de carbon sau delocalizată pe un număr mai mare de atomi de carbon. Carbanioinii sunt anioni ai atomului de carbon care se formează prin eliminarea uneia din grupările atașate la un atom de carbon fără a elimina perechea de electroni de legătură.

Legăturile ionice M-C apar numai atunci când se realizează o separare netă de sarcini, iar gruparea organică există sub forma unui carbanion. Pentru aceasta este necesar ca între electronegativitatea metalului și cea a carbonului să existe o diferență suficient de mare.

Sarcina negativă a carbanionului se poate localiza în orbitalii hibrizi sp3, sp2, sp ai atomului de carbon. Reactivitatea carbanionilor scade în ordinea:

sp3 > sp2 > sp

deoarece crește electronegativitatea atomului de carbon astfel hibridizat.

Carbanionul format se poate stabiliza în mod evident, determinând o

scădere a reactivității și chiar apariția culorii, când există posibilitatea delocalizării sarcinii negative pe mai mulți atomi, ca de exemplu în cazul anionului benzil și a anionului ciclopentadienil (Cp).

Legăturile covalente σ (bielectronice bicentrate) se întâlnesc în cazul

compușilor metal-organici ai metalelor aluminiu, staniu, plumb. Aceste legături

sunt legături covalente σ cu caracter polar mai mult sau mai puțin pronunțat în

funcție de diferența de electronegativitate dintre metal și carbon.

Compușii metal-organici ai metalelor tranziționale, de forma MLn conțin

legături covalente simple, nestabile, care se pot stabiliza prin prezența simultană a unor liganzi ce posedă atât proprietăți σ-donoare, cât și π-acceptoare, sau prin introducerea de substituenți atrăgători de electroni în gruparea organică.

În general, elementele din grupele A formează compuși covalenți de forma MLn în care se realizează n legături M-C.

Metalele tranziționale formează două clase de compuși metal-organici,

care se deosebesc între ei prin modul de legare al metalului:

a) compuși în care legătura metal-carbon este de tip σ obișnuită;

b) compuși în care se stabilesc legături între metal și electronii π ai alchenelor sau arenelor – compuși la a căror formare iau parte și orbitalii d ai metalului.

Compușii din prima categorie formați prin legături σ sunt în general

instabili. Instabilitatea lor este de natură cinetică și se datorează neocupării

complete a orbitalilor d. Ocuparea orbitalilor d vacanți cu perechi de electroni

furnizați de liganzi π-donori mărește stabilitatea cinetică a compușilor care conțin legături σ-metal-carbon. Stabilitatea compușilor de acest tip poate fi mărită și dacă este împiedicată eliminarea grupării organice legată de metalul tranzițional sub formă de olefină (eliminarea β).

În compușii din cea de a doua categorie, dubla legătură a alchenei ocupă o poziție de coordinare a metalului (ferocenul).

Legăturile cu deficit de electroni (legături policentrate localizate) sunt

legături realizate prin punți și pot fi explicate dacă se admite formarea unor legături în care o pereche de electroni leagă trei atomi. Aceste legături sunt mai slabe decât legăturile covalente obișnuite și se pot realiza când electronii de valență disponibili sunt în număr mai mic decât orbitalii de valență accesibili.

Elementele care formează astfel de legături se caracterizează prin aceea că stratul de valență este ocupat mai puțin de jumătate, iar atomul este puternic polarizabil. Formarea acestor legături reflectă o puternică tendință a elementelor de a folosi cât mai complet orbitalii și electronii de valență disponibili în formarea legăturilor chimice.

Legăturile nelocalizate se întâlnesc în sistemele polinucleare, ca de

exemplu în polimerii de forma (LiL)n. În acești polimeri, legăturile între atomii de litiu sunt legături metal-metal nelocalizate, gruparea organică fiind legată simultan de mai mulți atomi de litiu de pe fețele acestor poliedre, fără a se pune în evidență legături Li-C izolate. Acest tip de legăuri se mai întâlnesc în carborani și în clusterii polinucleari metal-carbonilici.

Compușii metal-organici ai litiului cunoscuți sub forma de tetrameri sau

hexameri (LiL4) sau (LiL6), pledează pentru ideea formării unor nuclee poliatomice prin legături nelocalizate. Acest tip de legături trebuie admise și pentru interpretarea structurii metal-carbonililor polinucleari a altor compuși metalorganici de tip cluster.

Legăturile dative cu participarea orbitalilor d ai metalului, sunt legături

caracteristice compușilor metal-organici ai metalelor tranziționale și pot fi:

– legături dative în care atomul de carbon al ligandului funcționează ca donor al unei perechi de electroni formând legături donoare, iar molecula ligandului ca acceptor, acceptând o parte din densitatea electronică a metalului în orbitalii săi vacanți. Se formează astfel legături π-retrodative. Printre liganzii care permit asemenea interacțiuni se pot menționa CO, R-N=C, carbenele etc.;

– legături dative în care ligandul este o moleculă nesaturată care poate ceda orbitalilor d vacanți ai metalului electroni din orbitalii săi moleculari de

legătură π și poate accepta electroni în orbitalii moleculari de antilegătură π *.

Astfel de liganzi care pot contribui cu un număr variabil de electroni  π sunt:

etena cu 2 electroni, ciclobutadiena cu 4 electroni, gruparea ciclopentadienil cu 5 electroni, benzenul cu 6 electroni etc.

Formarea combinațiilor metal-organice ale metalelor tranziționale este

determinată și dominată de tendința metalului de a dobândi o configurație de gaz rar prin ocuparea completă a nivelelor (n-1)d, ns și np; acest lucru se realizează prin acceptare de electroni de la ligand. De aceea, în cazul metalelor tranziționale nu predomină tendința de a forma compuși covalenți de tipul MLm sau MLmXn, ci tendința de a forma combinații complexe cu liganzi organici care sunt capabili să doneze metalului un număr de electroni suficient pentru a-i completa configurația de 18 electroni a stratului de valență – (n-1)d10ns2np6.

Așa se poate explica tendința redusă a elementelor de la începutul seriilor tranziționale de a forma compuși metal-organici, compuși care sunt în general puțin stabili sau formarea unor astfel de compuși cu liganzi capabili să doneze un număr mare de electroni (de exemplu ciclooctaatetraena – donor de 8 electroni).

Un tip particular de legături între metale tranziționale și molecule organice nesaturate se realizează prin donare de electroni de la ligand la metal și de la metal la ligand.

Pentru a forma legături dative cu participarea orbitalilor d metalul trebuie să se găsească într-o treaptă de oxidare joasă și să aibă unii orbitali d vacanți pentru acceptarea perechilor de electroni cedate de molecula oxidului de carbon și alți orbitali d ocupați pentru donare de la metal la ligand.

Molecula de CO dispune de o pereche de electroni neparticipanți într-un orbital molecular localizat la atomul de carbon, pereche care poate fi trecută într-un orbital vacant al metalului. Se realizează astfel o legătură σ dativă. Molecula de CO posedă și orbitali moleculari de antilegătură vacanți, care pot accepta perechi de electroni de la metal din orbitalii d ocupați ai metalului. Astfel se realizează legătura π retrodativă. Se ajunge la concluzia că legătura dintre metal și monoxidul de carbon este de fapt o legătură dublă formată dintr-o legătură σ și o legătură π, evitându-se astfel creșterea densității electronice la metal și întărirea în același timp a legăturii metal-ligand. Donarea de electroni dintre metal și ligand influențează și

tăria legăturii dintre carbon și oxigen în molecula coordinativă de monoxid de

carbon.

Cele mai multe metale tranziționale formează compuși cu monoxidul de carbon drept ligand. Cea mai simplă posibilitate este adiția de un electron prin formarea unui anion de forma: [M(CO)n]-. Alternativ, jumătatea deficitară în electroni se poate lega covalent cu un atom sau grupare care are de asemenea, un singur electron impar disponibil, ca de exemplu hidrogenul HM(CO)n sau clorul M(CO)nCl. Dacă nu există altă specie disponibilă cu care să reacționeze, atunci cele două fragmente, fiecare cu câte un electron impar, pot dimeriza realizându-se astfel împerecherea electronilor impari. Așa se poate explica stabilitatea carbonilului de cobalt și mangan ca dimeri și nu ca monomeri.

Regula empirică de completare a stratului de valență se poate aplica, în general și altor tipuri de liganzi cum ar fi molecule organice nesaturate, ionul nitrozil (NO+) etc. de exemplu, în dibenzen crom, Cr(C6H6), cromul are nevoie de 12 electroni pentru a realiza configurația kriptonului, electroni pe care îi ia de la două molecule de benzen. În ferocen, Fe(π-C5H5)2, fierul are nevoie de 10 electroni pe care îi acceptă de la două grupări ciclopetadienil. Ionul de nitrozil, format prin ionizarea moleculei de NO, este izoeletronic cu monoxidul de carbon.

Ca ligand, gruparea nitrozil este în mod obișnuit considerată ca un donor de trei electroni. Se cunosc și au fost caracterizați câțiva complecși care conțin numai gruparea nitrozil ca ligand, dar cei mai studiați sunt compușii micști-carbonil-nitrozilici.

III.5 Procese de înlocuire a ligandului – cinetică și mecanism

Procesele de înlocuire a ligandului sunt reacții în care au loc modificări în

sfera de coordinare a unui metal, un caz particular fiind înlocuirea moleculelor de apă. Capacitatea unui complex de a suferi astfel de procese depinde de labilitatea sa. Pentru metalele primei serii tranziționale, complecșii cu structură octaedrică sunt labili astfel că echilibrele complex-ligand sunt obținute mai rapid; excepții sunt complecșii cromului (III) sau cobaltului (III).

Înlocuirea ligandului poate avea loc fie printr-un mecanism SN1, fie SN2;

SN1:

a cărui viteză este dată de k[ML5L] și este independentă de [L’].

SN2:

a cărui viteză este dată de k[ML5L][L’].

În practică, un mecanism este foarte rar atât de simplu ca acesta și, pe

deasupra, trebuie privit ca reprezentând două cazuri extreme. Mecanismul poate fi complicat de participarea solventului în schema de reacție astfel că, datorită excesului său, viteza pare a fi independentă de el. Formarea ionilor pari și formarea bazelor conjugate pot cauza, de asemenea, complicații (de exemplu, concentrația [OH-] poate apărea în legea de viteză finală dată de atacul direct SN2 asupra metalului sau înlocuirea rapidă a unui proton dintr-un ligand existent care formează baza conjugată).

Cazul în care ligandul L’ în schema generală este H2O sau prezintă o

importanță particulară deoarece toate substituțiile par a avea loc printr-un astfel de proces, adică ligandul inițial coordinat este mai întâi înlocuit de apă care apoi estedezlocuită de noul ligand.

Reacții cu transfer de electroni

Procesele cu transfer de electroni pot avea loc prin două mecanisme:

printr-un efect de tunelare a electronilor (în afara sferei de coordinare) sau printr-un mecanism în punte. Un număr de efecte împiedică reacțiile cu transfer de electroni.

Moleculele solventului și liganzii coordinați înconjurători speciilor schimbătoare diminuează mărirea orbitalilor ionului metalic în spațiu. De asemenea, liganzii în două specii schimbătoare nu sunt legați în mod asemănător, de exemplu legăturile pot fi mai lungi într-unul din complecși decât în altul. Astfel, pentru proces de transfer de tipul următor:

legăturile M-L pot fi mai scurte pentru M(III) decât cele pentru M(II) în starea de energie zero. Fezabilitatea unui astfel de proces este guvernată de principiul Franck-Gordon care spune că deplasarea electronilor are loc mai rapid (adiabatic) decât variațiile distanțelor internucleare. În acest caz, produșii proceselor cu transfer de electroni vor avea energie mai mare decât reactanții deoarece, pentru reactanții în starea lor normală, produsul inițial ar avea M(III) cu legături M-L mai lungi decât M(II) și procesul ar fi unul prea puțin probabil.

Este posibil, totuși, ca transferul să se producă când configurațiile

structurală și electronică sunt identice și dacă introducerea energiei în sistem este posibilă. În continuare este prezentată o tratare a celor două mecanisme de transfer electronic.

Mecanismul de tunelare a electronilor

Efectul de tunelare a electronilor este prezentat pe larg de catre Marcus și colaboratorii săi. Barierele de energie asupra progresului electronilor sunt prezentate atât de particulele solventului, cât și de cele ale ligandului. Viteza specifică a procesului de transfer poate fi scrisă, în termenii teoriei stărilor de tranziție, astfel:

în care termenii au semnificația normală acceptată. ΔG*R se referă la energia de activare corespunzătoare rearanjării straturilor de coordinare, iar ΔG*E se referă la energia necesară înfrângerii repulsiei electrostatice dintre speciile ionice. Un mecanism de tunelare a electronilor este produs când reacțiile de substituție ale partenerilor schimbători sunt mai lente relativ cu viteza procesului cu transfer de electroni. Un exemplu este sistemul MnO4-

/MnO42-.

Mecanismul prezintă o importanță particulară pentru reducerea

complecșilor cobalt-amină, în care se pare că are loc un proces de tunelare.

Mecanismul în punte

În acest caz există un anumit atom comun ambelor straturi de coordinare în starea de tranziție care acționează ca o punte între specii. Complecșii care conțin punți de liganzi nu sunt deloc neobișnuiți și binențeles, nu este inexplicabil de a imagina transferul de electroni care are loc printr-o anumită legătură a ligandului la cei doi centrii metalici simultan. Pentru ca un asemenea proces să fie fezabil, trebuie alese condițiile potrivite; unul dintre reactanți trebuie să fie labil-substituit, celălalt inert-substituit, iar după ce transferul are loc, speciile labile inițial devin inerte, celelalte devenind labile. Este cazul procesului Co(III) +Cr(II), Co(II) +Cr(III):

În acest caz, complexul Co(III) este inert, iar ionul apos Cr(II) este labil;

produsul [Cr(H2O)5Cl]2+ este inert, pe când, ionul apos Co(II) este labil.

În starea de tranziție, ligandul de legătură este Cl- al speciei inerte:

Este de notat faptul că, prin înlocuirea clorului cu oxalat sau maleat, viteza de transfer crește considerabil. Acest lucru este atribuit în principal legăturilor conjugate π implicate în ultimele cazuri care asigură un transfer de electroni continuu între doi centri metalici.

CAP IV: ELEMENTE CHIMICE ÎN SISTEME BIOLOGICE

IV.1 Generalități

Metaloproteinele, compuși ai cationilor metalici cu moleculele organice

de interes biologic, sunt heteroproteine în care componenta prostetică este

reprezentată de un metal, iar componenta proteidică este constituită dintr-o catenă în care există grupările polare libere aparținând polihetero-aminoacizilor constituenți. Structura chimică specifică macromoleculelor de metaloproteine conferă acestora proprietăți funcționale în care specificitatea are importanță aparte.

Grupările polare din catenele macromoleculare concură la stabilirea legăturilor cu metalele din componenta prostetică. Acest considerent explică relația structură chimică – activitate biologică, precum și prezența numeroaselor metaloproteine ca bioconstituenți celulari și tisulari sau ca efectori în reacțiile biochimice specifice proceselor metabolice. Metalele care au fost puse în evidență frecvent în structura metaloproteinelor sunt: fier, cupru, mangan, zinc, cobalt, magneziu etc. Legătura dintre metal și apoproteină se realizează prin intermediul grupărilor polare libere

ale aminoacizilor din molecula proteică.

Se consideră că apoproteina prezintă o anumită regiune din moleculă

susceptibilă de a stabili legături cu metalul, în conformitate cu distribuția spațială a grupărilor capabile să formeze asemenea legături. Metalul (M2+)se fixează de apotroteină prin liganzi, grupări care pot dona electroni metalului, stabilindu-se astfel legături covalente coordinative, metalul devenind coordinat. Prin intermediul liganzilor, metalul fixat pe apoproteină formează un complex intern numit chelat care se caracterizează prin existența unui ciclu în care se stabilesc covalențe coordinative între atomii de N sau O ai ligandului și ionul metalic coordinat.

Existența acestor structuri cu caracter de chelat sunt posibile în metaloenzime, structuri care explică mecanismul funcțional al acestora în procesele biochimice la care intervin. În tabelul urmator sunt consemnate câteva exemple de metaloproteine și unele caracteristici ale lor.

Ionul metalic în metaloenzimă poate îndeplini fie un rol stabilizator al

structurii terțiare și cuaternare a enzimei, fie un rol direct în actul catalitic, fie

ambele roluri. Uneori, același ion metalic poate avea un rol în cazul unei enzime, pentru ca în constituția alteia să îndeplinească o cu totul altă funcție.

Astfel, de exemplu, în cazul zincului din carbonic anhidraza eritrocitelor bovine, ionul metalic are un unic rol funcțional participând efectiv la actul catalitic, în timp ce fosfataza alcalină din E. coli conține patru atomi de zinc per mol de enzimă, doi fiind necesari pentru funcția catalitică și doi pentru menținerea structurii cuaternare. Alteori, cele două funcții sunt îndeplinite de doi ioni metalici diferiți, ca în cazul α-amilazei din B. subtilis care conține Ca2+ și Zn2+ – primul participând efectiv la actul catalitic, cel de-al doilea având un rol de dimerizare a monomerilor.

Este interesantă observația că enzime omoloage, izolate din diferite surse biologice, pot fi în unele cazuri metaloenzime tipice, pentru ca în altele să nu fie implicat nici un ion metalic în stabilizarea și funcția proteinei. Aceste activități și specificități analoage sunt realizate de enzime care diferă în structura chimică a întregii macromolecule și a situsului catalitic activ. În cazul enzimelor care conțin în structura lor același ion metalic, dar care au activități catalitice diferite, specificitatea de acțiune și substrat este fncție nu numai de ionul metalic, dar și de natura chimică a apoenzimei și a liganzilor care îl leagă. Astfel, carbonic anhidraza din eritrocitele bovinelor, fosfataza alcalină din E. coli și α-carboxipeptidaza bovină sunt toate zinc-enzime, dar prima leagă ionul metalic prin intermediul unui rest de cisteină, a doua printr-unul de histidină, iar ultima enzimă prezintă un situs tridentat de legare a zincului, format din resturi de acid glutamic, histidină și lizină.

În literatura de specialitate se întâlnesc exemple multe în care un ion

metalic (în mai puține cazuri – doi) intră în componența unor enzime. Metalul

poate afecta funcția catalitică acționând în mai multe feluri:

– poate participa la legarea substratelor sau (și) a cofactorilor enzimatici;

– poate activa complexul enzimă-substrat, după formarea lui;

– poate induce anumite modificări în conformația enzimei, care sunt avantajoase fie din punct de vedere funcțional, fie structural;

– poate participa nemijlocit la unele reacții de oxido-reducere. Pentru cele mai

multe metaloenzime nu se poate face o distincție clară între aceste mecanisme posibile de participare a ionilor metalici la reacția enzimatică.

Grupările de legare ale ionilor metalici din structura metaloenzimelor au

fost studiate pe complecși formați în urma reacțiilor lor cu aminoacizii și peptidele simple; s-a ajuns la concluzia că, în general, catenele laterale ale aminoacizilor care posedă ioni de hidrogen, precum și atomii de azot din legătura peptidică pot constitui virtualii liganzi ai metalelor. Grupările chimice prezente în catena polipeptidică a apoenzimei care pot fi potențial reactive cu metalele sunt: grupările amino și carboxil terminale, grupările carboxil ale resturilor de acid glutamic și aspartic, gruparea ε-amino a lizinei, gruparea imidazol a histidinei, gruparea feroxi a tirozinei, gruparea sulfhidril a cisteinei și gruparea guanidil a argininei.

Cu cât numărul liganzilor care leagă ionul metalic este mai mare cu atât crește stabilitatea și selectivitatea metaloenzimei. Deși în structura metaloenzimelor intră un număr mic de metale care vor fi puternic legate printr-un număr limitat de situsuri specifice, nu s-au putut stabili reguli pentru relația metal-ligand care să permită presupunerea unor preferințe de legare.

Una din caracteristicile esențiale ale metaloenzimelor este înalta stabilitate a complexului format între ionul metalic și partea proteică. Această stabilitate trebuie considerată mai mult din punct de vedere termodinamic decât cinetic, deoarece în multe cazuri au fost stabilite condițiile de disociere reversibilă a ionului metalic, când legarea poate fi descrisă în termenii legii acțiunii maselor.

Explorarea rolului funcțional al metalelor în structura enzimelor a fost

realizată și ajutorul agenților de chelatizare. Inhibiția activității enzimatice sub

influența unor astfel de agenți dă relații asupra interacțiilor fizico-chimice ale

enzimei cu metalele. Agenții de complexare ai metalelor au fost utilizați ca

inhibitori enzimatici, pe baza interacțiunii lor cu diverși ioni, în soluție, formând

complecși de coordinare, stabile. Agenții de complexare mai pot inactiva enzima și prin îndepărtarea unui cofactor anorganic din structura sa.

Interpretarea efectului inhibitor al unui agent de chelatizare asupra activității unei enzime trebuie făcută cu multă grijă deoarece agentul poate interacționa și cu alte grupări chimice ale proteinei sau ale substratului. Unul dintre cei mai utilizați agenți de chelatizare este acidul etilendiaminotetraacetic (EDTA).

Folosirea EDTA se bazează pe constantele de stabilitate înalte pe care le au chelații EDTA cu ioni metalici. Aceste constante sunt determinate în soluții apoase când toate cele șase situsuri de coordinare ale EDTA ocupă întreaga sferă de coordinare a ionului metalic și când fenomenul de împiedicare sterică este absent. Într-o metaloenzimă, numărul legăturilor metalapoenzimă este necunoscut, trăsăturile structurale ale proteinei pot împiedica accesul agentului de chelatizare la metal sau la unele situsuri de coordinare ale metalului care sunt ocupate cu liganzi ai proteinei.

Bioelementele metalice decelate în metaloproteine influențează prin

particularitățile structurii electronice, ca și modul de legare. Problema relației

structură chimică – activitate biologică dobândește un interes aparte având în

vedere faptul că metaloproteinele pot fi:

– bioconstituenți ai celulelor, țesuturilor și/sau ai diverselor fluide biologice;

– efectori biochimici, respectiv activatori ai reacțiilor specifice diverselor căi

biochimice. ale metabolismului material și energetic.

Problema existenței a două tipuri de metaloproteine a fost abordată mai convingător prin determinări ale diverșilor complecși. Studiile au fost întreprinse pe enzime și au condus la constatarea că pot exista două grupe de compuși: (a) metaloenzime propriu-zise; (b) complecși metal-enzimă. Această clasificare reflectă în parte modul de abordare a problemei metaloproteinelor, respectiv a existenței acestora sub formă de bioconstituenți și respectiv, de efectori biochimici.

Problema metaloproteinelor, în fapt, este mult mai complexă, deoarece există situații când unul și același compus poate fi considerat ca apartenență și altor subclase de heteroproteine cum ar fi cromoproteinele, fosfoproteinele etc.

Clasificarea metaloproteinelor se poate face pornind de la considerente

structurale sau funcționale. În clasificare se are în vedere:

a) relația structură-activitate, în conformitate cu aceasta distingându-se:

– metaloproteine cu rol de bioconstituenți;

– metaloproteine cu rol de efectori biochimici.

b) natura (specia) metalelor prezente în acest tip de heteroproteine, în raport cu aceasta fiind posibilă gruparea în:

– metaloproteine cu fier;

– metaloproteine cu cupru;

– metaloproteine cu zinc;

– metaloproteine cu mai multe specii de metale.

Pentru prezentarea diverselor tipuri de metaloproteine este de preferat

clasificarea dependentă de specia (speciile) de metale constituente.

IV.2 Fierul în sistemele biologice

Fierul, element tranzițional de tip ”d”, situat în grupa a VIII-a perioada a 4-a, cu configurația electronică exterioară: 3d64s2, este după oxigen, siliciu și aluminiu, cel mai răspândit element în scoarța terestră, unde se găsește sub formă de oxizi, sulfură, carbonat și silicat, greu disponibili și asimilabili pentru plante din cauza solubilității lor reduse.

Fierul formează compuși cu numere de oxidare variabile de la 0 la +6, compușii Fe(II) și Fe (III), simpli și complecși, fiind cei mai importanți.

Ionul Fe2+ (3d6), la limita caracterului de acid “dur” și “moale” și ionul Fe3+ (3d5), acid dur, sunt paramagnetici și manifestă o tendință însemnată de a forma combinații complexe cu spin jos (minim), hibridizare d2sp3, diamagnetici pentru Fe (II), slab paramagnetici pentru Fe(III), sau cu spin înalt (maxim) hibridizare sp3d2, puternic paramagnetici, în funcție de natura liganzilor, cu rol important în mediile biologice.

Figura 1- Stările de spin ale ionilor Fe2+ și Fe3+

De exemplu, transferina, proteina de transport a fierului din ser, are o afinitate de 27 de ori mai mare pentru Fe3+, comparativ cu Fe2+, din această cauză, complexul Fe(III)-transferină este deosebit de stabil, iar Fe(II)-transferină, ușor oxidabil.

Ionul Fe3+, cu raza de 0,67 Å, manifestă o afinitatea mare pentru liganzi duri având ca atomi donori oxigenul, precum: apa, anionii oxalat, citrat, grupările tirosil, aspartil, glutamil, în timp ce Fe2+, cu raza de 0,83 Å, prezintă o afinitate mai ridicată pentru liganzi “moi” ce pot forma legături “π”, de exemplu, dipiridilul, o-fenantrolina, utilizați la determinarea lui colorimetrică.

Ionul Fe3+ hexahidratat hidrolizează ușor cu eliberare de protoni, conform reacțiilor:

Fe3+ + 6H2O →[Fe(H2O)6]3+ ↔ [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H+

[Fe(H2O)4(HO)2]+ + H+

pK a primelor două constante de hidroliză ale ionului Fe3+ au valorile 2,2 respectiv 3,3 în timp ce pKa a ionului [Fe(H2O)6]+ este de 9,5.

Ionul [Fe(H2O)5(OH)]2+ formează ușor compuși polimeri, în care ionii Fe3+ sunt uniți prin punți de hidroxil sau de oxigen, deosebit de stabili și insolubili, cu mase moleculare până la 150 000, structură sferică și diametru de 70 Å.

2[Fe(H2O)5(OH)]2+ ↔ [(H2O)4Fe(OH)2Fe(H2O)4]4+ + 2H2O

Din această cauză ionul Fe3+ poate fi menținut în mediu neutru sau alcalin într-o formă solubilă, absorbabilă de organism, numai în prezența unor agenți chelatori puternici, EDTA, acid citric, aminoacizi, proteine. Reactivitatea și disponibilitatea ionului metalic este dependentă, în mare masură, de modul său de legare.

Fierul este un element esențial organismelor vii, implicat în transportul oxigenului în țesuturi și în mecanismele oxidative celulare. Prezent în cantități de 50 mg și 30 mg/kg corp la bărbați, respectiv la femei (2-5 g la adultul normal) fierul se găsește într-o proporție de aproximativ 2/3 sub formă de hemoglobină în hematiile circulante, 4% în mioglobină, 0,2% în enzimele hemice, 0,12% legat de transferină și circa 25% depozitat sub formă de feritină și hemosiderină. În funcție de modul de legare al fierului de proteine, complecșii fier-proteine pot fi clasificați în trei grupe:proteine nonhemice, hematoproteine și proteine fier-sulf. În hematoproteine, fierul este încorporat într-un sistem de patru inele tetrapirolice legate de proteine, de exemplu: mioglobina, hemoglobina, citocromul C.

În proteinele fier-sulf, fierul este legat de liganzi cu sulf care includ resturile cisteinice ale proteinelor; ele participă la o varietate de reacții oxido-reducătoare.

În proteinele non-hemice, legarea lui se face de anumite locuri ale unor resturi de aminoacizi, de exemplu: transferina și feritina.

Funcțiile proteinelor care conțin fier sunt foarte variate și includ: (1)sinteza deoxiribozei (ribonucleotid reductaza); (2) transportul oxigenului (hemeritrina, hemoglobina); (3) activarea oxigenului (catecol dioxigenaza citocromul P-450); (4) hidroliza fosfoesterilor (uteroferina, fosfataza acidă purpurie); (5) depozitarea și transportul fosforului (fosvitina); (6) transportul fierului (transferina, fosvitina); (7) depozitarea fierului (feritina, fosvitina). Sideroforii (fierul de greutate moleculară mică transportat în microorganisme) pot fi de asemenea, incluși în studiul proteinelor și enzimelor cu fier, deoarece interacțiile fier-ligand și mecanismele metabolice pot servi ca modele pentru multe proteine ferice cunoscute. Se consideră trei grupe principale de proteine care conțin fier, bazate pe grupările funcționale prezente în fiecare tip de proteină: proteine ferice non-hemice, hematoproteine, proteine fier-sulf.

Proteine non-hemice

Fierul este cel mai abundent metal pe pământ; deci nu este surprinzător faptul că se întâlnește în multe proteine și enzime. Fierul este încorporat în proteine și enzime în două forme bazice: proteine ferice non-hemice și proteine și enzime care conțin hemul. Proteinele ferice non-hemice nu conțin liganzi porfirinici, acestea conțin fier coordinat la aminoacizii porfirinici din proteine și liganzi subordonați în soluție apoasă de proteină. Tabelul 1 prezintă funcțiile proteinelor ferice non-hemice cunoscute și proteinele hemice cu funcțiile analoage.

Hemeritrina

Hemeritrina este o metaloproteină cu conținut redus de fier (aproximativ 0,8-1,0%), prezentă sub forma unui pigment roșu-violet în organismul animalelor nevertebrate.

Masa moleculară a hemeritrinei variază mult de la o specie la alta,

presupunându-se că acest fapt s-ar putea datora existenței unei structuri bazate pe subunități.

Se consideră că hemeritrina intervine în procesele oxiforetice, decelându-se spectroscopic formațiuni structurale de tipul oxihemeritrină – cu conținut ridicat de oxigen, methemeritrină – rezultate prin oxidarea cu fericianură sau cu oxigen molecular.

Asupra raportului oxigen/fier datele din literatură diferă citându-se valori de 1/3, 1/2 sau intermediare între acestea. Există și presupunerea existenței unei legături în care oxigenul apare ca ion peroxidic (O2-2), precum și a existenței fierului feros (Fe2+) și a fierului feric (Fe3+). Cert este însă faptul că, la nevertebrate, hemeritrina are rolul hemoglobinei de la vertebrate.

Metan monooxigenaza

Metan monooxigenaza (MMO) este o proteină ferică non-hemică care catalizează reacția:

reacție considerată importantă din punct de vedere industrial datorită rezervelor mari de CH4 și intenției de a converti astfel de hidrocarburi în combustibili sau aditivi pentru carburanți. Înțelegerea mecanismului acestei enzime prezintă importanță, atât industrială, cât și în domeniul bioanorganic. Reducerea MMO în prezența dioxigenului este capabilă să oxideze substraturile similar reacțiilor catalizate de hematoproteina citocrom P-450.

Un model sintetic pentru MMO care conține cobalt dinuclear cu toți atomii de oxigen ca liganzi în complex este CpCo[(OR)P(OET)2]3. Complexul are o serie de proprietăți interesante, în voltamogramele ciclice reversibile ale acestuia fiind puse în evidență toate stările de oxidare ale metalului.

Ribonucleotid reductaza

Ribonucleotid reductaza, proteină ferică non-hemică, este implicată în

transferul de electroni, funcție similară cu cea îndeplinită de citocrom c oxidaza. Ribonucleotid reductaza implică ionii Mg2+, Mn2+ sau Ca2+. Reacția catalizată de această enzimă implică conversia ribonuclotidelor la 2-deoxiribonucleotide.

Feritina

Metaloproteină neporfirinică, cu rol în stocarea fierului în organism. Feritina are un conținut de fier de aproximativ 23% și poate stoca maxim 15 grame de fier, o cantitate mai mare putând declanșa boala numită „hemocromatoză”.

Aceasta conține:

Grupare proteică – formată din 24 de subunități cu structuri asemănătoare unor „canale” proteice, care la rândul lor pot fi de tip „3” (structură polară) sau de tip „4” (strucutură nepolară). Ambele tipuri de canale formează o structură internă de tip „cușcă”.

Grupare prostetică – rezultată în urma unui proces de biomineralizare, alcătuită din „ferihidrită”: [FeIIIO(OH)]8 ◦ [FeIIIO(H2PO4)], cristal insolubil în apă.

Hematoproteine si enzime hemice

Au fost găsite în natură un număr mare de proteine și enzime care conțin ca grupare prostetică hemul (Figura 2), o porfirină conținând un ligand macrociclic care coordinează fierul. Ligandul porfirinic are abilitatea de a coordina aproape toate metalele tranziționale la fel de bine ca și multe nemetale. Porfirinele pot accepta doi ioni de hidrogen pentru a forma un diacid sau pot ceda doi protoni pentru a deveni un anion cu sarcină -2.

Această din urmă posibilitate a porfirinelor conduce la complecși

porfirinici cu ionii metalici (în mod obișnuit divalenți), denumiți complecși metalporfirină. Astfel, porfirina, în forma sa nepolară servește ca donor de doi electroni pentru fier în gruparea prostetică hemică.

În Figura 3 sunt prezentate principalele clase de proteine hemice

împreună cu funcțiunile lor biochimice. Pe lângă funcțiile de transport și depozitare a oxigenului și electronilor, hematoproteinele joacă un rol important în controlul și utilizarea oxigenului și derivaților oxigenului redus.

În vederea acoperirii întregii game de proteine și enzime care conțin hem,vor fi discutate câte un tip de hematoproteină din fiecare din cele trei clase de proteine cunoscute. Citocromul c va fi discutat ca un exemplu de hematoproteină care este implicată în transferul de electroni; hemoglobina servește ca prototip al hematoproteinelor implicate în legarea și transportul oxigenului; un exemplu al enzimelor hemice care catalizează inserarea unui atom de dioxigen în substraturi organice este prevăzut pentru examinarea chimiei citocromului P-450.

Figura 4 prezintă chimia complecșilor oxigenului în termenii

potențialelor de reducere care guvernează stările de oxidare ale acestora în condiții neutre (pH=7) și acid (pH=0). Este prezentat, de asemenea, domeniul în care hematoproteinele își exercită influența.

Figura 4 – Potențialele de reducere standard asociate cu chimia oxigenului

Citocromul c

Clasa de citocromi c a fost intens studiată. Aceste hematoproteine se

disting de alți citocromi prin faptul că gruparea porfirinică cu fier (protoporfirina

IX) este legată covalent la proteină prin tioeter. Un avantaj în studiul acestor hematoproteine este acela că citocromii de tip c sunt suficient de mici ca dimensiune pentru a putea fi examinați prin metode structurale și fizice. În plus, citocromii c sunt mult mai bine caracterizați decât toate biomoleculele care conțin metale în termenii înțelegerii transferului de electroni în sisteme biologice. Principala funcție a citocromilor c este aceea de a asigura transferul de electroni.

Citocromii c pot fi reduși de un număr de purtători de electroni; aceștia

sunt în mod uzual membrane legate, astfel transferul de electroni trebuie să fie electroni care este incorporat în membrană. Caracterizarea structurală a

citocromilor c prevede aproximativ 70 de secvențe de aminoacizi determinate din eucariote.

Primele studii asupra transferului de electroni în aceste sisteme au fost

tratarea unui citocrom c cu un (sau o serie) de oxidanți sau reducători pentru a determina parametrii cinetici care controlează reacția cu transfer de electroni; acești parametri includ tăria ionică, pH-ul, temperatura. Mulți dintre oxidanții și reducătorii utilizați în studiul reacțiilor cu transfer de electroni ale citocromilor sunt complecși anorganici fără importanță fiziologică, Ru(NH3)5(H2O)3+/2+ și Ru(2,2’-bipiridil)33+/2+.

Citocromul P-450

Citocromul P-450 este o hemoproteină ce reprezintă oxidaza terminală a catenei microzomale și își are denumirea de la faptul că tratarea acestor proteine cu diferite substraturi produce o deplasare a maximului de absorbție al complexului cu monoxid de carbon la 450 nm. Are o activitate monooxigenazică, catalizând oxidarea steroizilor, acizilor grași și medicamentelor cu nucleu aromatic.

Citocromul P-450 funcționează în formă oxidată și se cuplează cu

substratul pe care îl va oxida. Concomitent, se produce o schimbare

conformațională a hematoproteinei oxidate, cu o conversie de la stare de spin

scăzut la cea de spin înalt.

Ciclul reacțiilor în care activează citocromul P-450 trece prin patru faze:

(1) legarea substratului la citocromul P-450 cu schimbarea conformațională a

hematoproteinei și trecerea de la stare de spin scăzut la cea de spin înalt;

(2) reducerea fierului citocromic prin transfer de electroni de la NADPH2 reductază;

(3) activarea oxigenului cu formarea unui complex oxigen activ, adus la stadiul de anion superoxid;

(4) transferul atomului de oxigen cu hidroxilarea substratului.

Citocromul P-450 este, de asemenea, cunoscut ca fiind catalizator în reacții de epoxidare, N-, S-, O- dezalchilări, N-oxidări, sulfoxidări, dehalogenări, ca și N- și S- hidroxilări. O reprezentare generală a reacțiilor catalizate de citocromul P-450 este dată de ecuația:

RH + NAD(P)H + H+ + O2 → ROH + NAD(P)+ + H2O

Hemoglobina și mioglobina

Numele hemoglobina provine de la cuvântul grecesc haima (sânge) și globulină (o proteină). Hemoglobina este pigmentul respirator (pigmentul roșu), al tuturor vertebratelor, fiind prezentă în eritrocite, unde are rol în transportul oxigenului (oxihemoglobină), și a CO2 (carbohemoglobină).

Figura 5 – Diagrama arătând schimbul gazos în alveole (stînga) și transportul de oxigen de către hemoglobină (dreapta)

Figura 6:

Structura hemoglobinei 

Gruparea hemică are un atom de fier cuplat cu inelul porfirinic. Atomul de fier realizează o legătură puternică cu proteina globulară prin intermediul nucleului imidazolic al unei molecule de histidină, proteină situată de obicei în planul inferior comparativ cu planul hemului.

Planul superior este ocupat de o legătură reversibilă cu oxigenul din heterociclu, configurația compusului format fiind cea de tip octaedric. Atunci cînd oxigenul nu este legat , locul său este luat de o moleculă de apă, conformația fiind aceea a unui octaedru neregulat. Fierul are 2 ioni : Fe2+ și Fe3+, însă Fe3+ nu poate lega O; legarea O se face și cu oxidarea de către oxigen a Fe2+ la Fe3+, deci fierul trebuie să existe în forma de oxidare +2 pentru a lega oxigenul. La om, hemoglobina are o conformație de tetramer, numită hemoglobina A , formată din 2 lanțuri α și 2 lanțuri β, formate fiecare din 141, respectiv 146 aminoacizi. Hemoglobina A se numerotează α1β2, subunitățile fiind legate prin punți de sare, legături de hidrogen și interacții hidrofobe astfel: α1β1 α1β2.

Ionii de Fe2+ si Fe3+ conțin respectiv 24-25 e- (configurația electronică este [Ar]3d64s2 , [Ar]3d54s2) .

Complexul are structură octaedrică:

Pigmentul haima care se găsește în hematiile vertebratelor le dă culoarea roșie prin fierul pe care-l conține în moleculă. Hemoglobina fixează – după cum s-a menționat – oxigenul în plămâni, dând oxihemoglobina, o combinație labilă, forma prin care se transportă oxigenul spre toate organele unde este nevoie de el. Aceasta fixează apoi oxidul și chiar bioxidul de carbon la hemoglobină, dând carboxihemoglobina – o combinație care se poate retransforma din nou în hemoglobină. Acest colorant roșu al sângelui are greutatea moleculară 68000. Totuși, unele animale – de exemplu racii – au sângele nu roșu, ci albastru. Acest tip de "hemoglobină" este hemocianina (haima=sânge, kuanos=cupru), deci o hemoglobina care conține în moleculă în loc de un atom de fier, unul de cupru, care-i dă culoarea albastră în loc de cea roșie.

Constituită dintr-o componentă proteică numită globină și o componentă prostetică, colorată, hemul, un nucleu porfirinic cu 11 duble legături conjugate. Hemul are ca heteroatom ionul de Fe, legat prin valențe secundare de 2 atomi de N, în timp ce cu ceilalți 2 atomi de N este legat covalent.

Reale contribuții în medicină le-au avut și chimiștii Th. Sydenham și N. Lemery care au descoperit prezența fierului în sânge. Dacă sângele este esențial pentru aproape toată lumea animală, clorofila este sângele lumii vegetale. Un fapt este extrem de curios. Atât clorofila din plantele verzi cât și hemoglobina din sângele vertebratelor superioare au o structură chimică extrem de apropiată. Și una și cealaltă conțin grupe de atomi aproape identice, legate printr-un atom de magneziu la clorofilă și printr-un atom de fier la hemoglobină.

Sângele vertebratelor conține globule, plasmă și gaze. Globulele sunt de două feluri: roșii (sau hematii), identificate de Malpighi în 1665 și albe (sau leucocite), așa cum arătase englezul W. Hawson în anul 1770. Globulele roșii se găsesc în număr impresionant, aproximativ 5 milioane într-un mililitru cub de sânge. Ele conțin globulină, săruri de potasiu și fosfați. Analizele spectrale au arătat prezența fierului (1g la 200g de hemoglobină).

Globulele albe sunt mult mai puțin numeroase decât cele roșii. Un litru de sânge conține 8 miliarde, adică revine o globulă albă la 750 globule roșii. Mecinikov a arătat că rolul acestora este de a apăra organismul de infecții (de microbi patogeni), luptându-se cu "inamicul" prin așa-numita fagocitoză.

Hemoglobinele vertebratelor au greutăți moleculare între 65000 și 68000 și conțin patru molecule de hem deci patru atomi de fier la mol (4% hem și 96% globină în greutate). Hemoglobina animalelor inferioare din clasa ciclostomatelor are greutatea moleculară 17500.

Hemoglobina are funcțiunea fiziologică importantă de a transporta oxigenul în organismul animal. Hemoglobina formează cu oxigenul molecular o combinație slabă, ușor disociabilă, oxi-hemoglobina, de culoare roșie mai deschisă. Aceasta ia naștere atunci când presiunea parțială a oxigenului este mare, de exemplu în plămân, și se disociază la presiune parțială mică (în capilarele sanguine), punând oxigenul în libertate:

Hemoglobina + 4O2  Hemoglobina x (O2)4

Oxigenul eliberat în capilarele sanguine difuzează în țesuturi, unde servește în reacțiile de oxidare. În oxi-hemoglobină, fierul este tot bivalent, ca în hemoglobină. Numai hemoglobina nativă poate lega, în acest mod oxigenul.

Reacțiile pas cu pas:

Hb + O2 HbO2

HbO2 + O2 Hb(O2)2

Hb(O2)2 + O2 Hb(O2)3

Hb(O2)3 + O2 Hb(O2)4

Reacția totală:

Hb + 4O2 Hb(O2)4

Reacția oxigenului molecular cu hemoproteinele este importantă în respirație și pentru reglarea proceselor metabolice. Hemoproteinele sunt formate din protoporfirina IX și o apoproteină. Prin chelarea Fe2+ de către porfirină, cei doi protoni de la atomii de azot sunt înlocuiți și se obține protohemul sau hemul b, neutru din punct de vedere electric.

Deoarece hemul este oxidat ireversibil de aer în mediu apos la specia

corespunzătoare a Fe3+ (hemină), hemul însuși nu poate acționa ca transportor de oxigen in vivo. Natura a găsit soluția, prin încadrarea hemului într-o matrice de proteină (globină), fiind înconjurat de grupări hidrofobe de aminoacizi.

Funcția de transport și depozitare a oxigenului este efectuată de

hemoglobină (Hb) și mioglobină (Mb). Prima transportă oxigenul de la sursă

(plămâni, bronhii sau piele) la locul de utilizare din interiorul celulelor mușchilor. Aici oxigenul este transferat mioglobinei pentru utilizarea în respirație.

În ambele proteine, fierul este coordinat la cei patru atomi de azot ai

protoporfirinei IX și la un atom de azot al unei grupări imidazolice a histidinei din lanțul polipeptidic globină în poziția axială. Cea de a șasea poziție de coordinare, axială, de cealaltă parte a planului hemului este neocupată în absența unor molecule mici cum ar fi O2, CO, NO, H2O, deoarece un atom de azot al histidinei se află la o distanță prea mare pentru a fi coordinat. În cea de a șasea poziție de coordinare, vacantă, se pot lega și alți liganzi în locul oxigenului. Liganzii care stabilesc legături π sunt favorizați și, de aceea, CO, liganzii care conțin S și P se pot lega mai ușor decât O2; în prezența unor cantități mari din oricare dintre aceștia, hemoglobina este blocată și devine inaccesibilă pentru transportul oxigenului.

Rolul globinei în prevenirea oxidării ireversibile a Fe3+ cu O2 este dublu:

– înconjurarea hidrocarbonată a hemului are o dielectrică scăzută și acționează ca un “solvent” nepolar care nu suportă (împiedică) separarea de sarcină care apare la oxidarea Fe2+;

– înconjurarea sterică protectoare previne formarea unui dimer μ-oxo-hem, care pare a fi intermediarul necesar mecanismului oxidării ireversibile.

Hemoglobina și mioglobina se deosebesc prin afinitatea pentru O2, aceasta explicând și funcțiile lor diferite. Oxigenarea reversibilă a Mb și Hb se

caracterizează prin următoarele:

– mioglobina are o afinitate de aproximativ 10 ori mai mare pentru oxigen decât hemoglobina; acest lucru este justificat de funcția sa ca transportor de oxigen în țesut, unde concentrația în O2 este mică;

– mioglobina preia oxigen într-un raport molar 1:1, în concordanță cu relația normală între gradul de complexare și presiunea O2. În cazul hemoglobinei, o singură moleculă poate accepta 4 moli de O2, iar fixarea lor nu este independentă;

– există o dependență de pH a fixării oxigenului de către hemoglobină, cunoscută ca efectul Bohr, rezultatul fiind favorizarea procesului de cedare a oxigenului la pH scăzut (concentrații mari de CO2). Afinitatea pentru oxigen a hemoglobinei este diminuată drastic de fosfații organici, care favorizează legăturile de hidrogen deplasând astfel echilibrul spre forma dezoxigenată. Efectele pH-ului și ale fosfaților sunt specifice pentru lanțurile peptidice tetramere ale hemoglobinei, În timp ce pentru mioglobină sau unitățile peptidice individuale ale hemoglobinei, preluarea oxigenului nu este afectată de acești doi factori.

Tipuri de hemoglobină

1. Hemoglobina umană:

În embrion:

Gower 1 (ξ2ε2)

Gower 2 (α2ε2)

Hemoglobina Portland (ξ2γ2)

În fetus:

Hemoglobina F (α2γ2)

La adult:

Hemoglobina A (α2β2) – Tipul cel mai des întînit ;

Hemglobina A2 (α2δ2) – Lanțurile δ se sintetizează cam din al III-lea semestru de sarcină și al adulți reprezintă cam 2,5% ;

Hemoglobina F (α2γ2) – La adulți hemoglobina F este restrînsă la o populație limitată de hematii numite celule F ;

Hemoglobina S – Tipul de hemoglobină întîlnită la hematiile în formă de seceră (anemia falciformă).

2. Alte tipuri de (hemo)globină

Mioglobina- este identificată în mușchi, întîlnindu-se la toate vertebratele, unde colorează mușchii în roșu sau cenușiu închis. Este foarte aemănătoare cu hemoglobina, însă diferă de aceasta prin faptul ca nu prezintă unități tetramerice. De regulă stochează oxigenul pentru a fi transportat mai departe.

Hemocianina- este al 2-lea transportor de oxigen din mediul animal, identificat la artropode și moluște, având ca heteroatom – ionul de Cu, iar culoarea sa datorită acestui fapt este albastră atunci când leagă oxigenul.

Hemeritrina- întâlnită la unele nevertebrate marine și anumite specii de anelide, heteroatom ionul de Fe, culoarea sa este roz/violet – când este oxigenată și incoloră, când oxigenul nu este legat.

Clorocruorina- identificată la multe anelide, asemănătoare cu eritrocruorina, însă gruparea hemică este diferită. Când nu leagă oxigenul are culoarea verde, în timp ce oxigenată are culoarea roșie.

Vanabina- întâlnită la urocordate, se pare că heteroatomul este ionul de vanadiu (ipoteză neconfirmată).

Eritrocruorina- identificată la multe anelide, este un complex proteic cu masa de peste 3,5 milioane daltoni.

Pinaglobina- identificată doar la molusca Pinna squamosa, heteroatomul fiind ionul de Mn.

Leghemoglobina – identificată la specii de leguminoase: lucernă, soia, bacteriile fixatoare de azot sunt protejate de această proteină care are drept heteroatom ionul de Fe.

Degradarea hemoglobinei

Atunci când are loc moartea hematiilor, membrana lor se rupe, hemoglobina este hidrolizată, iar Fe recuperat. Ciclul porfirinic se desface iar fragmentele sunt metabolizate de ficat. În urma procesului rezultă o moleculă de CO pentru fiecare moleculă de hemoglobină metabolizată. Procesul este unul natural și reprezintă o sursă de CO pentru corpul uman, monoxid care se elimină prin aerul expirat. Produsul de metabolizare final este bilirubina, un pigment de culoare galbenă a cărui nivel semnifică distrugerea hematiilor. Dacă ritmul de degradare a hemoglobinei este prea rapid, ea poate bloca anumite capilare mai ales capilarele din rinichi determinînd apariția unor boli. Scăderea hemoglobinei neasociată cu scăderea numărului de hematii poartă denumirea de anemie; aceasta are drept principală cauză deficiența de Fe.

Ca urmare a acestei deficiențe, scade sinteza de hemoglobină, hematiile vor fi de tip hipocrom (sărace în pigment), si microcitic (mai mici decît în mod normal). În hemoliză (distrugere a hematiilor mai rapidă decît sinteza), icterul asociat este cauzat de metabolitul bilirubină și de hemoglobina circulantă care poate determina blocaj renal. Hemoglobinopatiile sunt mutații la nivelul lanțului globinei, cele mai des întîlnite fiind anemia falciformă (siclemia) și talasemia; tot în cadrul globinopatiilor sunt și porfiriile, caracterizate de erori în sinteza hemului. La nivel mai mic se pare că hemoglobina A se combină cu glucoza, pe care o leagă într-un anumit situs, formînd compusul HbA1c (hemoglobina glucosilată, sau glicată). Pe măsură ce concentrația glucozei crește, procentul de HbA transformată în HbA1c crește și el. La diabetici, unde glucoza are valori foarte mari, și compusul tinde către valori mari, procentul său fiind reprezentativ pentru nivelul glucozei sanguine datorită timpului de viață a hematiilor 50-55 zile

Teste de laborator

Hemoglobina este urmărită în permanență în cadrul testelor sanguine, (numărarea hematiilor), rezultatele fiind exprimate în g/L, g/dL, mol/L (1g/dL =0,621mmol/L). Dacă concentrația Hb totale scade sub acest punct, avem de a face cu o anemie. Determinarea Hb se face prin analiză sanguină și urmărirea valorii hematocritului care reprezintă volumul ocupat de hematii în cadrul volumului sanguin. Nivelul glucozei are variații orare, astfel încît urmărirea nivelului glucozei oră de oră este relativ greu de executat, iar rezultatele nu pot fi semnificative și pot da erori la interpretare. Pentru acest motiv se urmărește complexul HbA1C, a cărui nivel este direct proporțional cu valoarea glucozei sanguine. De obicei o valoare mai mică sau egală cu 6% reprezintă un nivel normal al glucozei sanguine, în timp ce valori de peste 7% indică un nivel ridicat al glucozei (diabet). Urmărirea valorii complexului se poate face doar la subiecții sănătoși care au un ciclu al hematiilor normal. La indivizii cu dereglări ale acestui ciclu cum ar fi bolnavii cu anemie falciformă, unde se pot întîlni alte tipuri de hemoglobina (Hb S), ciclul de viață este mult mai scurt. Din acest motiv se folosește testul nivelului de fructozamină, test care are la bază măsurarea gradului de legare a glucozei de albumina serică, detereminându-se astfel nivelul sanguin al glucozei în ultimele 18-21 zile, care reprezintă timpul de înjumătățire a albuminei.

Hemul – structură, sinteză, tipuri de hem

Hemul este o combinație complexă a fierului bivalent cu un colorant, protoporfirina. Se numesc hemine, combinațiile analoage cu fier trivalent (hemina obișnuită mai conține și un ion de clor); hematina conține un ion hidroxil, pentru satisfacerea celei de-a treia valențe a fierului.

Hemul poate fi separat de globină, cu acizi diluați sau cu piridin sau chiar cu apă curată, la diluație mare. Separarea această întâmpină dificultăți experimentale fiindcă globina se denaturează ușor, iar hemul se oxidează extrem de ușor la aer. Globina are caracter bazic, din cauza conținutului ei mare de lisina și histidina. Legătura dintre globină și hem se stabilește prin intermediul fierului. Hemul se recombină cu globina, regenerând o hemoglobină cu proprietăți identice în multe privințe cu cele inițiale.

Combinația dintre hem și globina denaturată poarta numele de hemocromogen. Prin oxidarea fierului din hemoglobină la starea trivalentă se formează methemoglobina. Methemoglobina apare în sânge și în urina în intoxicațiile cu nitro-derivați și cu amine aromatice.

Hemul B

Este cel mai des întâlnit tip de hem, fiind întâlnit atât în structura proteinelor transportoare de O (hemoglobina, mioglobina), cât și în structura enzimelor de tipul peroxidazelor. Enzimele COX1 și COX2, ciclooxigenazele care intervin în sinteza prostaglandinelor, conțin și ele o grupare hemică în unul din cele 2 site-uri active. În general, hemul B este atașat de helixul proteic prin intermediul unei legături coordinative între ionul de Fe și lanțul proteic. În cazul hemoglobinei, legătura coordinativă este realizată cu histidina ,în timp ce NOS (sintaza oxidului de azot) și citocromul P450 realizează legătura cu cisteina . Datorită existenței unui singur electron la atomul de Fe, care poate fi legat printr-o legătura coordinativă cu proteina, fierul adoptă o stare de pentacoordinare, în timp ce în cazul legării oxigenului sau monoxidului de carbon , fierul este hexacoordinat.

Figura 7 :

Structura tridimensională a hemului B:

Ionul de Fe++ este reprezentat de sfera gri centrală: N – albastru, O – roșu, C – bleu, H – alb.

Hemul A 

Diferența față de hemul B este oxidarea lanțului metilic din poziția 8 la o grupare formil, iar substituentul din poziția 2 este un lanț izoprenoid. Hemul A este atașat de proteină tot prin legătură coordinativă, și intră în structura citocromului c oxidazei. Se pare că atât gruparea formil cât și radicalul izopreonoid joacă un rol important în conservarea oxigenului redus de către citocrom c oxidazei.

Hemul A este sintetizat din hemul B, printr-o secvență de reacții care include adiția 17-hidroxietilfarnesil moiety (albastru) la poziția 2 , în timp ce o grupare CHO este adiționată în poziția 8:

Figura 8 : Structura hemului A

Hemul C diferă de hemul B , prin legăturile disulfurice stabilite între cele 2 lanțuri vinilice ce se formează cu matricea proteică. Datorită acestui fapt fierul este legat de 2 lanțuri de aminoacizi, fiind hexacoordinat. Citocromul C conține o grupare hemică de tip C legată la ambele capete cu histidină și cu metionină . Primul care a identificat structura hemului C este biochimistul suedez K.G.Paul.

Hemul O diferă față de hemul A prin înlocuirea radicalului formil din poziția 8 cu un radical metil, lanțul izoprenoidic ramâne neschimbat; hemul O este implicat în reducerea oxigenului la nivel tisular, oarecum asemănător cu hemul A.

Hemul L este un derivat al hemului B, atașat prin legături covalente de lactoperoxidază, peroxidaza eosinofilelor, și tiroid peroxidaza. Diferă de hemul B prin esterificarea la nivelul C1 și C5 cu o grupare glutamat respectiv aspartat. Hemul L este cel mai important constituent al peroxidazelor animale:

Lactoperoxidaza și eosonofil peroxidaza sunt enzime de protecție , responsabile de distrugerea bacteriilor și virusurilor ;

Tiroid peroxidaza este o enzimă ce catalizează biosinteza a numeroși hormoni tiroidieni.

Hemul M este asemănător cu hemul B, fiind esterificat la C1 și la C5. Este legat de situsul activ la mieloperoxidazei. Gruparea vinilică este legată de un rest metionil, formând un ion sulfoniu ceea ce îi permite să oxideze cu ușurință ionii bromură și clorură.

Hemul S se deosebește de hemul B prin prezența unei grupe formil la C2 în locul grupării vinil. A fost identificat la viermii de mare, structura sa fiind stabilită de chimistul Hans Fischer.

Biosinteza Hemului

Calea de sinteză are drept precursori acidul D aminolevulinic format din glicină și succinil CoA provenite din ciclul Krebs .

Transformarea porfibilinogenului în porfirină nu este un proces cunoscut la plante. Are loc prin condensarea a 3 molecule de porfobilinogen (eliminare de amoniac, și dehidrogenare), formându-se un tripirol. Acesta se poate scinda fie în dipirol Ă, fie în dipirol B. Prin condensarea a 2 molecule de dipirol A se formează porfirina de tip I, iar condensarea unei molecule de dipirol A cu o moleculă de dipirol B se formează protoporfirina (porfirina de tip III). În procesul de biosinteză se formează la început uroporfirinogenul III, format dintr-o moleculă de dipirol A și o moleculă de dipirol B. Sub influența uroporfirinogen sintetazei are loc eliminarea amoniacului și a unei grupări formil. Din uroporfirinogen III, prin decarboxilarea acidului acetic de la C1, C3, C5, C8 se formează coproporfirinogenul III, cu grupări metilice la acești carboni. Acesta este supus decarboxilării și dehidrogenării la C6 și C4, formându-se protoporfirinogenul IX, care prin dehidrogenare trece în protoporfirina IX. Sub acțiunea ferochelatazei asupra protoporfirinei IX, are loc încorporarea fierului, formându-se astfel hemul.

Hemul este gruparea prostetică a multor proteine implicate în multe procese fiziologice.Biosinteza hemului include o succesiune de reacții cu formare de intermediari bine definiți care la rândul lor pot intra și în alte tipuri de reacții biosintetice.

Porfobilinogenul,o substanță cheie în biosinteza porfirinelor:

Această posibilitate a porfirinelor conduce la complecși porfirinici cu ionii metalici (în mod obișnuit divalenți), denumiți complecși metal-porfirină. Astfel, porfirina, în forma sa nepolară servește ca donor de doi electroni pentru fier în gruparea prostetică hemică.

Necesitatea existenței Fe(II) pentru funcția Hb și Mb

Multe metaloenzime funcționează adecvat dacă ionul metalic fiziologic este înlocuit cu diferiți alți ioni metalici. Este cazul carboxipeptidazei, la care prin înlocuirea Zn(II) cu Co(II) activitatea enzimei crește. Incapacitatea methemoglobinei (Hb+) și metmioglobinei (Mb+ ), care conțin Fe(III), de a fixa oxigenul molecular este cunoscută. Acest efect este corelat cu faptul că Fe(III) nu poate dona ușor electroni oxigenului, ca în cazul ionului Fe(II). Porfirinele, așa cum s-a menționat anterior, formează complecși stabili cu cei mai mulți ioni metalici. Totuși, singura proteină funcțională, în care ionul de Fe(II) al Mb și Hb este înlocuit cu un alt ion metalic este coglobina, care conține Co(II) în locul Fe(II). Afinitatea coglobinei derivate de la Hb pentru O2 este de aproximativ 3 ori mai mică decât cea a Hb, iar interacțiile hem-hem, deși apreciabile, sunt mai slabe decât în Hb. De asemenea, coglobina derivată de la Mb are o afinitate pentru O2 mai micȘ decât Mb. În multe privințe, reacțiile coglobinei sunt similare cu cele ale Hb și Mb.

Există însă, unele diferențe importante:

– oxigenarea coglobinei nu presupune o modificare a stării de spin, așa cum se întamplă la Mb și Hb, deoarece ambele forme oxi- și deoxi- ale coglobinei sunt complecși de tip spin minim;

– oxidul de carbon nu se coordinează la coglobină, deși Hb si Mb au o afinitate mai mare pentru CO decât pentru O2 ;

– deplasarea histidinei în momentul oxigenării este mai mică de jumătate decât cea corespunzătoare HbO2 ;

– gradul de cooperativitate între unitățile individuale este destul de apropiat de valoarea pentru Hb.

Hemoglobine și mioglobine în care Fe(II) este înlocuit cu Mn(II,III), Ni(II), Cu(II) sau Zn(II) au fost de asemenea preparate. Totuși, nici unul din acești derivați nu fixează reversibil O2.

Proteine fier-sulf

Proteinele cu fier-sulf conțin fier și sulf liberabil cu acizi, în cantități

echivalente. Prima proteină cu fier-sulf descoperită, feredoxina, a fost identificată într-o bacterie anaerobă capabilă de a fixa azotul atmosferic. Proteine asemănătoare au fost descoperite apoi și în plante superioare, unde se găsesc în cloroplaste și participă la transferul de electroni al fotosintezei. Proteinele fier-sulf au fost, de asemenea, găsite în alte microorganisme și în țesuturi animale, în mod special în mitocondrii. Mai mult, grupări Fe-S se găsesc în unele flavoproteine, unde se numesc centri de fier-sulf.

Aceste proteine par să funcționeze ca transportori de electroni suferind

tranziții reversibile Fe(II)-Fe(III). În lanțul mitocondrial de la NADH la oxigen par să existe cel puțin șapte centre fier-sulf diferite. Patru sunt localizate în complexul NADH dehidrogenazei, două sunt asociate citocromului b și unul citocromului c1. Deși acești centrii sunt fără îndoială foarte importați în transportul de electroni, funcția lor precisă nu este încă cunoscută.

Feredoxina

Structura feredoxinei a fost mai mult studiată datorită cuantumului ridicat de fier și existenței unor structuri tiolice – cistinodependente care fixează fier. Astfel, în feredoxina izolată în bacterii s-a observat existența unei componente proteidice formată dintr-o catenă polipeptidică în care există opt resturi de cisteină și șapte atomi gram de sulf într-o formă anorganică.

Componenta prostetică este formată din șapte atomi de fier trivalent neheminic. S-a evidențiat faptul că Fe este legat între două catene peptidice la nivelul atomilor de sulf. Atomii aparțin atât grupării tiolice a cistinei, cât și sulfului anorganic, probabil de natură sulfonică aparținând catenei polipeptidice.

Feredoxina, în ansamblul său, are o greutate moleculară redusă și participă la procesele de oxido-reducere din plantele superioare și din bacterii.

IV.3 Cuprul în sisteme biologice

În natură, ionii de cupru sunt folosiți în multe reacții chimice care implică utilizarea oxigenului. Poate ceda ușor un electron prin reacții redox și este capabil să formeze un cation π-donor, Cu+ care nu este un radical. Prin urmare, cuprul este important în legarea dioxigenului ca și în activarea lui. Deși poate avea și stări de oxidare mai mari, numai Cu+ și Cu2+ prezintă importanță biologică. În metaloproteine și metaloenzime, cuprul este menținut numai prin liganzi în lanț (donori de azot, oxigen sau sulf).

În grupa metaloproteinelor care conțin cupru se include diverși compuși cu rol de bioconstituenți sau de biocatalizatori. Există o clasă de proteine ce conțin cupru numite proteine albastre de cupru, datorită culorii lor de albastru intens, după purificare. Prima clasă de proteine albastre de cupru sunt implicate în reacțiile cu transfer de electroni și include, printre altele, azurina, plastocianina și stelacianina. S-a susținut ideea unei geometrii "forțate" a grupării de Cu; unul dintre liganzii cuprului se află la o distanță lungă față de metal. Distanță legăturii Cu2+-metionină este foarte lungă comparativ cu alte distanțe Cu-ligand. Acest lucru face ca legătura cupru-metionină să fie foarte slabă comparativ cu celelalte trei legături Cu2+-ligand puternice care

pot permite modificări ale mărimii și stearității ridicate ale Cu2+, modificări care

apar la trecerea de la Cu2+ la Cu+. Cu o legătură Cu2+ -metionină alungită, aceste modificări pot avea loc fără schimbări geometrice drastice ale cuprului sau legăturilor Cu2+-ligand rămase. Schimbarea redox, de la Cu2+ la Cu+ prezintă un efect structural minor pentru restul proteinei. Substituirea metalică a Cu2+ în această primă clasă de proteine albastre cu Ni2+ și Co22+ au arătat faptul că geometria grupării metalice nu se modifică.

Enzimele albastre ale cobaltului catalizează reacții ce implică acidul

ascorbic sau p- și o-benzochinone ca substraturi. Potențialele de reducere pentru acești compuși organici variază de la +0,05 la +0,4 V și, deci, majoritatea altor compuși ai metalelor,cum ar fi fierul, nu sunt cuprinse în acest domeniu de potențial. Dintre proteinele și enzimele albastre ale cuprului din această clasă care se știe că se găsesc în natură sunt: azurina, ceruloplasmina, plastocianina, rusticianina, stalacianina, plantacianina, umecianina.

Ceruloplasmina

Ceruloplasmina este o heteroproteină cu structură complexă, prezentă în organismul omului și al animalelor superioare. Poate fi considerată metaloproteină – prin prezența ionilor de cupru -, dar și glicoproteină, prin prezența unui glican în moleculă.

În molecula ceruloplasminei există opt atomi de Cu din care: jumătate sunt sub formă de ioni cuprici (Cu2+) și jumătate sunt sub formă de ioni cuproși (Cu+). Ionii menționați, reprezentând componente prostetice, se leagă de anumiți aminoacizi, de exemplu, histidina, lisina și tirosina din catena macromoleculară poliheteroaminoacidică – reprezentând componenta proteidică.

Hemocianine

Hemocianinele sunt cupro-proteine decelate în fluidele biologice din

organismele unor animale nevertebrate și vertebrate inferioare. Sunt considerate ca pigmenți ai acestor animale.

Hemocianinele intervin în procesele de transport a cuprului și în procesele redox. S-a observat că există diferențe optic perceptibile între formele oxidate și reduse. Spre exemplu, formele oxidate sunt de culoare verde-albastru și violete, iar formele reduse sunt de culoare brună.

Rolul fiziologic al hemocianinelor rezidă în transportul de cupru și în

participare la procesele redox din organismele animale.

Alte metaloproteine cu cupru

În această grupă se mai includ diverse metaloenzime dintre care cele mai importante sunt; tirosinaza, monoaminooxidaza, uricaza, ascorbic oxidaza, citocromoxidaza.

IV.4 Zincul în sisteme biologice

În cadrul acestui grup s-au identificat mai mulți compuși cu structură de

metaloenzimă în a căror constituție se află zincul sau zincul alături de alte metale. Se mai cunoaște faptul că zincul apare în structura biologic activă a unui hormon pancreatic (insulina).

Carbonic anhidraza

În organismul uman există și s-au izolat trei tipuri distincte de carbonic

anhidrază, notate prin A, B, C. Deși s-au acumulat unele informații asupra

compoziției și structurii tipurilor de anhidrază carbonică, până în prezent nu se

cunoaște dacă există o legătură între heterogenitatea structurală și rolul fiziologic al acestor tipuri. Se cunoaște faptul că dintre cele trei tipuri, tipul B se află în concentrație mai mare, iar tipul C are activitatea biologică cea mai ridicată.

În structura carbonic anhidrazei se află doar un singur rest cisteinic, dar există 17 resturi prolinice; nu apar legături disulfidice. Studiul anhidrazei carbonice din sângele bovin a evidențiat faptul că nu există cisteină. Această observație a condus la constatarea că gruparea tiolică nu este implicată în legarea ionului Zn2+. Problema modului de legare a Zn2+ și a mecanismului de acțiune nu este cunoscută.

Alte metaloproteine cu zinc

În grupa acestor proteine se mai include și alte metaloenzime cum ar fi;

carboxipeptidaze, fosfataza alcalină, diverse dehidrogenaze.

Ionii metalici pot intra și în compoziția unor precursori inactivi ai unor

enzime, participând la mecanismul activării lor. Astfel, procarboxipeptidaza A din pancreasul bovin este o zinc-proteină cu masa moleculară de 96000 D. Activarea procarboxipeptidazei A este un proces complex care implică scindarea mai multor legături peptidice, sub acțiunea altor două enzime, tripsina și endopeptidaza. Se pare că, în acest caz, zincul are un rol complex, pe de o parte de stabilizare a structurii cuaternare a enzimei, de participare efectivă la procesul de activare, iar pe de altă parte de stabilizare a structurii tridimensionale a enzimei active și a configurației spațiale a centrului activ, luând efectiv parte la actul catalitic.

Carboxipeptidaza este o enzimă proteolitică cu dublă acțiune peptidazică și esterazică. Ionul metalic care intră în structura carboxipeptidazei A poate fi disociat reversibil și înlocuit de diferiți alți ioni, substituția afectând numai specificitatea acțiunii esterazice, dar nu și activitatea peptidazică.

Fosfataza alcalină conține patru atomi de zinc din care doi atomi concură la menținerea structurii cuaternare, iar doi atomi participă la procesul catalitic.

IV.5 Manganul în sisteme biologice

Manganul se găsește într-o varietate de enzime, ca piruvat carboxilaza și oxoacetat decarboxilaza, unde Mn2+ funcționează, în principal, ca acid Lewis. Manganul este prezent în superoxid dismutaza într-o largă varietate de organisme.

O altă enzimă ce conține mangan este cea denumită diamin oxidaza.

Piruvat carboxilaza este constituită din patru subunități, fiecare din ele

conținând câte un ion Mn2+. Reacția totală catalizată de piruvat carboxilază este:

E-biotina + MgATP2- + HCO3- → E-biotină-CO2 + MgADP- + PO32-

E-biotina-CO2 + Piruvat → E-biotină + oxaloacetat

E = enzimă, piruvat carboxilază

Manganul este, de asemenea, necesar pentru evoluția fotosintetică a

oxigenului. Interesant de notat este faptul că manganul pare a juca un rol important în metabolismul creșterii oaselor, toleranța la glucoză, reproducere și, destul de ciudat, în dezvoltarea urechii interne.

Modele sintetice pentru multe hematoproteine utilizează mangan.

Complecșii porfirinici ai manganului sunt catalizatori mai eficienți pentru reacțiile citocromului P-450 decât porfirinele sintetice analoage ale fierului.

IV.6 Cobaltul în sisteme biologice

În natură, majoritatea cobaltului prezent în corpul uman este în forma

corină-cobalt (vitamina B12). Există 11 reacții în care sistemele biologice au nevoie de B12 în cadrul unor reacții organice extrem de sensibile. Folosirea metalului este asociată cu necesitatea unui catalizator fără radicali și controlul unui centru fără radicali. În acest sens, controlul semnifică faptul că radicalii nu trebuie să fie reactivi, cauzând astfel tulburări fiziologice țesuturilor.

Vitamina B12 și coenzimele

Activitatea biologică a cobaltului se limitează la rolul său în seria de

coenzime B12. Coenzima B12 este un compus organo-metalic, având o legătură Co-O la C5 al 5’-deoxiadenozinei. Acest derivat al vitaminei B12 este corinoidul principal existent în ficatul uman și al unor animale. Participă sub formă de cofactor într-un număr de reacții enzimatice care implică o rearanjare netă a substratului, în care un atom de hidrogen este schimbat cu o grupare funcțională a unui atom de carbon adiacent.

Caracteristica structurală principală a acestor derivați este prezența ionului de Co(III) hexacoordinat Ionul de Co(III) în vitamina B12 poate fi descris ca un acid Lewis de clasă b, datorită ligandului CN- , care transferă sarcină ionului metalic. Prin reacția de reducere la Co(II) sau Co(I), cobalt-coenzimele își exercită activitatea biologică.

Compatibilitatea sistemului B12 cu îndeplinirea funcțiilor sale a fost

atribuită următoarelor caracteristici:

– stereochimia ionului de Co(III) poate permite absența sau slaba legare a celui de al șaselea ligand;

– starea electronică permite ca reacțiile de adiție oxidativă și eliminare reductivă să decurgă fără energii de activare mari;

– ciclul corină este flexibil și poate lua un număr de conformații pentru a se potrivi înconjurării ionului metalic.

Este interesant de notat că, deși au fost sintetizați analogi de tip porfirină ai seriei B12, ei nu pot fi reduși la Co(II) în mediu apos (biologic). De aceea corina a fost aleasă în locul porfirinei în evoluția biologică a complecșilor de cobalt din seria B12.

Metaloproteine cu cobalt

Recent s-au efectuat multe cercetări asupra metaloproteinelor substituite cu cobalt. Principalul motiv pentru substituirea, de exemplu, a zincului cu cobalt îl reprezintă paramagnetismul cobaltului și sensibilitatea acestuia la modificări ale geometriei sale de coordinare care apar în spectrele sale de adsorbție din domeniul vizibil. Deseori este deci avantajos să se substituie cobaltul cu zinc și să se studieze metaloproteinele cu zinc.

Carbopeptidaza A și termolizina sunt doi membri importanți ai protea-

lor cu zinc. Au fost preparate multe alte proteine substituite cu cobalt (II), incluzând enolaza, aldolaza, hemoglobina, mioglobina, alcool dehidrogenaza, superoxid dismutaza, hemocianina etc. S-au emis concluzii evidente cu privire la grupările ce leagă cobaltul (II) din proteinele albastre ale cuprului substituite cu cobalt.

Informații structurale valoroase privind geometria de coordinare a centrului cupric au fost obținute spectroscopic examinând similitudinea centrului metalic din pseudoazurina substituită cu cobalt(II) cu cei din planicianina de Co(II) și plastocianina de Co(II).

IV.7 Calciul în sisteme biologice

Funcțiile calciului implică procese caracteristice formelor superioare de

viață incluzând procese de transmisie a nervilor, contracții musculare, echilibru electrolitic și coagularea sângelui.

Una dintre metodele prin care ionii de calciu sunt regularizați în corp

constă în legarea lor la proteinele regulatoare. Proteinele reglatoare ce leagă calciu, găsite în multe procese care implică calciu sunt identice. Această clasă de proteine a fost denumită calmodulin pentru a indica faptul că aceste proteine modulează și normalizează concentrația calciului și legarea lui în sistemele vii. Calmodulin normalizează un număr de activități celulare fundamentale, cum ar fi metabolismul ciclic nucleotidic și cel al glicogenului, migrarea intracelulară și transportul calciului, ca și alte procese proteinice care implică calciu.

Calmodulin conține patru grupări cu calciu/proteină, cu toate că afinitatea și specificitatea fiecărei grupări cu calciu variază foarte puțin. Dacă Ca2+ se leagă la oricare din cele patru grupări disponibile, are loc o modificare conformațională în care peste 50% din proteină există într-o configurație α-helix. Fracțiunea ocupată de calciu legat de grupările din calmodulin poate dicta funcția acestuia.

Există multe similitudini între calmodulin și o altă proteină dependentă de calciu din mușchi, troponin-C. S-a descoperit o directă omologie de 45% între secvențele acestor proteine, în principal în jurul ionului de calciu care leagă grupările. Totuși, nu s-a putut obține o structură cristalină în cazul calmodulinului din natură, astfel încât chimia coordinativă a calciului nu este clară în acest moment. Pe scurt, calmodulin este considerat drept receptor intracelular din celule nemusculare; afinitatea acestora este estimativ egală cu concentrația ionilor liberi de Ca2+ intracelulari.

Proteina este structural conservată de la specie la specie și este capabilă să se lege la multe proteine acceptoare pentru a normaliza multe procese de viață.

Legăturile Ca2+ – ATP și Ca2+ – AMP

S-a arătat că această clasă de proteine – calmodulin – normalizează fluxul de calciu și îl leagă în sistemul Ca2+-Mg2+-ază. Ionii de Ca2+ joacă un rol central în acțiunile de normalizare a nucleotidelor ciclice care implică ATP și AMP.

Figura 1- Structuri posibile ale complecșilor Ca2+-ATP și Ca2+- AMP

Amilazele

Sub aspect structural, amilazele sunt metaloenzime cu calciu în care există 1,3 . 2 atomi gram de Ca/macromoleculă de enzimă. În cazul eliminării ionului de Ca2+, compusul se denaturează structural și odată cu acestea se pierde activitatea biologică.

S-au izolat și amilaze cu compoziție metalică mixtă. Astfel, s-a obținut o amilază care conține alături de calciu și zinc și este formată din două subunități moleculare polipeptidice. În această amilază Ca2+ are rol structural și funcțional, iar Zn2+ are rol structural menținând legătura între cele două subunități monomere.

IV.8 Magneziul în sisteme biologice

Ionul de magneziu joacă un rol central în procesul de fotosinteză, care

convertește CO2(g) în carbohidrați. Clorofila, compusul organic care conferă

culoarea verde plantelor este esențială în fotosinteză. Structura chimică a clorofilei (figura 1) a fost deslușită prin studiul unor produse chimice naturale, prin examinarea alcaloizilor, tropinei, atropinei și cocainei din plante: de asemenea, prin studiul pigmenților sângelui. Acesta a demonstrat că structura clorofilei este bazată pe un sistem de ligand porfirinic, cu ionul central de magneziu coordinat de atomii de azot pirolici ai ligandului profirinic. S-a sugerat că, în clorofilă, magneziul se aseamănă cu cel prezent în reactivii Grignard și poate fi semnificativ în reacția dintre asemenea compuși cu CO2.

Figura 1 – Structura chimică a porfirinei (a) și a clorofilei (b)

Toate clorofilele active în fotosinteză sunt compuși de coordinare ai Mg2+. În timp ce porfirinele care constituie grupări prostetice ale unor compuși importanți din punct de vedere biologic sunt combinații complexe ale ionilor metalelor tranziționale, clorofilele conțin un ion al unui metal reprezantiv, Mg(II).

Ionul central de Mg2+ din clorofile poate fi ușor înlocuit cu doi protoni, chiar ai unor acizi slabi sau de alte metale tranziționale, cum ar fi: Co2+, Fe2+, Zn2+, Ni2+ și Cu2+. Ionii de Mg2+ din chelați, cum ar fi liganzii porfirinici pot avea numere de coordinare mai mari decât 4; există cel puțin nouă variațiuni structurale ale clorofilei.

Legătura Mg2+-ATP

Ionii Mg2+ formează complecși cu nucleotidele adeninice, ATP și ADP. La începutul anilor ’50 s-a descoperit că Mg2+, ca și Na+ și K+ ar putea forma

complecși cu ATP și ADP. Au fost determinate constantele de stabilitate pentru MgATP2- la pH = 8, în soluții tampon nechelatizante. A fost propus următorul echilibru:

Există câteva neclarități privitoare la structura exactă a complecșilor

nucleotidic cu ioni metalici în soluție, astfel încât structurile din figura (ADP și

ATP) sunt bazate pe determinările curente spectroscopice și câteva determinări structurale cu raze X.

Procese dependente de Mg2+

Mg2+ prezintă roluri importante și în alte procese biologice cum ar fi

reacțiile enzimatice catalizate de creatin kinază,

MgATP2- + creatină ↔ MgADP- + fosfonil creatină2- + H+

la fel ca și piruvat kinaza, leucin aminopeptidaza, ARN și AND polimerazele,

dinucleotidil transferaza și fosfoglucomutaza:

În aceste sisteme enzimatice, Mg2+ se poate adăuga, fie la fosfo- sau

defosfo-enzimele, fie la oricare din alți complecși centrali. Viteza de disociere a Mg2+ din fosfoenzimele implicate în metabolismul glucofosfatic este de 103 ori mai lentă decât viteza de disociere a fosfaților hexozici. Rolul exact al ionului Mg2+ în aceste sisteme nu a fost clar definit.

Enolaza

Enolaza este o metaloproteină izolată din drojdie. Structural este constituită din două subunități moleculare polipetidice, iar componenta metalică este reprezentată de magneziu.

Investigații fizico-chimice efectuate asupra acesteia au arătat că ionii Mg2+ – în cursul legării – activează treptat catenele polipeptidice. Astfel, în final, după constituirea metaloenzimei, aceasta devine biologic activă.

IV.9 Rolul pompelor transportoare

Elemente precum Na+, K+, Ca2+, Mg2+ se pot gasi în:

– lichidele extracelulare si pe fata externa a membranelor celulare;

– pereții celulari, membranele care definesc limitele celulei, controlând pătrunderea și ieșirea materialului celular.

Interiorul celulei, începând cu fața internă a membranei celulare, în materialul celular aflat în faza apoasă (lichid citoplasmatic).

Organitele din interiorul celular, incluzând nucleul și mitocondriile (structuri celulare cunoscute ca susră de energie pentru aceasta). Prezența elementului într-un anume mediu gazdă reprezintă primul indiciu referitor la rolul jucat de element în sistemele biologice.

Din tabelul nr. 1 se poate reține faptul că, în general, celulele încorporează ionii de potasiu, magneziu și fier, în timp ce ionii de sodiu și calciu se află în principal în mediul extracelular.

Constituenți anorganici ai plasmei

Principalul constituent mineral al plasmei este apa. Ea îndeplinește funcția de solvent pentru toate celelalte componente, atât organice cât și cele minerale.

Gazele din sânge

Gazele din sânge, oxigenul și bioxidul de carbon, sunt parțial dizolvate în plasmă în conformitate cu legea lui Henry, adică proporțional cu presiunea parțială a fiecăruia la o temperatură . În cea mai mare parte ele sunt legate chimic de proteine transportoare hemoglobina. Valoarea coeficientului de solubilitate al oxigenului în plasmă la 38ºC este de 0,023 cm³/ml, când presiunea parțială a oxigenului este de 760 mmHg. Solubilitatea CO2 în plasmă la 38ºC este de circa 20 de ori mai mare decât cea a oxigenului.

Electroliți

Substanțele minerale dizolvate în plasmă sunt în stare ionică cu realizarea unui echilibru între anioni și cationi. Repartiția componentelor minerale între plasmă și eritrocite este diferită. Dacă se iau în considerație doi dinte anionii principali ai acestor compartimente respectiv Cl¯ si HCO3¯ se poate face urmatoarea observație cu importanță fiziologică. Astfel,

pentru compensarea creșterii de ioni bicarbonici ce se produc în eritrocit, o parte din acești anioni sunt transferați în plasmă. Aceștia se combină cu ionii Na+ proveniți din NaCl plasmatic, iar ionii Cl eliberați pătrund în eritrocit. Deci majoritatea ionilor HCO3¯ formați

sunt repartizați în plasmă. Această distribuție este în parte și un efect al echilibrului eritroplasmatic (echilibru Donnan).

În eritrocit componenta anionică este bine reprezentată prin hemoglobină (30 mEq), acid difosfogliceric (35 mEq) și ATP (2 mEq) care lipsesc în plasmă, unde proteinele plasmatice (15 mEq) reprezintă o mică parte a componentei anionice. Ca urmare, în plasmă se gasește obligatoriu o cantitate mai mare de anioni ușor difuzabili decât în eritrocit, în primul

rând ionul HCO3¯.

Cationii

Sodiul (Na+) reprezintă 58 – 60 mEq/kg corp, totalizând 4000 – 4200 mEq la un adult de 70 kg. El este cationul umorilor atingând în pasmă concentrația medie de circa 142 mEq/l sau 152mEq/l de apă plasmatică. Sodiul plasmatic reprezintă 15% din sodiul usor difuzabil al organismului.

Concentrația Na+ fiind mai mare decât a celorlalți cationi, el este principalul factor al reglării presiunii osmotice și al echilibrului acido-bazic. Între concentrația ionului de Na+ (extracelular) si aceea a ionului K+ (intracelular) există un echilibru ce se realizează printr-un mecanism de transport activ la nivelul membranelor celulare, așa numita “ pompă de

electroliți “.

Potasiu (K+ ) este cationul spațiilor intracelulare reprezentând 98% din K total al organismului (150 g corespunzător la 3500 mEq la adultul normal de 70 kg). În plasmă cantitatea de K este de 125 – 135 g, concentrația sa fiind de numai 4,7 mEq/l plasmă. Valorile extreme fiind 3,8 – 5,4 mEq/l, mai bine de 90% din potasiul total al organismului este ușor difuzabil.

Calciul (Ca2+) – continutul plasmatic în calciu este de 4,5 – 5,5 mEq sau 2,3 – 2,75 milimoli (90 – 110 mg/l). Conținul total de calciu al unui adult de 70 kg este de 1100 – 1500 g. Concentrația plasmatică a calciului este remarcabil de fixă. Cationul este reprezentat în trei fracțiuni:

fracțiunea ultrafiltrabilă ionizată reprezentând 60% din total, fiind forma activă implicată în osificare, coagulare, excitabilitate neuromusculară;

fracțiunea ultrafiltrabilă neionizată reprezentând 4% din total în care ionul este fixat în combinații saline sau complexe nedisociabile;

fracție neutră filtrabilă 36% din calciul total sub formă de proteinat de calciu, în special, în albumina serică.

Magneziul (Mg2+) – ajunge în plasmă la o concentrație de 1,5 – 1,83 mEq/l sau 0,7 – 1,2 milimoli/l. Conținutul total al organismului uman adult este de 823 – 1235 milimoli Mg. Magneziul plasmatic este de 70% ultrafiltrabil, restul fiind legat de albumine α1 si α2 – globuline.

Anionii

Clorul este cel mai important anion al compartimentului intracelular, concentrația sa plasmatică normală fiind în medie 104 mEq/l. Între clorul globular și cel plasmatic există un raport constant = 0,52. Concentrația clorului urmează pasiv modificările de concentrație ale ionului de Na+.

Fosforul din plasmă este alcătuit din componente minerale și organice

Componentele minerale sunt reprezentate de ortofosfații mono si dimetilici. La pH= 7,4 – 80% din fosfații anorganici se găsesc ca HPO42- , iar restul ca

H2PO4- . Pe lângă fosfații ionizați se găseste și o cantiate mică de fosfat tricalcic nedisociabil. Concentrația fosforului plasmatic este de 2 mEq corespunzător la 0,8 – 1,48 milimoli sau 25 – 40 mgP/l la copilul sugar și adolescent, valorile sunt mai ridicate (40 –65 mgP/l sau 1,3 – 2,1 milimoli, respectiv 40 –52 mgP/l sau 1,3 – 1,7 mmoli). Important pentru mecanismele de reglare ale echilibrului fosfo-calcic este faptul că o creștere a fosfatemiei are drept consecință imediată o scădere a calcemiei.

Sulful se găsește în plasmă sub mai multe forme, care însumate alcătuiesc sulful total, corepunzător unei concentrații de 1,40 g/l. Partea majoră a acestuia este reprezentată de acizii aminați tiolofariu, din proteinele sanguine. Sulful neproteic care are concentrația cuprinsă între 0,07 – 0,10 g/l din plasmă ( sau sange total ) cuprinde doua fractiuni : sulf neutru (acizi

aminati sulfurati si derivati cu grupare tiol) si sulf oxidat (sulfatul, esterii sulfurici). Nivelul sulfului din sulfati este cuprins intre 0,01 – 0,03 g/l.

Pompe și proteine transportoare

Polimerul fosfat ATP (adenozin trifosfat) stochează energia necesară celulelor, această energie poate fi eliberată prin hidroliza legăturii polifosfatice: P – O – P –.

În celulă, molecula ATP este prezentă sub forma unui complex al Mg2+

ligandul polifosfat. Mijloacele prin care este sintetizat ATP au o importanță deosebită pentru înțelegerea biochimiei globale a unui organism.

Factorii principali care favorizează condensarea a două grupări – P– OH (cu pierdere de H2O) și formare de – P – O – P – sunt valoarea pH-ului și sarcina electrică. PH – ul și gradientul electric necesare sunt create printr-o membrană celulară în urma unor reacții care pun în evidență propietățile de acceptor de electroni ale moleculei O2. Cu alte cuvinte, în cele din urmă O2 contribuie la formarea purtătorului de energie al celulei.

Pompe ionice. Pompa de sodiu/potasiu

Gradientul electric și de concentrație este asigurat de pompa ionică, care realizează transportul activ, adică transportul ionilor prin membrană împotriva tendinței lor naturale de a difuza către zone cu concentrație mai scăzută.

Distribuția sarcinii electrice de o parte si de alta a membranei prin transport activ conduce la apariția unei diferențe de potențial electric, ca și a unei diferențe de compoziție chimică a lichidelor din interiorul și din exteriorul celulei.

După cum se știe majoritatea celulelor animale au o concentrație în ioni de K+ mai mare în interiorul celulei decât în exteriorul acesteia și o concentrație mai mare de ioni de Na+ în exteriorul celulei față de interiorul acesteia. Sursa de energie pentru menținerea acestui dezechilibru este ATP.

Astfel, o cantitate mare de ATP este consumată pentru menținerea

gradientului de concentrație. În 1957 Jens Skon a descoperit o enzima cu masă molară de circa 110kgmol-1 care hidrolizează ATP-ul numai dacă alături de ionul Mg2+ , necesar tuturor ATP-azelor (enzimele care catalizează hidroliza ATP) sunt prezenți și ioni de Na+ și K+ . Această descoperire explica modul cum funcționează o pompă ionică.

O altă explicație provine din observația că activitatea acestei enzime se corelează cantitativ cu măsura în care are loc transportul ionic. Această ATP-ază este fosforilată (se formează o legatură enzimă – fosfat) la o grupare

aspartat numai în prezența ionilor de Na+ și Mg2+. Mai mult, produsul fosforilat poate fi hidrolizat numai în prezența ionilor de K+.

În figura urmatoare este redat mecanismul pompei de sodium/potasiu.

La început, o moleculă de ATP împreuna cu trei ioni de Na+ se leagă de partea internă a membranei celulare, iar enzima este fosforilată. Produsul de reacție (enzima fosforilată) suferă o modificare comformațională numită eversiune, timp în care ionii de Na+ legați sunt aduși din interior în exteriorul celulei, ca într-o mișcare de placă turnantă. In exterior, cei trei ioni de Na+ sunt înlocuiți cu doi ioni de K+. Legarea ionilor de K+ induce defosforilarea, în hidroliza ATP la ADP crează o modificare comformațională care aduce cei doi ioni de K+ din exterior in interiorul celulei, unde aceștia vor fi eliberați.

Factorii sterici au un rol important în transportul selectiv al ionilor, fapt susținut de unii din cei mai simpli liganzi biochimici, eterii coroana (figura nr. 2). Astfel, ligandul de chelare leagă atât ionii de Na+ cât și cei de K+, dar ultimii sunt de aproximativ 100 de ori mai puternic legați. Selectivitatea este de natură stereochimică. Cu alte cuvinte ionul K+ se potrivește exact în cavitatea concavă a coroanei eterului.

IV.10 Combinații coordinative cu activitate antitumorală

Cisplatin

Introducere

S-a constatat că un număr mare de îmbolnăviri sunt asociate cu modificări ale concentrației ionilor metalici din țesuturi sau fluide. Concentrațiile normale sunt menținute printr-un sistem complex de control.

Rolul metalelor în organism poate fi considerat din punct de vedere al surplusului (intoxicații) , perturbări în sistemele de control (perturbări metabolice), insuficiențe (îmbolnăviri, uneori cu caracter genetic).

Influențarea sistemelor de control a ionilor metalici conduce la îmbolnăviri, uneori ireversibile din necunoașterea cauzei. Combinațiile complexe au un rol determinant și în activitatea medicamentoasă. In general, medicamentele stabilesc interacțiuni la nivelul celulei.

Domeniul chimioterapiei cancerului a evoluat mul în ultimii ani, un număr mare de noi substanțe naturale sau de sinteză fiind testate în acest scop.

Substanțele medicamentoase eficace în neoplasmele umane și experimentale au, în general proprietăți chelatoare sau sunt ușor metabolizate cu compuși cu astfel de proprietăț. Multe dintre ele interacționează cu acizii nucleici, inhibând sinteza ADN, ceea ce explică modul lor general de acțiune.

În scopul clinic, au fost utilizați antimetaboliții, agenții alchilanți, unii produși naturali (alcaloizi sau antibiotice) și hormoni steroizi.

Antimetaboliții prezintă o structură asemănătoare cu diferiți metaboliți normali cu care intră în competiție. Cei mai importanți antimetaboliți sunt cei analogi acidului folic, bazelor purinice, bazelor pirimidinice.

Agenții alchilanți, azotiperitele, etileniminele și derivații entersulfonici sunt substanțe donoare de grupări alchil reactive , cu care blochează grupări biologic active ale proteinelor și nucleoproteinelor esențiale metabolismului normal al celulelor.

Hormonii estrogeni, androgeni și steroizii corticosuprarenali sunt eficace față de țesuturile a căror creștere este anormală sub control hormonal.

Substanțele anticancerigene ca agenții de chelare manifestă de obicei o afinitate superioară față de unele metale cancerigene (anormale) existente în organism. Deoarece selectivitatea este redusă, ele pot inactiva și unele enzime necesare creșterii rapide sau anormale a celulelor.

Utilizând 6 mercaptopurina ca ligand a unor ioni metalici mai ales a Pt(II) și Pt(IV) au fost sintetizate combinații complexe cu acțiune citostatică. Se presupune că, în urma acțiunii lor asupra virusurilor, se eliberează ligandul biologic activ, care inhibă în continuare creșterea celulelor.

Implicarea compușilor de coordinație în aceste fenomene are drept justificare faptul că diferite părți ale virusurilor reprezintă agenți de chelare, care pot înlocui liganzii în compușii de coordinare. Chiar o alterare minoră de acest gen, va conduce aproape sigur la reducerea sau la eliminarea patogenității virale.

O alternativă este introducerea unui ion metalic în vecinătatea virusului astfel încât să poată avea loc complexarea. O altă cale este utilizarea liganzilor care posedă o activitate antitumorală.

În ceea ce privește explicarea acțiunii antitumorale după formarea ligandului, ar avea loc dezactivarea ionilor metalelor cu acțiune cancerigenă sau a enzimelor necesare creșterii rapide atât a celulelor sănătoase cât și a celor maligne.

Configurația spațială a ligandului cu acțiune anticancerigenă constituie un factor important în ceea ce privește acțiunea sa farmacologică.

Combinații coordinative cu activitate antitumorală

Activitatea antitumorală a combinațiilor coordinative ale Pt(II) pare a fi limitată la cele de tipul [PtA2X2], neutru din punct de vedere electric caracteristică izomerilor cis.

Combinațiile coordinative ale Pt(II) cu sarcină electrică sunt inactive, chiar dacă liganzii sunt ușor schimbabili.

Activitatea antitumorală a complecșilor Pt(II) , de tipul [PtA2X2] depinde de natura liganzilor. Cele mai bune rezultate au fost obținute cu Cl- și Br-, liganzi anionici monodentați cu capacitate de schimb intermediară și cu anionii oxalat, malonat, liganzi carboxilați bidentați. În ceea ce privește natura anionilor cu molecule de amoniac și de diamine ciclice saturate în ceea ce privește pe cea a aminelor.

Prin urmare, cis-diclorodiaminoplatina (II), cis [Pt(NH3)2Cl2] cuoscută și sub denumirea de Sarea lui Peyrone, introdusă în terapeutică de către Rosenberg și Van Camp prezintă cea mai ridicată activitate antitumorală.

Din 1978, cis-platinul ca preparat unic sau combinat cu alte citostatice (vinblastinul, bloemicina, adriamicina, ciclofosfamid) a fost folosit în tratamentul carcinoamenlor ovariene, pulmonare, ale vezicii și zona cap-gât.

Cele mai frecvente efecte seundare ce apar în terapia cu cis-platin sunt afectarea zonei gastrointestinale (apariția de grețuri și stări de vomă) și a rinichilor, datorită inhibării enzimatice prin coordinarea platinei la grupările sulfhidrice ale proteinelor. De aceea, se recomandă administrarea unor combinații cu sulf ca N-etilditiocarbamatul de sodiu, tiouree și chiar diuretice ce împiedică legarea platinei la atomii de sulf ai proteinelor.

Odată descoperit un medicament cu proprietăți terapeutice benefice pentru o anumită boală cercetătorii caută să-i îmbunătățească mereu performanțele. Acest lucru este posibil prin sinteza și studiul compușilor analogi (medicamentelor de a doua generație).

Analogii, pot fi capabili să îmbunătățească eficacitatea medicamentului de referință datorită faptului că o concentrație mai mică de medicament poate produce același efect. Pe de altă parte, proprietățile toxicologice ale medicamentului pot fi mult îmbunătățite. Deci analogii pot avea efecte toxice secundare mai puține decât produsul de bază.

În al doilea rând, medicamentele de generația a doua pot fi utilizați în tratamentul cazurilor în care s-a manifestat o rezistență la medicamentul original.

În funcție de profilul toxicologic și eficacitatea acestor medicamente de generația a doua se pot obține prin studiu și sinteză analogi ai acestor tip de medicamente. Acest din urmă analog poartă denumirea de medicament de generația a treia.

Au fost sintetizați mulți analogi ai cis-platinului, unii produc aceleași efecte terapeutice ca și cis paltinul dar sunt necesare cantitați mult mai mici și prezintă efecte secundare mai mici.

Trei dintre acești analogi sunt carboplatinul, spiroplatinul și iproplatinul a căror structură este indicată mai jos.

Carboplatinul s-a dovedit a fi cel mai eficace dintre acești trei analogi și a fost aprobat pentru a fi folosit în tratamentul cancerului ovarian. Carboplatinul și cis-platinul formeaza un un aduct identic cu ADN-ul și are prezintă activități similare împotriva tumorilor ovariene, pulmonare. Carboplatinul este mai puțin toxic pentru sistemul nervos periferic și pentru rinichi. Toxicitatea scăzută se datorează structurii carboplatinului. Prezența ligandului dicarboxilat bidentat indicat mai jos, conduce la încetinirea degradării carboplatinului în derivați greu metabolizabili.

Într-adevăr, timpul de înjumătățite a carboplatinului la 37˚C în plasma sanguină este de 30 ore pe când a cisplatinului este 1,5-3,6 ore. Toxicitatea scăzută a carboplatinului și activitatea acestuia asupra unor tumori rezistente la acțiunea cisplatinului au condus la utilizarea carboplatinului.

Alături de carboplatin și alți analogi de generația a doua, s-au sintetizat medicamente de a treia generație. Acești compuși au structura indicată mai jos iar cea mai mare realizare a acestor compuși față de cisplatin a fost că acești analogi pot fi administrați oral, în comparație cu cis-platinul care este administrat intravenos.

Acești complecși sunt suficient de stabili pentru trece prin tractul digestiv. Ei traversează mucoasa gastrointestinală și trec în circuitul sanguin. După absorbția sanguina acești compuși sunt metabolizați pentru a forma analogi Pt(II) tetracoordinați ai cisplatinului. Aceste combinații complexe reprezintă forma activă a medicamentului.

Au mai fost testați analogi complecși hexacoordianți ai Pt(IV) folosind șase linii celulare de cancer ovarian uman. Cercetătorii au descoperit că pe măsură ce mărimea restului R din ligand crește, cu atât complecșii devin mai eficienți în distrugerea celulelor canceroase.

Cercetătorii consideră că aceste medicamente de a treia generație sunt mult mai eficace decât cis-platinul pentru că aceștia se acumulează în celulă în concentrații mai mari decât cis-platinul.

Proprietățile unui medicament depind de structura întregii molecule sau a unei anumite părți capabil să se combine cu un centru receptor.

În figura de mai jos sunt ilustrate structurile unor complecși ai platinei.

Din figură, putem stabili o serie de corelații structură – reactivitate:

-combinațiile octaedrice ale Pt(IV) prezintă activitate citostatică mai redusă decât cele plan pătrate ale Pt(II), se presupune că speciile ce conțin Pt(IV) sunt reduse in vivo la derivați ai Pt(II).

-activitatea citostatică a fost pusă în evidență numai la combinațiile cu configurație cis, izomerii trans apărând ca inactivi.

-complexul trebuie să conțină două grupări nelabile sub formă de doi liganzi monodentați sau un ligand bidentat

-ligandul clor se comportă ca un membru activ pe când legăturile amină-platină sunt foarte stabile și inerte la atacul nucleofilc

-liganzii amino ca grupări nelabile trebuie să conțină o joncțiune N-H și prin acesta , posibilitatea de a forma punți de hidrogen

-speciile neutre nu au dat dovadă de activitate antitumorală, chiar dacă s-a respectat criteriul de labilitate. Acest fapt este adesea corelat și cu transportul prin membranele celulare și cu imposibilitatea de a atinge concentrațiile dorite.

Distribuția celulară a cis-platinului

Cis-platinul este administrat intravenos sub formă de soluție NaCl 0.9% sterilă. Odată ajuns în circulația sanguină, el rămâne intact datorită concentrației relativ crescute de ioni de Cl-(~100mM). Compusul neutru intră apoi în celulă atât prin difuzie pasivă cât și prin distribuție celulară. In celulă, molecula neutră de cis-platin suferă un proces de hidroliză în care ligandul Cl este înlocuit cu o moleculă de apă generând specii cu sarcină pozitivă.

Hidroliza decurge în interiorul celulei la concentrații mult mai mici ale ionului clorură (3-20 mM) –și deci la concentrații mai mari de apă.

În interiorul celulei: [PtII(NH3)2Cl2] + H2O -> [ PtII(NH3)2Cl(H2O)]+ + Cl-

[PtII(NH3)2Cl(H2O)]+ + H2O -> [PtII(NH3)2(H2O)2]2+

Așa cum este indicat în figura de mai sus, odată intrat în celulă cis-platinul are mai multe ținte potențiale: ADN,ARN, enzimele care conțin sulf ca de exemplu metalotioneina sau glutationul; și mitocondria.

Efectele ADN în mitocondrie nu sunt încă bine elucidate, dar este posibil ca efectele asupra ADN mitocondrial ale cis-platinului să conducă la moartea celulară.

Interacțiunea cis-platinului cu enzimele care conțin sulf este mai bine înțeles. Se consideră că aceste enzime sunt implicate în rezistența celulară la cis-platin.

Efectele cis-platinului asupra ARN și ADN au fost studiate pe larg.

Interacțiile cis-platinului cu ARN și ADN

Deși cis-platinul poate forma un compus coordinativ cu ARN, nu se consideră că această interacție joacă un rol important în mecanismul de acțiune in organism al cis-platinului din două motive.

Primul, o singură molecula de ARN afectată poate fi rapid înlocuită de una nou sintetizată; studiile au indicat că cis-platinul nu afectează sinteza ARN (dar afectează sinteza ADN).

În al doilea rând, administrarea in vitro a cis-platinului în doze letale unor celule tumorale a condus la concluzia că numai o mică fracțiune (1 până la 10%) din moleculele de ARN au fost afectate.

Cis-platinul formează combinații coordinative cu ADN în principal prin intermediul anumitor atomi de azot din perechile de bază ale ADN. Acești atomi de azot (în special atomul N7 a purinelor) sunt liberi să se coordineze cu cis-platinul pentru că ei nu participă la formarea legăturilor de hidrogen cu alte baze ale moleculelor de ADN.

Se pot forma multe tipuri de aducți sau combinații complexe cis-platin-ADN. Cele mai importante dintre acestea, par să fie cele în care 2 liganzi Cl ai cis-platinului sunt înlocuiți de atomi de azot purinici din baze adiacente ale aceleiași catene de ADN.

Bazele purinice implicate în mod normal în formarea acestor aducți sunt guaninele. S-au evidențiat însă și aducți care implica o moleculă de G și una de A.

Ținând seama de geometria sa, trans-DDP nu poate forma aducți 1,2 intracatenari. De aici reiese și caracterul inactiv în eliminarea celulelor canceroase. Se consideră că tocmai formarea acestor coordinări 1,2 intracatenare sunt importante pentru activitatea anticanceroasă a cis-platinului.

Am evidențiat modul de legare al cis-platinului la ADN să observăm acum cum acesta conduce la moartea celulară programată (apoptoză). Cercetătorii au observat că legarea cisplatinului la ADN afectează atât replicarea cât și transcripția ADN, precum și mecanismele de repararea a ADN.

Au fost studiate efectele cis-platinului cât și ale trans-platinului asupra replicării ADN atât în vitro (folosind extracte celulare din organismul gazdă) cât și in vivo (in organismul gazdă).

Studiile in vitro efectuate asupra celulelor procariote cât și asupra eukariotelor au evidențiat că atât cis-platinul cât și transplatinul acționează asupra ADN polimerazei (enzimă implicată în procesul de replicare).

În mod particular, aducții 1,2 intracatenari ai cisplatinului cu ADN au stopat funcțiile nu numai a ADN polimerazei ci a tuturor polimerazelor. In mod identic, studiile in vivo au evidențiat că cis DDP cât și transDDP inhibă replicarea în egală măsură- Alte studii au arătat însă că cis-DDP este un agent antitumoral efectiv, pe când trans-DDP nu. Aceste rezultate sugerează că replicarea ADN nu este singurul factor important pentru activitatea clinică a cis-DDP în distrugerea celulelor tumorale.

Efectele cis-DDP și trans-DDP sunt mult mai greu de interpretat decât efectele asupra replicării. Oricum, cis-DDP nu pare să inhibe transcripția, în acest fel conducând probabil către apoptoză.

Cis-platinul și repararea ADN

Activitatea citotoxică a cis-platinului poate proveni din imposibilitatea celulei de a repara moleculele de ADN afectate. Într-adevăr studiile „in vitro” asupra extractelor celulare au evidențiat că, cei mai întâlniți aducți cisplatin-ADN (aducții 1,2 intracatenari) nu sunt eliminați prin reparare. Acest proces ar trebui să aibă loc prin intermediul sistemului de reparare prin excizie.

Este oarecum periculos să tragem prea multe concluzii din aceste studii datorită faptului că în organism pot apare procese de reparare care nu sunt evidențiate în studiile efectuate pe culturile celulare.

Interacțiunea proteinelor celulare cu Cis-platin-ADN

Cercetătorii au coordonat mai multe studii pentru a observa dacă activitatea citotoxică a cisplatinului poate rezulta dintr-o „cădere” a sistemului de reparare prin excizie.

În acest sistem de reparare, înainte ca porțiunea din catena de ADN defectă să fie excizată, este necesar ca aceasta trebuie să fie recunoscută de către celulă.

Celula detectează catena de ADN defectă prin acțiunea proteinelor de recunoaștere. Deci ca un prim pas în studierea sistemului de reparare prin excizie cercetătorii au urmărit evidențierea proteinelor atașate aducților cisplatin-ADN.

Există mai multe metode de diferențiere a ADN legat de proteină sau a ADN liber. Cercetătorii au folosit aceste metode pentru a izola proteinele care se leagă tocmai de acești aducți. Aceste proteine conțin toate o porțiune comună (care prezintă secvențe de aminoacizi similare sau chiar identice) numită grup cu mobilitate crescută (HMG). Proteinele din această clasă se numesc proteine cu domeniu-HMG. Metodele de mai sus au arătat că aceste proteine leagă aducții cisplatin-ADN in vitro.

Determinările „in vivo” au evidențiat că proteinele cu domenii HMG sunt importante pentru activitatea cis-platinului. In absența genei care codifica pentru aceste proteine HMG celulele devin mai puțin sensibile la cis-platin decât celulele posedă această genă însemnând că cis-platinul este mai neeficace în uciderea acestor celule.

Aceste rezultate sugerează că proteinele HMG joacă un rol important în activitatea citotoxică.

Există două teorii care explică rolul proteinelor HMG in activitatea cisplatinului. Multe din aceste proteine sunt factori de transcripție, deci ei sunt necesari pentru sinteza ARN din catena ADN.

O teorie spune că, dacă factorii de transcripție ce conțin regiuni HGM se leagă preferențial la aducții cisplatin-ADN, atunci aceștia pot dezordona întregul mecanism de transcripție.

A doua teorie sugerează că proteinele HMG se leagă la aducți- Aducții nu mai pot fi recunoscuți pentru reparare. In acest caz, repararea ADN ului este incetinită.

Deci, aductul cisplatinum-ADN este mai persistent decât ar fi în absența proteinelor HMG, iar repararea este mul încetinită. Aceste procese interferă cu funcțiile celulare normale (printre ele replicarea și transcripția) și devin cauza morții celulare.

În afară de activitatea antitumorală, cis-platinul a dovedit a fi un bunt agent antiviral. S-a presupus că virusurile sunt singurii agenși care transformă celulele normale în celule tumorale, dar totodată s-a constatat că particulele virale sunt rareori regăsite în celulele tumorilor, ceea ce ar conduce la concluzia că transformarea are loc după infecția virală prin imprimarea caracterului viral celulor normale.

Încercând o mutație la celulele mamiferelor, putem presupune că leziunile primare ale ADN provocate de complecșii platinici acționează eliberând genomul viral. Aceasta duce la multiplicarea activă a particulelor virale care pot sau nu avea defecte.

Modificarea survine în sistemul imunologic care va fi stimulat să producă anticorpi împotriva celulelor tumorale.

S-ar putea ca prin eliminarea genomului viral și a particulelor virale fără distrugerea celulelor care le-au conținut celulele să revină la starea normală; aceste presupuneri sunt posibile dar insuficient studiate.

În prezent, direcțiile de cercetare urmăresc obținerea de complecși cu activitate anticancer performantă pe baza parametrilor fizici, chimici și structurali.

Bibliografie:

Grecu I., Neamțu M., Enescu L. – „Implicații biologice și medicale ale chimiei anorganice”, Editura Junimea, 1982

Palamaru M.N, Iordan A. R., Cecal Al. – „Chimie bionaorganică și metalele vieții”, Editura BIT, 1997

Brezeanu M., Spacu P. – „Chimia combinațiilor complexe”, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1974

Marcu Gh. – „Chimia compușilor coordinativi”, Editura Academiei, București, 1984

Iordăchescu D. – „Acizi nucleici”, Editura UB, 2001

Lehninger A.L. – „Biochimie” , volumul 2, Editura Tehnică, 1992

Darie V. – „Biochimie medicală“, volumul 1, Editura Amon, 1994

Buleandră M., Radu G.L., Tănase I. – „Aspecte privind interacția dintre cationii metalici și moleculele organice de interes biologic”, Institutul Național pentru Cercetare și Dezvoltare în Științele Biologice, București, 2001

Aronel M., Traistă E., Dumitrescu I. – „Rolul pompelor și proteinelor transportoare în chimia bioanorganică”, 8’th International Conference, Târgu Jiu, 2002

H. P. Latscha, H. A. Klein – „Anorganische Chemie“, Springer Verlag, Berlin, 1996

Sigel A., Sigel H. – „Metal ions in biological systems. Iron transport and storage in microorganisms, plants and animals”, 1998

Hardison C. Ross – „A brief history of hemoglobins:plant, animal, protist and bacteria”, Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University, 1996

Pollycove M., Mortimer R. – „The quantitative determination of iron kinetics and hemoglobin synthesis in human subjects” , J Clin Invest, 1991

Harrison P., Arosio P. – „The ferritins: molecular properties, iron storage function and cellular regulation” , Biochim Biophys Acta, pag. 155- 161, 1996

Kaim W., Schwederski B. – „Bioinorganic chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life” , Oxford University, 1996

Oliveira P., Hill H.A.O, “Bioinorganic Chemistry”, vol. I, ed. G. Berthon, Marcel Dekker Inc., , 1995

Meggers Eric, “Exploring biologically relevant chemical space with metal complexes” , 2007, http://www.sciencedirect.com

http://www.AppliedBiosystems.com , Gunther Winkelmann, „Transition Metals in Microbial Metabolism” , 2006

http://www.arjournals.annualreviews.org/toc/biochem/76

http://bloodjournal.hematologylibrary.org/cgi/content/full/89/7/2611