Cellula deve mantenere omeostasi Relazione struttura – attività biologica di proteine ed enzimi Cellula: ambiente separato dall’ambiente esterno ma in comunicazione con esso

La loro assenza non consente una normale attività cellulare Elementi essenziali H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Figura 1 La loro assenza non consente una normale attività cellulare

La concentrazione di un elemento essenziale è un parametro importante morte Effetti tossici Sintomi da deficienza Stato di “salute” Concentrazione dell’elemento essenziale Risposta fisiologica negativa positiva Figura 2

Tabella 1 Elemento deficitario Tipici sintomi da deficit Ca Ritardo crescita scheletrica Mg Crampi muscolari Fe Anemia F Carie dentale I Disfunzioni della tiroide Mn Infertilità Zn Ritardo maturazione sessuale

Funzioni biologiche svolte dagli elementi inorganici. funzione strutturale (es. Ca2+ e Mg2+ per il polianione DNA) portatori di carica per il trasferimento veloce di informazioni (es. Na+, K+, per gli impulsi elettrici nei nervi, Ca2+ per la contrazione muscolare) formazione, metabolismo e degradazione di composti organici. Queste funzioni richiedono catalisi acido/base secondo Lewis (es. Zn2+) processi di trasferimento elettronico. Questa funzione richiede elementi con attività redox (es. FeII/FeIII/FeIV, CuI/CuII, CoI/CoII)

La reazione tra uno ione metallico e una o più molecole di legante dà un complesso. [Co(NH3)6]3+ ione Co3+ è circondato da 6 molecole di NH3 La reazione di formazione di un complesso è una reazione tra un acido di Lewis (lo ione metallico centrale) e una base di Lewis (il legante). L’atomo del legante che forma il legame con lo ione metallico si chiama atomo donatore, mentre lo ione metallico è l’atomo accettore I complessi possono essere carichi o neutri: Es. [Cu(NH3)4]2+, Ni(CO)4, [Fe(CN)6]3- i leganti si distinguono in monodentati e polidentati Il numero di coordinazione dello ione è il numero di atomi del/dei leganti che si coordinano al centro metallico. Esso non sempre coincide al numero di molecole di legante in un complesso. Es. [Cu(NH3)4]2+, Ca(EDTA)2-. Dipende dalle dimensioni dello ione metallico, dall’ingombro dei leganti e dalle interazioni elettroniche tra i due.

Tabella 2: leganti monodentati formula Nome come legante Molecole neutre Anioni H2O aquo F- Fluoro SO42- Solfato NH3 ammino Cl- Cloro NO2- Nitro (atomo N lega) CO carbonile Br- Bromo ONO- Nitrito (atomo O lega) NO nitrosile I- Iodo SCN- Tiocianato (atomo S lega) C5H5N piridina O2- Osso NCS- Isotiocianato (atomo N lega) OH- Idrossi CN- ciano

leganti multidentati

Numero di coordinazione 4: Geometria tetraedrica: favorita se atomo centrale è piccolo o se i leganti sono grandi Geometria piano quadrata: si osserva per i metalli con configurazione d8 (es cis platino) Numero di coordinazione 5: Poco comune, piramide a base quadrata (eme + istidina) o bipiramide a base triangolare Numero di coordinazione 6: Geometria ottaedrica: molto diffusa, spesso è il punto di partenza per geometrie di simmetria inferiore

NH3 Cl cis trans Nei complessi ci sono vari tipi di isomerie [PtCl2(NH3)2] Esistono due isomeri di tipo geometrico NH3 Cl trans cis

Teoria del campo cristallino Descrive i composti di coordinazione, ne spiega le proprietà spettroscopiche (es. il colore) e quelle magnetiche La teoria prevede che l’interazione tra metallo e leganti sia puramente elettrostatica Metallo è costituito da un nucleo carico positivamente circondato da elettroni degli orbitali d Leganti che circondano lo ione metallico sono visti come cariche negative puntiformi Quando i leganti si avvicinano allo ione metallico interagiscono con gli elettroni d del metallo

fra gli assi cartesiani a 45° lungo gli assi cartesiani Figura 3

eg Do t2g Il baricentro resta inalterato energia dxy dxz dyz dx2-y2 dz2 eg t2g Do Ione metallico in un campo cristallino sferico Ione metallico in un campo cristallino ottaedrico energia Figura 4 Ione metallico libero

DO dipende dalla forza del legante: Legante a campo debole Legante a campo forte energia eg eg dx2-y2 dz2 dx2-y2 dz2 Do Do t2g dxy dxz dyz t2g dxy dxz dyz I- < Br- < SCN- < Cl- < F- < OH- < H2O < NH3 < en < phen< CN-< CO Forza del legante

Il valore di Do dipende anche dall’identità dello ione metallico Mn2+< Ni2+< Co2+< Fe2+< V2+< Fe3+< Co3+< Mo3+< Rh3+< Ru3+< Pd4+< Ir3+ Do : aumenta con lo stato di ossidazione del metallo (es. Fe e Co). Fe3+ è più piccolo e le distanze metallo-legante sono minori e quindi le interazioni sono più forti aumenta scendendo lungo un gruppo (es Co, Rh, Ir). A parità di carica, le dimensioni dei 4d e dei 5 d sono maggiori di quelle dei 3d e quindi anche le interazioni con i leganti sono maggiori.

Configurazioni elettroniche di un complesso allo stato fondamentale non è più così ovvia Basso spin Alto spin d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 Ti3+ Ti2+ V2+ Cr2+ Fe3+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Zn2+

Configurazione d4 [Cr(H2O)6]2+ [Cr(CN)6]4- DO > P DO< P S = 2 S = 1

Ione Fe2+: configurazione d6 Do basso Alto spin S=2 Do elevato Basso spin S=0 Figura 5

Uno ione metallico di transizione non complessato ha orbitali d degeneri. In un complesso gli orbitali d sono separati in energia e sono possibili transizioni d-d a seguito dell’assorbimento di energia pari a Do. energia dx2-y2 dz2 eg t2g Do dxy dxz dyz Le energie richieste cadono nella regione del visibile e i complessi dei metalli di transizione sono colorati. Do= E = hn = hc/l

Complessi a geometria tetraedrica

Poiché i leganti sono solo 4 e nessuno di loro punta direttamente sugli orbitali d DT < DO I complessi tetraedrici sono ad alto spin

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

LEGANTI DI INTERESSE BIOLOGICO peptidi e/o proteine attraverso residui aminoacidici leganti chelanti macrociclici basi azotate degli acidi nucleici

1) residui aminoacidici di proteine histidine methionine cysteine Aminoacid R tyrosine aspartate glutamate Aminoacid R H

I complessi di coordinazione tra ioni metallici e residui aminoacidici presenti nei sistemi biologici possono presentare coordinazione completa o incompleta attorno allo ione metallico in relazione all’attività biologica (es. se il substrato si deve legare al metallo, se deve avvenire solo un trasferimento elettronico…ecc.) Con ioni tipo Fe2+ le proteine formano complessi stabili termodinamicamente ma labili dal punto di vista cinetico La stabilità cinetica è garantita da un’altra classe di leganti

2a) leganti macrociclici tetradentati sp3 Tutti C sp2 Orbitale p non ibrido per coniugazione doppi legami planare Manca un ponte metinico Eme, clorofilla, cobalamine

PRINCIPALI PROPRIETA’ DEI LEGANTI TETRAPIRROLICI anello planare, nessuno stress geometrico (lunghezze ed angoli di legame) assicurano stabilità cinetica al complesso chelato data la rigidità dell’anello sono selettivi sulle dimensioni dello ione e accolgono ioni metallici di raggio 60-70 pm. Fe2+ basso spin ha raggio di 61 pm, Fe2+ alto spin ha raggio di 78 pm. il sistema coniugato p è responsabile del colore intenso di questi leganti e dei relativi complessi. Sono i pigmenti della vita. il metallo tetracoordinato può fare altri due legami sfruttando le posizioni assiali (es. eme dell’emoglobina)

Complessi macrociclici tridimensionali 2b) Ionofori, leganti macrociclici multidentati good for coordination of Na+, K+, Mg2+, Ca2+ Multiple heteroatoms are strategically positioned for bonding metal ions ring size is tailored to fit metal ionic radius Dissociation is possible but very unlikely Inner cavity is polar, outside is lipophile. So these complexes can be transported through biological membranes. Complessi macrociclici tridimensionali

Etere corona che coordina uno ione K+

[Co(NH3)6]3+ + 3en [Co(en)3]3+ + 6 NH3 EFFETTO CHELATO La sostituzione di leganti monodentati da parte di leganti chelanti è accompagnata da un forte guadagno di stabilità termodinamica [Co(NH3)6]3+ + 3en [Co(en)3]3+ + 6 NH3 K = [[Co(en)3]3+] [NH3]6 [[Co(NH3)6]3+] [en]3 DG° = - RT lnK DG° = DH° -TDS°

Reazione con legante chelante [Cd(H2O)6]2+ + en [Cd(en)(H2O)4]2+ + 2 H2O DH° = -29.4 kJmol-1 DS° = +13.0 JK-1mol-1 DG favorevole Kf elevata Reazione con legante NON chelante [Cd(H2O)6]2+ + 2NH3 [Cd(NH3)2(H2O)4]2+ + 2 H2O DH° = -29.8 kJmol-1 DS° = -5.2 JK-1mol-1 DG meno favorevole, Kf più bassa DG° = - RT lnK DG° = DH° -TDS° Il vantaggio entropico è tanto maggiore quanto maggiori sono le proprietà chelanti del legante

3) Basi azotate imine amino amido oxo hydroxo R = ribose or deoxyribose Coordinano ioni metallici utili a neutralizzare la carica negativa del DNA. Offrono diversi siti per la coordinazione.

CONCETTO HARD-SOFT Metalli (acidi Lewis) Leganti (basi Lewis) Hard H+ Mn2+ Cr3+ Ca2+ Na+ Al3+ Co3+ K+ Fe3+ Mg2+ H2O CO32- NH3 OH- NO3- RNH2 CH3CO2- ROH PO43- RO- Cl- Borderline Fe2+ Ni2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ NO2- SO32- Br- Imidazole Soft Cu+ Pt2+ Pt4+ Au+ Hg2+ Cd2+ Pb2+ R2S RS- R3P RSH RNC CN- SCN- CO Es. criptati e ferro-porfirine

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

Metallotioneine Basano la loro attività biologica esclusivamente sul concetto hard-soft 30-35% of aminoacid are cysteins with soft –SH groups repetitive distribution of Cys-X-Cys etc… coordination of soft heavy metal ions such as Cd2+, Hg2+, Pb2+, Zn2+. biological function of metallothioneins is to protect cells from toxic heavy metals