La chimica bioinorganica (c.b.) si occupa della chimica degli ioni metallici nei sistemi biologici. Gli elementi chiave come carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo costituiscono i componenti fondamentali delle cellule, tra cui proteine, acidi nucleici, lipidi, membrane e metaboliti. La chimica di questi elementi è al centro della biochimica classica.
Scoperta e identificazione delle metalloproteine
Nel corso del tempo, vari studiosi hanno contribuito all'identificazione e alla comprensione delle metalloproteine:
- J.J. Berzelius (1837-38): Individuò i pigmenti nelle foglie.
- F. Hoppe-Seyler (1869): Identificò il pigmento del sangue, chiamandolo emoglobina.
- C.A. Schunck e L.P. Marchlewski (inizio '900): Riconobbero analogie chimiche tra i pigmenti vegetali e quelli animali.
- R.M. Willstätter: Dimostrò che il magnesio è un componente fondamentale della clorofilla.
- K.A.H. Mörner (1897): Identificò spettroscopicamente il miocromo, poi chiamato mioglobina.
- C.A. MacMunn (1880-1890): Osservò i pigmenti chiamati istoematine o mioematine, riscoperti da D. Keilin nel 1925 e rinominati citocromi.
Il lavoro di Keilin nel 1925 sui citocromi segnò l'inizio degli studi sulla catena respiratoria, successivamente definita da O.H. Warburg. Keilin purificò il citocromo c con elevata purezza e identificò l'istidina come uno dei leganti assiali. H. Fischer condusse studi sulla natura chimica di clorofilla ed emina, culminando nella sintesi chimica di quest'ultima.
Keilin scoprì anche diversi tipi di citocromi nella catena respiratoria mitocondriale, tra cui a, a3, c1 e b. P.D. Mitchell riconobbe la visione di Keilin come completamente corretta, nonostante il rifiuto iniziale di O.H. Warburg di riconoscere il ruolo dei citocromi.
Nel periodo 1910-1920, F. Battelli e L. Stern studiarono l'ossidazione di sostanze in presenza di tessuti animali, attribuendola a un enzima chiamato indofenolo ossidasi. Keilin e E.F. Hartree scoprirono la presenza di rame nella citocromo c ossidasi.
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A. Szent-György conciliò le diverse visioni sull'ossidazione biologica, dimostrando che l'attivazione dell'ossigeno e dell'idrogeno sono processi complementari. Nel 1926, J.B. Sumner cristallizzò l'enzima ureasi, rivelando che era una proteina (contenente nichel). Gli studi di enzimologia portarono alla scoperta di zinco enzimi, come l'anidrasi carbonica, l'alcol deidrogenasi e la carbossipeptidasi.
L'era della cristallografia a raggi X
Nel 1941, H. Theorell cristallizzò la perossidasi da rafano e dimostrò che conteneva carboidrati ed emina (ferro). Nel 1960, M.F. Perutz e J.C. Kendrew pubblicarono le strutture a raggi X dell'emoglobina e della mioglobina, aprendo una nuova era nella comprensione della funzione delle macromolecole.
Importanza degli ioni metallici nei sistemi biologici
Degli 80 elementi non radioattivi, poco meno della metà sono importanti per i sistemi viventi. Elementi come cloro, sodio, potassio, magnesio, calcio, ferro, rame e zinco sono essenziali per tutte le forme di vita. Altri, come boro, fluoro, vanadio, cromo, manganese, cobalto, nichel, molibdeno, silicio, selenio e iodio, sono necessari per la maggior parte delle specie viventi. Alcuni elementi, come arsenico, bromo, stronzio, bario, cadmio, stagno e tungsteno, sono utilizzati solo da un numero limitato di organismi.
Gli ioni metallici svolgono diverse funzioni nei sistemi biologici, determinate dalle loro proprietà chimiche uniche. La biodisponibilità degli elementi ha influenzato la loro distribuzione nei sistemi viventi. Per ogni elemento, esistono valori ottimali di concentrazione negli organismi. I metalli essenziali hanno un intervallo di concentrazione in cui l'organismo è in salute, mentre concentrazioni insufficienti o eccessive possono essere tossiche.
Gli esseri viventi devono difendersi dai metalli tossici o dagli eccessi di metalli essenziali. L'uso di farmaci contenenti ioni metallici rientra nella c.b. definita metalli in medicina.
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I cationi metallici interagiscono con il DNA e l'RNA, stabilizzando la struttura di quest'ultimo. Il Mg2+ è uno ione preferito per questa interazione.
Metalloproteine: Struttura e funzione
Gli ioni metallici, associati alle catene polipeptidiche delle proteine, danno luogo a una varietà di reazioni e funzioni fisiologicamente importanti. Le proteine legano ioni metallici grazie alle proprietà chimiche di catene laterali di amminoacidi come cisteina, metionina, istidina, glutammato, aspartato e tirosina.
Quando l'affinità tra lo ione metallico e la proteina supera una certa soglia, si parla di metalloproteina. Oltre alla semplice incorporazione di ioni metallici, la natura utilizza cofattori metallici speciali, come gli anelli tetrapirrolici (porfirine, clorofilla e vitamina B12) e i cluster ferro-zolfo.
Le eme-proteine contengono ferro legato alla porfirina, mentre la clorofilla lega il Mg2+. I cluster ferro-zolfo sono costituiti da atomi di ferro coordinati a zolfo di cisteine e anioni S2−.
La disponibilità del genoma ha rivoluzionato l'identificazione delle proteine, ma prevedere se una proteina lega ioni metallici per la sua funzione rimane una sfida. Questo approccio è stato utilizzato per identificare le zinco proteine nel genoma umano.
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Lo zinco è un elemento essenziale e abbondante nei sistemi viventi, con tre funzioni principali: stabilità strutturale, attività catalitica e regolazione genica. Un esempio di zinco strutturale è la proteina Cu,Zn superossido dismutasi. Le proteine zinc-finger sono domini proteici tipici dei fattori di trascrizione che legano il DNA.
Le proteine sono macromolecole costituite da catene polipeptidiche, essenziali per tutti i processi biologici. La struttura primaria determina la sequenza degli amminoacidi, mentre la struttura secondaria è determinata dalla disposizione strutturale degli amminoacidi vicini, formando α-eliche e strutture β. La struttura terziaria riguarda la disposizione spaziale delle proteine, e la struttura quaternaria si riferisce all'associazione di più catene polipeptidiche.
Classificazione e funzioni delle proteine
Le proteine sono classificate in base alla composizione chimica, alla forma, alla solubilità e alla funzione biologica. Gli enzimi rappresentano la classe più grande, con funzioni catalitiche e regolatorie. Altre proteine hanno funzioni di trasporto, deposito, difesa e struttura.
Le proteine di trasporto legano e trasportano ioni e molecole nel sangue, come l'emoglobina per l'ossigeno e le lipoproteine per i lipidi. Le proteine strutturali forniscono supporto e protezione, come il collagene nei tendini e la cheratina nei capelli. Le proteine difensive includono immunoglobuline e enzimi che proteggono dalle specie radicaliche dell'ossigeno.
Isolamento e purificazione delle proteine
L'isolamento delle proteine da organi e tessuti comporta la solubilizzazione e la rottura del tessuto. Le tecniche utilizzate dipendono dalle caratteristiche del tessuto e dalla localizzazione della proteina. La lisi cellulare e la centrifugazione differenziale sono utilizzate per isolare le proteine.
| Ruolo | Esempi |
|---|---|
| Catalisi enzimatica | Zinco in anidrasi carbonica, ferro in citocromo ossidasi |
| Trasporto di ossigeno | Ferro in emoglobina e mioglobina |
| Stabilità strutturale | Zinco in superossido dismutasi |
| Regolazione genica | Zinco in proteine zinc-finger |