La chimica bioinorganica
E’ la disciplina che interfaccia la chimica inorganica e la biologia
La biologia è generalmente associata con la chimica organica, ma elementi inorganici
(in particolare i metalli) sono essenziali per i processi vitali
Delle oltre 4000 proteine di cui è nota la struttura, il 52% contengono metalli
Elemento essenziale: è un elemento necessario per il mantenimento della vita.
La sua assenza determina la morte o un severo malfunzionamento dell’organismo
Criteri per definire l’essenzialità:
1)
La rimozione dell’elemento dalla dieta dell’organismo esaminato determina un danno
fisiologico: l’organismo non può né crescere né completare il suo ciclo vitale in assenza
dell’elemento in questione
2)
La deficienza fisiologica può essere rimossa per l’aggiunta di uno specifico elemento
3)
Ad un particolare elemento è associato una specifica funzione biochimica
Gli elementi chimici in BIOLOGIA
Sono note quasi 2 milioni di differenti specie di organismi viventi:
- Animali
1.032.000
- Piante
248.400
- Funghi
69.000
- Protozoi
30.800
- Alghe
20.900
- Batteri
4.800
- Virus
1.000
L’analisi chimica ha mostrato che 11 elementi appaiono approssimativamente costanti e
predominanti in tutti i sistemi biologici: H, C, N, O, P, S, Na, K, Mg, Ca, e Cl
[nel corpo umano essi costituiscono il 99.9 % del numero totale di atomi presenti e 4 di essi
costituiscono il 99 % del totale ( H, 62.8; O, 25.4; C, 9.4; N, 1.4; altri 1 %)]
Oltre a questi 11 elementi, che sono assolutamente essenziali, sono necessari altri 10 elementi per
la maggior parte degli esseri viventi (ma non tutti): Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, B, Si, Se
Composizione % in peso degli elementi essenziali nel corpo umano
(adulto)
Ossigeno
53.6
Carbonio
16.0
Idrogeno
13.4
Azoto
2.4
Sodio,potassio, zolfo
0.10
Cloro
0.09
Silicio, magnesio
0.04
Ferro, fluoro
0.005
Zinco
0.003
Rame, bromo
2.10-4
2 ·10-5
Piombo, cobalto
2 ·10-6
Selenio, manganese,
Arsenico, nichel
Curve dose-risposta degli elementi essenziali
Ogni elemento essenziale segue una curva dose-risposta:
1.
L’assenza dell’elemento porta
alla morte dell’organismo
2.
Con una assunzione limitata
l’organismo sopravvive ma
può mostrare limitate
funzionalità
3.
Aumentando la quantità di
nutriente si arriva ad una
funzionalità ottimale
dell’organismo osservato
4.
Un eccesso di nutriente
provoca dapprima una piccola
tossicità che in presenza di un
più grande eccesso porta alla
morte
Elementi essenziali
Classificazione degli elementi essenziali
1.
Bulk (strutturali): H, C, N, O, P, S
2.
Macrominerali: Na, K, Mg, Ca, Cl, PO4, SO4
3.
Tracce: Fe, Zn, Cu
4.
Ultra tracce (non metalli): F, I, Se, Si, As, B
5.
Ultra tracce (metalli): Mn, Mo, Co, Cr, V, Cd, Sn, Pb, Li
Tecniche di indagine sempre più accurate hanno permesso di considerare essenziali anche elementi che in
passato erano ritenuti tossici
Elementi essenziali per l’uomo
Aspetti strutturali e funzionali dei metalli in biologia
I metalli associati a proteine definiscono dei siti attivi delle biomolecole che possono
essere così classificati:
1.
Strutturali: determinano la configurazione e la struttura terziaria e/o quaternaria della proteina
2.
Uptake, binding e rilascio di metalli in forma solubile
3.
Trasferimento di elettroni (uptake, cessione e immagazzinamento di elettroni)
4.
Binding, trasporto e trasferimento di diossigeno
5.
Catalitici: i metallo enzimi sono delle metallo proteine che svolgono una specifica funzione
catalitica.
Il ruolo dei metalli in biologia può riguardare anche:
- la comunicazione: ioni metallici funzionano come bussole per l’orientamento (in batteri
magnetotattici)
- interruttori di specifiche funzioni cellulari (ioni del I e II gruppo)
- interazioni di ioni metallici con acidi nucleici
- metalli in medicina