C + H + O + N = 99% del totale degli atomi

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Fabiana Mele
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2 11 C + H + O + N = 99% del totale degli atomi

3 Na (100g), K (170g), Mg (25g), Ca (1100g) = bulk metals Fe, Cu, Zn, V, Cr, Mo, Mn, Co, Ni = trace e ultra-trace metals 13 metalli essenziali Concentrazione intracellulare media dei trace elements nelle cellule di eucarioti: [Fe] totale = 0.5 mm [Zn] totale = 0.5 mm [Cu] totale = 50 mm

4 Metalloma Ogni specie è caratterizzata da uno specifico metalloma definito come l insieme di metalli contenuto in ogni tipo di cellula di quella specie, ognuno con la sua specifica quantità, speciazione e localizzazione all interno di ogni cellula Come si stabilisce se un elemento è essenziale per una specie?

5 Si definisce essenziale un elemento sistematicamente presente in una certa specie biologica e tale che la sua assenza (o carenza) nelle fonti nutritive di quella specie sia causa di malattie, disturbi metabolici o dello sviluppo

7 Biodisponibilità degli elementi

8 Potenziali redox accessibili in acqua a ph 7: fra 0.4 V (H + /H 2 ) e +0.8 V (O 2 /OH ) Elemento Ambiente riducente Ambiente ossidante Fe Fe(II), (alta) Fe(III), (bassa) Cu Come solfuro (bassa) Cu(II), (moderata) S HS (alta) SO 2 4 (alta) Mo MoS 2, (MoO n S 4 n ) 2 (bassa) MoO 2 4 (moderata) V V 3+, solfuri di V(IV) VO 3 4 (moderata) (moderata)

9 Ruoli dei metalli nei sistemi biologici Ruolo strutturale Endo- ed esoscheletri, stabilizzazione di DNA, RNA e proteine Ruolo funzionale Trasporto di carica Sintesi e metabolismo di molecole organiche Trasferimento di elettroni Attivazione di piccole molecole Reattività organometallica

10 R R O H 2 N CH C OH N H CH C H N CH C O O R R = H 2 C N H + NH - H + + H + pk a = 6.5 H 2 C N NH H 2 C N H N poco comune molto comune

11 R = CH 2 SH Cisteina (Cys), pk a = 8.5 R = CH 2 CH 2 SCH 3 Metionina (Met) R = H 2 C OH Tirosina, pk a = 10 Glutammato (Glu): R = CH 2 CH 2 COO Aspartato (Asp): R = CH 2 COO pk a = 4.5

12 GLUTATIONE - O O NH 3 + O N H SH O H N O OH GSH Glu-Cys-Gly mm intracellulare

13 1N 2 NH N HN 8 N 9 N H 2 N 3 R Adenina Basi puriniche R = H Nucleobase O N Guanina N N R O 3 N 2 NH 2 4 N R 1 Citosina 5 6 O HN O N R Basi pirimidiniche R' R' = H = Uracile R' = CH 3 = Timina HO 5' R = 4' H O H 3' OH 2' H X H 1' Nucleoside X = OH ribosio X = H desossi-ribosio O R = -O P O- O H O H Nucleotide H OH X H

14 Leganti tetrapirrolici

17 Stato entatico

18 Ione Raggio (Å) Ione Raggio (Å) Na Mg K Ca Green Fluoerescent Protein (GFP) = sensore fluorescente per Ca 2+

19 Ione Intracellulare (mm) Extracellulare (mm) Na K Mg Ca a 2.5 Cl a 0.1 mm nel citoplasma della cellula a riposo

21 Ionofori Addotto valinomicina K +

Ionofori La valinomicina trasporta 10 3 10 4 ioni K + al secondo

22 Ionofori La valinomicina trasporta ioni K + al secondo attraverso la membrana dei mitocondri. La selettività K + /Na + è dell ordine di 10 4

23 Ion channels 5-6 nm 0.4 nm Gramicidina A 15 aminoacidi 3 nm

24 Gramicidina A La gramicidina A trasporta 10 7 ioni K + o Na + al secondo attraverso la membrana. I cationi divalenti bloccano il poro.

25 Proteine trans-membrana Canale del K +

26 Out Canale del K + potential gated In Ø = 1 nm [K + ] = 2 M

28 Canale del K + potential gated [K + ] = 5 mm [K + ] = 100 mm

29 Pompe ioniche (ATPasi) Uniporto Simporto Antiporto Pompa ionica antiporto Na + /K + -ATPasi Ione Intracellulare (mm) Extracellulare (mm) Na K

30 Pompa ionica antiporto Na + /K + -ATPasi 3Na + (in) + 2K + (out) + Mg 2+ ATP 4- + H 2 O 3Na + (out) + 2K + (in) + Mg 2+ ADP 3- + HPO H + Ione Intracellulare (mm) Extracellulare (mm) Na K a 2 b 2 = 2 112(a) (b)

32 Magnesio

33 S N 2

34 ATP 4- kinasi + X H ADP 3- + X PO H + Mg 2+ Piruvato-kinasi

35 Ribulosio bisfosfato carbossilasi rubisco D-ribulosio 1,5-disfosfato + CO 2 + H 2 O = 2 3-fosfo-D-glicerato + 2 H + carbammato enolato ton/y nuovo legame C C

36 Rubisco

38 Ca 2+ : messaggero secondario e.g.: NO sintasi (NO), adenilato e guanilato ciclasi (camp, cgmp), NAD kinasi (NADP)

39 CALMODULINA

40 Uno dei siti di coordinazione del Ca 2+ della apo-calmodulina

41 Siti di binding ad affinità minore TROPONINA-C Siti di binding ad elevata affinità (K > 10 6 ) actina miosina

42 I principali biominerali di elementi alcalino-terrosi Composto Minerale Presenza negli organismi viventi MgCO 3 Magnesite Scheletro del corallo CaCO 3 Aragonite Conchiglie e perle CaCO 3 Calcite Uova di uccello, sistemi gravitazionali nell orecchio interno CaCO 3 nh 2 O Amorfo Immagazzinamento di calcio nelle piante Ca(C 2 O 4 ) nh 2 O Whewellite (n = 1) Weddellite (n = 2) Immagazzinamento di calcio nelle piante, calcoli renali 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca(OH) 2 Idrossiapatite Ossa e denti nei vertebrati CaSO 4 2H 2 O Gesso Sistema gravitazionale nelle meduse SrSO 4 Celestite Esoscheletro di certo plankton BaSO 4 Barite Sistema gravitazionale nelle alghe

43 Microscheletro siliceo di una radiolaria

44 Cristalli di calcite nell orecchio interno: sensori gravitazionali

45 Cristalli di magnetite in archeobatteri magnetotattici

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