end-on (h 1 ) L = NH 3, CN - L Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O 2 Reazioni tra O 2 e metalli: ossidoriduzioni e complessi

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1 Il diossigeno O 2 Reazioni tra O 2 e metalli: ossidoriduzioni e complessi 4Fe 2+ + O 2 + 2H 2 O + 8 OH - 4(FeOH) 3 2Fe 2 O 3 + H 2 O O 2 interagisce con i metalli ossidandoli e passando allo stato di ox -2 e portando alla formazione di composti in cui il legame O-O viene spezzato L O Co O L O 2 interagisce con alcuni complessi di metalli di transizione (Co, Ir, Rh) per formare addotti in cui O 2 è legato in maniera reversibile e dove apparentemente il metallo non cambia stato di ossidazione. L L L = NH 3, CN - L end-on (h 1 )

2 Il diossigeno O 2 Gli stati di ossidazione formali di O 2 possono essere identificati dalle distanze di legame O-O nei complessi (strutture cristalline) oppure dalla vibrazione di stiramento ν(o-o) (spettroscopia IR/Raman) o da misure EPR Complesso di Vaska side-on (h 2 ) H 3 N NH 3 n+ d(o-o) Legante H 3 N H 3 N Co NH 3 O H 3 N NH 3 O Co NH 3 n = 4 n = Å 1.31 Å O 2 2 O 2 H 3 N NH 3

3 Il diossigeno O 2

4 Il diossigeno O 2

5 Il diossigeno O 2 Orbitale Molecolare donatore σ donatore π accettore π

6 Il diossigeno O 2 La densità elettronica è trasferita sul centro metallico dalle coppie elettroniche libere e dal doppio legame del diossigeno. Gli orbitali nd parzialmente occupati del metallo possono contribuire alla formazione del legame con O 2 attraverso retrocoordinazione. In questi casi l O 2 agisce da σ e π donatore/accettore. P. L. Holland, Dalton Trans., 39, (2010)

7 Il diossigeno O 2 Utilizzo di O 2 negli organismi viventi Prelievo di O 2 dall aria Trasporto negli organi Conservazione fino all utilizzo Invertebrati Molluschi Crostacei complessi bimetallici con coordinazione amminoacidica : emocianina (Cu-Hc) emeritrina (Fe-Hr) Vertebrati Organismi più evoluti complessi monometallici di macrocicli porfirinici EME: tetramero: emoglobina (Hb) monomero: mioglobina (Mb)

8 Il diossigeno O 2 Reattività con gruppi eme O 2 transport in blood (65%) O 2 storage in muscles (6%) electron transfer (0.1%) incorporation of molecular O 2 (0.1%) metabolism of H 2 O 2 (0.1%) terminal oxidation (0.5%)

9 Il diossigeno O 2 Reattività con gruppi eme I complessi porfirinici del Fe II (ferro-eme) Fe II P, reagiscono velocemente con il diossigeno per formare l ossido Fe II P + O 2 Fe III PO 2 - (1) Fe III PO Fe II P Fe III P O-O PFe III Fe III P O-O PFe III 2Fe IV PO Fe IV PO + Fe II P Fe III P O PFe III P = ione porfirinato P 2-

10 Reazione 1 Chimica Inorganica Biologica Il diossigeno O 2 3d 6 HS S = 2 4 e - spaiati paramagnetico Deoxy form Fe II P + O 2 Fe III P(O 2 - ) Reazione spin permessa con 3 O 2 3d 6 LS + 1 O 2 S = 0 diamagnetico 3d 5 LS + 2 O 2 S = 0 diamagnetico Pauling Weiss

11 Il diossigeno O 2 La reazione è limitata all equilibrio (1) se sulla porfirina del ferro-eme s introducono barriere strutturali che impediscono la riduzione bi-elettronica dell ossigeno (Collman 1974). In questo caso il ferro eme può assumere funzione di trasporto. Mioglobina ed Emoglobina

12 Il diossigeno O 2 Le porfirine più semplici da un punto di vista strutturale spesso vanno incontro alla formazione irreversibile di dimeri ferrile ematina insolubile

13 Il diossigeno O 2 La funzionalizzazione delle porfirine viene utilizzata per prevenire la formazione di dimeri e quindi il blocco delle funzioni di trasporto

14 Il diossigeno O 2

15 Il Trasporto del diossigeno O 2 Il trasporto del O 2 negli organismi viventi avviene utilizzando le metalloproteine; Esse sono presenti in tutti i vertebrati, molti invertebrati (artropodi e molluschi) e in quattro phyla di invertebrati marini: Emoglobina (Hb), contiene quattro gruppi eme; Emeritrina (Hr), contiene due atomi di Fe; Emocianina (Hc), contiene due atomi di Cu. Si realizza l equilibrio: metalloproteina + O 2 metalloproteinao 2

16 Trasporto di O 2 : Pigmenti Respiratori Deoxy Oxy Hb HbO 2 Forme intensamente colorate HcO 2 HrO 2

17 Trasporto di O 2 : Pigmenti Respiratori

18 Immagazzinamento del diossigeno O 2 Origine Emoglobina Emeritrina Emocianina Animali superiori Invertebrati Artropodi, molluschi M:O 2 legato Fe(eme) : O 2 2Fe(non eme) : O 2 2Cu : O 2 M in ossiproteina Fe 3+ Fe 3+ Cu 2+ M in deossiproteina Fe 2+ Fe 2+ Cu + Colore nella forma ossi rosso borgogna blu Colore nella forma deossi rosso-porpora incolore incolore Gli stati ossidati inattivi sono detti meta

19 Immagazzinamento del diossigeno O 2 Il diossigeno trasportato è ceduto ad altre metalloproteine quali la Mioglobina (Mb) e Mioemeritrina (miohr) nei tessuti per essere immagazzinato e quindi utilizzato. Presentano strutture simili alle metalloproteine di trasporto con la differenza che devono possedere una maggior affinità per il diossigeno.

20 globina Chimica Inorganica Biologica Mioglobina Presente nei muscoli dei vertebrati Polipeptide PM formato da 153 amminoacidi contenuti in sette eliche e sei segmenti non elica avvolti intorno al gruppo eme Coordinazione: 4 N pirroli 1 N imidazolo proveniente (His) aminoacidi 1 posizione libera per O Da La struttura della Mb è stata ottenuta da campioni di balena Sono state determinate le strutture delle tre forme: deossi, ossi e meta.

21 Mioglobina ed Emoglobina

22 Deossimioglobina ed Ossimioglobina raggio 0.92 Å raggio 0.75 Å Il centro attivo è Fe II pentacoordinato da cinque atomi di N con l'atomo metallico fuori dal piano dei quattro pirroli di 0.42 Å. Quattro N provengono dai pirroli, il quinto N dall imidazolo dell His (His prossimale). È anche presente un residuo istidinico, His distale, vicino alla tasca che ospita il O 2. Il legame con il diossigeno avvicina il Fe al piano N4. O 2 è legato end-on al Fe e forma un angolo Fe-O-O di 115.

23 Interazione fra O 2 e Fe II La coordinazione con O 2 comporta il trasferimento di un elettrone dal ferro all ossigeno per formare O 2 stabilizzato via legame-h con un protone imidazolidinico distale Il Fe II presente nell eme pentacoordinato è d 6 AS con quattro elettroni spaiati (S=2), nell eme esacoordinato Fe III è d 5 a BS con un elettrone spaiato (S=1/2) L interazione con lo spin dell elettrone O 2 produce un sistema diamagnetico (S=0).

24 Interazione di O 2 nel sito eme

25 Interazione di O 2 nel sito eme Nella forma deossi Fe II (AS) non entra nella cavità Nell'ossi Fe III a BS si posiziona nel piano

26 Interazione di O 2 nel sito eme È presente un residuo istidinico (distale), vicino alla tasca che ospita O 2 Si forma un legame ad idrogeno fra O 2 coordinato e H-N dell imidazolo che produce una coordinazione angolata dell'o 2.

27 Interazione di CO nel sito eme Nei composti fra CO ed Hb/Mb l'angolo Fe-C-O è ancora angolato Il rapporto K(CO)/K(O 2 ) vale circa 200. J. N. Harvey, J. Am. Chem. Soc. 2003, 127,

28 Emoglobina Il diossigeno dall'aria passa ai polmoni, catturato dall Hb presente nel plasma sanguigno: Polmoni(branchie) Hb + 4 O 2 Hb(O 2 ) 4 L O 2 circola attraverso tutto l organismo e trasportato nei muscoli dove è strappato dalla Mb Tessuti Hb(O 2 ) Mb 4 Mb(O 2 ) + Hb K Mb [ Mb( O2 )] [ Mb][ O ] 2 [ Hb( O K Hb [ Mb][ O 2 2 ) ] ] 4 2.8

29 Emoglobina L emoglobina (PM 64500) è un tetramero costituito da 4 subunità (α 1, α 2, β 1, β 2 ) ciascuna delle quali lega un gruppo eme. Le catene sono organizzate in coppie simmetriche αβ: l'emoglobina può essere considerata un doppio dimero. α 1, α 2, β 1, β 2 sono disposte simmetricamente intorno a una cavità centrale occupata da molecole di acqua. Le subunità sono tenute insieme da interazioni elettrostatiche e da legami a idrogeno che rendono la struttura quaternaria assai stabile. a 2 b 2 eme b 1 Contenendo quattro gruppi eme, l'emoglobina può legare sino a 4 molecole di O 2.

30 Emoglobina Hb è una proteina multisubunità della Mb ed è costituita da due catene polipeptidiche α (141 ac) e due β (146 ac) In ogni catena è presente un eme legato ad un imidazolo istidinico Ιn Hb Fe è fuori dal piano porfirinico di Å nel legame con O 2 si muove di ±0.12 Å. Nel trasferimento di O 2 da Hb a Mb gioca un ruolo importante lo spostamento di Fe verso il piano porfirinico Lo spostamento funge da grilletto per un legame cooperativo dell'o 2 nell'hb

31 Emoglobina: conformazioni T e R L emoglobina è una proteina allosterica Minor affinità per O 2 Maggior affinità per O 2 Ponti salini O 2 R O 2 T Gli stati conformazionali T e R sono in equilibrio

32 Emoglobina: conformazioni T e R Lo stato T prevale quando le quattro subunità non sono legate ad O 2 Interazioni fra le subunità costringono l His prossimale a resistere nei confronti del movimento verso il piano allentando il legame con O 2 Legame cooperativo Quando circa 2 molecole di O 2 sono legate ad Hb la struttura quaternaria della proteina cambia in R facilitando il legame degli altri due O 2 Il legame con O 2 porta il Fe nel piano dell'anello porfirinico trascurando l'his prossimale. R T

33 Effetti Allosterci Il legame dell O 2 in vivo è modulato da effettori allosterici che attraverso interazioni con la proteina cambiano l affinità e il grado di cooperatività. Regolatori H + CO 2 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG) Stabilizzano la forma T e favoriscono il rilascio di O 2 coordinato

34 Effetto Bohr Il catabolismo dei nutrienti porta alla formazione di CO 2 CO 2 + H 2 O HCO 3 + H + Diminuzione del ph Protonazione di amminoacidi Formazione di ponti salini Stabilizzazione forma T Rilascio O 2

35 Effetto Bohr La CO 2 prodotta nella respirazione forma carbammati con i gruppi amminici N-terminali della Hb RNH 2 + CO 2 RNHCOO - + H + L'Hb quindi non solo trasporta O 2 ma facilita la rimozione di CO 2

36 2,3-BPG Il 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) deriva da un intermedio della glicolisi ed è presente in quantità elevata nei globuli rossi. Il 2,3-BPG interagisce mediante legami ionici con i residui di His-143 delle catene b A ph fisiologico, il 2,3-BPG è deprotonato Stabilizzazione forma T Rilascio O 2