Infatti, accade anche in chimica, come in architettura, che gli edifici, belli e cioè simmetrici e semplici, siano anche i più saldi:
avviene insomma per le molecole come per le cupole delle cattedrali o per le arcate dei ponti.
Primo Levi
Introduzione
La scoperta della famosa struttura a doppia elica del DNA da parte di Watson e Crick1 ha portato a
concentrare i maggiori sforzi della ricerca in ambito biochimico verso l’analisi delle interazioni non covalenti (legami a ponte idrogeno, π-stacking) operative nel controllo della conformazione e dei fenomeni di riconoscimento molecolare in una vasta varietà di sistemi biologici macromolecolari.2,3
L’attività di ricerca ha implicato, tra l’altro, lo studio delle interazioni (covalenti e non)4 degli acidi
nucleici e dei loro costituenti con ioni metallici, proponendosi la progettazione di avanzati materiali funzionali5 con potenziale applicazione per la scienze medica e biomolecolare.6
L’introduzione della tecnica di cristallografia a raggi X su cristallo singolo ha sicuramente rappresentato un punto cruciale per lo sviluppo di questa tematica.
Ad oggi, la maggior parte delle informazioni ottenute deriva dalla conoscenza di strutture e reattività di sistemi biomimetici artificiali basati su complessi di metalli di transizione contenenti come leganti nucleobasi (Schema 4.1) o molecole analoghe.7
BASI PURINICHE BASI PIRIMIDINICHE
NH N N H N O NH2
N N N H N NH2
N N H NH2 O
HN N H O O
HN N H O O
Guanina (G) Adenina (A) Citosina (C) Timina (T) Uracile (U) (DNA) (RNA)
Schema 4.1
E’ stato possibile determinare che il modo di legame preferenziale di uno specifico ione metallico verso acidi nucleici e loro costituenti, dipende essenzialmente dalle proprietà del metallo (sono fattori determinanti la carica, la configurazione elettronica, il carattere hard/soft), dalla basicità del sito donatore (N/O) della nucleobase e, talvolta, dai leganti ausiliari sul metallo.8
Per il chimico inorganico i cui interessi siano rivolti alla chimica di coordinazione, lo sviluppo di questa linea di ricerca è particolarmente stimolante, dato che lo studio delle interazioni tra i metalli ed
i costituenti degli acidi nucleici finalizzato a scopi biomedici rappresenta, nel contempo e a tutti gli effetti, l’esplorazione della chimica di coordinazione di queste molecole.
I costituenti degli acidi nucleici possiedono numerosi siti donatori, quali N ed O, dalla differente basicità e, di conseguenza, differenti capacità di coordinazione. Ciò li rende non soltanto potenziali leganti nel campo della chimica di coordinazione, come già stabilito, ma piuttosto leganti “flessibili”, “versatili”.
Il loro impiego come building blocks per la costruzione di strutture cristalline altamente ordinate (basate su interazioni tipo legami a ponte idrogeno e π−π stacking tra gli anelli eterociclici aromatici delle nucleobasi) è stato ampiamente dimostrato.9 Come già accennato, però, molti degli sforzi dei
ricercatori che lavorano in questo campo sono stati tesi al design razionale di sistemi biomimetici basati sulle interazioni tra le 5 principali basi azotate naturali (Adenina, Guanina, Citosina, Timina e Uracile) o sui loro derivati biologicamente più rilevanti, con una vasta gamma di ioni metallici. Una recente ricerca nella banca dati CSD, rivela che, ad oggi, sono stati strutturalmente caratterizzati soprattutto composti monomerici o polimerici discreti, a bassa nuclearità.10 Tuttavia, è stato dimostrato
che le nucleobasi possono essere incorporate con successo anche in strutture cicliche più o meno complesse, dalle dimensioni nanoscopiche.11 Ammettendo la presenza di leganti ausiliari, si possono
trovare poi alcuni esempi, importantissimi, di strutture covalenti n-dimensionali (n = 1 – 3).12 In una
recente pubblicazione,12d ad esempio, Castillo, Luque et al hanno riportato la caratterizzazione
strutturale di un composto polimerico poroso di formula {[Cu2(μ-ade)4(H2O)2]-
[Cu(ox)(H2O)]2·~14H2O}n, che rappresenta il primo complesso tridimensionale contenente la
nucleobase adenina a ponte, ottenuto grazie alla cooperazione di ponti ossalato (figura 4.1).
Figura 4.1. Frammento (a sinistra) e vista del crystal packing (a destra) del polimero 3D {[Cu2(μ-ade)4(H2O)2]- [Cu(ox)(H2O)]2· ~14H2O}n. L’ adenina agisce da legante tridentato, adottando una coordinazione μ-N3,N7,N9,
abbastanza inusuale per questa nucleobase.
Uno degli aspetti più interessanti di questo lavoro è quello di aver messo in luce un modo di coordinazione dell’ adenina del tutto inusuale. Infatti, nel complesso citato, la nucleobase impiega ben 3 dei suoi siti donatori, coordinando attraverso N3, N7 ed N9.
Nel 2000, Clegg, Houlton et al. hanno discusso la struttura monodimensionale di due complessi di Cu(II) ottenuti con un derivato alchil-diamminico delle basi guanina ed adenina, l’etilendiammina-N9- etil-guanina, G-Et-en, ed il corrispondente analogo A-Et-en (figura 4.2).12f L’importanza di questo e di
idonee alla costruzione di edifici 1D con conformazione ad elica, classificabili come analoghi polinucleotidici del DNA, e di aver apportato un ulteriore contributo nell’ambito di un tematica fondamentale per la ricerca sulle interazioni metallo-legante, ossia la specificità dei site-binding (siti di coordinazione). Infatti, i due complessi con guanina ed adenina–N9 sostituite, {[CuCl(G-Et- en)](NO3)·H2O}n e {[CuCl(A-Et-en)](NO3)·H2O}n, rivelano una diversa tipologia di catena, derivante
dalla doppia coordinazione dell’adenina (via N3, N7) vs. la singola della guanina (via N7).
Figura 4.2. Frammento del motivo monodimensionale dei composti {[CuCl(G-Et-en)](NO3)·H2O}n (a
sinistra) e {[CuCl(A-Et-en)](NO3)·H2O}n (a destra). I siti della nucleobase impiegati nella coordinazione
sono stati evidenziati.
Sebbene si possa registrare un numero sempre crescente di complessi metallici con adenina N3- coordinata, la coordinazione via N3 da parte della guanina è, in effetti, molto rara, essendo stata osservata per molti anni in un unico composto di platino, contenente anch’esso la base modificata, il complesso [N1,N7,N3-{Pt(NH3)3}3-9-etilguanina]. Esistono diversi studi strutturali su complessi di
metalli di transizione che presentano derivati della nucleobase guanina sostituita in posizione N9, mentre sono riportate pochissime informazioni sulla chimica di coordinazione della base non modificata.13 I dati di letteratura vanno sostanzialmente nella direzione su discussa. Infatti, studi allo
stato solido hanno dimostrato che quando N9 è alchilato, N7 è il sito di coordinazione più probabile.7
I pochi esempi di complessi contenenti guanina non sostituita, invece, mostrano che il sito di coordinazione più probabile è N9, che nel legante libero è protonato e risulta essere quindi il sito più basico. In questi complessi, però, la guanina non è neutra, bensì protonata o deprotonata.
Un contributo rilevante all’esplorazione della chimica di coordinazione della guanina naturale è stato fornito in tempi recentissimi dal mio gruppo di ricerca, con la pubblicazione delle prime due catene di Cu(II) strutturalmente caratterizzate contenenti la nucleobase non modificata e neutra.14
In entrambi i composti, di formula, rispettivamente, {[Cu(gua)(H2O)3](BF4)(SiF6)1/2}n e
{[Cu(gua)(H2O)3](CF3SO3)2.H2O}n, la guanina coordina a ponte centri metallici adiacenti via N3 ed
a b
N7. Il successo della strategia di sintesi che ha permesso la coordinazione della guanina neutra si coniuga, in questo caso, con la notevole importanza del risultato. Innanzitutto, la caratterizzazione di specie polimeriche monodimensionali unicamente a base di guanina naturale; poi, l’osservazione di un modo di coordinazione non atteso (anche via N3) e, inoltre, di due diversi pathways supramolecolari intracatena [N2-H···O6 nel primo complesso, ed N9-H···O6 nel secondo], che stabilizzano l’interazione covalente, per i quali appare chiara l’influenza del controione (figura 4.3).
a
b
Figura 4.3. Frammento (a sinistra) e vista del motivo monodimensionale a base di guanina naturale (a destra) nei due composti di Cu(II) {[Cu(gua)(H2O)3](BF4)(SiF6)1/2}n (a) e {[Cu(gua)(H2O)3](CF3SO3)2. H2O}n (b).
Adenina e 1-Metilcitosina: due casi di studio.
Il lavoro svolto nel corso del primo anno di dottorato è stato teso, parallelamente ma in misura minore rispetto allo studio di composti di rame con il legante 2,2’-bipirimidina, alla possibilità di dare un qualche contributo nell’ambito della ricerca condotta nel mio laboratorio sulle interazioni metallo- nucleobasi. I risultati dello studio, in cui ci siamo occupati dell’analisi della reattività (a) degli ioni Mg(II) e Mn(II) nei confronti dell’ adenina15a e (b) degli ioni Mg(II) e Ni(II) verso l’ 1-metilcitosina
(derivato alchilato della nucleobase citosina),15b sono consultabili negli allegati 7 ed 8, rispettivamente.
Questo lavoro di ricerca, di cui si fornisce di seguito soltanto una breve presentazione, ha probabilmente rappresentato la base necessaria su cui fondare l’investigazione che rappresenta il tema principale di questo capitolo, quella della chimica di coordinazione del nucleoside citidina.
Adenina. Fra le nucleobasi, l’adenina (ade) possiede ben cinque possibili siti di coordinazione (in
dell’adenina e dei sui derivati 9-alchil-sostituiti. In particolare, i ricercatori spagnoli Castillo, Luque e Roman, che da tempo si occupano dello studio delle interazioni metallo-purine, hanno significatamente contribuito all’investigazione della chimica dell’adenina, tanto impiegandola come legante per la costruzione di edifici n-dimensionali12d-e quanto isolandone e caratterizzandone forme
tautomeriche non canoniche.16
Figura 4.4. (a) Rappresentazione schematica del ruolo dell’anione nella stabilizzazione delle due diverse forme tautomeriche dell’adenina [9H o 7H] nei composti di Mg(II). (b) Stabilizzazione della forma tautomerica minore 7H della nucleobase grazie a legami a ponte idrogeno intramolecolari (a sinistra) o alla coordinazione da parte del metallo (a destra) nei composti di Mn(II).
Lo studio dell’influenza degli ioni metallici sulla stabilità di particolari forme tautomeriche e sugli equilibri di protonazione delle basi degli acidi nucleici rappresenta un aspetto particolare della chimica delle nucleobasi, che ha recentemente suscitato interesse crescente.16,17 Il lavoro presentato
nell’allegato 7 rientra, in parte, in questo ambito, e si propone di dimostrare il ruolo determinante tanto della coordinazione al metallo quanto (e soprattutto) delle interazioni non covalenti, che spesso coinvolgono i controioni, nello stabilizzare forme tautomeriche meno favorite come, nel caso dell’adenina, quella N9-deprotonata/N7-protonata (figura 4.4).
1-Metilcitosina. La nucleobase citosina è più comunemente utilizzata con il sito N1 alchilato per
rendere il suo comportamento più verosimile da un punto di vista biologico, dal momento che nel DNA tale sito risulta bloccato dalla presenza di una molecola di desossiribosio. Dati di letteratura mostrano che l’interazione tra uno ione metallico e la nucleobase citosina (cyt) o il suo derivato1- metilcitosina (1-mecyt) può avvenire via N3, O2, N4 e simultaneamente via N3/O2 o N3/N4.7 Il
legame con N3 e O2 dipende dal carattere hard o soft del metallo e probabilmente da fattori sterici, mentre il legame con N4 prevede la stabilizzazione di una forma tautomerica minore ed è, di
n
conseguenza, più raro. La maggior parte degli ioni metallici mostrano una preferenza per la coordinazione via N3, mentre sono noti pochi complessi contenenti l’interazione metallo-O2 e per la maggior parte di loro è stata osservata concomitante presenza della coordinazione via N3.7,18,19
Nel corso della nostra attività di ricerca, i cui risultati sono discussi nell’allegato 8, sono stati sintetizzati e caratterizzati sia dal punto di vista strutturale che spettroscopico tre nuovi complessi di formula [Mg(H2O)6(1-Mecyt)2]Cl2 (1), [Ni(H2O)6(1-Mecyt)2]Cl2 (2) and [Ni(1-Mecyt)2Cl2] (3). Il
lavoro ha il merito di aver isolato e caratterizzato il primo composto di Ni(II) con 1-mecyt, la qual cosa ha consentito di stabilire che anche per gli ioni Ni(II) la coordinazione della nucleobase avviene preferenzialmente via N3/O2. La reattività del Ni(II) è stata discussa confrontandola con quella di Mg(II) e Co(II) che, nei rispettivi complessi di letteratura [Mg(H2O)4(1-Mecyt)2]·2(1-Mecyt)20 e
[Co(1-Mecyt)4][ClO4],18a mostrano l’uno coordinazione via O2, l’altro via N3. Da qui è emerso il
carattere intermedio dello ione Ni(II) rispetto al carattere “hard” degli ioni Mg2+ e quello “soft” degli
ioni Co2+. Come evidenziato nell’articolo, comunque, la principale novità di questo lavoro consiste
nell’aver pienamente caratterizzato una trasformazione spontanea che interessa i due complessi di nichel ottenuti e che avviene allo stato solido a pressione e temperatura ambiente.
Il nucleoside citidina: stato dell’arte.
E’ stato già accennato al fatto che le nucleobasi possono essere incorporate con successo in strutture cicliche più o meno complesse, dalle dimensioni nanoscopiche.11 Recentemente, la chimica dei
complessi ciclici polinucleri, analoghi metallici dei corrispondenti composti organici calixarenici, è stata oggetto di crescente interesse. L’interesse verso questi sistemi è dovuto ad una combinazione di fattori estetici (data la complessità delle loro strutture) ed opportunità offerte in campo applicativo. Tra le diverse proprietà di questi sistemi, è fondamentale citare l’interessante chimica “host-guest”21 che
deriva dalla possibilità di poter includere piccole molecole nelle loro cavità, proprietà che permetterebbe, ad esempio, il trasporto e la stabilizzazione di farmaci nell’organismo.
Figura 4. 5. Viste dall’alto (a sinistra) e laterale (a destra) del ring ottanucleare [Cu8(Hcyd)8(CF3SO3)4]4+ in 31a, con in evidenza la posizione del gruppo guest [Cu(H2O)6]+2.