Le molecole più interessanti del 2020. (Indagine di C&EN)

Rinaldo Cervellati

 

Anche quest’anno, funestato dalla pandemia di Covid-19, Chemistry & Engineering news non ha rinunciato all’indagine, fra i soci dell’American Chemical Society, sulle molecole più interessanti del 2020. I risultati sono stati riportati da Celia Henry Arnaud sul numero dell’8 dicembre di C&EN news, apparso nel vol. n. 98, fascicolo 48.

Come gli altri anni riporto qui le prime classificate nella mia traduzione adattata dello scritto di Arnaud.

Hanno risposto all’indagine 1027 votanti. Al primo posto, con 292 preferenze (28,4%), si è classificato un liquido ionico poroso in grado di catturare alcoli e clorofluorocarburi (CFC):

La molecola del liquido ionico

Un gruppo di ricercatori, coordinati dai prof. Thomas D. Bennett e Jonathan R. Nitschke, dell’Università di Cambridge (UK), ha sintetizzato questo nuovo liquido ionico poroso che ha cavità larghe circa 6,2 Å, abbastanza grandi da catturare alcoli e clorofluorocarburi. I precedenti liquidi porosi non potevano inglobare molecole più grandi del metano o dell’anidride carbonica. I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno prodotto il nuovo liquido da tetraedri di zinco coordinati con ligandi organici.

L. Ma, L. et al. Coordination cages as permanently porous ionic liquids. Nat. Chem. 2020, 12270–275; https://doi.org/10.1038/s41557-020-0419-2

Al secondo posto, con 181 voti (17,6%), si trova l’anello aromatico più grande fino a ora sintetizzato:

Nel suo stato di ossidazione +6, questo anello aromatico a 12 porfirine produce una corrente ad anello che induce campi magnetici opposti (blu) e allineati con un campo esterno (rosso). Credit: Harry L. Anderson

I ricercatori dell’Università di Oxford (UK), coordinati dal prof. Harry L. Anderson, hanno costruito una ruota molecolare larga 16 nm, che contiene 12 porfirine e 162 elettroni π. Nell’anello, le porfirine con zinco sono legate da alchini e tenute in posizione da raggi molecolari. La molecola è di interesse per i calcoli quantistici.

M. Rickhaus, et al. Global aromaticity at the nanoscale. Nat. Chem. 2020, 12236–241; https://doi.org/10.1038/s41557-019-0398-3

Terza classificata (poco distante dalla seconda, 178 voti, 17,3%) è la ricerca di un gruppo internazionale, facente capo all’Università di Manchester (UK), coordinato dal prof. David A. Leigh, che ha realizzato legami a nodi molecolari:

La molecola a nodi molecolari compatta e ball and stick: in grigio il Lu(III), in bronzo il Cu(I)

Essi hanno utilizzato ioni metallici di lutezio e rame per legare stringhe molecolari in due tipi di nodi. L’aggiunta di ioni lutezio da soli o in combinazione con ioni rame porta a nodi trifoglio simmetrici o nodi asimmetrici a tre torsioni, rispettivamente.

D.A. Leigh, et al. Tying different knots in a molecular strand. Nature, 2020584562–568; https://doi.org/10.1038/s41586-020-2614-0

Con voti 143 (16,9%) la quarta classificata è una grande supramolecola terpiridina-rutenio:

Modello della supramolecola sovrapposto a un’immagine del microscopio a scansione Credit: Xiaoping Li

Un gruppo di ricercatori cinesi di diversi istituti ha assemblato questa supramolecola terpiridine-metallo, che misura quasi 20 nm di diametro. I ligandi della terpiridina che complessano il rutenio formano esagoni che si assemblano in una griglia più grande complessando il ferro (II). Il gruppo mira a utilizzare questa e supramolecole analoghe come dispositivi di memorizzazione delle informazioni a molecola singola.

Z. Zhang,  et al. Intra- and intermolecular self-assembly of a 20-nm-wide supramolecular hexagonal grid. Nat. Chem. 2020, 12468–474; https://doi.org/10.1038/s41557-020-0454-z

Al quinto posto (con 126 voti, 12,3%) si trova una molecola con il boro a quattro legami:

Gli orbitali molecolari (viola e argento) mostrano due legami σ e due legami π che costituiscono il legame quadruplo nel boruro di rodio (blu = Rh; rosa = B). Credit: J. Phys. Chem. Lett.

Per più di un decennio, i chimici hanno pensato che il boruro di rodio contenesse un triplo legame. Tramite spettroscopia vibrazionale e calcoli teorici, i ricercatori della Brown University (Rhode Island, USA), hanno scoperto che il legame è probabilmente un legame quadruplo.

Ling Fung Cheung et al., Observation of Four-Fold Boron−Metal Bonds in RhB(BO−) and RhB. J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 659-663; https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b03484

Molto lontano, con una percentuale a due cifre, si classifica la progettazione di una macchina molecolare che utilizza reazioni redox per infilare anelli due alla volta su una catena polimerica:

La macchina molecolare

I ricercatori della Nothwestern University (Illinois, UA) vorrebbero utilizzare questo sistema per costruire polirotaxani per l’archiviazione delle informazioni codificando i dati nella sequenza di anelli. Ha realizzato 80 voti (7,8%).

Y. Qiu et al., A precise polyrotaxane synthesizer., Science, 2020, 368, 1247-1253.

Infine all’ultimo posto, con 27 voti (2,6%), si colloca il primo radicale catione del berillio, isolato dai chimici dell’Università della Virginia (USA):

Il radicale catione e il suo anione Credit: J. Am. Chem. Soc.

Questo radicale, che contiene berillio nello stato di ossidazione +1 è stato ottenuto ossidando un composto precedente con numero di ossidazione zero del berillio.

G. Wang et al., A Stable, Crystalline Beryllium Radical Cation. J. Am. Chem. Soc., 2020, 142 4560-4564.

Sperimentare è bello, ma in sicurezza

Margherita Venturi

Presidente della Divisione di Didattica della Società Chimica Italiana

La Chimica è una disciplina scientifica sperimentale e il suo fascino deriva proprio dal fatto che è possibile “toccare con mano” praticamente tutto ciò che si legge nei testi scolastici; la Chimica, infatti, è colore, luce, odore, effervescenza e molti altri tipi di manifestazioni stimolanti.

Quanto sia bello “sperimentare”, ma anche quanto sia importante dal punto di vista didattico, è ben sottolineato in un articolo della letteratura chimica americana[1] di cui è protagonista il giovane Ira Remsen, diventato poi un autorevole chimico ben noto per la sintesi della saccarina, e di cui una libera traduzione è qui di seguito riportata.

Leggendo un testo di Chimica arrivai alla frase “l’acido nitrico agisce sul rame”. Mi stavo stancando di leggere cose così assurde e allora decisi di vedere quale fosse il significato reale di quella frase. Il rame era per me un materiale familiare, perché a quei tempi le monete da un centesimo erano in rame. Avevo visto una bottiglia di acido nitrico sulla tavola dell’ufficio del dottore dove mi mandavano per passare il tempo. Non sapevo le proprietà dell’acido nitrico, ma ormai lo spirito di avventura era sceso su di me. Così, avendo rame e acido nitrico, potevo imparare cosa significassero le parole “agisce sul”. In questo modo, la frase “l’acido nitrico agisce sul rame” sarebbe stata qualcosa di più che un insieme di parole. Al momento, lo era ancora. Nell’interesse della scienza ero persino disposto a sacrificare uno dei pochi centesimi di rame che possedevo. Ne misi uno sul tavolo, aprii la bottiglia dell’acido, versai un po’ di liquido sulla monetina e mi preparai ad osservare quello che accadeva.

Ma cos’era quella magnifica cosa che stavo osservando? Il centesimo era già cambiato e non si poteva dire che fosse un cambiamento da poco. Un liquido verde-blu schiumava e fumava dalla moneta e l’aria tutt’intorno si colorava di rosso scuro. Si formò una gran nube disgustosa e soffocante. Come potevo fermarla? Provai a disfarmi di quel pasticcio prendendolo con le mani per buttarlo dalla finestra. Fu così che imparai un altro fatto: l’acido nitrico “agisce” non solo sul rame, ma anche sulle dita. Il dolore mi spinse ad un altro esperimento non programmato. Infilai le dita nei calzoni e scoprii un altro fatto: l’acido nitrico “agisce” anche sui calzoni. Tutto considerato, quello fu l’esperimento più impressionante e forse più costoso della mia vita. Fu una rivelazione e mi spinse a desiderare di imparare di più su quel rimarchevole “agisce sul”.Al di là del desiderio di conoscere di più che ha fatto nascere in Remsen, cosa importante e positiva, l’esperimento è stato sicuramente impressionante, per usare le parole dell’autore, e non ha avuto serie conseguenze, forse perché è stata usata solo una monetina, forse perché l’acido versato era in piccole quantità, ma anche e soprattutto perché è stato possibile aprire subito una finestra per arieggiare il luogo dell’esperimento. Insomma, Remsen è stato fortunato! Per la sua futura carriera di chimico questo esperimento gli ha di certo insegnato che non si mescolano “cose” senza prima conoscere le loro proprietà e riuscire a prevedere eventuali conseguenze.

Uno, a questo punto, potrebbe dire: una cosa del genere, però, non può succedere se si usano i prodotti comuni che si trovano in casa. Nulla di più sbagliato! I maggiori incidenti domestici, anche gravi, si devono proprio all’incauto mescolamento, ad esempio, di detersivi per la pulizia della casa. Con l’idea che se un prodotto pulisce, due fanno meglio, molte persone, soprattutto donne, finiscono al pronto soccorso per aver creato cocktail micidiali. Quello più comune, cioè il più gettonato dalle casalinghe, è ottenuto mescolando candeggina (NaClO) e acido muriatico (HCl, contenuto in molti prodotti anticalcare): oltre al calore, in questo caso, si sviluppa cloro (Cl2), un gas molto tossico che attacca soprattutto le vie respiratorie.

Quindi, prima di qualsiasi incauta operazione e per un uso corretto di questi prodotti, è importante leggere le informazioni riportate sull’etichetta della confezione. Conoscere ciò che si usa è fondamentale, lo sarebbe stato per Remsen e lo è per chi si appresta a pulire la propria casa, particolarmente nell’attuale emergenza da COVID-19, poiché fra le importanti raccomandazioni che vengono date vi è quella di mantenere igienizzati gli ambienti domestici.Sempre il solito interlocutore potrebbe chiedersi la ragione di tutto questo sproloquio. Il motivo è che, proprio considerata l’emergenza COVID-19 e la chiusura della scuola, i nostri studenti sono stati stimolati ad imparare la Chimica facendo esperimenti a casa. È una sollecitazione giusta, in linea di principio, perché stare tutto il giorno davanti al computer ascoltando i docenti può diventare noioso: come dicevo prima, “toccare con mano” i fatti della Chimica è, invece, molto più stimolante. Però, sono molte le raccomandazioni da dare e le cautele da prendere, tenuto conto che questi ragazzi non sono sotto gli occhi dei docenti.

Per esempio, è sbagliato dire agli studenti di provare a fare esperimenti a casa, giusto per fare qualcosa di manuale: gli esperimenti devono avere un fine educativo e, quindi, vanno pianificati e discussi con il docente in ogni dettaglio prima della loro esecuzione.

Visto che non si può andare in laboratorio, è corretto usare quello che si può trovare in casa, ma anche in questo caso, come dicevo prima, è fondamentale chiedere ai ragazzi di leggere prima le etichette dei prodotti eventualmente da usare e prevedere ciò che può succedere con un loro possibile mescolamento: in fin dei conti l’ipotesi è il primo passo del metodo scientifico!

In internet si trova di tutto e di più e i nostri studenti sono dei famelici consumatori della rete: uno dei compiti fondamentali dei docenti è quello di sviluppare nei ragazzi un senso critico nei confronti di quello che trovano e leggono e, quindi, a monte, bisognerebbe consigliare siti affidabili, magari mostrando quante notizie false o informazioni sbagliate e pericolose circolano in internet.

Ci tengo, comunque, a sottolineare che io ho una grande stima dei nostri docenti e sono sicura che il loro comportamento è ineccepibile e perfettamente in linea con quanto ho appena scritto.

Mi preoccupano, invece, gli studenti che potrebbero farsi prendere la mano e incorrere in gravi incidenti, come ha riportato la cronaca di questi giorni. A questo proposito consiglio di ascoltare il video del Prof. Giorgio Cevasco “Chimica al tempo del COVID-19” sul Canale YouTube della SCI (accedervi è molto facile: basta andare nella parte sinistra della home page del sito web della SCI www.soc.chim.it e cliccare il link canale YouTube. Ritengo, inoltre, importante iscriversi e anche questo è facilissimo: nella home page del canale YouTube è visibile un rettangolo rosso a destra con la scritta “Iscriviti”. Basta cliccarci sopra e si è automaticamente iscritti).

In conclusione, la raccomandazione che mi sento di fare ai docenti è: state “addosso” agli studenti; ora che siete lontano da loro è molto più necessario di quando erano a scuola sotto i vostri occhi vigili.

[1]   B.Z. Shakhashiri, Chemical Demonstrations – A handbook for the teachers of Chemistry, The University of Wisconsin Press, 1983, vol. 1, p. xiv.

Elementi della tavola periodica: Rame, Cu

Mauro Icardi

Rame: simbolo chimico Cu, numero atomico 29, peso atomico 63,546. Elemento conosciuto praticamente da sempre, se si pensa che in Turchia sono stati rinvenuti oggetti in rame risalenti al 7000 a.C.

Ötzi il corpo mummificato di un uomo risalente al 3200 a.C. ,rinvenuto sulle Alpi , ha come corredo un’ascia con la punta di rame.

E’ un metallo duttile, malleabile, e dopo l’argento è il migliore conduttore di elettricità e di calore. Si può trovare in natura allo stato di rame nativo, oppure sotto forma di sali come il solfuro rameoso o calcosite (Cu2S), solfuro di ferro e rame o calcopirite (CuFeS2), e nei composti quali la cuprite (Cu2O). Il simbolo Cu che lo rappresenta deriva dall’abbreviazione di “Cuprum”, dal greco Kyprios, l’isola di Cipro dai cui giacimenti minerari si estraeva il metallo.

I principali paesi produttori di rame sono CILE (Produzione mineraria: 5.5 milioni di tonnellate), PERÙ (Produzione mineraria: 2,3 milioni di tonnellate). Il Perù ha sorpassato la Cina, diventando il secondo più grande produttore del mondo. Nel futuro è possibile che la produzione di rame del paese possa aumentare ulteriormente, CINA (Produzione mineraria: 1,74 milioni di tonnellate), STATI UNITI (Produzione mineraria: 1,41 milioni di tonnellate).

Il rame si utilizza nel processo cuproammoniacale per la produzione di seta artificiale, ed è usato come anticrittogamico. Io ricordo molto bene la preparazione della poltiglia bordolese da spruzzare sulle viti con l’irroratrice a spalla. Nelle estati trascorse dai nonni in Monferrato, ascoltavo con curiosità ed interesse le conversazioni relative alla coltivazione della vite, che si svolgevano a volte sulla piazza principale del paese. La poltiglia bordolese è il rimedio più antico contro la peronospora: per ottenerla si fa disciogliere 1 hg di solfato di rame in 10 litri di acqua, quindi si aggiunge 1 hg di calce spenta in polvere. Il prodotto va tenuto agitato e irrorato subito, altrimenti la calce, in sospensione, decanta sul fondo del recipiente. Oggi si preferiscono prodotti già pronti, in polvere bagnabile o allo stato colloidale, a base di ossicloruro di rame; possono essere mescolati allo zolfo e costituire così un rimedio anche contro l’oidio. Io però ricordo i contenitori all’inizio dei filari, con un lungo bastone per il mescolamento della sospensione, e l’utilizzo ancora per buona parte degli anni 70.

Del rame si fa presto esperienza, anche semplicemente togliendo la copertura isolante di un filo elettrico, oppure perché in qualche casa di campagna è usuale vedere pentole e tegami di rame, che in qualche caso sono diventati elementi di arredo. Nel tempo le pentole in rame sono state progressivamente abbandonate, in quanto la possibile solubilizzazione del rame da parte di acidi organici contenuti negli alimenti, poteva dar luogo ad intossicazioni.

Ma le notizie di cronaca ci hanno anche parlato dei furti di rame, tanto che è stato istituito presso il dipartimento della Pubblica sicurezza, direzione centrale della Polizia criminale, l’osservatorio nazionale su questo fenomeno. Negli ultimi anni i furti sono tendenzialmente diminuiti. Ricordo che invece erano frequenti negli anni 2008-2009 periodo che molti osservatori ed analisti fanno coincidere con l’inizio della crisi economica attuale. L’incremento dei prezzi delle materie prime, iniziato nei primi mesi del 2008 che vide salire il prezzo del petrolio al valore record di 147$ al barile il giorno 11 luglio 2008, la crisi alimentare mondiale e l’aumento del prezzo del grano, un’elevata inflazione globale, la minaccia di una recessione provocarono l’inizio di questo fenomeno.

Iniziarono furti di rame nei cimiteri, nelle sottostazioni elettriche. Si rimuovevano le guaine isolanti dai cavi elettrici, in qualche caso anche bruciandoli, con ovvie emissione di fumi tossici. La stabilizzazione della produzione, ed il calo conseguente del prezzo, oltre a maggiori controlli da parte delle forze dell’ordine hanno diminuito il fenomeno, che però non è stato eliminato completamente. Su un impianto di grosse dimensioni gestito dalla società per la quale lavoro, si è resa necessaria l’istituzione di un servizio di sorveglianza, dopo che si erano verificati ben tre fermi impianto a causa dei furti. Situazioni simili si sono verificate sulle linee ferroviarie.

Episodi di questo genere devono farci riflettere: la terra non può essere sovrasfruttata, anche per quanto riguarda l’estrazione di minerali. Le nuove tecnologie estrattive non potranno prescindere da un uso più attento e consapevole delle risorse. E anche le nostre abitudini personali dovranno necessariamente conformarsi alla constatazione (forse per molti non così semplice), che anche gli elementi chimici in futuro potranno diventare scarsi, o per meglio dire non più economicamente sfruttabili. Con tutte le conseguenze del caso.

L’andamento del mercato del rame può esser preso come termometro della situazione politico-economica internazionale, ma risente notevolmente anche di manovre speculative. Il prezzo infatti è influenzato non solo dal tenore del minerale e dai costi d’impianto, ma anche dalla situazione politica internazionale. Inoltre a periodi di scarsa disponibilità seguono periodi in cui le scorte si accumulano. Dal punto di vista della provenienza, il 60% del rame proviene dalle miniere; il restante 40% è ricavato dal riciclo dei rottami. I giacimenti da cui si estrae il metallo hanno un tenore medio dell’1,5%; sono quindi necessarie grandi operazioni di scavo, di concentrazione e di arricchimento. Per quanto riguarda il recupero i rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche potrebbero diventare delle vere e proprie miniere urbane o urban mining; basti pensare che da una tonnellata di schede elettroniche, si possono ricavare più di 2 quintali di rame.

Il rame è un normale componente dell’organismo umano. Un uomo adulto ne contiene da 70 a 180 mg. Questo metallo svolge un importante ruolo nella formazione del tessuto nervoso, osseo e connettivo, ed e presente in molti enzimi.

Dal punto di vista ambientale il rame è un metallo frequente nel regno animale e vegetale. Il catione monovalente (Cu+)) è parte integrante del pigmento respiratorio dei molluschi, l’emocianina.

Nelle acque superficiali la concentrazione di rame è normalmente di poco inferiore ad 1 mg/lt. Il rame monovalente in acqua viene rapidamente ossidato a rame bivalente (Cu++) che in gran parte viene adsorbito su solidi in sospensione o sedimenti.

Il rame è un elemento pericoloso per le pecore, che vanno soggette ad avvelenamento da questo metallo. Un episodio di questo genere è narrato dal veterinario inglese James Herriot in uno dei suoi libri (“Beato tra le bestie”) pubblicato in Italia nel 1977.

http://www.interno.gov.it/it/ministero/osservatori/osservatorio-nazionale-sui-furti-rame

https://copperalliance.it/industria-rame/dove-si-trova/

Una rappresentazione moderna del ciclo del rame

An ‘‘anthrobiogeochemical’’ copper cycle, from Earth’s core to the Moon, combining natural biogeochemical and human anthropogenic stocks and flows is derived for the mid-1990s. Although some aspects of the quantification have moderate to high uncertainty, the anthropogenic mining, manufacturing, and use flows (on the order of 104 Gg Cu/yr) clearly dominate the cycle. In contrast, the natural repositories of Earth’s core, mantle, and crust, and of the Moon, hold much higher stocks of copper (>1010 Gg) than do anthropogenic repositories (<106 Gg). The results indicate that the present anthropogenic rate of copper extraction exceeds the natural rate of renewal by 􏰁106.

Citation: Rauch, J. N., and T. E. Graedel (2007), Earth’s anthrobiogeochemical copper cycle, Global Biogeochem. Cycles, 21, GB2010, doi:10.1029/2006GB002850.

Attività fisiologica del rame e morbo di Alzheimer.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex presidente SCI

Come elemento essenziale in tracce il rame è un componente  funzionale di varie importanti proteine intracellulari ed extracellulari e di enzimi come superossido dismutasi (che trasforma i radicali liberi in perossido di idrogeno), citocromo ossidasi, metallotioneina, ceruloplasmina, ferrossidasi II, monoaminossidasi Sebbene il rame sia frequentemente indicato come metallo tossico perché catalizza la formazione di specie reattive dell’ossigeno attraverso la sua partecipazione alla reazione di Fenton o per la sua formazione di complessi tossici, questo elemento in tracce è importante per mantenere l’omeostasi nel sistema nervoso centrale.

Il rame legato alle proteine agisce come un cofattore o come un gruppo prostetico; in particolare i cuproenzimi rame, zinco – superossido dismutasi (Cu,Zn-SOD) e la ceruloplasmina sono importanti per preservare lo stato redox intracellulare ed extracellulare e per la protezione dal danno ossidativo. Dal momento che queste proteine dipendono dalla presenza di ioni rame e sono i principali sistemi antiossidanti nel cervello, è probabile che la somministrazione di rame ad animali possa essere neuroprotettiva, sotto certe condizioni sperimentali, attraverso l’attivazione di cuproproteine o l’aumentata emivita di apoproteine . Il rame è necessario all’organismo per utilizzare il ferro nella sintesi dell’emoglobina dal momento che la la citocromo oxidasi, un enzima necessario per la produzione del sangue,richiede la presenza del rame, la sua carenza può quindi provocare anemia.
È anche uno dei più importanti antiossidanti del sangue e previene l’irrancidimento degli acidi grassi polinsaturi e aiuta la membrana cellulare a rimanere sana. È necessario per tenere uniti collagene ed elastina, per la produzione di melanina e per il metabolismo energetico. Contribuisce alla conversione dell’aminoacido tirosina in un pigmento scuro (melanina) che colora i capelli e la pelle. Infatti attraverso l’enzima tirosinasi catalizza la formazione della melanina e attraverso la lisil-ossidasi ha un ruolo importante nella formazione del collagene, che è la proteina principale che si trova nella nostra pelle. Oltretutto il collagene è presente anche nelle ossa: alcune ricerche evidenziano che fratture, anomalie scheletriche e osteoporosi sono più frequenti se vi è carenza di rame. Partecipa ai processi di cicatrizzazione.

Function and Regulation of Human Copper-Transporting  Physiol Rev 87: 1011–1046, 2007; doi:10.1152/physrev.00004.2006ATPases SVETLANA LUTSENKO, NATALIE L. BARNES, MEE Y. BARTEE, AND OLEG Y. DMITRIEV

Function and Regulation of Human Copper-Transporting Physiol Rev 87: 1011–1046, 2007; doi:10.1152/physrev.00004.2006ATPases SVETLANA LUTSENKO, NATALIE L. BARNES, MEE Y. BARTEE, AND OLEG Y. DMITRIEV

È coinvolto nella funzionalità del sistema immunitario.
È necessario per la sintesi dei fosfolipidi, sostanze essenziali nella formazione delle membrane protettive della mielina che circondano le fibre nervose. Enzimi a base rame intervengono nella sintesi dei neurotrasmettitori, i messaggeri chimici che permettono le comunicazioni attraverso le cellule nervose. Partecipa alla produzione del neurotrasmettitore noradrenalina.
Ha un ruolo nel processo di ossidazione della vitamina C e collabora con questa vitamina alla formazione dell’elastina, una componente fondamentale delle fibre elastiche dei muscoli del corpo; è necessario per la formazione di una buona struttura ossea. È necessario anche per la produzione dell’RNA.
Attraverso la superossido-dismutasi, combatte l’ossidazione cellulare, aiutando a neutralizzare i radicali liberi che altrimenti causerebbero danni alle cellule stesse.
La capacità di assorbimento del rame viene ridotta dalla presenza di zinco.
La carenza di rame  provoca sintomi simili a quelli da carenza di ferro dei quali il più evidente è l’anemia. La carenza di rame ha notevoli ripercussioni su certi tipi di cellule, come i macrofagi e i neutrofili. La funzionalità del sistema immunitario è stata studiata in bambini carenti di rame, prima e dopo la cura. È stato rilevato che la attività dei fagociti (cellule che inglobano materiale estraneo) è aumentata dopo l’assimilazione di rame. Tra gli effetti collaterali dovuti alla carenza di rame si registrano anche l’ingrossamento cardiaco, le arterie con muscolatura liscia degenerata e aneurismi alle arterie ventricolari e coronariche.
Un eccesso di rame produce irregolarità nelle mestruazioni, perdita di capelli e insonnia e abbassamento della quota di zinco presente.
Il fabbisogno giornaliero nell’adulto è di circa 2-3 mg.
Le fonti naturali sono: carne in genere, noci, cereali e pane integrale, legumi.
Il rame è un minerale in traccia presente in tutti i tessuti dell’organismo in quantità che vanno dai 75 ai 100 mg. Durante la crescita la percentuale più alta si trova nei tessuti in via di sviluppo.

Copper_metabolism
Il rame influenza anche il metabolismo del colesterolo: adulti sottoposti ad una dieta povera di rame hanno registrato un aumento dei livelli del colesterolo LDL (quello ‘cattivo’) e una diminuzione del colesterolo HDL (quello ‘buono’). L’uso del rame come catalizzatore per saggiare la resistenza delle LDL alle modificazioni ossidative in presenza di antiossidanti è significativamente dovuta all’azione di ione nella promozione dell’ossidazione delle lipoproteine in due modi: 1) al livello della porzione proteica; 2) al livello della porzione lipidica decomponendo gli idroperossidi lipidici preesistenti per dare alcossilradicali che iniziano ulteriore perossidazione lipidica. Il rame attivo redox è stato rivelato nelle lesioni aterosclerotiche indicando che può agire anche come proossidante e come agente aterogenico.
Basse assunzioni di rame influenzano negativamente il corretto metabolismo del glucosio e la pressione sanguigna.
Il rame è anche necessario durante la gravidanza. Il feto dipende completamente dalla madre per il suo fabbisogno di rame. Il feto accumula rame alla velocità di 0,05 mg/giorno (soprattutto nell’ultimo trimestre) e alla nascita ha mediamente 15 mg di rame, di cui più della metà immagazzinata nel fegato. Queste riserve sono importanti nella primissima infanzia, quando l’assunzione di rame è relativamente bassa. Gran parte del restante rame si trova nel cervello. Per i neonati, il rame si trova nel latte materno. La concentrazione media di rame nel latte materno è 0,32 mg/litro; sebbene questa concentrazione sia più bassa rispetto al latte artificiale, il rame del latte materno viene assorbito meglio essendo maggiormente biodisponibile. A dimostrazione dell’importanza del rame, il latte artificiale per i neonati prematuri arriva a contenere fino a 1-2 mg/litro: questo è necessario poiché hanno avuto meno tempo per accumulare rame durante la gestazione.
La citocupreina (proteina citoplasmatica contenente rame) è una famiglia di metalloproteine distribuite nelle cellule e nei tessuti degli eritrociti (eritrocupreina), del fegato (epatocupreina) e del cervello (cerebrocupreina).
Giunge ora dall’Ospedale Fatebene fratelli di Roma una notizia importante che riguarda questo metallo: attraverso una misura della concentrazione del rame nel sangue si può prevedere in persone che presentino qualche segnale di declino cognitivo se siano avviate a contrarre il morbo di Alzheimer. La determinazione riguarda il rame libero,cioè non complessato (per le attività antiossidanti nell’uomo i complessi del rame con gli antiossidanti endogeni risultamo più attivi delle stesse molecole antioosidanti libere) che può raggiungere il cervello e danneggiarlo.Lo studio di verifica pubblicato su Annals of Neurology riguarda 140 pazienti con qualche iniziale problema di memoria. Sotto accusa, secondo l’articolo, sarebbe la capacità di questo metallo di stimolare la produzione di una proteina tossica, la beta-amiloide, e impedirne lo smaltimento. (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ana.24136/abstract)*

In condizioni normali, la beta-amiloide viene rimossa dal cervello grazie all’azione di un’altra proteina, denominata proteina-1, collegata al recettore della lipoproteina (lipoprotein receptor-related protein 1, o LRP1) che si trova nell’epitelio dei capillari che arrivano al cervello. Legandosi alla beta-amiloide che si trova nel tessuto cerebrale, la LRP1 ne consente il trasporto all’interno dei vasi sanguigni e il successivo smaltimento. Se questo processo viene alterato, l’esito ultimo è l’accumulo della beta-amiloide è la formazione di placche nel sistema nervoso, caratteristiche della malattia di Alzheimer.

* Value of serum nonceruloplasmin copper for prediction of mild cognitive impairment conversion to Alzheimer disease

Rosanna Squitti PhD  et al.    Annals of Neurology    Volume 75, Issue 4, pages 574–580, April 2014

I metalli e lo stress ossidativo: il rame

a cura di Luigi Campanella

rameIl nostro organismo ha sviluppato nella sua evoluzione dei metodi di difesa molto complessi e delicati, ma queste difese non sono sempre efficaci al 100%, in particolare nell’eliminare i radicali liberi dall’organismo; esistono infatti delle situazioni, patologiche e non, in cui la produzione di radicali liberi aumenta in modo tale che la “barriera” di difese antiossidanti di ciascun individuo non è più in grado di neutralizzarli: si creano le condizioni di stress ossidativo. Il perdurare del rischio ossidativo, dovuto a queste molecole altamente reattive, può determinare delle reazioni a carico delle strutture cellulari che innescano processi di invecchiamento su tutti i tessuti (e che generano, tra l’altro, malattie della pelle, infiammazioni, perdita di elasticità dei vasi sanguigni e persino tumori), non immediatamente visibili, ma che si manifestano nel corso tempo. Sono sempre più numerosi gli studi di tecniche analitiche finalizzate alla determinazione del grado di stess ossidativo dell’organismo, attraverso la rilevazione della quantità di radicali liberi presenti nel sangue o in altri liquidi biologici. Proprio da questi studi è emersa una stringente correlazione tra l’aumento di radicali liberi e la presenza di diversi fattori scatenanti quali il fumo di sigaretta, lo stress psico-fisico, l’inquinamento ambientale, l’assunzione di farmaci, malattie (allergie, infiammazioni, infezioni, ipertensione, diabete, ecc.), l’eccessiva esposizione solare, regimi alimentari non bilanciati e diete dimagranti drastiche, e anche un’attività fisica molto intensa, inoltre l’uso della pillola contraccettiva e gli estrogeni utilizzati durante la menopausa. In tutti questi casi quindi si rende utile l’apporto esterno di agenti antiossidanti in grado di disattivare o stabilizzare i radicali liberi prima che attacchino la cellula, senza dimenticare che anche normali condizioni di salute non mettono completamente al riparo dallo stress ossidativo. L’efficienza del sistema antiossidante dell’organismo diminuisce fisiologicamente con l’età, e ciò conduce ad un aumento del rischio di patologie età-dipendenti.

Le sostanze vegetali rappresentano la principale fonte di sostanze antiossidanti, non solo per il loro contenuto vitaminico, ma soprattutto per la presenza di miscele complesse e uniche di composti chimici, come i flavonoidi e i polifenoli. Una dieta ricca di frutta e verdura può ridurre il rischio di patologie croniche e degenerative, non tanto in relazione alle vitamine contenute, ma al fitocomplesso di antiossidanti e all’azione concentrata di diversi composti chimici. Il rame, talvolta indicato come antiossidante, non possiede di per sé questa attività, ma è necessario per garantire la funzionalità dei sistemi antiossidanti dell’organismo; in bassissime concentrazioni (tracce) è necessario allo svolgersi delle normali funzioni metaboliche, ma è tossico a dosaggi superiori.

Il rame, grazie ai suoi due stati ossidativi, partecipa all’attività di metalloenzimi che trasferiscono elettroni (ossidasi): citocromo-ossidasi, tioloossidasi, DOPA ossidasi e superossido dismutasi. Risulta di conseguenza un elemento essenziale per il metabolismo energetico a livello cellulare, per la produzione di tessuto connettivo e per la sintesi di peptidi neuroattivi (catecolamine, encefaline). Partecipa alla catena respiratoria, nterviene nella sintesi dell’emoglobina (con il ferro) e nell’attività di cheratinizzazione e pigmentazione dei capelli e della cute. Ha inoltre influenza sulla funzionalità cardiaca. Il contenuto totale nell’organismo varia da 50 a 120 mg di cui 40% nei muscoli, 15% nel fegato, 10% nel cervello, 10% nel sangue ed il restante nel cuore e nei reni.

Il rame ingerito come solfato di rame incomincia ad essere tossico a partire da 10 mg/die. L’assunzione di rame con gli alimenti è molto meglio tollerata, ed è stato suggerito che la soglia di tolleranza  possa essere aumentata a 35 mg. In attesa di ulteriori verifiche le raccomandazioni europee suggeriscono di mantenere la soglia di tossicità a 10 mg/die (Commission of the european Communities, 1993).

Function and Regulation of Human Copper-Transporting  Physiol Rev 87: 1011–1046, 2007; doi:10.1152/physrev.00004.2006ATPases SVETLANA LUTSENKO, NATALIE L. BARNES, MEE Y. BARTEE, AND OLEG Y. DMITRIEV

Function and Regulation of Human Copper-Transporting Physiol Rev 87: 1011–1046, 2007; doi:10.1152/physrev.00004.2006ATPases
SVETLANA LUTSENKO, NATALIE L. BARNES, MEE Y. BARTEE, AND OLEG Y. DMITRIEV

Il rame è contenuto in maggiori quantità nel fegato e nel rene, nei molluschi ed in alcuni frutti (avocado, noci, nocciole, uva secca). In genere, una dieta equilibrata fornisce quantità adeguate di rame.

In Italia i livelli di ingestione giornaliera sono compresi tra 3 e 4.5 mg per persona al giorno (con punte di 5.3 mg per giorno in Lombardia). Gli alimenti che risultano le maggiori fonti di rame in Italia sono gli amilacei, la frutta, le carni, il pesce e le uova. Per i bambini, le raccomandazioni sono calcolate con metodo fattoriale sulla base del contenuto tissutale (1.38 microgrammi/g), delle perdite endogene e dell’assorbimento, stimando  nel 50% della quota ingerita. Si raccomandano livelli di ingestione che vadano da 30 microgrammi/kg/die per bambini di 1-6 anni a 18 microgrammi/kg/die per adolescenti di 15-18 anni di età (Commission of the european Communities, 1993).

Model for intestinal Cu absorption and peripheral distribution. From the following article Mechanisms for copper acquisition, distribution and regulation Byung-Eun Kim, Tracy Nevitt & Dennis J Thiele Nature Chemical Biology 4, 176 - 185 (2008) Published online: 15 February 2008 doi:10.1038/nchembio.72

Model for intestinal Cu absorption and peripheral distribution.
From the following article
Mechanisms for copper acquisition, distribution and regulation
Byung-Eun Kim, Tracy Nevitt & Dennis J Thiele
Nature Chemical Biology 4, 176 – 185 (2008) Published online: 15 February 2008
doi:10.1038/nchembio.72

I neonati prematuri di peso inferiore a 1500 g necessitano di maggiori apporti di rame, poiché non si è verificato l’accumulo di rame che copre normalmente il fabbisogno del bambino fino all’epoca dello svezzamento. Il livello raccomandato da un gruppo di esperti dell’OMS è di 80 microgrammi/kg/die.

In gravidanza si pensa che l’aumento del fabbisogno legato al feto sia ampiamente soddisfatto dagli alimenti metabolici materni. Non è pertanto necessario raccomandare assunzioni più elevate di quelle dell’adulto.

Il latte umano è particolarmente ricco di rame (0.22 mg/dl); durante l’allattamento si verifica un aumento dell’apporto di 0.3 mg/die per la produzione di 750 ml di latte al giorno, stimato nel 50% la quota assorbita dalla dieta.

Negli adulti, studi metabolici di bilancio non forniscono dati conclusivi sui fabbisogni di rame. Sembra però che il bilancio possa essere raggiunto  con quantità di circa 1.2 mg/die.

L’escrezione del rame viene attraverso le urine, il sudore, la bile. Il circolo enteroepatico e la modulazione dell’assorbimento intestinale concorrono al mantenimento dell’omeostasi dell’elemento.

Stati di carenza in rame sono stati osservati nell’infanzia in neonati pretermine, in lattanti alimentati con latte vaccino non modificato, in bambini malnutriti. Nell’adulto si rivelano casi di carenza in soggetti in nutrizione parenterale totale, nella malnutrizione proteico-energetica, in soggetti con dieta ricca di zinco e povera di proteine e con dieta particolarmente ricca di fibre.

Un’alterazione genetica con un alterato assorbimento e trasporto del rame è presente nella sindrome di Menkes, caratterizzata da un grave stato di carenza. Le manifestazioni carenziali sono: neutropenia, leucopenia, anormalità scheletriche (grave osteoporosi e fratture patologiche anche nell’infanzia), aumento della suscettibilità alle infezioni, soprattutto di tipo respiratorio, anemia nelle forme prolungate e severe. La carenza di rame può essere rilevata da basse concentrazioni plasmatiche di rame e di ceruloplasmina.

Non sono noti casi di tossicità di rame se non per ingestione volontaria o per accidentale contaminazione di bevande. Gli effetti della tossicità acuta sono l’emolisi intravascolare, la necrosi epatocellulare ed alterazioni a carico del tubolo renale. In caso di esposizione cronica a bevande contaminate da parte di tubazioni o di recipienti il rame si accumula nel fegato, provocando necrosi epatocellulare, insufficienza e cirrosi epatiche; sono particolarmente suscettibili neonati e bambini. L’assorbimento del rame introdotto con gli alimenti avviene al livello del tenue, tramite il legame con una metallotioneina; la quota assorbita è stimata tra il 35 e il 70%. L’assorbimento è favorito in condizioni di pH acido, è inibito dai fitati, dal calcio, da altri oligoelementi, in particolare dallo zinco, il cui metabolismo è legato a quello del rame.

ceruloplasminaIl rame viene trasportato in circolo per la maggior parte legato alla ceruloplasmina (90-95%): la concentrazione plasmatica normale è di circa 100  microgrammmi/dl. La ceruloplasmina partecipa all’ossidazione di numerosi substrati tra cui l’adrenalina, la serotonina, l’ascorbato, il Fe2+ (ossidato a Fe3+), il Mn+2 (ossidato a Mn+3), potrebbe inoltre agire da “scavenger” nei confronti dei radicali liberi nel plasma.

È stata valutata l’influenza del rame ione sulla capacità antiox; così nel caso di un antiossidante endogeno, il glutatione, e di tre esogeni, l’acido ascorbico (naturale), il trolox (analogo sintetico di un antiossidante naturale), il n-propilgallato (sintetico), attraverso la determinazione delle costanti di formazione dei complessi antiossidante/rame, si è cercato di interpretare il ruolo del metallo.

acido ascorbico

acido ascorbico

glutatione

glutatione

n-propil-gallato

n-propil-gallato

trolox

trolox

Gli antiossidanti citati sono leganti polidentati e coordinano il rame con formazione di complessi. La stabilità di questi complessi è definita quantitativamente dai valori delle costanti di formazione K. I valori di K sono stati determinati sperimentalmente, a 25 °C, in

presenza di perclorato di sodio 1M (elettrolita di supporto), con il metodo della voltammetria ciclica, seguendo una procedura classica riportata in letteratura. I complessi tra mole di rame ione e moli di agente chelante sono rispettivamente, 1:3 per l’acido ascorbico, 1:2 per il glutatione, 1:4 per il n-propilgallato, 1:2 per il trolox. Il rame è coordinato attraverso gli atomi di zolfo, di azoto del gruppo amminico, dell’ossigeno dei gruppi carbossilici del glutatione ed attraverso gli atomi di ossigeno dei gruppo ossidrilici e carbossilici di acido ascorbico, n-propilgallato, trolox. Gli alti valori di K (≥ 1010) indicano la formazione di complessi stabili a struttura ciclica. Peraltro si rileva che la scala del potere antiossidante e quella della stabilità dei complessi vanno nello stesso ordine e che i due antiossidanti più forti sono caratterizzati da un minore valore del rapporto metallo/legante.

L’effetto del rame sulla capacità antiossidante degli antiossidanti considerati risulta positivo: infatti i complessi risultano più antiossidanti dei complessanti da soli. Il rame ione, aggiunto alle soluzioni degli antiossidanti ad una concentrazione ≥ 10-3 mol/L, influenza – con correlazione lineare – la capacità antiossidante. Gli effetti più rilevanti si manifestano sugli antiossidanti esogeni n-propilgallato (sintetico) e acido ascorbico (naturale). Non appare una correlazione fra la stabilità dei complessi e l’incremento del potere antiossidante. Le differenze di stabilità sono relativamente modeste, ma se si considerano il trolox ed il n-propilgallato i cui complessi con il rame sono rispettivamente il più debole ed il più stabile fra quelli formati si vede che il rapporto massimo rmax fra la capacità antiossidante dopo e prima dell’aggiunta del rame è per entrambi intorno a 6. È quindi da prevedere che è sufficiente una complessazione mediamente stabile (K = 1010) per garantire una stabilità all’antiossidante e quindi una sua maggiore attività.

Antiossidante

Capacitò Antiossidante

rmax

[Sale di rame]=0 [Cu(NO3)2•3H20]=10-2 mol/L [CuSO4)
=10-2 mol/L
[CuCl2•2H20]
=10-2 mol/L
Acido Ascorbico 1.00 6.343 4.693 3.959 6.343
Glutatione 0.298 2.210 1.127 5.652 18.966
n-propilgallato 1.822 7.921 7.045 11.063 6.071
Trolox 1.020 2.948 5.793 1.694 5.679

per approfondire: http://it.wikipedia.org/wiki/Rame

http://en.wikipedia.org/wiki/Copper_in_health

Judith R Turnlund, Human whole-body copper metabolism Am J Clin Nutr May 1998 vol. 67 no. 5 960S-964S  scaricabile da http://ajcn.nutrition.org/content/67/5/960S.full.pdf+html