Sulla DHI-melanina
Nota di Marco Olivieri* e del socio Rodolfo A. Nicolaus**

 

Key words: melanins, fullerenes, cosmids, MALDI, conducting polymers, X-ray diffraction, DHI-melanin, black particles, tensegrity.

Riassunto – Una protoparticella del nero di DHI viene proposta. La presenza di un sito porfirino-simile nella struttura riferita a 16 unità indoliche rende conto di alcune proprietà delle melanine.

 

Le particelle nere sono presenti nella biosfera (melanine), nella litosfera (minerali, carbone, petrolio, grafite, scisti bituminosi, fullereni, solfuri), nell’atmosfera (fumi, polluttanti primari e secondari), nell’idrosfera (mare, laghi, fiumi) e nel cosmo (cosmoidi e grafite). Le particelle degli spazi interstellari possono essere dei neri derivati da uno o più sistemi eterociclici come mostrato nella tavola 1.

Materiali neri si possono ottenere anche per sintesi come ad esempio il nero di pirrolo. Tutti questi materiali hanno in comune un caratteristico segnale EPR (Electronic Paramagnetic Resonance) e la conducibilità in semiconduttori amorfi con piccolo gap.

Le melanine [1] sono pigmenti prodotti da cellule specializzate tipo melanociti nel caso dei vertebrati omeotermi e melanofori nel caso di quelli eterotermi. Esempi di melanine sono quelle dell’iride, dei peli, della cute; particolari sono quelle del cervello (substantia nigra) e dell’inchiostro dei cefalopodi.

Le melanine costituiscono un materiale insolubile ed infusiblie difficilmente purificabile. Per questo motivo quasi tutto il materiale sperimentale raccolto nello studio chimico e fisico delle melanine è di difficile interpretazione.

Le melanine possono avere origine da diverse molecole dette melanogeni. Questi sono in genere composti ossidrilati (ortodifenolici) di sistemi aromatici quali benzene, indolo, pirrolo, piridina, chinolina. Sostanze di interesse biologico che hanno la proprietà di produrre particelle nere sono la DOPA, il DHI (5,6-dihydroxindole), il DHICA (5,6-dihydroxindole-2-carboxylic acid), la dopamina, l’adrenalina, la serotonina, la 5,6-diidrossitriptamina [2], la 6,7-diidrossi-1-metil-tetraidroisochinolina (salsolinolo) [3]. Tutte le sostanze riportate nella tavola 1 possono, in diverse condizioni, produrre materiale nero con una reazione complessa di tipo radicalico. Le particelle (in biologia melanosomi) si presentano in genere sotto forma sferica o ovoidale (rugby or soccer ball). E’ possibile che questi materiali costituiscano dei sistemi a gabbia di tipo fullerenico o strutture grafitiche a sandwich.

La prima fase polimerica della melanogenesi consiste nella formazione di oligomeri in cui sono presenti catene policoniugate dette anche spine di Little [4]. Si deve osservare che la spina può da sola risultare anche isolante. Se opportunamente sostituita da gruppi quaternari laterali in cui la carica può interagire con gli elettroni che si muovono nella spina, si produce lo stato superconduttivo e cioè si forma una particolare macromolecola organica dotata delle proprietà di un superconduttore alla luce della teoria BCS [5]. E' curioso notare che nel modello Little la spina era il nero di acetilene e le catene laterali erano costituite dallo ioduro di dietilcianina, un noto fotosensibilizzatore. Considerando che il polimero derivato dal DHI si autoassembli a partire da 16 unità (magic number?) si avrebbero le strutture (aromatiche) rappresentate nelle tavole 2 e 3. Le strutture, tra le tante possibili, delle tavole 2 e 3 differiscono tra loro per la presenza di anelli furanici. Queste sono teoricamente dei semiconduttori [7] o dei superconduttori organici [5].

La seconda fase di polimerizzazione è caratterizzata dall’autoassemblaggio delle varie unità fino a raggiungere strutture grafitiche del tipo mostrato nella tavola 4.

La prima fase si può verificare esaminando i prodotti della reazione con la spettrometria di massa MALDI e MALDI-TOF. Si può rilevare la presenza di oligomeri (indolici) fino ad 11 unità, ossidando la dopamina con perossidasi/H2O2 e fino ad 8, ossidando la tirosina con tirosinasi [2], [6].

La struttura mostrata nella tavola 4, derivata dalla polimerizzazione e policondensazione del DHI, può rappresentare una delle possibili protoparticelle e spiegare alcune proprietà chimiche e fisiche delle melanine e delle particelle nere, suggerendo subito l’esistenza di bande di energia di elettroni liberi e delle proprietà di semiconduttore [7]. Da un punto di vista chimico va tenuto presente che la particella dovrebbe essere rappresentata, secondo la teoria poliindolchinonica [1], da C8H3O2N, invece essa tende ad una formula avente le proporzioni atomiche C8H5.6O3.7N1.1. Altra discrepanza è il fatto che la particella possiede gruppi -OH, -COOH e centri cationici capaci di legare acidi come HCl.

Tutte le melanine si trovano sotto forma di sali insolubili. Per esempio la melanina dell'inchiostro della Sepia officinalis è un sale di Ca e Mg. Gli acidi melanici corrispondenti perdono CO2 per riscaldamento, anche blando. Le melanine sono sensibili alla luce, alla pressione, all’ossigeno e ai perossidi. Tutte queste variabili rendono difficile lo studio delle melanine. Le melanine e la DHI-melanina reagiscono con Cl2, CH2N2, sali di diazonio, si legano con H2O, droghe, ioni e gas mostrando le stesse proprietà del carbone attivo o charcoal. La gabbia melaninica esplode sotto l’azione del laser [8] ricordando il comportamento dei fullereni giganti. Il laser del MALDI produce la frammentazione della sepiomelanina con formazione di prodotti a basso peso molecolare (da essere pubblicato). La chimica e fisica dei fullereni giganti (es. C540) è interessante per lo studio delle melanine. Infatti un fullerene gigante è essenzialmente un monostrato di esagoni con carboni sp2 che si piega tra dodici cuspidi pentagonali necessarie per la chiusura. Queste strutture hanno fornito la chiave per interpretare l’interno delle microparticelle di carbonio [9].

Le sostanze e gli ioni si legano alla melanina sia per una reazione chimica di salificazione (carbossili, basi azotate) o con complessi di coordinazione tipo porfirine, sia per un fenomeno interstiziale. Questi fenomeni sono da tempo conosciuti nei carboni attivi. Composti interstiziali si possono formare nelle strutture proposte anche con i gas. Recentemente [10] sono stati preparati composti interstiziali da piccoli fullereni C60 e C70 con Argo, Cripto e Xeno di formula ArC70, KrC70 e XeC70. I derivati con Xeno e Cripto possono essere stabili a temperatura ambiente anche per mesi. Per le melanine l’intrappolamento di O2 ed H2O può suggerire nuovi meccanismi e funzioni biologiche. Le melanine devono aver avuto un importante ruolo nell'era pre-enzimatica. A questo punto va ricordato che l'idratazione e la disidratazione delle melanine può essere imputabile ad una reazione di addizione di H2O ad un sistema carbonilico (chinonico) già descritto in letteratura [11].


Idratazione di gruppi chinonici

I granuli di melanina (DHI-melanina) sono capaci di legarsi a diverse sostanze chimiche le quali possono essere accumulate nel tempo [12], [13]. Oltre che per numerose sostanze organiche, notevole è anche l’affinità per ioni inorganici [14], [15]. Tutte queste proprietà sono spiegabili con la presenza di un sito porfirino-simile rappresentato nelle tavole 2 e 5. Le strutture indicate sono inoltre in accordo con la formazione dell'acido pirroltetracarbossilico nell'ossidazione delle eumelanine. Le melanine possono essere viste anche come importanti pedine nell’autoassemblaggio che va da: atomi ® molecole ® cellule ® tessuti. E’ stato suggerito che l’autoassemblaggio di atomi di carbonio, molecole di H2O, proteine, virus, cellule segue un principio architettonico detto tensegrità [15], [16]. La melanina è un materiale geodetico universale sensibile alla luce e all’ossigeno. Tale materiale è capace di catalizzare, iniziare, influire su numerose reazioni chimiche, comprese quelle all’origine delle prime molecole dell’autoassemblaggio. Si può inoltre supporre che l’evoluzione biologica potrebbe essere iniziata su un film di melanina piuttosto che aver avuto origine dalla cosiddetta zuppa biologica.

Le strutture porfiriniche proposte nelle tavole 2, 3, 4 e 5 si possono assemblare in sandwich grafitici (tavola 4) con interspazi di 3.4 A in accordo con il valore trovato mediante diffrazione dei raggi X per molte melanine [18]. Nel sistema porfirino-simile la distanza tra gli atomi di azoto è 2.7 A, mentre nella porfina è di 4.3 A. Il sistema porfirinico permette la formazione di complessi di grande interesse in biologia e può spiegare l'affinità della melanina per metalli e ioni, l'attività perossidasica, l'assorbimento di gas, la coordinazione di molecole di H2O, la conduttività. Naturalmente le strutture porfirino-simili rappresentano solo una parte della complessa ed amorfa particella. E' comunque da notare che centri porfirinici compaiono anche in modelli con unità indoliche legate random in accordo con i dati sperimentali di diffrazione dei raggi X della tirosino-melanina [18]. Le melanine sono rappresentate da particelle di dimensione R ~ 15 A. Strutture planari disordinate di 4-8 unità diossindoliche sono assemblate in sandwich grafitici a 4-5 strati e con interspazi di 3.45 A [18], [19]. La presenza di sistemi porfirino-simili suggerisce la possibilità che si realizzi la superconduttività attraverso complessi metallici o con la sola partecipazione di elettroni p dei macrocicli porfirinici sovrapposti [20]. Va inoltre ricordato che molti complessi porfirinici, specie del ferro [4], [21], hanno colori neri elettrici (nero-blu, nero-oro, nero-rame) tipici dei semiconduttori inorganici essendo essi stessi da considerare dei semiconduttori o superconduttori.

La conduttività delle melanine, le gabbie fullereniche, le proprietà di superficie, gli elettroni spaiati, l'idratazione, l'attività interstiziale, cambiano reversibilmente applicando un potenziale elettrico. Tali proprietà rendono questi semiconduttori amorfi naturali di grande interesse per la ricerca biologica. La melanina elettroattiva rappresenta un tipo di substrato colturale che potrebbe giocare un ruolo nel controllo della forma e della funzione di aderenza cellulare.


APPENDICE

Le strutture riportate nelle tavole 1, 2, 3 e 4 sono state realizzate su PC con il programma Isis Draw versione 2.1.1 della MDL Information Systems, inc.

Il modello molecolare 3D " ball & stick " riportato nella tavola 5 è stato realizzato con il programma WebLab ed elaborato graficamente con Rasmol versione 2.4.

Il presente lavoro sarà pubblicato sui Rendiconti dell'Accademia di Scienze Fisiche e Matematiche, Vol. LXVI (1999).


Tavola 1

 


Tavola 2


Tavola 3

 


Tavola 4

 

 


Tavola 5

 


BIBLIOGRAFIA

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