Il rame è un elemento chimico di formula Cu che in condizioni standard si presenta come un solido di colore rossastro.
Storia Il più antico utilizzo medico registrato del rame è menzionato nel papiro Smith, uno dei libri più antichi conosciuti. Questo testo medico egiziano, scritto tra il 2600 e il 2200 a.C., descrive l'applicazione del rame per sterilizzare ferite al torace insieme all'acqua potabile.
Greci, Romani, Aztechi e altri utilizzavano il rame o composti di rame per trattare disturbi come mal di testa, ustioni, vermi intestinali e infezioni auricolari e per l'igiene in generale. Nel XIX secolo, una nuova consapevolezza del potere medico del rame nacque dall'osservazione che i lavoratori del rame sembravano immuni al colera durante l'epidemia del 1832 e quelle successive a Parigi, Francia.
L'uso del rame in medicina si diffuse nel XIX e all'inizio del XX secolo, e una varietà di preparazioni inorganiche di rame vennero usate per trattare adeniti croniche, eczema, impetigine, infezioni tubercolari, lupus, sifilide, anemia e nevralgia facciale.
L'essenzialità del rame è stata scoperta nel 1928 quando fu dimostrato che se i ratti venivano alimentati con un latte povero di rame, non erano in grado di produrre abbastanza globuli rossi. Questa anemia fu curata con l'aggiunta di polveri contenenti rame di fonte vegetale o animale.Hart, E. B., Steenbock, H., and Waddell, J. 1928. Iron nutrition. VII: Copper is a supplement to iron for hemoglobin building in the rat. J. Biol. Chem. 77:797–812.
L'uso del rame come agente antimicrobico continuò fino all'avvento degli antibiotici disponibili commercialmente nel 1932. La diffusione della resistenza agli antibiotici tramite pressione selettiva iniziò e oggi ha reso i batteri resistenti agli antibiotici onnipresenti negli ospedali, case di cura, impianti di lavorazione degli alimenti e allevamenti. Questo ha sollevato la necessità di approcci diversi per tenere a bada i microrganismi patogeni. Una di queste alternative è l'uso di superfici di rame in aree sensibili all'igiene. Sebbene questo approccio non sia nuovo, ha perso importanza e accettazione negli ultimi decenni.
Un rapporto del 1983 che documentava gli effetti benefici dell'uso di ottone e bronzo sulle maniglie delle porte per prevenire la diffusione di microbi negli ospedali è rimasto ampiamente ignorato. Allo stesso modo, l'idea di usare recipienti di rame per rendere potabile l'acqua è stata ripresa solo recentemente come alternativa a basso costo per i paesi in via di sviluppo. Attualmente, vi è un grande interesse nell'uso del rame come materiale auto-sanitizzante, e molte pubblicazioni recenti trattano gli aspetti meccanistici dell'"uccisione per contatto" (uccisione mediata dal contatto) da parte del rame.
Caratteristiche strutturali e fisiche
Abbondanza e disponibilità
Abbondanza
Disponibilità La biodisponibilità del rame dipende da diversi fattori chiave, tra cui:
la composizione chimica delle diverse forme di rame; le concentrazioni di rame disciolto e di rame adsorbito sulle particelle (es. sedimenti sospesi); fattori chimici nell'ambiente locale, tra cui acidità/alcalinità, durezza (es. Ca, Mg), altri cationi (Na, K), anioni, agenti complessanti (es. bicarbonato, cloruro, solfato, solfuro), agenti leganti che impediscono al rame di essere disponibile e materia organica disciolta; interazioni con siti recettoriali biologici ("ligandi biotici"), come le branchie degli organismi acquatici.
I modelli chimico-matematici predittivi accurati, come il modello del legame biotico (BLM), stimano la biodisponibilità del rame in diversi mezzi ambientali:
ambienti d'acqua dolce: gran parte del metallo rilasciato negli ambienti d'acqua dolce è legato ai solidi particellari o alla materia organica disciolta e non è disponibile per essere assorbito dagli organismi. Solo una frazione relativamente piccola del rame totale è disponibile per la vita acquatica. ambienti d'acqua salata: la biodisponibilità del rame nei corpi d'acqua salata, inclusi gli ambienti estuarini e marini, è determinata dalla chimica locale dell'acqua, proprio come negli ambienti d'acqua dolce. Nei corpi d'acqua salata vicino alla costa, le variazioni della materia organica disciolta e, in misura minore, della salinità governano in gran parte la biodisponibilità del rame. suoli (terrestri) e sedimenti (acquatici): quasi tutto il rame nei suoli e nei sedimenti è legato alla materia particellare. L'esposizione agli organismi dipende solo dalla piccola quantità di rame biodisponibile nelle acque interstiziali.
I modelli di biodisponibilità possono essere usati per stabilire soglie di sicurezza per gli organismi che vivono nei vari ambienti:
l'Unione europea consente la dichiarazione di "nessun rischio" per i metalli nei suoli, nei sedimenti e nelle acque superficiali in base ai principi di biodisponibilità; negli Stati Uniti vengono utilizzati modelli di biodisponibilità per stabilire criteri locali di qualità ambientale dell'acqua per il rame nelle acque dolci e si sta valutando una versione del Modello del Legando Biotico per le acque marine; il Canada sta valutando il Modello del Legando Biotico per le sue linee guida sulla qualità delle acque dolci; il Vietnam sta considerando l'uso del Modello del Legando Biotico per i suoi standard di qualità delle acque, compresi quelli del Bacino del Mekong; Cina, Australia e Nuova Zelanda stanno considerando standard per acqua e suolo per il rame basati sulla biodisponibilità.
Sintesi del composto
Reattività e caratteristiche chimiche
Biochimica
Il rame è un elemento in tracce essenziale per la maggior parte degli organismi viventi e ad oggi si conoscono più di 30 tipi di proteine che lo contengono. Esempi importanti sono:
la lisil ossidasi coinvolta nel legame incrociato del collagene, la tirosinasi necessaria per la sintesi della melanina, la dopamina β-idrossilasi che funziona nel percorso delle catecolamine, la citocromo c ossidasi, l'accettore finale di elettroni della catena respiratoria la superossido dismutasi, richiesta per la difesa contro i danni ossidativi
In questi enzimi, il rame funge da donatore/accettore di elettroni alternando tra gli stati redox Cu(I) e Cu(II). Oltre agli enzimi correlati al metabolismo, alcune chinasi e i fattori di trascrizione dipendono dal rame per svolgere la loro funzione o possono essere attivati dal rame. Ad esempio:
la chinasi attivata da mitogeni 1 (MAP2K1/MEK1) la MAP2K2 la chinasi attivante l'autofagia simile a unc-51 1 (ULK1) la ULK2 la chinasi proteica dipendente dai fosfoinositidi 1 (PDK1) la proteina tumorale p53 (TP53/p53)
Altre proteine del rame, come le plastocianine o le azurine, agiscono come trasportatori di elettroni. A seconda del tipo di coordinazione del rame alla proteina, il potenziale redox del rame può variare nell'intervallo da +200 mV a +800 mV.
Procarioti In generale, gli organismi procarioti hanno adottato un ruolo limitato per il Cu nella loro biochimica e fisiologia. Quasi tutti i batteri anaerobi e tutti gli Archaea anaerobi sono utilizzano solo limitatamente il rame, probabilmente a causa della limitata disponibilità di questo metallo negli ambienti in cui vivono e potrebbero essere rappresentativi della maggior parte della vita sulla Terra primordiale e anaerobica.
Tuttavia, mentre il rame non è ampiamente utilizzato da questi procarioti, molti dei loro genomi codificano per esportatori di rame e proteine di trasporto, note come chaperoni, per proteggersi contro gli effetti tossici dell'elemento. La maggior parte dei procarioti che utilizzano il rame esprime la citocromo c ossidasi (Cox), l'ultimo enzima nella catena di trasporto degli elettroni respiratori. Tipici enzimi contenenti rame come Cox, NADH deidrogenasi-2 e tirosinasi risiedono nella membrana citoplasmatica o nel periplasma dove sono caricati di rame, riducendo così il rischio per i componenti citoplasmatici.
Attualmente non è chiaro come il rame venga importato nelle cellule batteriche. Le ipotesi attuali includono la presenza di un trasportatore di cationi a spettro ampio e, nel caso dei metanotrofi fortemente dipendenti dal rame che utilizzano lo utilizzano come cofattore catalitico nella metano mono-ossigenasi, l'uso del peptide legante Cu metanobactina.
Un modello generale per l'omeostasi del rame nelle cellule batteriche può essere considerato in relazione a tre funzioni di base, focalizzate più sulla protezione che sul suo utilizzo: sensazione, mobilizzazione intracellulare ed escrezione. Molti batteri sono pronti a percepire e rispondere a livelli elevati di rame da una delle tre famiglie di repressori metalloregolatori (CopY, CsoR e CueR) che reprimono la trascrizione dei geni che codificano per il sistema di esportazione del rame in condizioni di bassa concentrazione.
Il rame viene escreto dalle cellule batteriche tramite trasportatori integrali di Cu+ politopici della membrana, ATPasi di tipo P1B, caratterizzati da motivi Cys-X2-Cys o da domini ricchi di istidina nelle loro estremità amino-terminale e motivi conservati His-Pro e Cys-Pro-Cys/His all'interno di specifici domini transmembrana. Attraverso queste ATPasi, il rame viene trasportato dal citoplasma nel periplasma o fuori dalla cellula. Il periplasma di alcune specie Gram-negative contiene meccanismi aggiuntivi di detossificazione ed escrezione del rame, come le ossidasi di Cu+, i chaperoni e i trasportatori di cationi metallici della membrana esterna non specifici.
Una volta escreto dal citosol, i repressori trascrizionali sensibili al rame attenuano in modo reostatico la trascrizione dei geni che codificano per le ATPasi di trasporto del rame. Gli Archaea sembrano codificare solo per esportatori di rame, senza una chiara omologia con i noti importatori di rame o con i chaperoni identificati nelle cellule batteriche o negli eucarioti.
Eucarioti
Lieviti Mentre i meccanismi di assorbimento e distribuzione del rame nei lieviti sono in grado di affrontare una vasta gamma di disponibilità di rame nell'ambiente, quando vi è un aumento del rame, l'espressione dei geni che codificano per le proteine di detossificazione, chiamate metallotioneine (MT), viene potenziata. Le metallotioneine Cup1 e Crs5 di S. cerevisiae, ad esempio, catturano il rame in eccesso mediante una stretta coordinazione con i tiolati di cisteina, sepolti dal solvente, in modo che sia scarsamente scambiabile e quindi non altamente reattivo.
Le MT di specie diverse raramente condividono somiglianze sequenziali e di solito vengono identificate esclusivamente in base al loro alto numero di cisteine. In effetti, mentre inizialmente si pensava che le MT fossero limitate agli eucarioti, la loro presenza in M. tuberculosis (Mtb) e in specie di Synechococcus suggerisce che siano ampiamente distribuite anche nei procarioti. I geni CUP1, CRS5 e SOD1 sono attivati trascrizionalmente da un secondo fattore di trascrizione metalloregolatore del rame, Ace1, in condizioni di alta concentrazione di rame. Pertanto, il lievito da panettiere attiva geni distinti in risposta a bassi e alti livelli di rame utilizzando differenti fattori di trascrizione per il rilevamento dello stesso.
Mammiferi
A differenza dell'attivazione trascrizionale di Ctr1 e Ctr3 nel lievito in risposta alla carenza di rame, il Ctr1 nei mammiferi è regolato a livello dell'endocitosi e della degradazione indotte da livelli elevati di rame, come mezzo per regolare in modo reostatico i livelli di stato stazionario di Ctr1 e la sua abbondanza nella membrana plasmatica. I mammiferi esprimono anche le chaperonine Cu Atox1 (Atx1) e Ccs che sono funzionalmente analoghe a quelle nel lievito. Il controllo trascrizionale specifico per il rame non è stato caratterizzato nelle cellule dei mammiferi, anche se il rame attiva la trascrizione dei geni MT, in modo apparentemente indiretto, tramite il fattore di trascrizione MTF-1.