RICERCA ITALIANA     

Radicali Liberi in Chimica e Biologia: Processi Radicalici nella Sintesi, nella Catalisi e nelle Scienze della Vita

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Questo progetto di ricerca sulla reattività e sulle applicazioni dei radicali liberi riunisce i sei maggiori gruppi che, nelle Università italiane, si interessano del ruolo di queste importanti specie in chimica e biologia. Il programma è orientato verso lo studio dei processi radicalici che avvengono in natura e di quelli che possono essere indotti in laboratorio. A tale scopo verranno presi in considerazione alcuni aspetti fondamentali, ancora non sufficientemente chiariti, della chimica dei radicali liberi e numerosi aspetti applicativi. Per quel che riguarda i primi, verranno effettuate misure termodinamiche, cinetiche e spettroscopiche su alcuni sistemi modello di interesse generale e verranno eseguiti studi meccanicistici su alcune reazioni particolarmente importanti. Gli aspetti applicativi riguardano lo studio di alcune ossidazioni enzimatiche e biomimetiche, delle ossidazioni di idrocarburi ed altri derivati organici con ossigeno molecolare o acqua ossigenata mediante catalizzatori che permettano di lavorare in condizioni blande, l'utilizzo di reazioni radicaliche per effettuare ciclizzazioni e anellazioni a cascata per la sintesi di derivati eterociclici, la sintesi e lo studio di nuovi antiossidanti da poter utilizzare sia in campo biologico sia in numerosi settori industriali, gli effetti sinergici tra antiossidanti. Verranno inoltre studiati gli effetti di radicali tiili e perossili su sistemi biologici. Molte di queste indagini verranno affrontate in modo integrato dai vari gruppi di ricerca che possiedono competenze complementari che vanno dalla sintesi organica, ai meccanismi di reazione, alla spettroscopia EPR, alla fotochimica, alla termochimica. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gian Franco PEDULLI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo del presente programma di ricerca è quello di incrementare le conoscenze sulla reattività dei radicali liberi da poter utilizzare nella sintesi organica e per poter controllare gli effetti deleteri di questi sulla durata di manufatti e sull'invecchiamento dei prodotti naturali, includendovi gli organismi viventi.
Per svolgere tale programma si sono mantenute le 6 unità del precedente progetto che figurano tra i gruppi più autorevoli che, nelle Università italiane, si occupano di radicali liberi nei settori della chimica e della biologia. Tra queste unità si sono instaurati numerosissimi contatti e collaborazioni ed esse, nel loro insieme, oramai costituiscono una struttura di ricerca integrata nella quale si ritrovano esperienze e capacità complementari e tutte però necessarie ad affrontare con successo problemi di natura scientifica la cui complessità è in continuo aumento. Troviamo così esperti di sintesi organica, di elettrochimica e di chimica delle radiazioni ad alta energia, di cinetica e di meccanismi di reazione, di termochimica e di tecniche spettroscopiche, di biochimica e fotochimica. Leggendo i programmi delle singole unità locali potranno essere rilevati i numerosi collegamenti fra di esse riguardo a specifiche linee di ricerca. Il presente programma di ricerca è rivolto allo studio dei processi radicalici che, più di altri utilizzati tradizionalmente nell'industria chimica, possiedono la caratteristica di poter avvenire in condizioni di temperatura e di pressione molto blande e in solventi scarsamente inquinanti e che, per tale ragione, sono potenzialmente in grado di ridurre drasticamente i problemi di impatto ambientale collegati alla produzione di numerose sostanze indispensabili ad una società moderna.
Tra i processi di maggior interesse ci proponiamo di proseguire i nostri studi sulle reazioni radicaliche di sostanze organiche con l'ossigeno atmosferico. Esse costituiscono infatti una delle più importanti aree di reattività di tutta la chimica: dai processi di combustione ai numerosi processi industriali d'ossidazione, alla degradazione ossidativa di gran parte dei prodotti organici, al ruolo di estrema rilevanza dell'ossigeno nei processi biologici. L'ossigeno molecolare rappresenta l'ossidante ideale nei processi industriali per ragioni sia economiche (costo zero) sia ambientali (assenza di reattivi inquinanti). Uno degli obiettivi di questo programma sarà la ricerca e lo sviluppo di catalizzatori d'ossidazione che permettano l'impiego di ossigeno molecolare ed altri ossidanti economici e non inquinanti. Poiché, in natura, l'ossidazione di numerose sostanze avviene facilmente perché catalizzata da enzimi, ci proponiamo di approfondire lo studio del meccanismo di azione di due di questi: la lignina perossidasi e la laccasi, effettuando studi cinetici e caratterizzandone gli intermedi e i mediatori. Verranno inoltre studiati i processi degradativi (ossidativi) indotti su proteine e sul DNA da fasci di ioni accelerati per una miglior interpretazione degli esiti del danno radiobiologico a livello cellulare. Verranno anche sintetizzati opportuni nucleosidi modificati in modo da poter generare radicali centrati al C5 sia per radiolisi sia per fotolisi, isolando poi i prodotti delle reazioni effettuate in condizione aerobiche e anossiche. Un tema di ricerca praticamente ignorato fino ad oggi riguarderà lo studio della degradazione meccanochimica di polimeri con caratterizzazione degli intermedi radicalici e identificazione dei meccanismi di reazione.
Per quanto riguarda lo studio degli agenti antiossidanti intendiamo completare le nostri indagini precedenti su fenoli semplici estendendoli a derivati polifenolici delucidandone il meccanismo d'azione e determinandone alcune importanti proprietà (energie di dissociazione di legame, costanti cinetiche per la reazione con radicali perossili, etc.), con l'obiettivo di valutare gli effetti cooperativi tra i numerosi ossidrili presenti in molti antiossidanti naturali (flavonoidi, pirogalloli, idrossicinnamati, etc.). Verrà anche approfondito lo studio delle interazioni tra i vari componenti in miscele di antiossidanti che danno luogo, frequentemente, ad effetti sinergici anziché puramente additivi che potenziano l'attività antiossidante di tali miscele. Quest'ultimo aspetto è di grande interesse perché prodotti naturali facilmente ossidabili (oli, grassi, fosfolipidi, etc.) contengono contemporaneamente più specie antiossidanti come agenti protettivi. Verranno anche sintetizzati nuovi nitroni idrosolubili in grado di funzionare come intrappolatori di radicali in sistemi biologici.
Verranno anche studiate le alterazioni dei lipidi di membrana dovute ad elevate dosi di radicali liberi e la prevenzione del danno da parte di antiossidanti naturali e sintetici.
Ci proponiamo inoltre di indagare le potenzialità di specie radicaliche azotate nella sintesi di composti eterociclici di potenziale interesse biologico e di sfruttare a scopi preparativi la riduzione radicalica di gruppi funzionali chemio e stereoselettiva mediante complessi di metalli di transizione. <<<

Risultati parziali attesi

Messa a punto di reazioni di ossidazione di alcani ed altri substrati con ossigeno ed acqua ossigenata utilizzando radicali nitrossidi e metalli come catalizzatori.
Miglioramento di alcune metodologie sintetiche e delle caratteristiche di mezzi di reazione non inquinanti.
Produzione di derivati eterociclici azotati.
Determinazione di parametri cinetici e termodinamici di antiossidanti.
Chiarificazione del ruolo cooperativo tra ossidrili in antiossidanti polifenolici e dell'effetto sinergico tra diversi antiossidanti contenuti in miscele.
Avanzamenti nella comprensione dei meccanismi di catalisi enzimatica della lignina perossidasi e della catalasi.
Avanzamenti nella comprensione della chimica dell'ossido d'azoto e delle specie ad esso collegate.
Sintesi di nuovi nitrossidi e nitroni idrosolubili.Completamento del programma di ricerca per quel che riguarda gli aspetti sintetici.
Completamento delle misure sperimentali progettate per arrivare a chiarire il ruolo dei mediatori nella catalisi enzimatica della laccasi.
Sintesi di nuovi antiossidanti e completamento delle misure progettate per chiarire le ragioni degli effetti sinergici tra antiossidanti.
Completamento degli studi sulla isomerizzazione cis-trans di fosfolipidi.
Completamento delle misure progettate per chiarire la dipendenza dal pH del mezzo di reazione del potere antioosidante di deivati polifenolici. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La comprensione degli aspetti quantitativi della chimica dei radicali liberi e dei radicali ioni nonché dell'importanza del ruolo che essi giocano in diverse aree scientifiche di grande interesse quali biologia, medicina e ambiente, ha compiuto avanzamenti spettacolari nel corso degli ultimi anni (1). Sono state così ideate nuove strategie di sintesi che hanno reso possibile l'ottenimento di prodotti difficilmente accessibili in precedenza o la sostituzione di metodologie di sintesi scarsamente efficaci o altamente inquinanti con processi ad alta resa e a basso impatto ecologico. Le possibilità offerte da tali metodologie sintetiche devono ancora essere in buona parte esplorate e ciò rappresenta uno degli obiettivi del progetto (2).
L'imponente sviluppo della conoscenza della chimica delle specie radicaliche ha anche aperto nuovi interrogativi su molti aspetti riguardanti la loro reattività e in particolare l'influenza che su di essa hanno fattori esterni quali la natura e l'organizzazione supramolecolare del mezzo in cui essi reagiscono (3). Ciò è particolarmente vero in sistemi biologici costituiti da zone idrofobiche a bassa polarità e da zone idrofile fortemente polari. Tale disomogeneità può indurre variazioni di reattività rilevanti, dipendentemente dalla collocazione delle specie radicaliche all'interno del mezzo di reazione. Aspetti molto interessanti degni di essere approfonditi riguardano il ruolo del mezzo sia sulla reazione di autossidazione, che riveste una grande importanza sia nei processi industriali, sia nei processi degenerativi di sistemi biologici e sulla reazione di inibizione di questa da parte di antiossidanti (4) e la presenza di sinergismo tra vari antiossidanti quando questi sono presenti in miscele. L'approfondimento di queste problematiche, già in parte affrontate durante i precedenti progetti di ricerca finanziati nel 2000 e nel 2002, costituisce uno degli obiettivi del presente progetto.
Un'altra frontiera nell'ambito della ricerca sulle specie radicaliche è rappresentata dallo studio dei meccanismi delle reazioni enzimatiche, molte delle quali coinvolgono intermedi radicalici (5). La complessità di tali sistemi richiede un approccio multidisciplinare con apporti di esperti non solo nel campo della sintesi organica ma anche della strutturistica organica, dell'elettrochimica, della cinetica, della spettroscopia di Risonanza di Spin Elettronico (EPR).
Durante lo svolgimento di questo progetto di ricerca ci proponiamo di dedicare una particolare attenzione alle reazioni di ossidazione per via radicalica sia proseguendo nello sviluppo di sistemi catalitici in fase eterogenea che rendano possibile l'utilizzo nei processi industriali di ossidanti economici e a basso impatto ambientale quali ossigeno e acqua ossigenata, sia cercando di chiarire il meccanismo di alcune ossidazioni enzimatiche di grande interesse sia teorico sia applicativo. Già nel corso di svolgimento del progetto COFIN-2002 sono stati ottenuti risultati di grande interesse in questi due campi (6).Verranno anche approfonditi alcuni aspetti metodologici di notevole importanza nelle applicazioni sintetiche della chimica dei radicali: sorgenti di radicali liberi, controllo della reattività, processi ossido-riduttivi.
Processi ossidativi che conducono alla formazione di radicali ioni sono quelli indotti dalle radiazioni ionizzanti (7). La loro comprensione è importante per le implicazioni che essi hanno sulla salute degli esseri viventi. In questo ambito verranno studiati i radicali che si originano per irradiazione con raggi-gamma di DNA e di proteine.
Gli effetti dei radicali in campo biologico sono sempre un argomento di ricerca di grande attualità a causa delle alterazioni che essi provovano nei lipidi di membrana con conseguenze patologiche. Due classi di radicali, in particolare, meritano di essere indagati: i radicali perossili prodotti durante la reazione di autossidazione e i radicali tiili derivanti dall'ossidazione di tioli biologicamente importanti quali cisteina e glutatione.
Si ritiene opportuno far presente che una delle ricerche (6-Amino-3-Pyridinols: Towards Diffusion-Controlled Chain-Braking Antioxidants. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4370-4373.) condotte nel campo degli antiossidanti dal coordinatore nazionale e da suoi collaboratori e finanziate nell'ambito del precedente progetto COFIN-2002, ha avuto notevole risonanza internazionale. Infatti, ad essa sono stati dedicati brevi articoli di commento su "Chemical and Engineering News" ("Nitrogen atoms beef up phenol antioxidants" del 29 September 2003, p. 24), su "Chemistry in Britain" (The fastest antioxidants in the West, November 2003, p. 9) e sul "il Sole 24 Ore" ("Antiossidanti più efficaci della Vitamina E" nel supplemento Scienze, Tecnologie, Medicina del 5 Febbraio 2004, p. 13), oltre ad essere stato qualificato come "hot paper" dalla rivista che l'ha pubblicato. <<<