A pulse EPR investigation on the structure of proteins and biomimetic model compounds involved in energy conversion

Nel corso degli ultimi decenni la spettroscopia di risonanza di spin elettronico ha subito un enorme sviluppo come tecnica per lo studio di sistemi paramagnetici complessi. Da allora sono state progettate una serie di differenti sequenze di impulsi di microonde con l’obiettivo di isolare le singole interazioni magnetiche tra l’elettrone spaiato sede del centro paramagnetico e l’intorno magneticamente attivo. Nonostante la loro reattività, i centri paramagnetici ricorrono frequentemente all’interno dei sistemi biologici, dove generalmente svolgono ruoli di primaria importanza nell’attività enzimatica delle proteine. Una gran quantità di enzimi fa affidamento su centri paramagnetici costituiti da ioni di metalli di transizione per il corretto svolgimento dell’attività catalitica mentre centri paramagnetici di tipo sia organico che metallico sono noti costituire parte essenziale dell’intero processo fotosintetico. In questa tesi si farà uso di strumenti avanzati di spettroscopia di risonanza di spin elettronico per uno studio approfondito di tre classi di centri paramagnetici di origine sia biologica che artificiale accomunati dall’essere coinvolti più o meno direttamente in processi di conversione dell’energia solare. È noto come l’intorno proteico del sito attivo di una proteina sia di fondamentale importanza nella regolazione dell’intera attività enzimatica, così che lo studio approfondito dell’intorno proteico proposto in questo lavoro di tesi è fondamentale per una corretta e completa descrizione dei meccanismi di conversione dell’energia solare. Il primo sistema presentato è la forma ridotta del cluster ferro-zolfo della proteina HydF, un enzima coinvolto nel processo di maturazione della [Fe-Fe]-idrogenasi. Ad oggi l’intero processo di maturazione presenta ancora punti poco chiari, così che una dettagliata descrizione a livello molecolare del ruolo di HydF risulta di fondamentale importanza. Successivamente verranno esposti i risultati di uno studio sullo stato di tripletto del carotenoide coinvolto nel processo di fotoprotezione attivo nella proteina peridinin - chlorophyll a - protein (PCP). In questo caso lo studio ha permesso di identificare il ruolo primario di una molecola d’acqua nel processo di trasferimento di energia di tripletto tra i pigmenti coinvolti. Infine è stata indagata la possibilità di impiegare lo stato di tripletto foto-eccitato della molecola tetrafenilporfirina come potenziale spin probe nella tecnica di doppia risonanza Double-Electron-Electron-Resonance su di una serie di composti biomimetici. L’introduzione di questo nuovo approccio porta notevoli innovazioni nello studio strutturale basato su tale tecnica poiché le porfirine rappresentano una classe di pigmenti particolarmente diffusa in natura, costituendo la base di clorofille, batterioclorofille e del gruppo eme. Nello stesso capitolo viene presentata l’applicazione della tecnica ad un sistema biologico, la proteina PCP, con risultati promettenti. La spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica in tutti questi casi si è dimostrata un valido strumento per l’indagine dei sistemi riportati nel lavoro, fornendo nuovi dettagli strutturali circa i meccanismi di conversione di energia all’interno di sistemi biologici e chiarendo come la struttura a livello atomico dell’intorno del centro paramagnetico sia di fondamentale importanza per la progettazione futura di sistemi biomimetici capaci di convertire efficacemente l’energia solare in combustibile. Infine è stato dimostrato come lo stato di tripletto sia un valido spin probe per l’ottenimento di informazioni riguardanti la distanza e l’orientazione all’interno di sistemi biologici e biomimetici, aprendo la possibilità di sfruttare lo stato di tripletto come sonda per ottenere informazioni strutturali a livello molecolare.