Gli usi del vanadio e i suoi impieghi in base agli stati di ossidazione

Questo contenuto è tratto da una borsa di studio dello Stanford Advanced Materials College del 2025 presentata da Addison Boyle.

Introduzione

Il vanadio fa parte dei metalli di transizione; il suo numero atomico è 23. Ha un'abbondanza nella crosta terrestre di circa (0,02%) simile a quella dello zinco^.1 Nonostante la sua abbondanza, non ha ricevuto molta attenzione fino agli ultimi 50 anni. Le ricerche hanno dimostrato che il vanadio potrebbe avere uno scopo biologico attraverso lo ione vanadato^.2 Esistono almeno 6 diversi stati di ossidazione; il vanadio esiste principalmente in +3, +4 e +5. Quando è isolato, ciascuno degli stati di ossidazione presenta un colore diverso. ^V4+ è blu, ^V3+ è verde e ^V2+ è viola^.3 Queste ossidazioni sono anche le più rilevanti per i sistemi biologici^.4

Il vanadio nel sangue:

Questi stati di ossidazione del vanadio sono importanti perché possono andare incontro a reazioni redox^.4 La stabilità si basa sulla legatura, sul solvente e sul pH^.2 Dal punto di vista biogenico, ciò significa che esistono agenti riducenti che possono convertire il vanadio in stati di ossidazione inferiori^.4 Questo processo dipende dal pH: quando il pH aumenta, i potenziali redox diminuiscono^.4 Quando viene assunto sotto forma di farmaco, entra nel flusso sanguigno ed entra nei costituenti del siero del sangue^.4 La reazione con il vanadio determina la speciazione del vanadio^.1

In condizioni leggermente acide, il V(III), quando si forma, assomiglia ai sistemi biologici esistenti^.1 Nel plasma sanguigno potrebbero essere presenti agenti riducenti che potrebbero portare alla stabilizzazione del V(III) consentendo la formazione di specie V(III_)2-hTF^.1Questespecie assomigliano al Fe(III) _2-hTF, che viene riconosciuto dai recettori cellulari^.1 Questo può avvenire quando V(III) o Fe(III) sono attratti da hTF se V(IV)O nel plasma sanguigno è disponibile, allora una riduzione a V(III) potrebbe essere favorevole dal punto di vista del guadagno di energia^.1 Il legame di V(III) ha un logK 20, mentre se V(IV)^O+2 ha un logK 13^.1 Questa reazione deve avvenire in condizioni di lieve acidità^.1

Si è visto che altri stati di ossidazione del vanadio (V(IV) e V(V)) possono subire uno scambio di ligandi e un'interconversione redox^.1 I ligandi a bassa massa molecolare sono il lattato e il citrato, mentre quelli ad alta massa molecolare sono l'hTF, l'albumina e l'immunoglobulina G^.1 Come nel V(III), il V(IV) e il V(V) reagiscono bene a causa dei residui dei siti di legame del Fe(III) dell'hTF^.1 Poiché il Fe(III) _2-hFT è riconosciuto dai recettori cellulari per l'endocitosi^.1 Questo potrebbe essere possibile anche per i complessi V(IV) e V(V)^.1 Quando il V(IV)_OSO4 e l'apo-hTF sono incubati è dimostrato che corrispondono all'hTF^.1 È anche dimostrato che il rapporto di formazione è inferiore a quello del Fe(III) _2hTF^.1Si è visto che i complessi VIVO e VIVO-carrier, insieme a V(V) come monovanadato, potrebbero legarsi all'holo-hTF, che è l'agente di trasporto all'interno del sangue^.1 Ciò significa che il vanadio potrebbe essere presente nel plasma sanguigno e passare attraverso l'endocitosi quando l'holo entra nelle cellule^.1

Vanadato:

Esistono 3 tipi principali di reazioni che possono essere effettuate con il vanadato in chimica acquosa: reazioni di autocondensazione, reazioni di coordinazione e reazioni redox^.4

Per le reazioni di condensazione, gli anioni del vanadato vengono protonati dagli oligomeri in un ambiente leggermente acido per renderlo più favorevole^.4 Questo è fondamentale per il funzionamento delle cellule a causa del modo in cui il pH influisce sui diversi organelli^.4 Nelle cellule tumorali è stato dimostrato che hanno un pH elevato degli organelli^.4 Questo potrebbe significare che il vanadato potrebbe essere utilizzato per trovare le cellule tumorali con il pH elevato^.4 Questo potrebbe essere fatto con una serie di oligomeri di vanadato in un ambiente acido^.4

Poiché il vanadato presenta analogie con il fosfato, il vanadato ha iniziato a essere utilizzato nelle reazioni di coordinazione, ma è ancora per lo più allo stadio di provetta, il che significa che la maggior parte delle reazioni coordinate sono teoriche^.4 Il fosfato è importante per i sistemi biologici ed è coinvolto in molti sistemi biologici di riconoscimento e biocatalitici^.1 Dove il ^VO43- ha una somiglianza strutturale ed elettronica con il ^PO43- Fig 1^.4 I complessi vanadati hanno geometrie trigono-bipiramidali a 5 coordinate, che corrispondono agli stati di transizione a 5 coordinate che si presume si formino nella reazione degli enzimi fosfato-dipendenti Fig 1^.1 Sebbene ci possano essere ligandi mono- e polidentati, quelli utilizzati principalmente sono gli esteri di vanadato e le anidridi di vanadato, a causa della loro analogia con il fosfato. ⁴ Con la modellazione al computer, la maggior parte del vanadato era sotto forma di ^H2VO4- e ^HVO42- quando si escludevano le proteine, mentre quando si includevano le proteine, la maggior parte del vanadio era legata alla transferrina^.4 Quando il complesso metallico del vanadato è stabilizzato da ligandi, aumenta la possibilità di riduzione^.4 Questo porta a reazioni di coordinazione che tendono alla riduzione nei sistemi biologici^.4

Fig. 1. Confronto tra fosfati e vanadato con stati di transizione e stabilità^.5

Nelle reazioni redox nei sistemi biologici, gli stati di ossidazione che interessano il vanadio sono +3, +4 e +5^.4 La maggior parte della riduzione del vanadato avviene a V(IV) da V(V)^.4 Questo tipo di reazione avviene in una varietà di biomolecole, specialmente negli organelli^.4 Viene anche usato come tampone per le proteine fosfotirosiliche^.4 Questo porta all'intervento nella via di segnalazione dell'insulina^.4 Può essere utilizzato nel trattamento del diabete perché, una volta legato al sito attivo dell'enzima, il vanadato non viene rilasciato facilmente come il fosfato^.1 Questo blocca il sito dal fosfato, portando a un'inibizione dell'enzima^.1 Ci sono degli svantaggi nell'uso del vanadato per trattare il diabete, come lo stress ossidativo indotto dal vanadio, i problemi di tossicità globale, gli effetti sul sistema immunitario e l'infiammazione^.1

Ricerca sul cancro:

Le proprietà del vanadio sono state studiate per i loro effetti chemiopreventivi e antitumorali nella lotta contro il cancro^.1 I test sembrano essere principalmente nelle fasi di sperimentazione animale e su linee cellulari maligne^.1 Il dicloruro di vanadene e diversi perossovanadati sono i principali composti di vanadio che sono stati utilizzati^.1 Il dicloruro di vanadocene è solubile in acqua e a pH 7 gli ioni cloruro vengono sostituiti con_H2O, dando origine a V(_C5H5)2^]2+.1 Si è visto che si lega al DNA, causando un diverso comportamento del cisplatino^.1 Inoltre, ha dimostrato una tossicità limitata, nessun trasferimento attraverso la barriera ematica e non viene rilevato nel cervello^.1 Gli obiettivi delle proprietà antitumorali del vanadio sono l'interruzione del metabolismo cellulare, le vie di trasduzione del segnale e l'interruzione della proliferazione cellulare^.1 Ci sono state preoccupazioni circa le diverse risposte e la sicurezza del vanadio, che hanno portato a una mancanza di ricerca clinica^.1 Con queste preoccupazioni in mente, si sta ancora facendo ricerca^.1 I sistemi V(V)-mhcpe sono stati testati in vitro e hanno ottenuto risultati più tossici per le cellule tumorali che per quelle non tumorali^.1 I complessi V(IV)- che hanno come ligandi i derivati 1-10-fenantrolina e i complessi V(IV)O-dppz hanno mostrato proprietà antitumorali Fig. 2, soprattutto contro la leucemia^.1

Fig. 2. Rappresentazione delle proprietà antitumorali dei composti vanadati, con stabilità del tampone a pH 7^,1.

Amavadin:

Esiste un fungo che accumula vanadio chiamato Amanita muscaria, o mosca agarica^.6 Un fungo tipico contiene meno di 0,5 mg di V ^kg-1, ma l'A. muscaria può contenere 100 mg di V ^kg-1.6 Le parti del corpo del fungo che contengono vanadio sono il gambo, la pelle del cappello, la polpa del cappello, le branchie, le spore e il bulbo^.6 La concentrazione più alta di vanadio si trova nel bulbo, con 1000 mg V ^kg-1.6 Questa parte del fungo si trova nella parte più bassa del gambo, rendendola la più soggetta alla contaminazione da parte del suolo^.6 Osservando il suolo superiore, la mediana del vanadio era di 60 mg ^kg-1, con un intervallo compreso tra 1,28 e 537 mg ^kg-1.6 Il vanadio trovato nell'A. muscaria era carico negativamente ed è stato chiamato amavadin Fig 3 da Bayer e Kneifel^.6 Attraverso la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) si scoprì che lo stato di ossidazione del vanadio era +4^.6 Gli spettri EPR indicavano anche che le diverse parti del fungo contenevano lo stesso composto amavadin^.6 Si tratta di 2 ligandi tetradentati, mostrati nella Fig. 3, che possono coordinarsi al centro del vanadio, creando 2 isomeri che appaiono in miscela quasi uguale nell'amavadin sintetico e naturale^.6

Fig. 3. Struttura dell'amavadina, con gli isomeri D e L^.6

L'ossidazione di V(IV) a V(V) è reversibile nell'amavadina, il che significa che potrebbe avere proprietà catalitiche^.6 È stato riscontrato che il complesso catalizza un'ampia gamma di reazioni^.6 Ciò ha portato alla sintesi di diversi analoghi dell'amavadina con diversi centri di ioni metallici o ligandi modificati^.6 Quando l'amavadina è stata sintetizzata da A. muscaria, si è scoperto che esistevano diversi complessi di vanadio, il più importante dei quali era l'acetato di vanadile^.6 Il solido è stato trovato con il 26% (peso/peso) di acetato di vanadile e il 74% (peso/peso) di amavadina^.6

Conclusioni

In conclusione, è stato dimostrato che il vanadio ha molteplici usi nei sistemi biologici. Dal trattamento del cancro ai funghi. La ricerca ha analizzato i diversi stati di ossidazione e il modo in cui possono essere ridotti nei sistemi biologici, come il sangue o le cellule. Gli stati di ossidazione primari del vanadio sono +3, +4 e +5. I leganti solitamente associati al vanadio sono complessi di ossigeno, in particolare il vanadato e l'acetato di vanadile. Ci sono ancora altre ricerche da fare sul vanadio e sugli effetti che avrà sulla comunità scientifica.

Riferimenti:

1. J.Costa Pessoa, Journal of Inorganic Biochemistry, 2015, 147, 4-24

2. A. Butler, e C. J. Carrano, Coordination Chemistry Reviews, 1991, 109, 61-65

3. D. Rehder, Bioinorganic Vanadium Chemistry, Wiley, Incorporated, New York, 2008.

4. X. Yang e K. Wang, in Progress in Molecular and Subcellular Biology, eds. W. E. G. Muller, P. Jeanteur, R. E. Rhoads, D. Ugarkovic e M. R. Custodio. Springer, Manz, Germania, 2013, cap. 1, pp 1-19.

5. D. Rehder, Metallomics, 2015, 7, 732

6. S. Braeuer, M. Walenta, L. Steiner e W. Goessler, Royal Society of Chemistry, 2021, 36, 954-967.