Isotopomeri

Gli isotopomeri o isomeri isotopici, secondo la definizione della I.U.P.A.C., sono isomeri che hanno lo stesso numero di ciascun atomo isotopico ma disposti in posizioni diversi. Il termine isotopomeri deriva dalla contrazione dei termini isotopo e isomero. Il termine isomero fu introdotto nel 1830 dal grande chimico svedese Jöns Jacob Berzelius che definì gli isomeri come composti con identica composizione chimica e identico peso molecolare ma con diverse proprietà.

Il termine isotopomero è stato introdotto per la prima volta da Seeman e Paine nel 1992 per distinguere gli isomeri isotopici dagli isotopologhi che sono molecole che differiscono solo per la composizione isotopica. Queste molecole hanno la stessa formula chimica e la stessa disposizione di legame degli atomi. Tuttavia, almeno un atomo ha un numero diverso di neutroni rispetto alla molecola madre.

Pertanto, la differenza chiave tra isotopomeri e isotopologi è che un isotopomero è qualsiasi composto organico che differisce solo nella posizione di un isotopo mentre un isotopologo è uno qualsiasi di un gruppo di composti che differiscono solo nella composizione degli isotopi.

Isotopomeri e isotopologi

Pertanto secondo la definizione data pertanto gli isotopologi sono entità molecolari che differiscono solo in relazione alla composizione isotopica come, ad esempio, CH₄, CH₃D, CH₂D₂, CHD₃ dove con D si è indicato il deuterio, isotopo dell’idrogeno, che ha numero atomico 1 e numero di massa pari a 2

Gli isotopomeri, invece, sono isomeri aventi ciascuno lo stesso numero atomo isotopico ma differenti nella loro posizione e pertanto possono essere isomeri costituzionali come, ad esempio CH₂DCH=O e CH₃CD=O oppure stereoisomeri isotopici come, ad esempio (R)- e (S)-CH₃CHDOH oppure (Z)-e (E)-CH3CH=CHD).

Si noti quindi che, mentre gli isotopologi possono contenere un numero diverso di isotopi, gli isotopomeri differiscono solo nella posizione dell’isotopo. Inoltre mentre gli isotopologi non hanno la stessa massa molecolare in quanto, a seconda del numero di isotopi, gli isotopomeri hanno la stessa massa molecolare.

In uno spettro di massa si formano picchi separati degli isotopologhi, ciascuno contenente possibilmente diversi isotopomeri. Il principio fisico su cui si basa la spettrometria di massa, infatti consiste nella possibilità di separare ioni atomici o molecolari con una o più cariche positive tramite un campo elettrico e un campo magnetico opportunamente accoppiati.

La spettrometria di massa è una tecnica analitica di delucidazione strutturale basata sulla ionizzazione di una molecola e sulla sua successiva frammentazione in ioni di diverso rapporto massa / carica (M/z).

Analisi degli isotopomeri

La misurazione dei livelli di flusso metabolico mediante la marcatura degli isotopi stabili è utilizzata per studiare il reindirizzamento e la riprogrammazione metabolica nelle cellule o nei tessuti viventi. Una serie di metodologie di analisi del flusso basate sulla marcatura degli isotopi stabili è utilizzata per confrontare la distribuzione del flusso metabolico in stati metabolici distinti.

Per l’analisi delle cellule dei mammiferi è utilizzato un metodo denominato analisi del flusso o analisi degli isotopomeri che consente l’indagine qualitativa dei reindirizzamenti metabolici che si verificano nelle cellule. Un rapporto di flusso metabolico tra due percorsi può essere stimato dai modelli di marcatura del ¹³C o dal vettore di distribuzione degli isotopomeri di massa dei metaboliti specifici misurati mediante spettrometria di massa.

L’analisi degli isotopomeri è stata spesso impiegata per studiare il metabolismo riduttivo della glutammina o la reazione inversa dell’isocitrato deidrogenasi. Questa misurazione è possibile perché la molecola di citrato marcata con cinque atomi di ¹³C deriva dal metabolismo inverso dell’isocitrato deidrogenasi o dal metabolismo riduttivo della glutammina.

Nella maggior parte degli studi, le cellule in fase di crescita esponenziale sono state utilizzate per misurare gli isotopomeri di massa dei metaboliti intracellulari per garantire stati metabolici e isotopici stazionari. Tuttavia un’interpretazione dei risultati dell’analisi degli isotopomeri rimane complessa poiché la relazione tra un cambiamento osservato nei modelli di marcatura e il reindirizzamento metabolico non è semplice.

Pertanto sono stati sviluppati metodi computazionali per analizzare i dati ottenuti dall’analisi degli isotopomeri che consentono di valutare quantitativamente se un cambiamento osservato in un modello di marcatura isotopica dei metaboliti fosse una prova sufficiente di uno spostamento di un rapporto di flusso tra due stati metabolitici.