EXPERIENTIA SUPPLE MENTUM 18

Biological Aspects of Electrochemistry

Proceedings of the 1st International Symposium.

Rome (Italy) Istituto Superiore di Sanita, May 31st to June 4th 1971

Edited by Giulio MILAZZO Istituto Superiore di Sanita, Rome

Peter E. JONES Visiting Professor, Istituto Chimico dell'Universita, Rome

Liliana RAMPAZZO Istituto di Chimica della Facolta di Ingegneria dell'Universita, Rome

Supported by the Ministry of Health

the Ministry of Public Instruction

the National Research Council (of Italy)

Sponsored by C.I.T.C.E. Co mite International de Thermodynamique et Cinetique Electrochimiques

1971 Springer Basel AG

All rights reserved No part of this book may be reproduced in any form, by photostat, microfilm, or any other means, without written permission from the Publishers. Library of Congress Catalog Card Number 78-182738

© Springer Basel AG 1971 Originally published by Birkhäuser Verlag Basel in 1971 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1971

ISBN 978-3-0348-5850-2 ISBN 978-3-0348-5848-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-5848-9

Contents

List of Participants

List of Symbols

Foreword by G.B. MARINI BETTOLO

Preface by G. MILAZZO and L. RAMPAZZO

Plenary Lectures

H. BERG, Thermodynamic Aspects of Redox Organic Reactions of Bio-

IX

XVI

XVII

XX

logical Interest 1

E. BUVET, Energetics of Controlling Steps in the Oxido-Reduction of Biological Substrates and Oxidants: Origins of Metabolic Pathways and Oxidative Dehydrations 13

M. CIGNITTI, Streaming Potentials: Theory and Examples in Biolo-gical Systems 25

P.J. ELVING and S.L PACE, Electrochemical Investigation of Kinetics and Allied Aspects of Biological Redox Reactions 35

Y.M. GARGOuiL, Membrane Conductance and Electrochemical Po-tential in Excitable Living Structures 77

1. PRIGOGINE and R.L. LEFEVER, Structure, Stability and Dissipation 101

E. QUAGLIARELLO and S. PAPA, Coupling between Oxido-Reductions and Ion Fluxes in the Inner Mitochondrial Membrane 127

Communications

M. BAUMANN, A Hypothetical Explanation of Anomalous Polaro-graphic Behavior of Protein Solutions 153

S.R. BETSO, M.N. KLAPPER and L.B. ANDERSON, Polarographic Re­duction of the Heme Iron in Native Horse Heart Cyto-chrome c 157

L.L BOGUSLAVSKY and A.V. LEBEDEV, Charge Injection into Bilayer Lipid Membranes During Redox Reactions on the Surface 163

L. BOLlS, P. LULY, C. BOTlrn and W. DORST, A Membrane Model for Bio-Electric Oscillation 167

VI

C. BOTRE, A. MEMOLI, S. BORGHI and M.T. BENIGNETTI, An Asym­metric Membrane System as a Mean of Studying Interac-tions in Living Cells 173

K.R. BRENNEN and G.J. HILLS, Chronopotentiometric Evaluation of Membrane Performance 183

J. BRISOU, M.J. CROISSANT, I. GRIMAUDEAU, I. GUILLAUME and G. V ALENSI, Corrosion Bacterielle du Nickel et du Zinc par Differents Milieux Nutritifs Doux et Marins 195

G. CAUQUIS and G. MARBACH, The Redox Behavior of Biological Quinones and its Relation with the Mitochondrial Res-piratory Chain 205

Y.A. CHIZMADZHEV, The Conformational Model of Excitable Cel-lular Membranes 215

F.W. COPE, Overvoltage and Solid State Kinetics of Reactions at Biological Interfaces 223

G. COSTA, A. PUXEDDU and E. REISENHOFER, Electrochemical Mod-el Processes for Reductive Cleavage of the Cobalt-Carbon Bond 235

D. CREMASCHI, S. HENIN and M. CALVI, Transepithelial Potential Difference Induced by Amphotericin B. NaCI-NaHCOa Pump Localization in Gall Bladder 247

B. CZOCHRALSKA and D. SHUGAR, Mechanisms of Electrochemical Reduction of 2-0xopyrimidine, Cytosine and Cytidine 251

E. DUBINI-PAGLIA, R. GALLI and T. MUSSINI, A Study of the Be-havior of Some Ethyl-Bromide Based Liquid Membranes 259

M. DUPEYRAT and J. MICHEL, Instability Observed at a Liquid-Li-quid Interface Containing Surface Active Compounds 269

R.A. DURST, R. STAPLES and M. PAABO, Activity Standards for Ion Selective Electrodes 275

A. ESSIG and S.R. CAPLAN, Non Equilibrium Thermodynamic Analy-sis of Ion Transport and Membrane Metabolism 281

M.B. FLEURY and D. FLEURY, Etude de Nouvelles Aci-Reductones Apparaissant au Cours de la Decarbonylation de l' Acide Dihydrofumarique 289

M.B. FLEURY, J. TOHIER and J. MOIROUX, Etude d'une Aci-Reduc-tone Sulphuree: l' Acide B-Mercaptopyruvique 301

T.R. FOLEY and P. MEARES, Linear Transport Coefficients in a Cat-ion Exchange Membrane 313

C. GAVACH, Cinetique de I'Electroadsorption et de la Polarisation a l'Interface entre Certaines Solutions Ioniques non Mis-cibles 321

J. GUASTALLA, Polarisation des Interfaces entre Solutions Ioniques non Miscibles. Effect Accumulateur, Conductances Dif-ferentielles Negatives 333

A. INESI and L. RAMPAZZO, Electrochemical Behavior of 3,3'-Methy­lenebis (4-hydroxycoumarine) (Dicoumarol) Derivatives in

VII

DMF 3~

V. KALOUS, Polarographic Research of Proteins and Related Sub-stances 349

V.M. KANTERE, Potential Measurements in Microbiological Media and some Applications 355

J. KORYTA, J. PRADAC, L PRADACOVA and N. OSSENDORFOVA, Organic Oxidation-Reduction Systems as Electrochemical Indicators for the Monitoring of Organs in vivo 367

L. KRETSCHMAR and W. JAENICKE, The Redox Mechanism of the Pterine-Hydropterine System 375

V.A. KUTZNETSOV, On the Nature of Polarographic Protein Waves 381

S. KWEE and H. LUND, Electrochemistry of some 4-Substituted Quin-azolines and 6-Substituted Purines 387

D. LEXA and J.M. LHOSTE, Comparative Electrochemical Study of Vitamin B and Cobalt Porphyrine Compounds 395

W. LEYKO, H. WISKOWSKA and M. PUCHALA, Effect of X and y-Ir-radiation on Hemoglobin A Redox System 407

J. LLOPIS, Electrochemical Aspects of Electron Transfer in Mito-chondrial Respiratory Chains 413

R. LUTWACK, Mass Transfer of a Reactive Minor Species in a Bat-tery 423

V.S. MARKIN, Studies of Excitation of Multicomponent Media 429

B. MAsTERs and LR. MILLER, Transport of Ions Across Adsorbed Monolayers at the Amalgam/Water Interface 443

G. MILAZZO, F. MENICHINI and R. V ATTERONI, Physicochemical Prop-erties of Some Organic Compounds of Biological Inte-rest. I 453

G. MILAZZO, P. FIORDIPONTI, F. MENICHINI, A. PICCIOLI, M.L. To-SATO and R. VATTERONI, Physicochemical Properties of Some Organic Compounds of Biological Interest. II 463

LR. MILLER, Pseudo Capacitance Caused by Sulfide-Disulfide Oxy-reduction in Adsorbed Layers 477

M.L. MITTAL, Polarography of 2-Diethylaminoethanethiol Hydrochlo-ride 487

Y. OKAZAKI, The Carcinogenic Activities of Photoproducts of 3-Methy1cholanthrene and Their Polarographic Properties 497

F. PALMIERI, G. GENCHI and E. QUAGLIARIELLO, Control Mechanism of Anion Distribution Across the Mitochondrial Membrane 505

O. PAVLOVIC and LR. MILLER, Reactions of Adsorbed RNAse on a Mercury Electrode 513

P. RACINE and W. MINDT, On the Role of Substrate Diffusion in Enzyme Electrodes 525

VIII

P.C. RAWAT and C.M. GUPTA, Electrochemical Studies of the Com­plexes of Cadmium with Thiodipropionic Acid at the D.M.E. in Aqueous and Non-Aqueous Media 535

J.A. REYNAUD, P.J. SICARD and A. OBRENOVITCH, Polarographic In-vestigation of Enzymic DNA Degradation 543

G. RUTTKAy-NEDECKY and B. BEZUCH, Polarographic Changes Ac­companying the Reformation of Tobacco Mosaic Virus Cap-sid from its disordered Polypeptide Chains 553

D.T. SAWYER, R. KOMAY and R.L. MCCREARY, Electrochemical Studies of Flavins and of Metal-Flavin Interactions in Aprot-ic Solvents 563

R.S. SAXENA, Polarographic Behavior of Ethyl Thioglycolate at the D.M.E. 575

R.S. SAXENA, Polarographic Study of Nickel(II) in Ethylthioglycolate Media 583

S. SIBILLE, M. RIEUL and J. PERICHON, Electrochemical Properties of Redox Compounds as Solutes in Liquid Models of Peptid-ic Media 591

A. STEINCHEN and A. SANFELD, Stabilite Chimique et Hydrodyna-mique des Systemes Electrochimiques 599

P.J. STRADINS, S.A. HILLER, R.A. GAVARS, G.O. REIHMANIS and L.H. BAUMANE, Electrochemical Properties and Biological Activity of Nitrofurans 607

G. TANNY, E. HOFFER and O. KEDEM, Streaming Potentials During Hyperfiltration 619

D. TIffivENOT and G. HAMMOUYA, Electrochemical Properties of Mod-el Compounds of Nicotinamide Adenine Dinucleotide in Aqueous Solution 631

D. TIffivENoT and G. HAMMOUYA, Electrochemical Properties of Mod-el Compounds of Nucleic Heterocycles in Aqueous Solu-tions 647

H.A. VIDELA and A.J. ARVIA, A Biological Fuel Cell Using a Strain of Micrococcus Cerificans Metabolizing n-Hexadecane 667

T.G. YOUNG, A Biologically Regenerated Redox Half-Cell 675

D.A. ZELMAN, J.C.T. KWAK and K.S. SPIEGLER, The Concentration Clamp Method for Transport Measurements in Membranes 679

G. ZIMMERMAN, H. JAHNKE, H. METZGER and W. SCHUMANN, Isatin as Catalyst for the Anodic Oxidation of Amino Acids 693

P.J. ELWING, The Symposium: A Retrospect 701

List of Participants

ANDERSON, L.B. Prof.

ARVIA, A.J. Prof. ARVIA, Mrs. BAUMANN, M. Dr.

BEHRET, H. Dr.

BELANGER, P. Dr.

BERG, H. Prof.

BOGUSLAVSKY, L.I. Dr.

BOLlS, L. Prof.

BORDI, S. Prof.

BORGHESANI, G. Dr.

BOTRE, C. Prof.

BRENET, J. Prof.

BUVET, E. Prof.

CAMERINO, B. Prof.

CANTONE, A. Prof.

CAPEL BOUTE, C. Dr.

CAROLl, S. Dr.

CAUQUIS, G. Prof.

Ohio State University Columbus, Ohio Universidad Nacional de La Plata La Plata University of Veszprem Veszprem Battelle Institute Frankfurt/Main University of Montreal Montreal UniversiHit Jena Jena Academy of Sciences of U.R.S.S. Moscow Universita di Roma Roma Universita di Firenze Firenze Universita di Ferrara Ferrara Universita di Roma Roma Universite de Strasbourg Strasbourg Universite de Paris Paris Farmitalia Milano Istituto Ricerche Carlo Erba Milano Universite de Bruxelles Bruxelles Istituto Superiore di Sanita Roma

Centre Etudes Nucleaires de Grenoble Grenoble

x

CHAMBERS, J. Prof.

CHAND, J. Prof. CHAND, G. Mrs. CHARBONNIER, J.C. Dr.

CHIZMADZHEV, Y. Dr.

CIGNITTI, M. Prof.

CIMMINO, A. Prof. CIMMINO, A. Mrs. CONSTANTINESCU, E. Dr.

COPE, F. Dr.

COSTA, G. Prof.

CREMASCHI, D. Dr.

CZOCHRALSKA, B. Dr.

DELLA MONICA, M. Prof.

DESPIC, A. Dr.

DEVAY, J. Dr.

DI CORATO, A. Dr.

DIEHL, H. Dr.

DI GIULIO, E. Dr.

DONIAT, D. Dr.

DRAZIC, D. Dr.

DUPEYRAT, M. Prof. DUPEYRAT, R. Mr. DURST, R. Dr.

EBERHARD, P. Dr.

University of Tennessee Knoxville, Tennessee Universite de Paris Paris Institut Battelle Geneve Moscow Institute of Electrochemistry Moscow Tstituto Superiore di Sanita Roma Universita di Roma Roma University of Bucharest Bucharest U.S. Naval Department Center Warminster, Pa. Universita di Trieste Trieste Universita di Milano Milano University of Warsaw Warsaw Universita di Bari Bari University of Belgrade Belgrade University of Veszprem Veszprem Montedison Milano Universitat Giessen Giessen Montecatini Edison Milano Institut Battelle Geneve University of Belgrade Belgrade Universite de Paris Paris National Bureau of Standards Washington, D.C. Hoffmann la Roche Co. Ltd. Basel

EGGINS, B.R. Dr.

ELVING, P.J. Prof. ELVING, B. Mrs. ESSIG, A. Dr. ESSIG, C. Mrs. FIORDIPONTI, P. Dr.

FLEURY, M.B. Prof. FLEURY, D. Mrs. GARGOuiL, Y.M. Prof.

GA V ACH, C. Dr.

GENSHAW, M.A. Dr. GENSHAW, O. Mrs. GILEADI, E. Dr.

GOYER, R. Prof.

GRANDI, G. Dr.

GRJOTHEIM, K.G. Prof. GRJOTHEIM, J. Mrs. GUASTALLA, J. Dr.

GUILLAUME, I. Dr. GUILLAUME, B. Miss GUPTA, C.M. Dr.

GUREWITSCH, A.M. Dr.

GUTMANN, F. Dr. GUTMANN, I. Mrs. RENIN, S. Dr.

RILLS, G. Prof. HILLS, B. Mrs. HOLTAN, H. Prof.

Hu, K.H. Dr.

HURWITZ, H. Dr.

University of London London University of Michigan Ann Arbor, Mich. Tufts University Boston, Mass. Universita di Roma Roma Universite de Rouen Rouen Universite de Poitiers Poi tiers

XI

Centre National de la Recherche Scientifique Montpellier Ames Co., Division Miles Laboratories Elkhart, Ind. University of Tel Aviv Tel Aviv University of Montreal Montreal Universita di Modena Modena Technical University of Norway Trondheim Centre National de la Recherche Scientifique Montpellier Universite de Poitiers Poitiers University of Rajasthan Jaipur General Electric Co. Zurich Universite de Nice Nice Universita di Milano Milano University of Southampton Southampton University of Trondheim Trondheim Case Western University Cleveland, Ohio Universite de Bruxelles Bruxelles

XII

IBRISAGIC, Z. Dr.

INESI, A. Dr.

JAENICKE, W. Prof.

JAHNKE, H. Dr. JAHNKE, Mrs. JENARD, A. Dr.

JONES, P.E. Dr.

KALOUS, V. Prof.

KANTERE, V.M. Dr.

KEDEM, O. Prof.

KERCHOVE, C., van Dr. KERCHOVE, van Miss KRETSCHMAR, K. Dr.

KONOPIK, N. Prof.

KORYTA, J. Prof.

KUTA, J. Prof. KUTA, M. Mrs. KUZNETSOV, B.A. Prof.

KWEE, S. Dr.

LAGROU, A. Dr.

LEFEVER, R.L. Dr.

LEVART, E. Prof. LEVART, Mrs. LEXA, D. Dr.

LEYKO, W. Dr.

LHOSTE, J.M. Dr.

Mazuranicew trg 3/1 Zagreb Universita di Roma Roma Universitat Erlangen-Ntirnberg Erlangen Robert Bosch GmbH Gerlingen-SchillerhOhe Universite de Bruxelles Bruxelles Universita di Roma Roma Charles University Prague Moscow Institute of Chemical Engineering Moscow Weizmann Institute of Science Rehovot Service de Controle des Medicaments Bruxelles Universitat Erlangen-Niimberg Erlangen Universitat Wien Wien Czechoslovak Academy of Sciences Prague J. Heyrowsky Polarographic Institute Prague A.N. Bakh Institute of Biochemistry Moscow University of Aarhus Aarhus Laboratorium Biochemie van de Mens-Ruce Antwerp Universite Libre de Bruxelles Bruxelles Centre National de la Recherche Scientifique Bellevue, Haut de Seine Museum d'Histoire Naturelle Paris University of Lodz Lodz Museum d'Histoire Naturelle Paris

LLOPIS, J. Dr.

LUTWACK, R. Dr. LUTWACK, P. Mrs. MARBACH, M. Dr.

MARCONI, G. Prof.

MARINI BETTOLO, G.B. Prof.

MARINI BETTOLO, Mrs. MARKIN, V. Dr.

MASTERS, B. Dr.

MEARES, P. Prof. MEARES, R.M. Mrs. MENGOZZI, C. Dr.

MENICHINI, F. Dr.

MILAZZO, G. Prof. MILAZZO, E. Mrs.

MILLER, LR. Prof.

MITTAL, M.L. Dr.

MONTALBETTI, C. Dr.

MOSETTI, J. Dr.

MUSSINI, T. Prof.

NAKACHE, E. Dr. NAKACHE, G. Mrs.

NURNBERG, H.W. Prof.

NYGARD, B. Dr.

OKAZAKI, Y. Dr.

PALLADINO, N. Dr.

XIII

Instituto de Quimica Fisica "Rocasolano" Madrid California Institute of Technology Pasadena, Calif. Centre d'Etudes Nucleaires de Grenoble Grenoble SNAM Progetti Monterotondo, Roma Istituto Superiore di Sanita Roma

Academy of Sciences URSS Moscow Weizmann Institute of Science Rehovot University of Aberdeen Aberdeen Universita di Firenze Firenze

Universita Cattolica del S. Cuore Roma

Istituto Superiore di Sanita Roma

Weizmann Institute of Science Rehovot Malaviya Regional Engineering College Jaipur

Politecnico di Milano Milano

Institut Battelle Geneve Universita di Milano Milano

Faculte des Sciences Paris

Kernforschungsanlage Jiilich

Pharmaci a AB Uppsala

Kinki University Higashiosaka

SNAM Progetti Monterotondo, Roma

XIV

PALMIERI, F. Prof.

PALUMBO DORETTI, M. Dr.

PAPA, S. Prof.

PAVLOVIC, Z. Prof. PAVLOVIC, A. Mr. PERICHON, J. Dr.

PICCIOLJ, A. Dr.

PILLA, A. Dr. PILLA, Mrs. POCCHIARI, F. Prof. POCCHIARI, Mrs. PORTA, A. Dr.

PRAVDIC, V. Dr.

PRIGOGINE, I. Prof. PRIGOGINE, Mrs. QUAGLJARIELLO, E. Prof.

RACINE, P. Prof.

RAMPAZZO, L. Prof.

RAUSCHENBACH, G. Prof. RAUSCHENBACH, H. Mrs. REYNAUD, J.A. Dr.

RUTTKAY-NEDECKY, G. Dr.

&ANFELD, A. Prof.

SAWYER, D.T. Prof.

SAXENA, R.S. Dr.

SIEGMUND, P. Prof.

SILVESTRONI, P. Prof. SILVESTRONI, L. Mrs.

Universita di Bari Bari Istituto Superiore di Sanita Roma Universita di Bari Bari Technical Faculty Banja Luka Universite de Paris Paris Istituto Superiore di Sanita Roma ESB Research Center Yardley, Pa. Istituto Supeliore di SaniUl Roma Institut Battelle Geneve Rudjer Boskovic Institute Zagreb Universite de Brl1xelles Bruxelles Universita di Bari Bari Hoffmann-La Roche Co. Ltd. Basel Universita di Roma Roma Holunderweg 67 Essen-Bredeney Centre National de la Recherche Scientifique Orleans la Source Slovak Academy of Sciences Bratislava Universite de Bruxelles Bruxelles University of California Riverside, Calif. Malaviya Regional Engineering College Jaipur Zentralinstitut fur Biochemie und Biophysik Berlin Universita di Roma Roma

SKOU, E.M. Dr.

SPIEGLER, K.S. Prof. SPIEGLER, A.E. Mrs. STACCHINI, A. Prof.

STEINCHEN-SANFELD, A.Dr.

STRADINS, J. Prof.

SZASZ, G. Dr.

T ANNENBERGER, H. Dr. TANNENBERGER, E. Mrs. TANNY, G. Prof. TANNY, L. Mrs. THEVENOT, D. Dr.

TOHIER, J. Dr.

TOSATO, M.L. Dr.

TREMBLAY, J. Prof.

VALENSI, G. PlOf. V ALENSI, A. Mrs. VERBEEK, E. Prof.

VIDE LA , H.A. Dr.

VOINOV, M. Dr. VOINOV, Mrs. WOLF, S. Dr.

YOUNG, T.G. Dr. YOUNG, M.M.L. Mrs. ZIMMERMANN, G. Dr. ZIMMERMANN, Mrs.

Fysik Kemisk Institut Lyngby University of California Richmond, Calif. Istituto Superiore di Sanita Roma Universite de Bruxelles Bruxelles Academy of Sciences of Latwian S.S.R. Riga General Electric Co. Zurich Institut Battelle Geneve Weizmann Institute of Science Rehovot Universite de Paris Paris Laboratoire de Chimie ENSET Cachan Istituto Superiore di Sanita Roma University of Montreal Montreal Universite de Poi tiers Poitiers University of Ghent Ghent Universidad de la Plata La Plata Institut Battelle Geneve Wolf's Laboratories Landerdale, Fla. Cobblestones, Long Hill Woldingham Robert Bosch GmbH Gerlingen-SchillerhOhe

xv

List of symbols

a A A a.c. c c C C °C cal d d d.c. D D.M.E. DMF DMSO e E

E ECE

E.P.R. eq E.S.R. f

f ( ) F g G G h h H Hz H.F.S. f fa II f1' I.R. j J k

K oK I I m

activity absorbance, affinity, area ampere alternating current concentration centi capacitance coulomb degree celsius calorie optical density, relative density deci direct current diffusion coefficient dropping mercury electrode dimethylformamide dimethyl sulfoxide electron electrode potential sometimes the same as U and V half wave potential (polarographic, voltammetric) electric field strength electrochemical, chemical, electrochemical process electron paramagnetic resonance equivalent electron spin resonance activity coefficient general, specially in the mole fraction scale function of formal, faraday (96500 C) gram free enthalpy (Gibbs free energy) gauss heigth hour enthalpy hertz hyperfine splitting current intensity, ionic strength diffusion current limiting current peak current infrared current density flux Boltzmann constant, rate constant kilo equilibrium constant Kelvin degree absolute length liter concentration expressed as mole kg-1 solvent, mass

m M

min m.p. Mw n N N N.C.B. N.M.R. p P Q R r.p.m. s S S.C.E. t tg T U

U.V. v

V

v z

z Q(

e:

meter, milli concentration expressed as moles dm-3 solution minute melting point molecular weight nano, number of electron involved normal Avogadro number normal calomel electrode nuclear magnetic resonance partition coefficient, pressure permeability electric charge, quantity of electricity gas constant, resistance rounds per minute second entropy saturated calomel electrode time, transference number drop time (D.M.B.) temperature electric tension (sometimes the same as V or E) ultraviolet reaction rate, (sweep) rate (V S-1) volume, voltage, sometimes the same asEorU volt ionic charge (electrochemical valence), sometimes the same as n impedance transfer coefficient molar absorption coefficient, dielectric constant electrokinetic potential overpotential (overtension), viscosity conductance specific (conductivity) wavelength chemical potential dipole moment, micro electrochemical potential sometimes equivalent to E surface charge density, surface tension transition time inner electric potential conductance outer electric potential frequency ohm

Foreword

r Convegno Internazionale su ( Aspetti Biologici dell' Elettrochimica»

by Prof. G.B. MARINI BETTOLO Istituto Superiore di Sanita, Roma, Italy

Sono lieto di porgere il benvenuto a quanti da varie parti del mondo e precisamente da 22 paesi di quattro continenti, sono accorsi qui a Romi!. per partecipare a questa primo Simposio Intemazionale sugli « Aspetti Bio­logici dell'Elettrochimica », accogliendo l'invito del Comitato Intemazionale di Termodinamica e Cinetica Elettrochimiche e dell'Istituto Superiore di SanitiL

L'Istituto Superiore di Sanita., che ha come suo scopo 10 studio e la ricerca per la tutela della sanita. pubblica, ha sempre favorito e promosso gli incontri di scienziati e ricercatori di tutto i1 mondo su temi di interesse attuale ed in rapida evoluzione che attenessero alle ricerche sia di base che applicate nel campo delle scienze biomediche.

Questo Simposio fa seguito ad altri che si sono svolti in questa stessa sede, anche essi su temi di viva attualita., dai metodi di produzione di nuovi antibiotici agli aspetti tossicologici dell'impiego degli additivi, ai me­todi moderni di analisi dei farmaci, al meccanismo delle protezioni dalle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente.

Tutti questi incontri hanno avuto una comune caratteristica, sia pure nella grande eterogeneita dei temi, quella di riunire cultori e specialisti di varie parti della scienza e della tecnologia per concorrere alla soluzione di un unico problema interdisciplinare.

11 tema che oggi affronta l'odiemo Simposio e uno di quelli fonda­mentali della biochimica modema che investe tutto il grande problema delle ossido-riduzioni e del trasporto di elettroni nelle strutture biologiche, dai processi respiratori ad ogni livello, alla trasmissione degli impulsi nervosi ed investe problemi nuovi come la funzione di questi sistemi biologici di ossido-riduzione, il meccanismo d'azione di taluni farmaci e cerca di spie­gare ancora la natura di recettori ed i1 meccanismo del funzionamento delle membrane.

Voglio qui ricordare tra i precursori della elettrochimica biologica i1 nostro GALVANI che circa due secoli fa scopriva l'elettricita. animale, FAR­ADAY, che sintetizza tutta l'opera in questa campo di GALVANI, e VOLTA e quindi MICHAELIS ed il WURMSER che hanno introdotto per primi i con­cetti di ossido-riduzione in forma quantitativa nei processi biologici, e KElLIN che proprio sulla base quantitativa ha proposto per primo 10 schema delle catene elettrochimiche nei fenomeni respiratori.

XVIII

Gli apporti gia dati allo sviluppo ed alle conoscenze delle scienze bio­logiche e mediche dai risultati nel campo dei processi elettrochimici biolo­gici e stato quanto mai cospicuo e fondamentale per il progresso della scienza. .

Le relazioni tra fenomeni biologici ed elettrochimici sono moltissime e di varia natura. Anzitutto va messa in evidenza la circostanza che moltissime reazioni biologiche sono di tipo redox quindi aggredibili per 10 studio in linea di principio con metodi elettrochimici. Va considerato inoltre il va­stissimo campo dei fenomeni di membrana e delle cosidette pompe ioniche metaboliche, i fenomeni della conduzione nervosa e della trasmissione degli impulsi e dell'informazione, ecc.

Ancora l'elettrochimica puo fornire modelli per 10 studio dei fenomeni biologici 0 essere usata come utensile 0 infine provvedere informazioni su sostanze e composti di indiretto interesse biologico come per esempio nella studio delle sostanze che possono interferire con sistemi biologici quali far­maci, additivi, sostanze tossiche ecc.

Rimangono ancora tuttavia da risolvere in vari settori problemi di at­tualita e di grande interesse, quali soprattutto gli aspetti energetici delle ossido-riduzioni organiche, i processi di ossido-riduzione endocellulari e la funzione di promotori od inibitori di catene di ossido-riduzione a livello cel­lulare.

Man mana che i problemi si rendono piiI complessi necessitano di una maggiore specializzazione teo rica e tecnica e la sintesi che il biochimico poteva realizzare di questi problemi diventa sempre piiI difficile di fronte, da un lato, alle acquisizioni rapidissime e sconvolgenti della biologia mole­colare, e dall'altro dal progresso delle teorie e dei risultati sperimentali della chimico-fisica ed in particolare dell'elettrochimica nei suoi aspetti termodi­namici e cinetici.

La specializzazione porta inevitabilmente ad un perfezionamento delle tecniche e ad un progresso nelle cognizioni, ma nello stesso tempo il ricer­catore tende spesso ad ignorare i problemi che si svolgono in altri settori.

Oggi che la interdisciplinarieta nella scienza si pone sempre piiI come un imperativo di progresso, e necessario che uomini di discipline lontane e complementari si uniscano per porre i loro problerni, per confrontare Ie loro opinioni, per scambiare Ie loro esperienze. E proprio da questo in­contro, da questa prospettare il problema sotto vari punti di vista, in que­sto caso biologico e chimico-fisico, che maturano idee nuove, che si stabi­liscono nuove esperienze che consentono di progredire nella migliore cono­scenza dei problemi.

Credo che questa accenno sia sufficiente a mostrare la utilita, se non la necessita, di una sempre piiI stretta collaborazione tra biologi ed elettro­chimici : ai primi quanta aiuto possono avere dai metodi dell'e1ettrochimica, ed agli elettrochimici l'enorme campo di studio nel quale potrebbero util­mente esplicare la loro attivita ed applicare i loro risultati.

E merito del Cornitato organizzatore di avere dato a questa Convegno proprio una impronta interdisciplinare, che e quella che caratterizza anche l'Istituto che vi ospita, chiamando a parteciparvi per la prima volta bio­logi e chimico-fisici in modo da realizzare, in alcuni giorni di intenso la-

XIX

voro, fruttuosi scambi di opinioni e non solo in aula, rna in questa cornice incomparabile che offre Roma, e per trasfondere Ie diverse problematiche ed i diversi punti di vista sulle questioni che oggi si dibattono.

Mi auguro che da questa incontro possano sorgere non miracolistiche soluzioni, rna nuove idee e spunti che possano fermentare ed evolversi nel campo teo rico e sperimentale e portare con il tempo a risultati che ci consentano di acquisire nuove conoscenze per poter meglio tutelare l'uomo su questa incomparabile e perfetto sistema che e la vita.

Preface

The relation between electrochemistry and biological phenomena is one of the recurrent topics of science. Stemming from the enormous and probably unexpected consequences of GALVANI'S observations and ideas, these topics have evolved to the recent technical interest in bio­chemical fuel cells. Electrochemical approaches both in theory and experimentally are increasingly employed in an attempt to solve bio­logical problems.

The aim of the present symposium is to provide an up-to-date look at areas where an electrochemical approach is necessary or desir­able in the study of biological phenomena, to stimulate a common approach among biologists and electrochemists, to encourage discussion of topics of common interest and last but not least the use of a common language. A relevant point which seemed to emerge from the papers presented, is that simpler electrochemical models can often be utilized to simulate more complex biological phenomena, with the inherent advantage that well established electrochemical techniques can be used. Among the various subjects considered, the thermody­namics and kinetics of biologically important reactions, the electron transport in biological structures, the electrochemical working mechan­isms of membranes and the electrochemical investigation of nervous conduction should be mentioned. Further attention was given to the relations between the pharmacodynamic and electrochemical properties of some substances and to the possibility of evaluating kinetic para­meters and thermodynamic quantities of electrochemical steps involved in biological systems. The study of the adsorption phenomenon at the inter phase of electrode solutions is also very important in provid­ing a model suitable for biological processes at various interphases. Finally, extensive development of theoretical studies on irreversible phenomena, which all biological phenomena are, is of special value.

It is hoped that this Symposium can help biologically oriented electrochemists and electrochemically oriented biologists to further strengthen their cooperation to solve biological problems.

G. MILAZZO and L. RAMPAZZO