Biometale – pojęcie stosowane w biologii, biochemii oraz w naukach pokrewnych na określenie metali obecnych w organizmach żywych w mierzalnych ilościach, które pełnią istotne funkcje biologiczne. W ujęciu biologicznym i biochemicznym termin ten odnosi się przede wszystkim do jonów metali uczestniczących w procesach metabolicznych, regulacyjnych i strukturalnych, m.in. jako składniki metaloprotein i metaloenzymów.

Pojęcie „biometale” nie posiada jednej, ściśle zdefiniowanej definicji formalnej, a jego zakres może różnić się w zależności od kontekstu badawczego. Najczęściej jest ono używane w ramach chemii bionieorganicznej oraz badań systemowych określanych mianem metalomiki.

Historia badań Badania nad rolą metali w organizmach żywych początkowo rozwijały się w ramach chemii bionieorganicznej oraz fizjologii i dietetyki, gdzie analizowano niezbędność poszczególnych pierwiastków dla życia. Równolegle toksykologia zajmowała się skutkami biologicznymi nadmiaru lub nieprawidłowej specjacji chemicznej metali, a farmakologia ich potencjalnymi zastosowaniami terapeutycznymi.

Zintegrowanie tych podejść nastąpiło wraz z rozwojem metalomiki – dziedziny badającej rozmieszczenie, specjację, transport, regulację i funkcję jonów metali w komórkach, tkankach i organizmach jako całości.

Znaczenie biometali zaczęto rozumieć stopniowo wraz z postępem metod analitycznych. Przykładowo, niezbędność cynku dla wzrostu mikroorganizmów wykazał Jules Raulin w 1869 roku, natomiast kluczową rolę cynku w komórkach eukariotycznych potwierdzono w XX wieku po odkryciu tego metalu w centrum aktywnym anhydrazy węglanowej.

Biometale w biologii i biochemii W organizmach żywych biometale rzadko występują w postaci wolnych jonów, ponieważ ich nadmiar może prowadzić do uszkodzeń komórkowych. Zwykle są one związane w stabilnych kompleksach koordynacyjnych z białkami, nukleotydami lub innymi ligandami biologicznymi. Najczęstszymi resztami aminokwasowymi wiążącymi jony metali w białkach są m.in. reszty cysteiny, histydyny oraz kwasu glutaminowego.

W biologii człowieka i wielu innych organizmów wyróżnia się:

Makroelementy – metale obecne w organizmach w stosunkowo dużych ilościach: Sód i potas – kluczowe dla utrzymania równowagi osmotycznej oraz generowania potencjałów błonowych w komórkach nerwowych i mięśniowych. Wapń – najobficiej występujący metal w organizmie człowieka; pełni funkcje strukturalne w kościach i zębach oraz bierze udział w przekazywaniu sygnałów komórkowych. Magnez – niezbędny kofaktor wielu enzymów zależnych od ATP oraz stabilizator struktur kwasów nukleinowych.

Mikroelementy (pierwiastki śladowe) – metale wymagane w niewielkich ilościach: Żelazo – pełni zasadniczą rolę w transporcie tlenu oraz reakcjach redoks.. Cynk – stabilizuje struktury białkowe, reguluje ekspresję genów i aktywność enzymów. Mangan – składnik enzymów oksydoredukcyjnych oraz fotosystemu II u roślin. Miedź i kobalt – występują odpowiednio m.in. w oksydazach oraz w witaminie B12.

Biometale w medycynie Związki metali odgrywają ważną rolę w farmakologii i medycynie:

Leki psychiatryczne – sole litu są od wielu dekad stosowane jako leki stabilizujące nastrój w leczeniu choroby afektywnej dwubiegunowej.

Chemioterapia – związki platyny, takie jak cisplatyna, są szeroko stosowane w leczeniu nowotworów, gdzie działają poprzez uszkadzanie DNA komórek nowotworowych.

Biometale jako biomateriały Metale i ich stopy są powszechnie wykorzystywane w inżynierii biomedycznej jako biomateriały metaliczne, m.in. do produkcji implantów ortopedycznych, stomatologicznych i kardiologicznych. Do najczęściej stosowanych należą stopy tytanu, stale chirurgiczne oraz stopy kobaltowo-chromowe.

Zobacz też Chemia bionieorganiczna Metaloproteiny Mikroelementy Metalomika

Przypisy

Kategoria:Biochemia Kategoria:Biotechnologia