Biometal

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^[1].

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^[1].

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^[2].

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^[1].

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^[3].

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^[4].
  • 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.^[5].
  • 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^[1].

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^[6].

• Chemioterapia – związki platyny, takie jak cisplatyna, są szeroko stosowane w leczeniu nowotworów, gdzie działają poprzez uszkadzanie DNA komórek nowotworowych^[7].

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^[8].

• Chemia bionieorganiczna
• Metaloproteiny
• Mikroelementy
• Metalomika