Bioszervetlen kémia:
Egy újabb híd a kémia és a biológia között

A most induló cikksorozatban egy dinamikusan fejlődő, multidiszciplináris tudományterületre kalauzolja az Olvasót a szerző. E tudományterületnek — a bioszervetlen kémiának — központi témaköre annak bemutatása, hogy milyen szerepet játszanak a fémek — ionos vagy komplexben kötött formában — a legkülönbözőbb biokémiai és biológiai folyamatokban (így egyebek között a lebontási, a redoxi és a transzportreakciókban, valamint az ingervezetésben) és az élő szervezetek szilárd szerkezeteinek kialakításában, az úgynevezett biomineralizációban. Tárgyköréhez tartozik egyes fémek mérgező hatásának kémiai értelmezése, a fémtől függő betegségek, továbbá bizonyos fémkomplexek terápiás felhasználásának tanulmányozása is.
A szerző reméli, hogy a több héten át tartó barangolás ezen az új tudományterületen minden Olvasó számára érdekes, hasznos és gondolatébresztő lesz.

Régóta ismeretes, hogy bizonyos fémek fontos szerepet töltenek be az élő szervezetekben. Évszázadokkal ezelőtt alkalmazták már terápiás célokra a fémsókat, és körülbelül 300 év óta tudjuk, hogy az emberi szervezetnek elengedhetetlenül szüksége van vasra. Az utóbbi évtizedekben rendkívül sok ismeretet szereztünk a fémek biológiai rendszerekben való viselkedéséről, azok előnyös vagy káros hatásáról. Ennek következtében két – egymástól régebben elég távol álló – tudományterület, a szervetlen kémia és a biokémia kapcsolata egyre szorosabbá vált, és az idők folyamán kialakult egy új, interdiszciplináris tudományág, amelyet bioszervetlen kémiának vagy szervetlen biokémiának nevezünk.
Ennek a tudományágnak a határait igen nehéz meghúzni, mivel egyes vonatkozásai sok tudományterülettel (például az élettannal, a neurokémiával, a genetikával, a gyógyszerhatástannal) kerültek kapcsolatba. Ennélfogva nem is törekszünk arra, hogy a határokat pontosan kijelöljük. Nem tesszük ezt azért sem, mert a bioszervetlen kémia legnagyobb jelentőségét egy különleges szemléletmód kialakításában látjuk. Ez a szemléletmód arra ösztönöz, hogy a biokémiaibiológiai rendszereket a fémek szempontjából is megvizsgáljuk. Igyekezzünk választ kapni arra, hogy milyen a fémion kémiai környezete a vizsgálandó biológiai rendszerben, hogyan változnak meg a fémion ismert kémiai tulajdonságai a biomolekulákkal (elsősorban a fehérjékkel) való kölcsönhatások következtében, továbbá hogy a fémionok milyen hatással vannak a biomolekulákra, és ez hogyan befolyásolja azok funkcióit.

"Kemény és lágy szerkezetek"

Egészen a múlt század közepéig viszonylag kevés kísérletet végeztek el biológiai rendszereken annak érdekében, hogy alaposabban megismerjék az élő szervezetekben lejátszódó folyamatokat. Fontos korai megfigyelésnek tekinthető a híres békacom-bkísérlet, amelyről Luigi Galvani, a Bolognai Egyetem anatómiaprofesszora számolt be 1791-ben. A kísérletből azt a következtetést vonta le, hogy létezik “állati elektromosság”, és ennek a tanulmányozása nagymértékben bővítheti élettani ismereteinket. A Galvani-kísérletek értelmezésekor – az akkori idők kezdetleges és hiányos kémiai ismeretei miatt – a kémiai meggondolások teljesen hiányoztak. Az említett időszakot az is jellemezte, hogy a “kemény szerkezetek”-et (csont, héj, váz stb.) szigorúan elkülönítették a “lágy szerkezetek”-től (hús, bőr, belső szervek stb.), és ennek következtében az élő anyagot szinte kizárólag a szén, a hidrogén, az oxigén, a nitrogén és kisebb mértékben a kén meg a foszfor “kombinációiból” felépített szerves molekulákkal hozták kapcsolatba.
Az azonban már elég hamar ismertté vált, hogy egyes fémvegyületek fontos alkotói az élő szervezeteknek. Például megállapították, hogy a növények számottevő mennyiségű káliumot tartalmaznak, továbbá vasvegyületeket tudtak kinyerni az állati vérből, és jódot a tengeri algák hamujából.
A XIX. század második felétől – immár teljesen kiszabadulva a flogisztonelmélet zsákutcájából – lendületes fejlődésnek indult a kémia, és kialakult a négyes tagozódása. Külön tudományágként jelent meg a szervetlen, a szerves, az analitikai kémia és a fizikai törvények egzaktságán alapuló fizikai kémia. Bár az ismeretek rohamosan növekedtek, továbbá kialakult és egyre nagyobb jelentőségűvé vált egy újabb tudományág, a biokémia, egészen a XX. század közepéig általános volt az a nézet: a szerves kémia ismerete egyedül elegendő ahhoz, hogy a biológiai rendszerek felépítését és az azokban végbemenő folyamatokat értelmezni tudjuk.

Tíz létfontosságú fém

E század harmincas éveitől kezdődően azonban olyan eredmények láttak napvilágot, amelyek arra utaltak, hogy a fenti nézeten változtatni kell. Az új és egyre érzékenyebb analitikai módszereket felhasználva kezdték felfedezni, hogy az élő szervezetek számára egyes kis mennyiségben jelen levő elemek – elsősorban fémek – is létfontosságúak. Kimutatták, hogy számos enzim cinket, rezet vagy mangánt tartalmaz, s a sejtekben és a sejtek körüli térben még egyéb fémek, így nátrium, kálium, magnézium és kalcium, továbbá kisebb mennyiségben vas, kobalt és molibdén is található. A későbbiek során egyértelműen tisztázódott, hogy a felsorolt tíz fém minden élő szervezet számára létfontosságú.
Ezeket a felfedezéseket – az analitikai módszerek fejlődésén túl – az tette lehetővé, hogy rohamosan bővültek ismereteink a kémiai rendszerek egyensúlyi viszonyairól, a kémiai reakciók időbeli lefolyásáról, valamint a biológiailag fontos molekulák szerkezetéről. Különösen sokat jelentett a komplexkémia fejlődése az ötvenes évektől kezdődően, mivel ennek eredményeképpen lehetőség nyílt a különböző fémionok és biológiailag fontos (óriás) molekulák: aminosavak, peptidek, fehérjék, szénhidrátok, nukleinsavak, lipidek közötti kölcsönhatások sokoldalú tanulmányozására.

Két kutatási irány

Az ötvenes évek második felétől a fémet tartalmazó biológiai rendszerek vizsgálata terén két fő kutatási irány kezdett kialakulni. A kutatók egy része, elsősorban a biológiában jártasabbak, a fémtartalmú biomolekulák in vivo tanulmányozását tűzte ki célul, míg mások, a kémiában képzettebbek, inkább a modellrendszerek vizsgálatát részesítették előnyben. Ez utóbbi azt jelenti, hogy például egy fém biológiai szerepének felderítésére nem magát a fémfehérje komplexet vizsgálják, s nem próbálják felderíteni a szerkezetét és a dinamikai tulajdonságait, hanem a fémet egy kisebb méretű, de a fehérjével azonos fémkötő helyekkel rendelkező molekulába építik be, s ezen tanulmányozzák a szerkezetet és a dinamikát. Ezeken a rendszereken a legtöbb esetben könnyebb elvégezni a fizikai-kémiai vizsgálatokat, de kétségtelenül fennáll a bizonytalanság: vajon a modell helyesen tükrözi-e a valódi fém biokomplex viselkedését?
Az utóbbi évtizedben a fémet tartalmazó biomolekulák egyedi tanulmányozása mellett mind nagyobb teret hódítanak azok a vizsgálatok, amelyeknek célja, hogy tisztázzák a különböző fémionok szerepét a homeosztázisban, a morfogenezisben és az evolúcióban.

Kőrös Endre
(ELTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék)

(Következik: Fémionok, fémkomplexek...)