Diskussionsbeiträge (Langfassung)

Zusammenfassung

Bestellung von Einzelbeiträgen

2494 KB   Volltext 4 Mal heruntergeladen seit November 2001

DOI:http://dx.doi.org./10.1065/uwsf2000.04.002.1

Das Biologische System der Elemente ist nicht nur Resultat von Essentialitätsuntersuchungen mit ihren praktischen Hindernissen (z.B. Kontamination). Korrelationen zwischen den Häufigkeitsverteilungen chemischer Elemente in biologischem Material spiegeln tiefer liegende biochemische Faktoren und Zusammenhänge wider. Sie werden im Biologischen System der Elemente - BSE (MARKERT, 1994; 1998) durch dessen drei begrenzende Kanten abgebildet (Fähigkeit zur Ausbildung hoch aggregierter Strukturen, Salinität des Milieus und organisch-biochemischer Charakter der elementzentrierten Species); die damit verknüpften Parameter haben mehrfache Bedeutung.

Neben deren komplexchemisch-bioanorganischem Charakter ist für Essentialität oder Toxizität eines Elements auch zu berücksichtigen,
wie es in enzymatische Prozesse eingreift. Die letzteren sind nicht einfach katalytisch, sondern verhalten sich - indem und insoweit sie die Fortpflanzung eines Organismus berühren - zudem autokatalytisch: ein (metallhaltiges oder -belastetes) Protein beeinflusst indirekt seine eigene Reproduktion.

Die Stöchiometrische Netzwerkanalyse (SNA; CLARKE, 1974) befasst sich explizit mit Grundformen der Dynamik solch autokatalytischer Systeme. Daher sollte es möglich sein, Aspekte der bioanorganischen Chemie von Metallproteinen einschließlich Essentialität und Toxizität als Bausteine autokatalytischer Kreise zu behandeln und SNA hierauf anzuwenden.

Aufsetzend auf den SNA-Theoremen (CLARKE, 1974; 1980) wird ein System von Ungleichungen zum autokatalytischen Verhalten bestimmter Metalle
aufgestellt. Das Verfahren ermöglicht detaillierte Aussagen und
Voraussagen darüber, ob ein bestimmtes Element überhaupt bzw. in welchen (z.B. methylierten oder komplexen) Bindungsformen oder Redoxpotentialbereichen es ggf. essentiell sein könnte. Dies wird exemplarisch (W, Sn, Te) diskutiert.

Abstract

Request for single articles

2494 KB  Full paper 4 downloads since November 2001

The biological system of (chemical) elements does not only rely upon studies on the essentiality of certain elements for particular organisms which are inevitably hampered by problems like contamination but also takes correlations among the abundances
of different elements in biological matter into consideration which shed light on less obvious biochemical relationships.

Within the BSE (MARKERT, 1994; 1998), the three axes (feasibility of highly aggregated molecules, increasingly [bio-]organic character, salinity of environment) which surround the triangle in which the elements become arranged are distinguished by parameters of multiple
significance.

Besides the bioinorganic aspects of coordination chemistries of given elements, features of essentiality or toxicity depend on their
interferences with enzymatic processes. Notably, the latter are not to be considered as plainly catalytic transformations, but moreover - since they are related to the reproduction of organisms in direct or other manners - as autocatalytic: a process by which a protein containing some metal or which is burdened in function by its presence is indirectly involved in its own reproduction.

Stoichiometric Network Analysis (SNA), originally developed by the Canadian chemist Bruce L. Clarke during the 1970s, explicitly deals with general dynamics of such autocatalytic systems. Given there is a relationship between the kinds of metal or metalloid species and the key biological/biochemical transformations to be promoted using them -a relationship which is the topic of bio-inorganic chemistry -, and that biochemistry is in effect about systems which can reproduce and thus behave autocatalytically, one can expect SNA to yield statements on basic features of biology and biochemistry as well.

A non-equational system on the autocatalytic behaviour of certain metal ions is given; this approach allows for predictions as to whether an element may be essential at all or possibly in which (e.g. methylated or complex) forms or which ranges of environmental redox potential it may act in this manner. Examples of this method are discussed for tungsten, tin and tellurium.