bioelektrochemia

bioelektrochemia

[gr.],

elektrochemia biologiczna,

dziedzina nauki z pogranicza chemii i biologii badająca biol. procesy przebiegające z przeniesieniem ładunku (procesy redoks, transport jonowy) oraz wykorzystująca metody elektrochem. do poznawania lub odtwarzania innych zjawisk i procesów w układach biologicznych.

Do pierwszej grupy zagadnień należą: badania procesów enzymatycznych, przenoszenie elektronów i protonów w organizmach żywych, transport ładunku przez membrany biol., przekazywanie impulsów nerwowych, przetwarzanie i magazynowanie energii; zrozumienie biol. funkcji elektroaktywnych cząsteczek, np. metaloprotein, wymaga poznania ich potencjałów redoks oraz określenia dostępnych stopni utlenienia jonu centralnego. Drugą grupę obejmują elektrochem. badania tzw. układów biomimetycznych — syntet. i półsyntet. związków chemicznych naśladujących układy funkcjonujące w organizmach żywych. Stosowane w bioelektrochemii techniki elektrochem. to: polarografia, woltamperometria, amperometria, potencjometria, chronokulometria, często sprzężone z metodami spektroskopowymi (spektroelektrochemia). Bioelektrochemia spełnia zadania poznawcze jako nauka o charakterze podstawowym; rezultaty jej badań są wykorzystywane m.in. do opracowywania nowych katalizatorów, sensorów elektrochem., biosensorów, układów mikroelektronicznych, np. wykorzystujących enzymy lub warstwy i dwuwarstwy lipidowe. Głównymi kierunkami rozwoju bioelektrochemii są: procesy redukcji i utleniania składników układów biol., elektrochemia biomembran i ich modeli, elektrochem. biosensory, biomolekularne elementy elektroniczne oraz zastosowania technik elektrochem. w biologii i medycynie; największe postępy osiągnięto w zrozumieniu mechanizmu przeniesienia elektronu w metaloproteinach i ich mutantach dzięki badaniom bionieorg. modeli centrów aktywnych białek; wyniki tych badań pozwoliły na przygotowanie i zastosowanie katalizatorów do redukcji tlenu, związków azotu, także poznanie czynników kontrolujących procesy transportu elektronów i protonów przez biomembrany. Obecnie, dzięki miniaturyzacji urządzeń elektrochem., gł. elektrod (mikroelektroda), można śledzić przebieg procesów wewnątrz komórek i w połączeniach międzykomórkowych, np. synapsach, lub transport jonów przez błony pojedynczej komórki (tzw. metoda patch-clamp); rozwinęły się techniki badań w czasach mikro- i nanosekundowych i czułe metody oznaczania składników istotnych dla funkcjonowania układów biol., obecnych w organizmach w tzw. śladowych stężeniach. Metody elektrochem. są stosowane w diagnostyce i terapii med., oznaczaniu i poszukiwaniu nowych leków; badania procesów korozyjnych mają na celu wybór optymalnych materiałów, np. na implanty (biomateriały).

Historia bioelektrochemii sięga odkryć L. Galvaniego, który udowodnił związki między zjawiskami elektrycznymi a funkcjonowaniem układów biol.; jako dyscyplina szczegółowa bioelektrochemia została wyodrębniona z elektrochemii w latach 70. XX w. dzięki pracom m.in. A. Szent-Györgya, w następstwie dynamicznego rozwoju teorii przeniesienia elektronu (R.A. Marcus, lata 60.) oraz ich zastosowania do opisu układów biologicznych. Wyodrębnieniu się tej dyscypliny sprzyjał znaczny postęp w zrozumieniu budowy fotosyntet. i oddechowych łańcuchów białek redoks, osiągnięty dzięki rozwojowi badań spektroskopowych (gł. NMR) oraz rentgenowskich.

Problemami bioelektrochemii zajmują się gł. następujące towarzystwa nauk.: Międzynar. Tow. Elektrochemii — Sekcja Bioelektrochemii, amer. Tow. Elektrochem. i Tow. Bioelektrochem.; gł. czasopisma: „Bioelectrochemistry and Bioenergy”, „ Analytical Biochemistry”, „Biophysical Journal”.

Renata Bilewicz

Bibliografia

S.J. Lippard, J.M. Berg Podstawy chemii bionieorganicznej, Warszawa 1998.