Salute e malattia
Due terzi di tutti gli elementi sono metalli. Una loro proprietà cruciale è che non si ionizzano facilmente. Ciò significa che sopravvivono nel corpo nella loro forma ionica e possono partecipare a molte reazioni biologiche. Date le numerose funzioni degli ioni metallici in biochimica, vanno suddivisi in categorie ed spiegati con esempi.
Sebbene la bassa ionizzazione sia solitamente benefica per gli ioni metallici in biochimica, i metalli più reattivi potrebbero aver favorito l'evoluzione delle molecole di acido ribonucleico (RNA) in moderne macchine per la sintesi proteica. La sintesi proteica è il meccanismo che permette agli esseri umani di costruire molecole complesse come enzimi, chaperonine e proteine di trasporto cellulare. Magnesio e Potassio sono due esempi di ioni metallici utili nella biologia dell'RNA. Sono entrambi specie cationiche che possono legarsi strettamente all'RNA polianionico e assistere la molecola di RNA durante il ripiegamento, rendendola più efficace durante la sintesi proteica.
Gli ioni metallici svolgono un ruolo importante nella formazione di complessi metallici e lavorano a stretto contatto con molti enzimi nel corpo. Fanno da mediatori o «co-substrati» in molte reazioni enzimatiche, legandosi brevemente a una sezione della molecola, portandola insieme al suo substrato, per poi rilasciarla quando la reazione corretta è avvenuta. La DNA Ligasi è un esempio di enzima che ha un ione metallico nel suo sito attivo durante la fase di reazione, o «catalisi». L'ione metallico accelera la reazione attirando il substrato nel sito attivo e trattenendolo con forze elettrostatiche. I metallo-enzimi si formano quando l'ione metallico si lega più fortemente all'enzima, creando un complesso stabile, come il ferro nell'emoglobina del sangue.
Il magnesio lavora con il complesso ATP (adenosina trifosfato) per permettere ai muscoli di ricavare energia dal cibo. È un altro processo vitale. La catalisi degli ioni metallici causa una stabilizzazione della carica negativa in sviluppo sulle parti dei substrati che cercano di uscire dal sito attivo del complesso ATP. Questo li libera per andarsene, così la corretta elaborazione può continuare. Se il substrato non uscisse dalla molecola dopo la fase di reazione, l'ATP non potrebbe accettare nuovi substrati. Nessuna nuova energia verrebbe assunta per la funzione muscolare.
Circa un terzo di tutte le proteine note contiene ioni metallici come cofattori. Una funzione importante di questi chelati metallici, o complessi, è la regolazione dei geni, vitale per la sopravvivenza della specie. Molte malattie, inclusi difetti genetici, sono state identificate come causate esclusivamente da difetti, incoerenze e metabolismo scorretto degli ioni metallici nel corpo. I metalli del platino, con ricca stereochimica e capaci di agire come forti cofattori efficaci, non sono noti per la loro presenza nel corpo. Ora sono usati in ricerca per sviluppare biochimiche di reazione più veloci ed efficienti, che potrebbero aiutare a prevenire o trattare malattie come emocromatosi e morbo di Menkes.
Il ferro è essenziale per molti motivi, non ultima la sua importante funzione nel sangue e fegato. Non può essere assorbito o rimosso dal corpo senza l'assistenza di molecole complesse chiamate «chelatori». La transferrina è un esempio naturale. I chelatori del ferro aiutano ad assorbirlo dal tratto gastrointestinale, ma alcuni hanno una condizione per cui ne assorbono troppo. Se il ferro in eccesso non viene rimosso ed escreto, possono sviluppare una potenzialmente letale tossicità da ferro. Rappresenta un interessante equilibrio tra la corretta funzione di un complesso di ioni metallici e una letale perdita di funzione. Chelati sintetici sono in fase di progettazione per trattare il sovraccarico di ferro.
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