Das Biologische System der Elemente (BSE): Eine modelltheoretische Betrachtung zur Essentialität von chemischen Elementen

Zusammenfassung

Mithilfe moderner analytischer Verfahren konnte gezeigt werden, dass zwischen den Häufigkeiten unterschiedlicher chemischer Elemente, z.B. in Pflanzenproben, mehr oder minder enge Korrelationen bestehen. Aus diesen Korrelationsnetzen wurde schon 1994 ein Biologisches System der Elemente abgeleitet. Solche Häufigkeitskorrelationen können ihrerseits unterschiedliche Ursachen haben, wie ausgeprägte chemische Ähnlichkeit, Assoziation zwischen Metallionen und Ligandenatomen (O, N, S, Se) in komplexen Verbindungen, etc. Diese Ursachen mithilfe einer dynamischen Analyse biochemischer Prozesse zu erhellen ist das Anliegen dieser Arbeit. Hierzu wird eine Reduktion auf die chemischen Eigenschaften und funktionalen Besonderheiten von autokatalytischen Systemen unternommen, gestützt auf mathematisch abgesicherte Theoreme über Verhaltensmöglichkeiten derartiger Systeme.

Autokatalytische Systeme sind solche, bei deren chemischen oder anderen Reaktionen eine bestimmte Spezies aus dem Reaktionsgemisch heraus reproduziert, dabei häufig vervielfacht wird. Durch diesen Reproduktionsvorgang bleibt die genannte Spezies, der Autokatalysator, formal über den gesamten Stoffumwandlungsprozess hinweg erhalten, wohingegen die anderen Reaktionsedukte fortschreitend verbraucht werden. Lebewesen lassen sich deshalb gleichfalls als Autokatalysatoren beschreiben, weil sie einen Stoffumsatz unter Reproduktion der eigenen, chemisch aktiven Körpermasse, mehr noch, unter Baustoffwechsel und Fortpflanzung, betreiben (gilt in gleicher Weise für auto- und heterotrophe Organismen). Ziel der Arbeit ist dabei ein vertieftes Verständnis derjenigen Mechanismen und Prozesse, die zur selektiven Auswahl bestimmter Elemente im Zuge der chemischen und biologischen Evolution geführt haben, sowie die Definition theoretischer Randbedingungen für Essentialität von z.B. Metallionen. Prinzipiell geht die Argumentation dabei aus von sehr allgemeinen chemischen und dynamischen Eigenschaften, die lebende Systeme charakterisieren, sowie von empirischen Häufigkeitsverteilungen der meisten chemischen Elemente in Lebewesen, namentlich Gefäßpflanzen.

Abstract

The correlation of data on the elements obtained by instrumental chemical analysis of highly representative plant samples led to the establishment of a first Biological System of Elements (BSE) in 1994. Including other physiological parameters like availability of chemical elements, transport, storage, etc. it is clear, that aside from the bioinorganic aspects of coordination chemistries of given elements, features of essentiality or toxicity depend on their interference with enzymatic processes. Notably, the latter are not to be considered as purely catalytic transformations, but are instead related to the reproduction of organisms in a direct or indirect manner — as autocatalytic: a process whereby a protein containing some metal or burdened in function by its presence is indirectly involved in its own reproduction. Stoichiometric Network Analysis (SNA) explicitly deals with the 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 bioinorgnaic chemistry-, and that biochemistry is in effect about systems which can reproduce and thus behave autocatalytically, one can expect SNA to yield statements on the basic features of biology and biochemistry as well.