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Lexikon der Biologie: Metalle

Metalle, chemische Elemente, die unter Standardbedingungen eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit (welche mit zunehmender Temperatur abnimmt), eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen starken Glanz besitzen. In völlig reiner Form sind sie ferner durch eine gute Verformbarkeit (Biomechanik [Tab.]) gekennzeichnet (soweit sie nicht ohnehin flüssig sind). Die charakteristischen elektrischen Leitfähigkeiten beruhen auf spezifischen zwischenatomaren Bindungsformen, die als metallische Bindungen (chemische Bindung) bezeichnet werden. Die Dichte der Metalle variiert von 0,534 bis 22,57 g/cm3. Unter Standardbedingungen ist nur das Quecksilber flüssig. Von den chemischen Elementen 1–100 (Atom) gehören 72 zu den Metallen (sowie sämtliche Elemente mit größerer Ordnungszahl als 100), 28 zu den Nichtmetallen und den Halbmetallen. Metalle sind allein aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften in Elementform definiert, welche für die biologischen Prozesse meist ohne Bedeutung sind, da die wenigen Metalle, die überhaupt in reiner, „gediegener“ Form in der natürlichen Umwelt auftreten, wie Gold und Silber, unter natürlichen Bedingungen praktisch kaum mit lebenden Geweben reagieren. Die entscheidende Form, in welcher Metalle mit biologischen Materialien in Wechselwirkung treten, ist die Kationenform (Kation; z.B. als K+ [Kalium] oder Ca2+ [Calcium]) oder Anionenform (Anion), die als anorganischer oder organischer Komplex auftritt (z.B. Vanadate, Molybdate). Physikalisch und auch umgangssprachlich werden die Schwermetalle als eigene Gruppe den übrigen Metallen (Leichtmetalle) gegenübergestellt. Diese Unterscheidung ist aus biologischer und toxikologischer Sicht von geringer Relevanz, da sie aufgrund physikalischer Eigenschaften der entsprechenden Elementform vorgenommen wird, die biologischen Interaktionen aber überwiegend in Form gelöster Ionen und Komplexe vonstatten gehen. Die biologische Wirkung und Funktion eines Metalls und auch schon die Aufnahme aus dem umgebenden Milieu (z.B. Wasser, Boden oder Nahrungsbrei im Darm) sind stark vom Ionenradius und von der Elektronenkonfiguration abhängig, die zusammen das Bindungsverhalten bestimmen. Metalle mit ähnlichen Ionenradien und Wertigkeiten (z.B. Ca2+, Pb2+ [Blei], Cd2+ [Cadmium]) werden von den biochemischen Reaktionen der Organismen nicht vollständig unterschieden, so daß eine wechselseitige Beeinflussung möglich ist. Die biochemische und physiologische Wirkung eines essentiellen oder eines toxisch wirkenden Metalls muß stets im Zusammenhang mit der jeweiligen Konzentration oder Dosis gesehen werden: es kann in zu niedrigen Konzentrationen im Milieu oder im Gewebe vorliegen, in adäquaten Konzentrationen oder in zu hohen Konzentrationen. Metalle können entweder als Ionen oder kovalent mit einer Vielzahl im jeweiligen Milieu anwesender Liganden chemische Reaktionen eingehen. Oft entstehen Verbindungen mit Atomen von Stickstoff (N), Sauerstoff (O) oder Schwefel (S), welche die Molekülstruktur verändern, Wasserstoffbrücken lösen oder katalytische Aktivitäten (Katalyse) hemmen. Unterschiede in der chemischen Reaktivität der verschiedenen Metalle findet man in Übereinstimmung mit dem koordinationschemischen Verhalten der Metalle und ihrer Einteilung in „harte“ Kationen (auch A-Metallkationen genannt) und „weiche“ Kationen (auch B-Metallkationen genannt) sowie die dazwischen vermittelnden Übergangsmetallkationen (Borderline-Metallkationen). Die allgemeine Toxizität gegenüber Organismen nimmt in der Regel mit der Stabilität der Elektronenkonfiguration ab bzw. mit der Elektronegativität zu; Ausnahmen mit zunehmender Toxizität finden sich in den Reihen Magnesium – Calcium – Strontium – Barium sowie Kupfer – Silber – Gold – Zink – Cadmium. Diese Zunahme kann durch die steigende Affinität der jeweiligen Metallionen zu Aminogruppen, Iminogruppen (Imine) und Sulfhydrylgruppen (SH-Gruppe) erklärt werden, die als aktive Zentren (aktives Zentrum) einer Reihe von Enzymen fungieren. Die Metalle der 6. Periode sind die potentiell giftigsten (Gifte) natürlichen Elemente. Daß sich bei der Entwicklung des Lebens etliche Metalle als essentiell erwiesen haben (z.B. Calcium, Kupfer), andere als im allgemeinen nicht essentiell (z.B. Strontium, Silber), hängt zum einen mit dieser unterschiedlichen Reaktivität zusammen, zum anderen wohl auch mit den ursprünglich verfügbaren natürlichen Konzentrationen, die nicht alle Metalle gleichermaßen funktionell einsetzbar machten. Die heute vielfach anthropogen in der Umwelt und in der Nahrung erhöhten Konzentrationen (Akkumulierung) haben dadurch zu teilweisen Störungen des evolutiv eingespielten Gleichgewichts geführt. Biomechanik (Tab.), Chalkophyten, Metalloproteine, Metallothioneine, Metalltoleranz bei Pflanzen, Metallvergiftungen, Mineralstoffe (Tab.) Schwermetallresistenz.

B.St.

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