Bioelektrochemia

Bioelektrochemia, elektrochemia biologiczna (grec. βιολογικών ηλεκτροχημεία) – dziedzina nauki z pogranicza chemii i biologii badająca biologiczne procesy przebiegające z przeniesieniem ładunku (procesy redoks, transport jonowy) oraz wykorzystująca metody elektrochemiczne 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 biologiczne,
• przekazywanie impulsów nerwowych,
• przetwarzanie i magazynowanie energii,
• zrozumienie biologicznych funkcji elektroaktywnych cząsteczek, np. metaloprotein, wymaga poznania ich potencjałów redoks oraz określenia dostępnych stopni utlenienia jonu centralnego.

Drugą grupę obejmują elektrochemiczne badania tzw. układów biomimetycznych – syntetycznych i półsyntetycznych związków chemicznych naśladujących układy funkcjonujące w organizmach żywych. Stosowane w bioelektrochemii techniki elektrochemiczne to:

${\left.{\begin{matrix}polarografia\\woltamperometria\\amperometria\\potencjometria\\chronokulometria\end{matrix}}\right\}{Cze\!\!,sto\;sprze\!\!,{\dot {z}}one\;z\;metodami\;spektroskopowymi \atop (spektoelektrochemia)}}$

Bioelektrochemia spełnia zadania poznawcze jako nauka o charakterze podstawowym; rezultaty jej badań są wykorzystywane m.in. do opracowywania nowych katalizatorów, sensorów elektrochemicznych, biosensorów, układów mikroelektronicznych, np. wykorzystujących enzymy lub warstwy i dwuwarstwy lipidowe. Głównymi kierunkami rozwoju bioelektrochemii są:

• procesy redukcji i utleniania składników układów biologicznych,
• elektrochemia biomembran i ich modeli,
• elektrochemiczne biosensory,
• biomolekularne elementy elektroniczne oraz zastosowania technik elektrochemicznych w biologii i medycynie.

Największe postępy osiągnięto w zrozumieniu mechanizmu przeniesienia elektronu w metaloproteinach i ich mutantach dzięki badaniom bionieorganicznym modeli centrów aktywnych białek; wyniki tych badań pozwoliły przygotowanie i zastosowanie katalizatorów do redukcji tlenu, związków azotu, także poznanie czynników kontrolujących procesy transporty elektronów i protonów przez biomembrany. Obecnie dzięki miniaturyzacji urządzeń elektrochemicznych, głównie elektrod (mikroelektroda), można śledzić przebieg procesów wewnątrz komórek i 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 biologicznych, obecnych w organizmach w tzw. śladowych stężeniach.
Metody elektrochemiczne stosowane są w diagnostyce i terapii medycznej, oznaczaniu i poszukiwaniu nowych leków; badania procesów korozyjnych maja na celu wybór optymalnych materiałów, np. na implanty (biomateriały).

Historia

Historia bioelektrochemii sięga odkryć Luigiego Galvaniego, który udowodnił związki między zjawiskami elektrycznymi a funkcjonowaniem układów biologicznych; jako dyscyplina szczegółowa bioelektrochemia została wyodrębniona w elektrochemii w latach 70. XX w. dzięki pracom m.in. Alberta Szent-Györgyiego, w następstwie dynamicznego rozwoju teorii przeniesienia elektronu (Rudolph A. Marcus, lata 60.) oraz ich zastosowania do opisu układów biologicznych. Wyodrębnieniu się tej dyscypliny sprzyjał znaczny postęp w zrozumieniu budowy fotosyntetycznych i oddechowych łańcuchów białek redoks, osiągnięty dzięki rozwojowi badań spektroskopowych (głównie NMR) oraz rentgenowskich. Problemami bioelektrochemii zajmują się głównie następujące towarzystwa naukowe:

• Międzynarodowe Towarzystwo Elektrochemii – Sekcja Bioelekrochemii,
• Amerykańskie Towarzystwo Elektrochemiczne i Towarzystwo Bioeletrochemiczne.

Główne czasopisma:

• „Bioelectrochemistry and Bioenergy”
• „Analytical Biochemistry”
• „Biophysical Journal”

Zobacz też

• amperometria
• polarografia
• woltamperometria

Bibliografia

• Encyklopedia G.W. EU: Mediasat Poland Sp. z o.o., s. 418–419. ISBN 83-89651-37-8.