Lucia Andrezálová Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie

Transcript

1 Biogénne prvky Lucia Andrezálová Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie

2

3 Biogénne prvky prvky, ktoré sa vyskytujú v biosfére (nevyhnutné pre stavbu a životnú činnosť org.) Makroelementy (12 prvkov, 99%) a) stále primárne prvky (O, C, H, N, P, 1 60%) b) stále sekundárne prvky (Ca, S, Mg, Cl, Na, K, Fe, 0,05-1%) Mikroelementy a) menej ako 0,05% - podskupina 8 stálych prvkov (Cu, Zn, Mn, Co, B, Si, F, I) b) menej ako 0,001% - napr. Br, Se, V c) kontaminujúce prvky (Hg, Tl, Mn, Cr, Cd)

4 Neesenciálne Esenciálne a) hlavné - v potrave až g/deň, (Ca, Mg, Na, K, P, S, Cl) b) stopové mg(µg)/deň, (Cu, Fe, Zn, Mn)

5 VODA podstatná súčasť živých organizmov kojenec 80-70%, dospelý 60%, senior 50% príjem a výdaj v rovnováhe príjem: nápoje, strava, metabolizmus výdaj: moč, pľúca, povrch tela, stolica 2700 ml

6

7 Asociácia molekúl vody vodíkovými väzbami

8 Biologické funkcie vody - disperzné prostredie (rozpúšťadlo) - transport nízko- a makromolek. látok - termoregulácia organizmu - súčasť biomakromolekúl (hydratačná voda) - aktivátor niektorých reakcií - substrát, resp. produkt enzýmových rekcií - vytvára stálosť vnútorného prostredia buniek

9 Význam iónov kovov v organizme Základné funkcie anorg. prvkov a zlúčenín: štruktúrna funkcia - tvorba vonkajšieho a vnútorného skeletu pomocou biominerálov (tvorba kostí, zubov, chrupaviek), stabilizácia helixu DNA prenos nábojov - elektrické impulzy nervov, svalová kontrakcia (Na +, K +, Ca 2+ ), prenos elektrónov pomocou redoxne aktívnych kovových centier (Fe 2+ / 3+, Cu + / 2+ ), metabolizmus

10 Sodík, draslík Na + - extracelulárny katión K + - intracelulárny katión - hospodárenie organizmu s elektrolytmi - udržiavanie osmotického tlaku a ph - prenos nervového vzruchu, svalová kontrakcia - transportné procesy - Na + - ochrana organizmu pred stratami vody - K + - ovplyvňuje funkciu myokardu (hyper-, hypokalémia zlyhanie srdca)

11 Vápnik, horčík Mg 2+ - intracelulárny katión Ca 2+ - extracelulárny katión Horčík - aktivátor enzýmov (napr. fosfotransferázy) - biosyntéza DNA, RNA - v kostiach (spolu s vápnikom) - fotosyntéza (zložka chlorofylu)

12 Vápnik najviac zastúpený katión v ľudskom organizme 99 % v kostiach a zuboch v sére v iónovej forme (difúzibilný) - viazaný na proteíny (nedifúzibilný) - prenos nervového vzruchu, svalová kontrakcia (spolu s K +, Na +, Mg 2+ ) - pri zrážaní krvi - znižuje priepustnosť bunkových membrán a stien kapilár (protizápalový, antialergický) - ovplyvňuje vylučovanie inzulínu - regulácia glykogenolýzy a glukoneogenézy

13 Stavba zubov a kostí Ca 2+, Mg 2+ - apatit (hydroxyapatit, karbonátapatit, fluorapatit), Ca 3 (PO 4 ) 2, Mg 3 (PO 4 ) 2 Zn 2+, stopové množstvá Na +, Cu 2+, Zubná sklovina: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 2F - Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 + 2OH - hydroxyapatit fluorapatit nadbytok fluóru - fluoróza

14 Železo Fe(II), Fe(III) dospelý človek 4-5 g 65 % hemoglobín Fe(II) transport O 2 5 % myoglobín Fe(II) zásoba O 2 vo svaloch feritín Fe(III) zásoba hemosiderín Fe(III) zásoba 0,2 % transferín Fe(III) transport 25% zvyšok iné proteíny a enzýmy (peroxidázy, katalázy, cytochrómy, cytochróm c oxidáza viď. kap. Meď)

15 príjem potravou mg /deň (z toho sa resorbuje v zažívacom trakte 1-2 mg) zdroj: mäso (červené), pečeň, strukoviny fyziologická strata 1-2 mg/deň (stolicou, močom)

16

17

18 Nedostatok železa anémia porucha tvorby erytrocytov (napr. nedostatok B 12, kys. listovej, porucha syntézy hemu - - nedostatok Fe, porucha syntézy globínu talasémie) zvýšené straty erytrocytov (akútna, chronická strata krvi)

19 Nadbytok železa hemochromatóza - zvýšené vstrebávanie železa - ukladanie prebytočného železa v orgánoch a tkanivách s následným poškodením (pečeň, pankreas, endokrinné orgány) - celkový obsah železa v tele až g - k dispozícii je tzv. "katalytické" železo (t.j. viazané v nízkomolekulových komplexoch), ktoré je schopné katalyzovať Fentonovu reakciu: Fe 2+ + H 2 O 2. OH + OH - + Fe 3+

20 Transferín Glykoproteín, Fe(III) - transport železa z miesta resorpcie, z miesta uchovávania železa, alebo z miesta degradácie erytrocytov (z erytrocytov sa denne uvoľní asi 20 mg železa) ku krvotvorným bunkám kostnej drene a do buniek, kde sa železo zabudováva do proteínov - antibakteriálne účinky (veľmi pevne viazané železo, neprístupné pre parazitujúce mikroorg.) - saturácia transferínu u zdravých ľudí je okolo 30 %

21 Hemoglobín - v erytrocytoch tetramér globín (4 polypeptidové reťazce - 2α a 2β podjednotky) + hem(4x) - hem = Fe(II) + protoporfyrín IX = chelát

22 Funkcie - transport O 2 z pľúc do tkanív oxyhemoglobín kooperácia všetkých 4 podjednotiek - transport CO 2 z tkanív do pľúc karbamátohemoglobín - tlmivý systém krvi ( 35 % tlmivej kapacity krvi) Myoglobín monomér, 1 hem vo svaloch, preberá O 2 z hemoglobínu oxymyoglobín Cytochrómy hemoproteíny, účinkujúce pri prenose e - v dýchacom reťazci

23 Kataláza tetramér (4 polypeptidové reťazce + 4 hemy) - katalyzuje rozklad peroxidu vodíka na kyslík a vodu 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 peroxid vodíka slabé oxidačné činidlo (oxiduje SH- skupiny AK - inaktivácia), substrát pre vznik voľných radikálov

24 Meď Cu(II), Cu(I) dospelý človek mg výskyt v org.: svaly, kosti, pečeň, mozog, srdce, obličky denná dávka 1,5 3 mg zdroj: pečeň, ryby, ovocie, cereálie, zelená zelenina absorpcia žalúdok (málo) a tenké črevo transport do pečene albumín vylučovanie žlč, črevná sliznica, moč (málo)

25 Nedostatok Cu a) anémia (vplyv na metabolizmus Fe) a) Menkeov syndróm - dedičná dysfunkcia intracelulárneho transportu Cu. Deficit spôsobuje ťažké poruchy v mentálnom a fyzickom vývoji.

26 Nadbytok Cu a)rizikové faktory aterosklerózy a akútneho infarktu myokardu b)wilsonova choroba - dedičná neschopnosť skladovať Cu v ceruloplazmíne. Nadbytok medi sa ukladá hlavne do mozgu a pečene demencia, zlyhanie pečene, smrť

27 Terapia: D-penicilamín CH 3 CH 3 C CH COOH S H N H 2 donorové atómy hydrofilná skupina

28 Ceruloplazmín extracelulárny glykoproteín, tetramér - transport a zásoba Cu (každá podjednotka 6-7 pevne viazaných iónov Cu ) - ferooxidázová aktivita - antioxidačná aktivita : a) oxidáca Fe 2+ na Fe 3+, b) pevná väzba Cu 2+ resp. Cu + v proteíne a)+ b) bránia vzniku. OH Fentonovou reakciou M (n-1)+ + H 2 O 2. OH + OH - + M n+ c) reaguje priamo so superoxidom O 2.-

29 O 2.- superoxidový aniónový radikál vznik -jednoelektrónovou redukciou O 2 reduktant: Haber-Weissova r. O H 2 O 2 Fe 3+ /Fe 2+ O 2 + OH - +. OH oxidant: oxidácia iónov kovov na Cu(III), Fe(IV) oxidačné poškodenie biologicky významných molekúl

30 Cu,Zn SOD dimér (každá podjednotka Cu(II) a Zn(II)) antioxidačná aktivita - dismutácia superoxidu 1. stupeň: Cu 2+ + O.- 2 Cu + + O 2 2. stupeň: Cu + + O.- 2H + 2 Cu 2+ + H 2 O 2 Sumárna reakcia 2O H + SOD O 2 + H 2 O 2

31 Dismutácia oxidačno-redukčná reakcia, pri ktorej 1 látka prijíma i odovzdáva elektrón, teda rovnaké ióny alebo atómy toho istého prvku podliehajú oxidácii i redukcii. Cytochróm c oxidáza (viď. kap. Železo) mitochondrie terminálna bielkovina dýchacieho reťazca O 2 + 4H + + 4e - Enzým 2H 2 O

32 Zinok Zn(II) dospelý človek 2-3 g denná potreba 2-3 mg zdroj: ustrice, mäso, pečeň, obličky, huby, (cereálie - zlá dostupnosť - fytáty) absorpcia tenké a hrubé črevo vylučovanie žlč, moč (málo) výskyt svaly (60 %), kosti (30 %), koža, vlasy (8 %), pečeň (5 %), GIT (3 %) rozdiel Cu, Fe

33 Nedostatok Zn poruchy imunitného systému redukovaná chuť poruchy rastu zvýšená náchylnosť na zápalové procesy dermatitídy! Cd, Pb a Hg môžu nahradiť Zn v enzýmoch Nadbytok Zn nedostatok Cu (anémia) a Ca znižuje hladinu HDL cholesterolu v sére zhoršená funkcia imunitného systému (leukopénia)

34 Karboanhydráza - efektívny hydrolytický enzým na povrchu aj vo vnútri veľké množstvo H 2 O (vodíkové väzby) H 2 O + CO 2 HCO 3- + H + - hydrogenuhličitanový tlmivý systém - respirácia (rýchle odstránenie CO 2 )

35 Alkoholdehydrogenáza - oxidácia primárnych a sekundárnych alkoholov na aldehydy a ketóny (spolupráca s NAD + /NADH) CH 3 CH 2 OH + NAD + ADH CH 3 CHO + NADH +H +

36 Chróm Cr(III), Cr(VI) absorpcia Cr(III) málo, Cr(VI) viac žalúdok redukcia Cr(VI) Cr(III) Cr(III) glukózový tolerančný faktor - optimalizuje funkciu inzulínu Cr(VI) mutagén, karcinogén po redukcii na Cr(V) reaktívne metabolity kyslíka

37 Toxické stopové prvky Pb, Hg, Cd, Be, As, Tl Zdroj: potrava (znečistená pôda), voda, prach, priemyselný huty, bane, sklárne (Pb), pigmenty a nátery (Pb, Cd), tepelné elektrárne (As, Hg) Toxicita forma a množstvo toxického prvku cesta a trvanie expozície v organizme

38 Pb väzba na SH skupiny enzýmov, Pb 2+ Zn 2+ inaktivácia inhibícia syntézy hemu anémia vplyv na biosyntézu kostí ( Pb 2+ Ca 2+ ) mozog zníženie aktivity (depresie, nervozita, strata koncentrácie) poškodenie obličiek, pečene (strata chuti do jedla, bolesť svalov, kĺbov, slabosť, tras) poruchy reprodukcie

39 Hg letálna dávka 1 g bod topenia je C príjem aj ako výpary kovová ortuť je len málo absorbovaná z GITu Toxické sú: inhalácia výparov rozpustné zlúčeniny (HgCl 2 ) organokovové zlúčeniny napr. metylortuť (vznik v organizme metyláciou zlúč. Hg za účasti B 12 ) metylortuť nepolárna zlúč., rozpustná v tukoch penetrácia cez membrány do celého org.

40 väzba na SH skupiny enzýmov a membránových proteínov, Hg 2+ Zn 2+ inaktivácia enz. a porušenie štruktúry a funkcie membrán poškodenie mozgu, obličiek, srdca, svalov (nervozita, depresie, poruchy reči, pamäti, tras) prechádza cez placentu poškodenie mozgu plodu, mentálna retardácia akútna otrava Hg pálenie žáhy, hnačky Cd veľmi toxický, letálna dávka 350 mg Cd 2+ Zn 2+ väzba na SH skupiny enzýmov inaktivácia poškodenie obličiek, karcinogén neprechádza cez placentu

41 As As(III) > As(V) väzba na SH skupiny enzýmov, ovplyvňuje biosyntézu ATP gastroenteritída, poškodenie periférnych nervov, kože, Tl Tl + K + akumulácia v erytrocytoch, obličkách, kostiach strata vlasov, gastroenteritída, poškodenie periférnych nervov, smrť

42 Fyziologický účinok kovových iónov na organizmus v závislosti od ich koncentrácie

43 Terapia Adsorpcia na povrchovoaktívne látky (aktívne uhlie) Chelatačné činidlá D-penicilamín (p.o) Pb, Hg, Au, Zn, Fe, Cu (Wilsonova ch.) Na 2 CaEDTA (i.v) Pb Dimerkaptopropanol (DIMERKAPROL) As, Hg(anorg.), Sb CH 2 SH CH SH CH 2 OH Desferoxamín (DESFERAL, i.v) Fe, Al Hemodialýza