Minerály a stopové prvky

1. Minerály a stopové prvky Jana Novotná

2. MINERÁLY A STOPOVÉ PRVKY • Hlavní skupina • stavební složky molekul živých organismů • (voda, proteiny, tuky, cukry, lipidy) • C, H, O, N, S • 2.Nutričně důležité minerály (více jak 100 mg za den) • Ca, P, Mg, Na, K, Cl • 3. Stopové prvky • Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn, Se, I, F • 4.Doplňkové prvky (nejsou esenciální pro člověka) • Ni, Si, Sn, V, B, Li • 5. Toxické prvky • Pb, Hg

3. MINERÁLY A STOPOVÉ PRVKY • Transport stopových prvků: • albumin - Cu, Zn • transferin - Fe, Cr, Mn, Zn • aminokyseliny - Cu, (Fe v malém množství) • transkobaltamin - Co • globuliny - Mn

4. MINERÁLY A STOPOVÉ PRVKY • Způsoby vylučování stopových prvků: • žluč – Cr, Cu, Mn, Zn • moč – Co, Cr, Mo, Zn • pankreatická šťáva - Zn • pot - Zn • odumíráním mukosálních buněk – Fe, Zn

5. Sodík • Na+ je hlavní kationtECT • koncentrace v plasmě - 135 -145 mmol/l, • intracelulární koncentrace - 3-10 mmol/l, • hlavní zdroj Na+v potravě je NaCl – denní dávka ~ 5 – 15 g, ale 90-95% se vyloučí močí • Udržuje celkovou homeostázi tělních tekutin a vodní bilance. • Snížení krevního tlaku a snížení koncentrace sodíku má za následek produkci reninu → produkce aldosteronu → snížení vylučování sodíku močí.

6. Sodík • Na+ jsou důležité pro udržení • elektrického potenciálu, nezbytné pro funkci neuronů (mozek a periferní nervy) • ovlivnění osmotického tlaku v buňkách a ve tkáních • Distribuce je spojena s funkcí Na+/K+-ATPasové pumpy • hypernatrémieje většinou spojena s dehydratací. • hyponatrémie - ztráty Na+ kationtů převažují nad ztrátami vody, koncentrace Na+ se v ECT snižuje (maratonci) Ve tkáních se vyskytuje výhradně ionizovaný . Váže na sebe nejvíce vody - retence sodíkuje doprovázená retencí vody !!!

7. Draslík • Hlavní kationt intracelulární tekutiny - koncentrace 110 -160 mmol/l • ve srovnání s Na+ ionty je v ECT 25 -30 x nižší - 3,8-5,2 mmol/l (i malé zjištěné změny v plasmě mají proto závažné funkční důsledky !!!), • v ECT se vyskytuje výhradně ionizovaný • změny pH krve (fyziologická hodnota pH = 7,4 ± 0,04) ovlivňují koncentraci draselných iontů: • v alkalóze (pH je vyšší než 7,44) - hodnotu K+ ovlivněna směrem k hypokalémii (< 3,8 mmol/l). Přechodný tok K+ do buněk (pravděpodobně činností Na+/K+-ATPasy) • v acidóze (pH je nižší než 7,36) - hodnotu K+ ovlivněna směrem k hyperkalémii (> 5,4 mmol/l). Přechodný tok K+ z buněk

8. Draslík • Toxicita draslíku se projevuje při selhání ledvin – neschopnost vyloučit K+ • změny koncentrace K+ v krvi (kalémie) ovlivní funkci kardiovaskulárního systému; mění proto křivku EKG, • vliv hyperkalémie je možné antagonizovat zvýšením sérového vápníku Hlavním zdrojem draslíku je rostlinná strava (např. ovocná šťáva obsahuje 20-60 mmol/l)

9. Vápník 99% v minerální matrix kosti (hydroxyapatit) Ca10(PO4)6(OH)2 Kost se neustále remodeluje (více jak 700 mg Ca se denně ukládá a uvolňuje). 1% v tělesných tekutinách, jako ionizovaný, • konstantní koncentrace v plasmě - 2.2 - 2.6 mmol/l (4.4 - 5.2 meq/l). • Koncentrace v ICT – 0.1 mM. V plasmě existují tři frakce vápníku: • 15 % vázáno na organické a anorganické anionty – sufát, fosfát, laktát, citrát • 40 % je vázáno na albumin • 45 % cirkuluje jako fyziologicky aktivní ionizovaný vápník • Intracelulárnívápník: • cytosol  • mitochondrie • mikrosomy • regulovánspecifickými "pumpami" 

10. Vápník • Regulace životně důležitých funkcí: • svalová kontrakce, • nervový přenos, • ovlivnění účinku hormonů, • srážení krve, • pohyb buněk • Intracelulární působení Ca přes kalmodulin jako druhý posel. • Regulace mnoha pochodů - aktivity enzymů, metabolismus cyklických nukleotidů, fosforylace proteinů, sekreční funkce, agregace mikrotubulů, metabolismu glykogenu.

11. Vápník Denní potřeba: děti do 11 let – více jak 1200 mg/den 11 – 24 let – 1200 – 800 mg/den nad 24 let – 500 mg/den postmenopausa – 1000 – 1500 mg/den Metabolismus: • Vit. D3 (1, 25-dihydoxycholekalciferol) reguluje absorpci v duodenu a proximálním jejunu (kalcium vázající protein). Inhibice absorpce oxaláty, fytáty, fosfáty (tvorba nerozpustných vápenatých solí). • Parathormon reguluje uvolňování Ca z kostí, reabsorpci v distálních renálních tubulech, absorpce ve střevě. • Kalcitonininhibuje aktivitu osteoklastů a tím potlačuje kostní resorpci, inhibuje reabsorpci Ca a P v ledvinových tubulech

12. Vápník Vstřebávání vápníku inhibují: • oxaláty (soli kyseliny šťavelové), • fytáty (soli kyseliny fytové - obilniny, soja), • fosfáty (tvoří nerozpustné soli), • sodík • kofein

13. Vápník Hypokalcémie : • malabsorpce vápníku ze střeva, • hypoparathyroidismus, renální insuficience • nedostatek vit. D • svalové křeče a neuromuskulární excitabilita, laryngospasmus, • křivice u dětí, • osteomalácie u dospělých (demineralizace kostí).

14. Vápník Hyperkalcémie: • intoxikace vit. D, hyperparathyroidismus, • maligní nádory, • zvýšená osteoklastická aktivita, • mnohačetný myelom. • Nevolnost, zvracení, letargie, deprese. Hyperkalcémie nad 3,5 - 4 mmol/l je život ohrožující, hrozí zástava srdce, vyžaduje urgentní zásah.

15. Fosfor V kostech je obsaženo 80-90%, 10-20% v buňkách, 1% v ECT. • Zajišťuje strukturu a funkci všech typů buněk. • V tělesných tekutinách jako fosfát. V buňkách jako volný iont v koncentraci několika mekv/l. • Integrální složka nukleových kyselin nukleotidů, fosfolipidů, některých proteinů. • Hlavní složka kostí (hydroxyapatit). • Složka enzymů (fosfatasy, pyrofosfatasy), tvořící esterovou nebo anhydridovou vazbu mezi fosfátem a jinými molekulami.

16. Fosfor • V séru, moči: směs hydrogenfosforečnanu /HPO42- / a dihydrofosforečnanu /H2PO4-/- regulují okyselení moči a AB – rovnováhu. Metabolismus: • Vit. D3 (1, 25-dihydoxycholekalciferol) - regulace absorpce ve střevě, stimulace reabsorpce spolu s Ca v proximálních tubulech ledvin. • Parathormon - ukládání fosfátů do kosti (hydroxyapatit). 85 – 90% plasmatického fosfátu se filtruje v ledvinových glomerulech.

17. Fosfor Hypofosfatémie: • pokles absorpce ve střevě, zvýšené vylučování ledvinami • křivice u dětí • osteomalácie u dospělých • abnormality krevních buněk Hyperfosfatémie: • vznik při akutním nebo chronickém selhání ledvin, intoxikací vit. D3, hypoparathyroidismu (zvýšená reabsorpce v proximálních tubulech v důsledku selhání její inhibice). • snižuje hladinu Ca v krvi • křeče, poškození orgánových systémů (cévní systém, kosti, klouby, srdce)

18. Hořčík • Přítomen ve všech buňkách (hlavní kationt). • 50% tělesného Mg je v kostech, 45% jako intracelulární kationt, 5% v extracelulárních tekutinách. • Absorbuje se v tenkém střevě (při nízkém obsahu Mg v potravě se ho absorbují ¾, při vysokém obsahu ¼) • Ledviny ho účinně zadržují, ztráta je jen 1 mEkv/den. Mg funguje jako substrát v ATP Mg2+ je chelatovaný mezi beta a gama fosfáty, snižuje densitu anionického charakteru ATP

19. Hořčík • Mg2+ je kofaktorem enzymů přenášejících fosfátovou skupinu a používajících ATP a jiné nukleotidtrifosfáty jako substrát (fosfatasy, fosfotransferasy, pyrofosfatasy, adenosintrifosfatasa, guanosintrifosfatasa, fosfolipasa C, adenylátcyklasa a guanylátcyklasa). • Váže se na makromolekuly intracelulárních organel (vazba mRNA na ribosomy je dependentní na Mg2+). • Účinky na centrální nervový systém: • podobný vliv na nervový systém jako Ca2+. • Účinky na nervosvalový systém: • důležitá funkce související s neurochemickým přenosem a svalovou excitabilitou, • zvýšení Mg2+ způsobuje snížení uvolňování acetylcholinu motorickými neurony, • účinek zvýšené hladiny Mg2+ antagonizuje Ca2+, • abnormálně nízká koncentrace Mg2+ v extracelulární tekutině má za následek uvolnění acetylcholinu a zvýšení svalové excitability (křeče).

20. Magnesium metabolism • Jen 1% až 3% celkového intracelulárního Mg je ve formě volnéhoionizovaného Mg+(konc. 0.5 - 1.0 mmol/l). • Celková buněčná koncentrace Mg se pohybujeod 5 do 20 mmol/l. • Jinak je veškerý intracelulární Mg vázán vkomplexechs organickými molekulami.

21. Hořčík Hypomagnesemie • metabolické a neurologické obtíže • zvýšená dráždivost CNS (psychotické chování) • svalová disfunkce • tachykardie a hypertenze • chronický alkoholismus, diabetes mellitus, pankreatitida, ledvinové poškození Hypermagnesemie • svalová slabost, hypotenze, tlumení činnosti CNS • (zvýšená koncentrace Mg snižuje uvolňování acetylcholinu na motorických nervových zakončeních).

22. Měď Základní stopový prvek. • Rychlý růst zvyšuje poptávku Cu v kojeneckém věku. • V dospělosti je obsah mědi přibližně 100 mg - nejvyšší koncentrace je v játrech, ledvinách a srdci . • Vstřebávání v zažívacím traktu vyžaduje specifický mechanismus - protein metalothionein (Cu2+je velmi nerozpustná). Intracelulární bílkovina řídící metabolismus Cu (distribuce a využití Cu buňkami). • Ceruloplasmin(CP) - glykoprotein, Cu-dependentní feroxidasa • obsahuje 6 – 7 atomů Cu • ceruloplasmin obsahuje 80 - 95% celkové Cu v plasmě, • oxiduje Fe2+na Fe3+při jeho absorpci v gastrointestinálním traktu.

23. Měď Model příjmu Cu a jejího metabolismu v hepatocytech: Cu prochází plasmatickou membránu pomocí Ctrl1 (copper transporter1) nebo DMT1 (divalent methal transporter1) do trans Golgiho systému (TGN) pomocí chaperonu HAH1. Chaperon Ccs přenáší Cu pro Cu/Zn SOD v cytosolu. Cox17 přenáší Cu do mitochondrií pro cytochrom c oxidasu.

24. Měď • Kofaktor enzymů, které mají úlohu v přenosu kyslíku : • superoxiddismutasy (Cu/Zn-SOD) • cytochrom c oxidasy (COX) • tyrosinasy • monoaminooxidasy • lysyloxidasy – enzymu potřebného pro syntézu kolagenu Úloha v metabolismu železa a cholesterolu, metabolismu glukózy a tvorbě hnědého kožního pigmentu – melaninu. Důležitou roli hraje měď jako antioxidant v imunitním systému. • Metabolismus Cu se mění při zánětu, infekci, nádorových onemocnění: • aktivované lymfocyty potřebují Cu pro produkci Ile-2, • hladina CP v plasmě při rakovinném bujení pozitivně koreluje se stadiem onemocnění.

25. Měď Wilsovnova choroba – autosomálně recesivní dědičné onemocnění – Cu se neváže na apoceruloplasmin. • Nízká hladina Cu v plasmě. • Velká ztráta Cu a její nedostatek pro tkáně vede ke vzniku mentální retardace, selhávání jater. • Ceruloplasmin bez Cu nefunguje jako feroxidasa. Menkesův syndrom – dědičné onemocnění vstřebávání Cu ve střevě, spojené s X chromosomem. Vyznačuje se: • sníženou absorpcí Cu, • zvýšenými ztrátami Cu do moči a jejím abnormálním transportem v buňkách. Příznaky onemocnění - jemné kroucení vlasů, záchvaty křečí, defektní vývoj arteriální stěny, změny pigmentace kůže a vlasů a opožděný vývoj. Postižené děti umírají většinou do 3 let.

26. Železo Hlavní funkcíje transport kyslíku v hemoglobinu. • Fe2+ a Fe3+je velmi nerozpustné – vstřebávání vyžaduje zvláštní transportní systém. • Fe3+ - rozpustnost je 10-17, Fe2+ - rozpustnost je 10-1 • Fe je v potravě obsaženo hlavně jako Fe3+, je pevně vázáno na organické molekuly. • Apoferitin– je schopen vázat až 4 300 molekul Fe za vzniku feritinu - zásobní protein pro Fe. • Feritinje zásobní formou železa v retikuloendoteliálním systému. • Apotransferin (apoTf) – protein, který váže 2 atomy Fe za vzniku transferinu, Fe přenašečv plasmě.

27. Železo Model transportu železa: Fe-Tf se internalizuje endocytózoudo kyselého endosomu, pH 6.0. Fe3+ se uvolnía je redukováno reduktasou využívající askorbát + duodenální cyt b reduktasu, Dcytb). Fe2+se transportuje do cytoplasmy pomocí Fe přenašeče DMT1. Alternativně může Fe2+vstupovat do buňky přímo přes DMT1 v plasmatické membráně. Fe2+ oxiduje hephaestin – ferroxidasa, poté transportováno Ireg1 do plasmy, kde se váže na apoTf.

29. Železo Hemochromatóza - dědičné onemocnění • zvýšené vstřebávání Fe (2 – 3 mg denně namísto 1 mg) a jeho postupné hromadění ve tkáních. • Postupné hromadění železa - klinická manifestace u mužů nejčastěji ve středním věku. U žen se příznaky projevují obyčejně o 10-15 roků později. Nejčastější klinické projevy - zvětšení a cirhóza jater, diabetes mellitus 2. typu, bronzové zbarvení kůže a vývoj artropatie v důsledku ukládání Fe ve tkáních. Hemosiderosa • Hemosiderin je agregované železo do micel po denaturaci feritinu. látky obsahující železo, ve tkáních. • Hemosiderosa je často spojená s chorobami, doprovázenými nadměrným rozpadem červených krvinek (např. thalasémie). • Opakované alveolární krvácení v plicích vede k abnormální akumulaci železa v alveolárních makrofágách. • Vznik plicní fibrózy.

30. Molybden Nezbytný pro funkci řady metaloenzymů : • xantinoxydasy • aldehydoxidasy • sulfitoxidasy • Množství Mo v potravě může interferovat s metabolismem Cu– snižuje v organismu její využití. (množství Mo je vázáno na jeho množství v půdě).

31. Mangan • Vysoká koncentrace Mn v mitochondriích. • Faktor aktivující glykosyltransferasy (enzymypro syntézu oligosacharidů, glykoproteinů, proteoglykanů). • Nezbytný pro aktivitusuperoxiddismutasy a aktivitu dalších enzymů: • hydrolas • kinas • dekarboxylas • transferas Nedostatek Mn významněsnižuje tvorbu glykoproteinů a proteoglykanů.

32. Zinek Součást enzymů : • karboanhydrasy • laktátdehydrogenasy • glutamátdehydrogenasy • alkalické fosfatasy • thimidinkinasy • matrixových metaloproteinas • Gustinu – proteinu veslinách (regulace chuti)

33. Zinek Absorpce mukozálními buňkami pomocí vazebných proteinů, transport krví vázaný na albumin. • Potřebný pro syntézu nukleových kyselin. • Jako součást Zn/Cu-superoxiddismutasy je nezbytnou součástí antioxidačního systému. • Potřebný pro vývoj a správnou funkce gonád. • Nedostatek působí šeroslepost. • Význam pro imunitní systém – diferenciace T lymfocytů (při nedostatku atrofuje thymus). Deficit – při sníženém přijmu potravy živočišného původu. Systémové poruchy.

34. Kobalt • Součást kobaltaminu – vitaminu B12 (pyrolové jádro). • Elementární Co se dobře absorbuje ve střevě zabudovává se do vit. B12.

35. Selen • Integrální složka glutathionperoxidasy • enzym přítomný ve všech typech buněk, • brání peroxidaci fosfolipidů, oxidativnímu poškození membrán. • Ochrana buněk před poškozením při oxidativním stresu (zánětlivé reakce, metabolismus xenobiotik, ochrana před UV zářením). • Deiodináza thyroninu reguluje metabolismus thyroidních hormonů.

36. Selen Význam Se v imunitním systému: • nedostatek Se snižuje funkci T-lymfocytů • snižuje se schopnost B-buněk produkovat protilátky • Toxické aminokyseliny obsahující Se vznikají v rostlinách rostoucích na půdách bohatých na Se (methylselenocystein, selenohomocystein). • Výskyt v krmných brukvovitých rostlinách – kapusta, tuřín. • Otrava se manifestuje hemolytickou anémií, degenerativními změnami parenchymových orgánů, hemosiderózou.

37. Chróm • Regulace glukózového a lipidového metabolismu - Glukózový toleranční faktor (GTF) – kontrola hladiny cukru. • Je to komplex chrómu s kyselinou nikotinovou a aminokyselinami Gly, Glu, Cys • GTF usnadňuje vazbu inzulinu na receptory Fluor Anorganická matrix kostí a zubů Nedostatek- osteoporóza, zubí kazy

38. Jód • Součást hormonů štítné žlázy, absorpce v anorganické formě, oxidace tyreoperoxidázou a přenos na tyrosylové zbytky tyroglobulinu. • Nedostatek I způsobuje strumu. • Bór • Ovlivňuje metabolismus a využití Ca, Cu, Mn, N, glukózy triglyceridů. • Kontrola funkce membrán a jejich stabilizace. • Negativní vliv na řadu metabolických dějů – inhibice některých klíčových enzymů (inhibice energetického metabolismu), inhibice imunitního systému (respiračního vzplanutí).

39. Vanad Kontrola sodíkové pumpy, inhibice ATPasy Cín Interakce s riboflavinem Lithium Kontrola sodíkové pumpy, zasahuje do metabolismu lipidů Křemík Strukturální úloha v pojivové tkáni a metabolismu osteogenních buněk Nikl Součást enzymu ureasa