Składniki bionieorganiczne organizmu

1. Składniki bionieorganiczne organizmu Zakład Chemii Medycznej Pomorskiej Akademii Medycznej

2. Makropierwiastki • stanowią ok. 99,4% masy ciała • należą do nich tlen, węgiel, wodór, azot, wapń, sód, potas, chlor, siarka i magnez • tlen, węgiel i wodór – dostarczane są w diecie, związane w białkach, tłuszczach i węglowodanach • zapotrzebowanie na pozostałe makropierwiastki wynosi więcej niż 100 mg w ciągu doby Mikropierwiastki • występują w niewielkich stężeniach (mg/g, ng/g tkanki) • zapotrzebowanie na mikropierwiastki wynosi mniej niż 100 mg w ciągu doby

3. pierwiastki istotne (niezbędne): żelazo, cynk, miedź, jod, mangan, molibden, kobalt, selen, chrom, fluor przypuszczalnie istotne: nikiel, cyna, wanad, krzem nieistotne: glin, bor, german, kadm, aresen, antymon, bizmut, ołów, rtęć, rubid, srebro, tytan Mikropierwiastki Pierwiastki śladowe – niezbędne dla organizmu, niedobór spowodowany niedostatecznym dostarczaniem z dietą, prowadzi do zaburzeń funkcjonowania organizmu; podawanie pierwiastków w dawce fizjologicznej zapobiega im lub je usuwa

4. Istotne pierwiastki mogą wchodzić w skład: enzymów – Cu – dysmutaza ponadtlenkowa, oksydazy aminowe Zn – anhydraza węglanowa Mn – arginaza, glikozylotransferaza Se – peroksydaza glutationowa hormonów - I - trijodotyronina witaminy B12 - kobalt metaloprotein Fe w hemoglobinie i mioglobinie Cu w ceruloplazminie Mikropierwiastki

5. Działanie pierwiastków śladowych in vivo jest całkowicie specyficzne. Niedobór pierwiastka może być usunięty tylko przez ten sam pierwiastek. Specyficzność wynika z właściwości: wartościowość, potencjał redox, promień jonowy, liczba koordynacyjna, geometria koordynacji powinowactwo do ligandu W warunkach in vitro specyficzność ta jest zdecydowanie mniejsza. Specyficzność działania pierwiastków śladowych

6. Wchłanianie i przenoszenie pierwiastków śladowych w ustroju Wchłanianie pierwiastków odbywa się z udziałem specyficznych białek transportowych • albuminy– Cr, Cu, Mn, Se, Zn • globuliny • transkobalamina – Co • transferyna – Cr, Fe, Mn • ceruloplazmina – Cu - a2-makroglobulina – Mn, Zn • aminokwasy– Cu, Se

7. Wchłanianie i przenoszenie pierwiastków śladowych w ustroju Wchłanianie w przewodzie pokarmowym zależy od: • związków chelatujących - fitany, szczawiany • białka • włóknika • tłuszczy Wydalanie pierwiastków • mocz – Co (++), Cr (++), Mo (+), Se (+), Zn (+) • żółć – Cu (++), Mn (++), Mo (+), Se (+), Zn (++) • sok trzustkowy – Zn (++) • pot– Zn (+) • martwe komórki śluzowe - Fe (+)

8. Funkcje jonów metaliw organizmach żywych - katalityczna Metaloenzymy – określona ilość jonów metalu silnie związanych z apoenzymem • jon metalu nie zmienia stopnia utlenienia w czasie katalizowanej reakcji Zn+2, Mn+2, Ni+2, Mg+2, Cu+2 - w reakcjach hydrolizy, dekarboksylacji, transaminacji • jon metalu ulega procesom redox Cu+/2+ i Fe+2/+3 - w cytochromach Enzymy aktywowane przez jony metali – wiązanie między jonem metalu a apoenzymem jest słabe

9. Funkcje jonów metaliw organizmach żywych Strukturalna – jony wapnia hydroksyapatyt:Ca10(PO4)6(OH)2 [ 3 Ca3(PO4)2. Ca(OH)2] Przekazywanie sygnałówhormonalnych • jony wapnia: śródkomórkowy przekaźnik w mechanizmie działania hormonów, np. wazopresyny • jod stanowi integralną część trijodotyroniny i tyroksyny (hormonów tarczycy)

10. Funkcje jonów metaliw organizmach żywych Udział w obronie antyoksydacyjnej • dysmutaza ponadtlenkowa • katalaza • peroksydaza glutationowa Udział w strukturze leków • cis-platyna • tiojabłczan złota

11. Fluor • niemetal • masa atomowa 18,9984 • konfiguracja elektronowa 1s22s22p5 • występuje w postaci cząsteczki F2 • stopień utlenienia -1 • żółto-zielony gaz • 13 miejsce pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie

12. Fluor – występowanie w przyrodzie • fluoryt Ca F2 • apatyt 3 Ca3(PO4)2. CaF2 • kriolit Na3AlF6

13. Fluor - wchłanianie • jama ustna – wchłania się nie więcej niż 1% całkowitej ilości dziennie spożywanej ilości fluorków • 40-50% pobranych związków ulega wchłonięciu w żołądku • większość związków fluoru przyswajana jest w górnej części jelita cienkiego.

14. Fluor – wchłanianie, interakcje • kationy wielowartościowe hamują wchłanianie związków fluoru – Ca+2, Mg+2, Al+3 • chlorek sodu ogranicza przyswajanie • substancje tłuszczowe ułatwiają wchłanianie związków fluoru.

15. Fluor – występowanie w organizmie • w osoczu krwi fluorki występują w postaci • jonowej • niejonowej • wysokie pH krwi oraz jej hematokryt powodują wzrost stężenia fluorków • są obecne we wszystkich płynach ustrojowych: żółci, ślinie, moczu, w ilościach zależnych od stężenia w osoczu • są transportowane przez łożysko

16. Aktywność biologiczna fluorków • wiążą się z enzymami: • w miejscu aktywnym • w naładowanych dodatnio domenach • mogą być ich: • aktywatorami (oksydaza błonowa NADPH) • inhibitorami • mają wpływ na szlaki przemian lipidowych i węglowodanowych: • hamują działanie aldolazy (enzymu szlaku glikolizy) • prawdopodobnie uszkadzają komórki b wysp trzustki

17. Aktywność biologiczna fluorków • głównym składnikiem nieorganicznym kości i zębów jest hydroksyapatyt • Ca10(PO4)6(OH)2 Ca3(PO4)2. Ca(OH)2 • hydroksyapatyt związany jest z węglanami i cytrynianami. • stosunek wapnia do fosforanów w fazie krystalicznej apatytu kości jest mniejszy niż w apatycie naturalnym. • fluorek zastąpuje grupę hydroksylową hydroksyapatytu tworząc fluoroapatyt • w stosunku do hydroksyapatytu jest on znacznie bardziej twardy, ale jednocześnie wzrasta jego kruchość.

18. Toksyczność fluorków • fluorki w dużych dawkach mają działanie teratogenne • fluor z metalami dwuwartościowymi tworzy fluorki • powoduje u dzieci zaburzenia rozwojowe • wpływa niekorzystnie na pobieranie i metabolizm jodu • ma działanie neurotoksyczne

19. Aktywność biologiczna fluorków – płytka bakteryjna (1) Fluorki obecne w w płytce nazębnej powodują: • hamowanie procesu deminaralizacji • wzmaganie procesu remineralizacji • redukcja gradientu protonowego (fluorki hamują bakteryjną ATP-azę protonową) • zapobieganie tworzenia gradientu protonowego • zmniejszenie tolerancji komórek bakteryjnych na kwasy

20. Aktywność biologiczna fluorków – płytka bakteryjna (2) Fluorki obecne w w płytce nazębnej powodują: • zmniejszenie tolerancji komórek bakteryjnych na kwasy • oddziaływanie na przepuszczalność błony komórkowej • hamowanie enolazy – zmienia przemianę cukrów w bakteriach • redukcja produkcji polisacharydów zewnątrzkomórkowych • ograniczenie zapasów tłuszczów • zmiana stosunku glukany/fruktazy w płytce nazębnej.

21. Magnez. • stanowi do 0,5% masy ciała • ok. 60% magnezu przypada na kości • jest on aktywatorem wielu enzymów • wraz z jonami sodu i potasu, stabilizuje zwartą strukturę polianionowych makrocząsteczek • tworzą one kompleksy z kwasami nukleinowymi zobojętniając ich ujemnie naładowane grupy fosforanowe. • stabilizuje strukturę rybosomów

22. Magnez Jony magnezowe • regulują procesy oksydoredukcji, • mają wpływ na gospodarkę lipidową oraz • poziom katecholamin i przepuszczalność błon komórkowych. Niedobór magnezu zaburza procesy prowadząc do dysfunkcji metabolicznej, głównie komórek mięśni gładkich i mięśnia sercowego. Magnez spełnia istotną rolę w profilaktyce i terapii różnych chorób, w tym zapobiega nadpobudliwości nerwowej i depresji.

23. Selen. • pierwiastek niezbędny dla organizmu • składnik enzymów oksydacyjno-redukcyjnych i cytochromów • występuje w peroksydazie glutationowej • w organizmie selen tworzy z metalami toksycznymi trudno rozpuszczalne selenki • niedobór selenu powoduje: • uszkodzenie mięśnia sercowego, • choroby układu kostnego, • ograniczenie sprawności układu odpornościowego, • zwiększa także ryzyko choroby nadciśnieniowej i nowotworów.

24. Cynk • zawartość w organizmie wynosi ok. 1,5 – 2 g, • występuje on głównie wewnątrzkomórkowo. • stanowi centrum aktywne wielu enzymów • występuje w wielu białkach wiążących kwasy nukleinowe • poprawia metabolizm, przyspiesza gojenie się ran i poprawia sprawność umysłową • niedobór cynku powoduje zaburzenia układu kostnego, funkcji rozrodczych, stany zapalne skóry, sprzyja procesom miażdżycowym

25. Molibden. • występuje głównie w tkance kostnej, a także w nerkach, wątrobie i zębach • wchodzi on w skład centrów aktywnych enzymów odpowiedzialnych za procesy oksydacyjno-redukcyjne. • ma zdolność do ulegania dwuelektronowym reakcjom redoks na stopniach utlenienia między 6 a 4. • nadmiar jest toksyczny - powoduje: • deformacje kości podobne do gośćca, • skłonność do próchnicy zębów • zaburzenia gospodarki lipidowej i białkowej.

26. Kobalt. • w największych ilościach występuje w narządach miąższowych i mięśniach • jest on składnikiem witaminy B12, która odgrywa rolę w: • w wytwarzaniu krwinek czerwonych • metabolizmie białek oraz • kwasów nukleinowych. • niedobór witaminy B12 powoduje niedokrwistość i zmiany w narządach miąższowych • nadmiar kobaltu powoduje czerwienicę, uszkodzenie narządów miąższowych – nerek, wątroby, uszkodzenie osłonek mielinowych, kardiomiopatię.

27. Kadm. charakteryzuje się wybitnymi właściwościami akumulującymi. • okres półtrwania w organizmie (10 – 30 lat) przyczynia się do odkładania się, wraz z wiekiem, głównie w nerkach, gdzie gromadzi się do 50% całego kadmu. • działa na systemy enzymatyczne komórek, wypierając i zastępując inne fizjologiczne metale (Cu, Zn, Se) z metaloenzymów • wiąże się z grupami czynnymi –SH białek: • łatwo wiąże się z metalotioneiną, niskocząsteczkowym białkiem cytoplazmatycznym, bogatym w reszty cysteinowe, która wiąże dwuwartościowe kationy cynku, miedzi, selenu • nadmiar kadmu prowadzi do zaburzeń czynności nerek, metabolizmu wapnia i funkcji rozrodczych, rozwoju choroby nadciśnieniowej oraz zmian nowotworowych, głównie nerek i gruczołu krokowego.

28. Ołów. • w organizmiei jest odkładany w postaci nierozpuszczalnych związków ołowiu, w kościach i w tkankach miękkich • toksyczne działanie ołowiu ujawnia się na poziomie molekularnym, hamuje wiele enzymów, w tym syntazę porfobilinogenową, podstawowy składnik w syntezie hemu • wiąże się z kwasami nukleinowymi i aminokwasami białek • zakłóca metabolizm niezbędnych pierwiastków śladowych działając antagonistycznie na inne metale m.in. przyspiesza wydalanie miedzi i żelaza z organizmu • podwyższenie poziomu miedzi, wapnia i fosforu w diecie obniża pobieranie ołowiu przez organizm • skutkami toksyczności ołowiu są zaburzenia w hematopoezie, nadciśnienie tętnicze, neuropatie i uszkodzenia mózgu

29. Rtęć • źródłem wchłaniania tego pierwiastka przez ludzi są tkanki ryb skażonych tym pierwiastkiem • pośrednim źródłem rtęci jest mięso zwierząt domowych karmionych mączką otrzymaną ze skażonych ryb • toksyczne działanie rtęci wynika z jej dużego powinowactwa do grup -SH -COOH i –NH2 aminokwasów białek • ma działanie mutagenne i teratogenne • akilowe pochodne rtęci łatwo przedostają się do komórek mózgowych, naruszając barierę krew-mózg, powodują uszkodzenia komórek mózgowych i zaburzają metabolizm układu nerwowego • toksyczność może zmniejszać selen, ograniczając tworzenie połączeń aminokwasów białek z rtęcią