A réz és a cink

orvosi geokémiai

vonatkozásai és

izotópjaik

használata a

gyógyászatban

HALADÓ GEOKÉMIA

SZABÓ PÉTER

2017.05.09.

Mivel foglalkozik az orvosi geokémia?

▪ Geokémia célja:Az elemek relatív és abszolút mennyiségének meghatározása a Földben és alkotórészeiben. Elemek és izotópjaik aránya, mozgása a Föld szféráiban és ezek törvényszerűségének feltárása.

Lépték változik. Központba az

ember és az élő környezet kerül!

Elemek és izotópjaik vándorlása az

emberi testben.

Mivel foglalkozik az orvosi geokémia?

▪ Szükség volt hozzá az analitika és a technológia fejlődésére

▪ Szükség van geológiai, ásványtani, kőzettani, kémiai és nem utolsó sorban biológiai ismeretekre

▪ Segítséget nyújt a gyógyászatban dolgozók számára

▪ Látható, hogy erősen interdiszciplináris tudományágtág tudásanyagot ötvöző szakembereket igényel

Réz (Cu)

Tulajdonság Cu

Rendszám 29

Relatív atomtömeg

(g/mol)

63,546(3)

Elektronegativitás 1,9

Elektronkonfiguráció [Ar] 3d10 4s1

Fématom sugár

(N=12, pm)

128

Ionizációs energia

(első) (kJ*mol-1)

745,3

Olvadáspont (°C) 1083

Forráspont (°C) 2570

Olvadáshő (kJ*mol-1) 13,0

Párolgáshő (kJ*mol-1) 307(±6)

Atomizációs hő

(kJ*mol-1)

337(±6)

Sűrűség (g*cm-3) 8,95

Fajlagos ellenállás

(20°C, μohm*cm)

1,673

Réz ásványai, felhasználása

▪ Fontosabb ásványai:

o kalkopirit, CuFeS2

o kalkozin, Cu2S

o kuprit, Cu2O

o kovellin, CuS

o malachit, Cu2CO3(OH)2

o azurit, Cu3(CO3)2(OH)2

Felhasználása: elektromos kábelek, elektromos felszerelés, építkezés,…

Előállítása: kalkopirit pörkölése, képződő CuO redukciója

Réz főbb vegyületei, ötvözetei

▪ Cu2(OH)2CO3: patina: réz és bronztárgyak felületén

képződik nedves levegőn

▪ CuSO4: réz(II)-szulfát, rézgálic: kék, oltott mésszel

keverve bordói lé: permetezőszer

▪ CuO és Cu2O: réz(II)-oxid és réz(I)-oxid

▪ Sárgaréz: 80% Cu + 20% Zn

▪ Bronz: Cu + Sn

▪ Alpakka: Cu + Ni

Réz egyéb geokémiai tulajdonságai

▪ Fő oxidációs állapotai: +1, +2

▪ Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben)

▪ Réz- és aranyércesedés indikátora + mafikus kőzeteké

▪ Oxidatív, savas környezetben, pH 5.0-6.0 közt a legmobilisabb

▪ Affinitás a szerves anyaghoz

▪ Talajban átlagosan 13-tól 24 mg/kg felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás

▪ Felszíni vizekben hozzávetőlegesen: 10 μg/l (kivétel AMD)

▪ Antropogén források: bányászat, kohosítás, elektromos ipar, mezőgazdaság, szennyvíz, acélipar

Réz gyakorisága folyóvizekben, talajokban

Réz határértéke, betegségek

▪ 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségihatárérték 75 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre

▪ Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 12 mg/nap a tolerálható mennyiség

▪ Szervezetben 50 mg-tól 150 mg-ig, szövetekben és vérben

▪ 35%-a vörösvérsejtekben

▪ Mikronutriens, katalitikus és szerkezeti szerep enzimeknél

▪ Nagy koncentrációban toxikus (pl.: gyerekeknél veseelégtelenség)

Cink (Zn)

Tulajdonság Zn

Rendszám 30

Relatív atomtömeg

(g/mol)

65,39(2)

Elektronegativitás 1,6

Elektronkonfiguráció [Ar] 3d10 4s2

Fématom sugár

(N=12, pm)

134

Ionizációs energia

(első) (kJ*mol-1)

906,1

Olvadáspont (°C) 419,5

Forráspont (°C) 907

Olvadáshő (kJ*mol-1) 7,28(±0,01)

Párolgáshő (kJ*mol-1) 114,2(±1,7)

Atomizációs hő

(kJ*mol-1)

129,3(±2,9)

Sűrűség (g*cm-3) 7,14

Elektromos ellenállás

(20°C, μohm*cm)

5,8

Cink ásványai, felhasználása

▪ Fontosabb ásványai:

o szfalerit, ZnS

o wurtzit, ZnS

o hemimorfit, Zn4Si2O7(OH)2·H2O

o cinkpát, smithsonit, ZnCO3

Felhasználása: horganyzott bádog, sárgaréz, festék, vegyszerek, galvánelem

Előállítása: ZnS pörkölése, képződő ZnO redukciója

Sárgaréz (80% Cu + 20% Zn), fehér festék (ZnO)

Cink egyéb geokémiai tulajdonságai

▪ Fő oxidációs állapota: +2

▪ Cd-hoz hasonló viselkedés

▪ Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben)

▪ Cinkércesedés indikátora, Cd-mal társul + mafikus kőzet, Fe/Mn-nal együttes kiválás

▪ Oxidatív, savas környezetben a legmobilisabb; magas pH-n komplexeket képez

▪ Talajban átlagosan 10-től 300 mg/kg

felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás

▪ Folyóvízben átlagosan: 10 – 50 μg/l

▪ Antropogén források: bányászat, széntüzelés, acélipar, fehér festék (ZnO), galvánelem

Cink gyakorisága vizekben, talajokban

Cink határértéke, betegségek

▪ 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségihatárérték 200 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre

▪ Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 11,4 mg/nap a tolerálható mennyiség

▪ Szervezetben 1,5 – 3 g

▪ 90%-a a vörösvérsejtekben

▪ Nagy koncentrációban toxikus: növekedési rendellenesség, sérülések lassú gyógyulása, immunrendszer-zavarok, születési rendellenesség kisebb koncentrációban: gyomorgörcs, bőrirritáció, émelygés, hasnyálmirigy-károsodás

▪ Bioakkumuláció halakban és növényekben

Izotópok

Mit nevezünk izotópnak?

▪ Adott kémiai elem azonos protonszámú (rendszám – Z), de eltérő neutronszámú formái

▪ Tömegszámban (A) megjelenő különbség

▪ Az izotópok magja lehet stabil vagy radioaktív

▪ Egy elem több izotópból épül fel, melyek különböző arányban lehetnek stabilak vagy radioaktívak

▪ Azonos kémiai tulajdonságok

Geológiai és geokémiai felhasználásuk

▪ Geológiai folyamatok megértése

▪ Geológiai képződmény genetikája (akár extraterresztrikus is)

▪ Képződmény kora Geokronológia

Izotóparányok és ezek változása

Radioaktív izotópok

▪ Radioaktív magok bomlása

▪ Nagy energiájú ionizáló sugárzás

▪ α-bomlás: atommagból He atommag válik ki

▪ β-bomlás: magban n0p+, e- kiválás

▪ γ-bomlás: energia távozik foton formájában

▪ Természetben előforduló radioaktív elemek rendszáma általában 80-nál nagyobb

o Kivéve: 40K, 87Rb, 138La, 147Sm, 176Lu, 187Re, 190Pt + kozmogén izotópok (3H, 10Be, 14C, 26Al, 32Si, 36Cl), mesterséges (antropogén) izotópok: 90Sr, 137Cs

▪ Jelenleg három földi eredetű bomlási sor

o 232Th 208Pb

o 235U 207Pb

o 238U 206Pb

Stabilizotóp geokémia

▪ Radioaktív bomlás nem figyelhető meg, vagy 15 mrd évnél nagyobb bomlási idő

▪ Izotópok elterjedése, mennyisége és aránya a geofázisokban

▪ Nagyobb rendszám ~ kisebb tömegkülönbség nehezebben mérhető tömegkülönbségek

▪ Hagyományosan: H (D/H [2H/1H], C (13C/12C), N (15N/14N), O (18O/16O), S (34S/32S)

o Mára kibővült

Izotóp frakcionáció

▪ Izotópok arányának változása fizikai, kémiai és biológiai folyamatok során

▪ Alapja az atomok és molekulák mozgásának módja, mely tömegfüggő

▪ Könnyebb és nehezebb izotópok elkülönülése

▪ Egyensúlyi (rotáció és vibráció, nehezebb izotópok stabilabb kötésben energiaminimum)

▪ Kinetikus (reakciósebesség izotóparány, egyirányú)

▪ Nem tömegfüggő (meteoritok, atmoszféra molekuláris szimmetria szerepe

▪ Standardokhoz viszonyítanak

Gyógyászat

Radioaktív izotópok

▪ Metabolikus folyamatok rövidtávú követése

▪ Radioterápia (Tc-99m, Co-60)

▪ Vizsgálatukat limitálja a felezési idő és az sugárzás káros hatásai

Stabil izotópok

▪ Metabolikus folyamatok hosszútávú követése, egy elem dúsított izotópjaival

▪ Táplálkozási vizsgálatok

Réz- és cinkizotópok

Réz 65Cu/63Cu

▪ 63Cu69,17%-os gyakorisággalatomtömeg: 62,929601 g/mol

▪ 65Cu 30,83%-os gyakorisággalatomtömeg: 64,927794 g/mol

Cink 66Zn/64Zn

▪ 64Zn48,63%atomtömeg: 63,929147 g/mol

▪ 66Zn 27,90%atomtömeg: 65,926037 g/mol

▪ 67Zn 4,10%atomtömeg: 66,927131 g/mol

▪ 68Zn18,75% atomtömeg: 67,924848 g/mol

▪ 70Zn0,62%atomtömeg: 69,925325 g/mol

Izotóparányok alkalmazása

▪ Az átmeneti fémek, így a Cu is biológiai folyamatokra jellemzők, tartózkodási idejük a szervezetben csekély

▪ Betegségek nagy része bizonyos biokémiai folyamatokat akadályoz, melyekben metalloproteinek is részt vesznek

▪ Azt várjuk, hogy valamely kór hatására az izotópösszetételben változás lép fel, melyet könnyen elérhető biológiai mintán lehet észlelni/mérni (pl.: vér) biomarkerként alkalmazható?

▪ Izotópok arányában változás, ha az input és az output mennyisége eltérő.

▪ Minden szerv izotópösszetétele szűk határok közt mozog

Megfigyelések

▪ Kutatások szerint a Cu, a nők vérében magas koncentrációban, mely erősen változó, még a férfiaknál a Cuegy szűk tartományra esik

▪ Prosztatarákosok vérsavójában megemelkedett Cu-tartalom, de a Zn-tartalmatnem befolyásolja

▪ Mellrákos nők vérsavójában emelkedett Zn-koncentráció, vastagbélrákosoknál nem

(Albaréde, 2017)

Vér izotópösszetétele

▪ Vörösvérsejtben: δ66Zn ~ +0.44±0.26‰ és δ65Cu ~ +0.66‰ értékek

▪ Vérsavóban: δ66Zn ~ +0.17‰ és δ65Cu ~ -0.26± 0.40‰

▪ 18-74 év közti Jakut önkéntesek vérén végrehajtott vizsgálat szerint:

o 66Zn/64Zn növekszik, a 65Cu/63Cu csökken a korral

▪ Egy másik vizsgálat szerint:

o 65Cu/63Cu nőtt a menopauza után, de a Zn változatlan maradt, a kor sem befolyásolta

Bizonytalan eredmények, az ok lehet: izotópok minél tovább a szervezetben vannak, annál jobban tudnak frakcionálni

▪ Etnikai faktor: δ66Zn a teljes vérben 0,15‰-kel magasabb a vegetáriánusoknál, mint a mindenevőknél

Zn és Cu izotópok eloszlása szervenként

(Albaréde, 2017)

Rákos megbetegedések

▪ Több krónikus és rákos megbetegedés esetében emelkedett Cuszintet vettek észre

▪ A legtöbb vizsgálatot a vér különböző részein végezték, és csak nagyon ritkán a szervek szövetén vagy a tumoron

▪ A tumor Cu és Zn izotópösszetétele eltér az egészséges szövettől (nehéz Cu a májban, könnyű Zn a mell szövetében)

▪ Eddigi vizsgálatok alapján: Cu izotóposan könnyebb a rákos emberek vérsavójában, de a Zn nem mutat hasonló tulajdonságokat. δ65Cu használható előrejelzésre a végstádiumban levő máj-, nyakcsigolya-, és mellrákos betegeknél, de nem önmagában, hanem az eddigi módszerek kiegészítéseként

Rákos megbetegedések

(Albaréde, 2015)

Kilátások

▪ Jelenlegi állás szerint ezen izotópok nem tudnak versenybe szállni, a már használt molekuláris biomarkerekkelviszont ígéretesnek tűnnek a betegségek biokémiai mechanizmusának kutatásában

▪ Cu izotópjai mutatják a legjobb eredményeket a betegségek (rák) véren végzett vizsgálatában, de a módszerek még erősen kiforratlanok

▪ További vizsgálatok szükségesek mind szerveken, mind sejteken

▪ Azonosítani kell, hogy a δ65Cu jel mely részéért felelős a rákos megbetegedés, és melyért egyéb faktorok (pl.:kor)

Források

Albarède, F., 2015, Metal stable isotopes in the human body: a tribute of geochemistry to

medicine: Elements, v. 11, no. 4, p. 265-269.

Albarède, F., Télouk, P., and Balter, V., 2017, Medical Applications of Isotope Metallomics:

Reviews in Mineralogy and Geochemistry, v. 82, no. 1, p. 851-885.

Albarède, F., Telouk, P., Lamboux, A., Jaouen, K., and Balter, V., 2011, Isotopic evidence of

unaccounted for Fe and Cu erythropoietic pathways: Metallomics, v. 3, no. 9, p. 926-933.

Bullen, T. D., and Walczyk, T., 2009, Environmental and biomedical applications of natural metal

stable isotope variations: Elements, v. 5, no. 6, p. 381-385.

Jaouen, K., Gibert, M., Lamboux, A., Telouk, P., Fourel, F., Albarède, F., Alekseev, A. N., Crubézy,

E., and Balter, V., 2013, Is aging recorded in blood Cu and Zn isotope compositions?:

Metallomics, v. 5, no. 8, p. 1016-1024.

Larner, F., Shousha, S., and Coombes, R. C., 2015, Zinc isotopes: a novel approach to biomarkers

of breast cancer?: Biomarkers, v. 9, no. 4, p. 379-382.

Lauwens, S., Costas-Rodríguez, M., Van Vlierberghe, H., and Vanhaecke, F., 2016, Cu isotopic

signature in blood serum of liver transplant patients: a follow-up study: Scientific Reports, v.

6, p. 1-9.

Moynier, F., Foriel, J., Shaw, A., and Le Borgne, M., 2017, Distribution of Zn isotopes during

Alzheimer’s disease: Geochemical Perspectives Letters, v. 3, p. 142-150.

Egyéb források

• https://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=A0900006.KVV

• http://weppi.gtk.fi/publ/foregsatlas/maps_table.php

• http://lrg.elte.hu/oktatas/Environmental%20isotope%20geochemistry/Table%20o

f%20isotopes.pdf

• Dr. Szabó Csaba – Geokémiai ciklusok kurzus segédanyaga

• Dr. Szabó Csaba – Környezeti izotópgeokémia kurzus segédanyaga

• Dr. Tarczay György – Szervetlen kémia kurzus segédanyaga

Internetről származó képek

forrásai

https://www.dakotamatrix.com/products/5848/chalcopyrite

https://www.dakotamatrix.com/products/751/cuprite

https://www.mineralicon.de/Regenwaldjaspis-Obelisk-Unikat

https://netkazan.hu/termekek/menetes-sargarez-konyok/390

http://www.ermeborze.hu/termekeink/magyar_penzermek/magyar_kiralysag_19

201944/egyeb_penzermek/termek/2_filler__1940

http://galeriasavaria.hu/termekek/reszletek/ezust-targy/1400809/0J720-Regi-

BERNDORF-alpakka-villa-keszlet-6-db/

https://www.mindat.org/photo-377257.html

http://www.geology.neab.net/minerals/smithson.htm

http://hamaoka.chuden.jp/english/radioactivity/aspect.html

Köszönöm a figyelmet!