Biogénne prvky

Biogénne prvky – prvky, ktoré sa nachádzajú v biosfére a majú dôležitú biologickú funkciu

Makroelementy – (11 prvkov, spolu ≈ 99%)

a) stále primárne prvky, 2–65% (O, C, H, N)

b) stále sekundárne prvky, 0,05-2% (Na, K, Ca, Mg, P, S, Cl)

Mikroelementy (menej ako 0,05% )

a) skupina kovov (Fe ,Cu, Zn, Mn, Co, V, Mo, W)

b) skupina polokovov a nekovov (Se, B, Si, F, I)

neesenciálne a toxické prvky sú inkorporované do organizmu vďakachemickej podobnosti s esenciálnymi prvkami:

Li+, Rb+, Tl+ Na+, K+

Sr 2+, Ba2+ Ca2+

Br- Cl-

Al3+ Fe3+

Cd2+, Pb2+ Zn2+

CrO42- SO4

2- , HPO42-

esenciálne prvky - príjem a vylučovanie sú kontrolované fyziol. mechan.

Prečo niektoré prvky boli „vybrané“ pre využitie v biolog. systémoch?

1. výskyt v prírode2. dostupnosť 3. schopnosť adaptovať sa (prirodzený výber) a realizovať určitú

špecifickú funkciu v organizme

Fyziologické funkcie biogénnych prvkov

štruktúrna funkcia - tvorba vonkajšieho a

vnútorného skeletu pomocou biominerálov - tvorba

kostí, zubov, chrupaviek, stabilizácia helixu DNA

(Ca2+, Mg2+, Zn2+, Na+, súčasť aniónov - P, O, C, S, Si, F)

prenos nábojov - elektrické impulzy nervov,

svalová kontrakcia (Na+, K+, Ca2+)

prenos elektrónov pomocou redoxne aktívnych kovových centier (Fe2+/3+, Cu+/2+)

metabolizmus

VODA

podstatná súčasť živých organizmov

kojenec 80-70%, dospelý 60%, senior 50%

príjem a výdaj v rovnováhe

príjem: nápoje, strava, metabolizmus

výdaj: moč, dýchanie, potenie, stolica

≈ 2700 ml

Asociácia molekúl vody vodíkovými väzbami

Jun Zhang et al, Science 342, 611 (2013); DOI: 10.1126/science.1242603

8-hydroxychinolín

Biologické funkcie vody

- disperzné prostredie (rozpúšťadlo)

- transport nízko- a vysokomolek. látok

- termoregulácia organizmu

- súčasť biomakromolekúl (hydratačná voda)

- aktivátor niektorých reakcií

- substrát, resp. produkt enzýmových rekcií

Biologicky dôležité ligandy

a) tetrapyroly

porfín chlorín korín

CH2 CHHS

NH2

COOH CH2 CH2SH3C COOH

NH2

CH

C CH2

O

HOCH2 CH

NH2

COOHC CH2

O

HOCOOH

NH2

CH

N

NH

CH2 COOH

NH2

CH CH2 CH2CH2NHCH2N

NH

COOH

NH2

CH

histidín

metionín

arginín

cysteín

kyselina asparágová kyselina glutámová

b) proteíny - postranné reťazce aminokyselín obsahujú N, O, S donorové atómy

c) nukleotidy, DNA, RNA– sacharidovo-fosfátová kostra, purínové, pyrimidínové bázy (N a O donorové atómy)

Sodík, draslík

Na+ - extracelulárny katión

K+ - intracelulárny katión

Funkcie

- hospodárenie organizmu s elektrolytmi

- udržiavanie osmotického tlaku a acidobázickej rovnováhy

- prenos nervového vzruchu

- transportné procesy

- Na+ - ochrana organizmu pred stratami vody

- K+ - ovplyvňuje funkciu myokardu (hyper- ,

hypokaliémia zlyhanie srdca)

Horčík

Mg2+ - intracelulárny katión

Funkcie:- ovplyvňuje aktivitu enzýmov (je kofaktorom viac ako 300

enzýmov), napr. kináz a fosfatáz (katalyzujú prenos fosfátových skupín),nevyhnutný pre metabolizmus NK, sacharidov, proteínov

- prenos nervového vzruchu, svalová kontrakcia

- štruktúrna funkcia - v kostnom a zubnom tkanive (spolu s

vápnikom)

- fotosyntéza (zložka chlorofylu)

Vápnik

– najviac zastúpený katión v ľudskom

organizme

- 99% v kostiach a zuboch

- 1% v intra- a hlavne v extracelulárnom priestore

- kostné a zubné tkanivo:

Ca2+, Mg2+ - hydroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2, (karbonátapatit, fluorapatit), Ca3(PO4)2, Mg3(PO4)2

Zn2+, stopové množstvá Na+, Cu2+

Funkcie

- štruktúrna funkcia (kosti, zuby, stabilizácia helixu DNA)

- prenos nervového vzruchu, svalová kontrakcia

(spolu s K+, Na+, Mg2+)

- správne fungovanie koagulačného systému krvi

- znižuje priepustnosť bunkových membrán a

stien kapilár (protizápalový, antialergický)

- ovplyvňuje vylučovanie hormónov (napr. inzulínu)

- regulácia glykogenolýzy a glukoneogenézy

ŽelezoFe(II), Fe(III)

dospelý človek 4-5 g

≈ 65 % hemoglobín Fe(II) transport O2 a časť CO2

4 % myoglobín Fe(II) zásoba a transport O2 vo svaloch

feritín Fe(III) zásoba

0,2 % transferín Fe(III) transport

zvyšok – iné proteíny a enzýmy (peroxidázy, katalázy, cytochrómy, cytochróm c oxidáza – viď. kap. Meď)

30%

príjem potravou – 12-20 mg /deň (z toho sa resorbuje v zažívacom trakte v 1-2 mg)

fyziologická strata – 1-2 mg/deň

zdroj: mäso (červené), pečeň (hlavne vo forme hemu)

rastlinná strava –zhoršené vstrebávanie (väčšinou Fe3+)

inhibícia res. – fytáty, oxaláty, taníny, antacidá, Pb

uľahčenie res. – HCl, kyselina askorbová, citrónová,

resorpcia - horná časť tenkého čreva, do enterocytov je transportované v redukovanej forme ako Fe(II)časť ostáva v erytrocytoch - v zásobnej forme feritíne ako Fe(III), časť vo forme Fe(II) prestupuje do krvi pomocou transportéru ferroportínu a pred naviazaním na transferín sa oxiduje hefestínom na Fe(III) Hefestín – ferooxidáza (6 Cu)v tkanivách je v zásobnej forme viazané na feritín ako Fe(III)

Fe3+

Nedostatok železa – sideropénia

- obmedzená tvorba fyziologicky

dôležitých proteínov

(hemové – napr. hemoglobín, myglobín, kataláza

nehemové – napr. akonitáza, sukcinátdehydrogenáza,

ribonukleotidreduktáza)

Príčiny:

• nedostatočný prívod (nedostatok v potrave, porucha

vstrebávania)

• zvýšená spotreba (tehotenstvo, rast)

• zvýšené straty (krvácanie z urogenitálneho traktu, GITu)

Delenie sideropénie

• prelatentná – znížené zásoby Fe v organizme, ale nie

je ovplyvnená dodávka Fe do erytroblastov kostnej

drene ( feritín, N Fe v sére, N Hb)

• latentná – vyčerpané zásoby Fe, znížená dodávka Fe

pre erytropoézu, nie je prítomná anémia ( feritín,

Fe v sére, N Hb)

• sideropenická anémia (mikrocytová hypochrómna) –

rozvoj anémie ( feritín, Fe v sére, Hb)

svaly - zníženie hladiny myoglobínu, mitochondrie – zníženie

syntézy ATP hypoxia, únava, slabosť , poruchy srdcového

rytmu, neuromuskulárne poruchy, poruchy imunity

Nadbytok železa

Príčiny:

• nadmerný príjem, napr. transfúzie krvi pri niektorých typoch anémie

• geneticky podmienené – hereditárna hemochromatóza

hereditárna hemochromatóza

- zvýšené vstrebávanie železa

- ukladanie prebytočného železa v orgánoch a tkanivách

s následným poškodením (pečeň, pankreas, myokard)

Terapia:suplementácia - preparáty železa (Aktiferrin)

k dispozícii je tzv. "katalytické" železo (t.j. viazané v

nízkomolekulových komplexoch), ktoré je schopné katalyzovať Fentonovu reakciu:

Fe2+ + H2O2.OH + OH- + Fe3+

hydroxylový radikál

Terapia: venepunkcie, chelatačná terapia

Voľné radikályČastice alebo molekuly, ktoré majú jeden alebo viac nespárených elektrónov a sú schopné (aspoň na krátky čas) samostatnej existencie.

Reaktívne metabolity odvodené od kyslíka:

voľné radikály (. OH, O2 ) aj neradikálové molekuly (H2O2, HOCl, singletový kyslík)

. −

Transferín

glykoproteín, Fe(III)

transport železa z miesta:

- resorpcie

- uchovávania železa

- 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 železom:

u zdravých ľudí ≈ 30 %

pri latentnej sideropénii pod 16%

pri hemochromatóze nad 55%

Feritín

hlavný zásobný proteín, Fe(III)

tvorí ho anorganické jadro variabilného

rozmeru (až 4500 atómov Fe) a proteínový obal

- v enterocytoch , hepatocytoch (najviac) a iných

bunkách, v sére (v nízkej konc.)

- sérové koncentrácie feritínu odrážajú stav zásob Fe v

organizme

znížená hladina feritínu – sideropénia

zvýšená hladina feritínu – hemochromatóza, zápal

J. Am. Chem. Soc., (2008), 130 (25), 8062–8068

Hemoglobín

- v erytrocytochtetramér – 4x globín + 4x hem

hem = Fe(II) + protoporfyrín IX = chelát

Funkcie

- transport O2 z pľúc do tkanív – oxyhemoglobín

kooperácia všetkých 4 podjednotiek

- transport CO2 z tkanív do pľúc – karbamínohemoglobín

- tlmivý systém krvi (≈ 35 % tlmivej kapacity krvi)

tkanivá: O2 sa uvoľňuje z oxyHb, H+ sa naviaže na deoxyHb

pľúca: O2 sa naväzuje na deoxyHb, H+ sa uvoľňuje

Patologické deriváty Hb

karboxyhemoglobín – CO namiesto O2,

200x väčšia afinita k Hb ako O2, reverzibilne

- blokáda prenosu O2, hypoxia

- nad 60% COHb – kóma, smrť

methemoglobín – Fe(II) Fe(III)

- biologicky inaktívny, fyziologická denná produkcia 1-3%

Myoglobín

monomér, 1 hem

- preberá O2 z hemoglobínu oxymyoglobín

- zásoba a transport O2 vo svaloch

Kataláza

tetramér (4 polypeptidové reťazce + 4 hemy)

- katalyzuje rozklad peroxidu vodíka na kyslík a

vodu

2H2O2 2H2O + O2

peroxid vodíka – slabé oxidačné činidlo (oxiduje napr. SH-skupiny proteínov), substrát pre vznik voľných radikálov (.OH)

MeďCu(II), Cu(I)

dospelý človek 100-150 mg

denná potreba ≈ 1mg

Nedostatok medi

Príčiny:

• získaný - napr. malabsorpcia, terapia zinkom, chelatačná terapia hypochrómna anémia (vplyv na metabolizmus Fe)

• geneticky podmienený - Menkesov syndróm

Menkesov syndróm

- porucha transportu Cu znížená absorpcia medi črevnou sliznicou, deficit spôsobuje ťažké poruchy v mentálnom a fyzickom vývoji.

Nadbytok Cu

Wilsonova choroba - geneticky podmienené metabolické ochorenie

• porucha zabudovania Cu do ceruloplazmínu

• znížená sérová hladina ceruloplazmínu

• znížená schopnosť vylučovať Cu žlčou (zvýšené vylučovanie močom)

• nadbytok medi sa ukladá hlavne do mozgu a pečene

neurologické poruchy, cirhóza pečene

Kayser-Fleischerov prstenec okolo dúhovky

www.wilsons.dk

Terapia: D-penicilamín, preparáty Zn

CH3

CH3 C CH COOH

S H N H2

donorové atómyhydrofilná skupina

Ceruloplazmín

- transport Cu (každá podjednotka 6-7

pevne viazaných iónov Cu )

- ferooxidázová aktivita

- antioxidačná aktivita :

a) oxidáca Fe2+ na Fe3+,

b) pevná väzba Cu2+ resp. Cu + v proteíne

a) + b) bránia vzniku .OH Fentonovou reakciou

M(n-1)+ + H2O2.OH + OH- + Mn+

c) reaguje priamo so superoxidom O2.-

O2.- superoxidový aniónový radikál

vznik -jednoelektrónovou redukciou O2

reduktant: Haber-Weissova r.

O2.- + H2O2 O2 + OH- + .OH

oxidant: oxidácia iónov kovov na Cu(III), Fe(IV)oxidačné poškodenie biologicky významných

molekúl

Fe3+/Fe2+

Cu/Zn superoxiddismutáza (Cu/Zn – SOD)dimér (každá podjednotka Cu(II) a Zn(II))antioxidačná aktivita – dismutácia superoxidu

Sumárna reakcia:

2O2.- + 2H+ O2 + H2O2

1. stupeň: Cu2+ + O2.- Cu+ + O2

2. stupeň: Cu+ + O2.- Cu2+ + H2O2

SOD

2H+

Dismutáciaoxidačno-redukčná reakcia, pri ktorej 1 látka prijíma aj odovzdáva elektrón, teda rovnaké ióny alebo atómy toho istého prvku podliehajú oxidácii i redukcii.

Cytochróm c oxidáza

mitochondrie

terminálna oxidáza dýchacieho reťazca

O2 + 4H+ + 4e- 2H2OEnzým

ZinokZn(II)dospelý človek 2-3 gdenná potreba 3 - 25 mg

- Zn(II) nie je redoxne aktívny (vylúčený nechcený elektrónový transport)

- známych viac ako 200 zinok obsahujúcich proteínov

Funkcie a) katalýza dôležitých metabolických procesov proteínov, nukleových kyselín, lipidov, porfyrínových prekurzorov (ligázy, transferázy, hydrolázy, polymerázy)b) stabilizácia terciárnej štruktúry peptidov a proteínov (inzulín, Cu/Zn-SOD)

Nadbytok Zn

nedostatok Cu (anémia) a Ca , znižuje hladinu HDL

cholesterolu v sére, zhoršená funkcia imunitného

systému (leukopénia)

Nedostatok Zn

poruchy imunitného systému, redukovaná chuť,poruchy

rastu, zlé hojenie rán, dermatitídy

! Cd, Pb a Hg môžu nahradiť Zn v enzýmoch

Karboanhydráza

- efektívny hydrolytický enzým → na povrchu aj

vo vnútri veľké množstvo H2O (vodíkové väzby)

H2O + CO2 HCO3- + H+

- hydrogenuhličitanový tlmivý systém

Alkoholdehydrogenáza

- oxidácia primárnych a sekundárnych alkoholov

na aldehydy a ketóny (spolupráca s NAD+/NADH)

CH3 CH2 OH + NAD+ CH3 CHO + NADH +H+ADH

KobaltCo(II), Co(III)

dospelý človek 1 mg

85% v B12

Funkcie (B12)

syntéza DNA, erytrocytov (spolu s kyselinou listovou),

aktivácia lymfocytov

nedostatok (B12 ) – perniciózna anémia, neurologické poruchy

nadbytok (Co) – fibróza pľúcneho tkaniva

! Co(II) možná Fentonova r.

Mangán

(II), (III), (IV)zdroj – pšenica, celozrnná ryža, orechy

čaj, strukoviny

nedostatok – zriedkavý

Funkcie:

- aktivátor rôznych enzýmov - hydroláz, transferáz,

dekarboxyláz

Mn-SOD v mitochondriách - Mn(III)

2O2.- + 2H+ O2 + H2O2

SOD

Molybdén

zdroj – listová zelenina, strukoviny, obilniny

nedostatok – zriedkavý

Funkcie (spolu s Fe):

Prenos kyslíka (oxotransferázová aktivita):

xantínoxidáza - oxidácia hypoxantínu a xantínu na kyselinu močovú

aldehydoxidáza – oxidácia aldehydov, amínov, heterocykl. zlúč.

N2 + 8 e- + 10 H+ + 16 ATP 2 NH4+ + H2 + 16 ADP + 16 Pi

Fixácia N2nitrogenáza (baktérie rodu Azotobacter, Rhizobium)

Toxické prvky

Fyziologický účinok kovových iónov na organizmus v závislosti od ich koncentrácie

Efek

t

+

-

Koncentrácia

esenciálne (Fe, Cu, Zn)

toxické (Pb, Hg, As)

pozitívny

negatívny

Toxické prvky

Pb, Hg, Cd, Be, As, Tl

Zdroj: znečistená pôda, voda, ovzdušie

Toxicita závisí od:

• dávky

• fyz-chem. vlastností (oxidačný stupeň, rozpustnosť,

skupenstvo)

• spôsobu prieniku do organizmu (dýchacia, tráviaca

sústava, koža) a dĺžky expozície v organizme

•organizmu (vek, pohlavie, stav organizmu)

Toxické účinky kovových iónov:

- substitúcia esenciálneho kovového iónu v

aktívnom centre enzýmu (Cd2+, Pb2+, Hg2+ Zn2+)

- väzba toxického kovového iónu na funkčné skupiny AK v

proteíne, (napr. – SH) - ovplyvnenie aktivity enzýmov

- väzba na záporne nabité jednotky v lipidovej membráne -- ovplyvnenie transportu cez membrány

- väzba na DNA – zmeny genet. inform., disregulácia

génovej expresie

- oxidačné poškodenie - tvorba reaktívnych metabolitov (.OH, O2

.-, H2O2, 1O2, NO., ONOO-)

Ortuť

letálna dávka 1 g

- väzba na –SH skupiny enzýmov a membránových

proteínov, Hg2+ Zn2+ inaktivácia enz. a

porušenie štruktúry a funkcie membrán

kovová ortuť je len málo absorbovaná z GITu

Toxické sú:

• inhalácia výparov

• rozpustné zlúčeniny (HgCl2 )

• organokovové zlúčeniny napr. metylortuť

metylortuť – nepolárna zlúč., rozpustná v lipidoch penetrácia cez membrány do celého org.

• poškodenie CNS, obličiek, srdca, svalov (nervozita,

depresie, poruchy reči, pamäti, tras)

• poškodenie plodu (CNS plodu, mentálna

retardácia)

• akútna otrava Hg – pyróza (pálenie záhy), hnačky

väzba na –SH skupiny enzýmov, Pb2+ Zn2+

inaktivácia

• inhibícia syntézy hemu anémia

• vplyv na biosyntézu kostí ( Pb2+ Ca2+ )

• poruchy nervového systému (depresie, nervozita, strata

koncentrácie, pamäte, tras, bolesť svalov, kŕče, kóma)

• poškodenie obličiek, poruchy GITu (strata chuti do

jedla, abdominálna bolesť, kŕče)

• poruchy reprodukcie, poškodenie plodu

Olovo

Kadmium

veľmi toxický, letálna dávka 350 mg

Cd2+ Zn2+ , Ca2+

väzba na –SH skupiny proteínov

anémia, poškodenie obličiek, karcinogén,

Arzén (polokov)

zlúčeniny As(III) toxickejšie ako zlúčniny As(V)

- vplyv na biosyntézu ATP

As (III) - väzba na –SH skupiny enzýmov

As (V) – môže nahradiť fosfát

- karcinogén, mutagén, teratogén

- gastroenteritída, poškodenie periférnych nervov, kože,

AsV

Pi

Terapia pri expozícii organizmu

1. zníženie absorpcie

- výplach žalúdka, urýchlenie prechodu črevom pomocou

laxatív (Na2SO4, manitol), adsorpcia na aktívne uhlie

2. eliminácia absorbovanej látky

- chelatačná terapia, podporenie diurézy, hemodialýza

3. ovplyvnenie odozvy organizmu (redukcia symptómov)

Terapeutické chelátotvorné látky:

D-penicilamín (p.o) – Pb, Hg, Au, Zn, Cu (Wilsonova ch.)

Na2CaEDTA (i.v) – Pb

Dimerkaptopropanol (DIMERKAPROL) – As, Hg (anorg.), Sb, Cu, Zn

CH2 SH

CH SH

CH2 OH

NCH2CH2N

-OOCH2C

-OOCH2C

CH2COO-

CH2COO- 2Na+, Ca2+

Desferoxamín (DESFERAL, i.v.) – Fe, Al