minerální látky ~ prvky obsažené v popelu potravin (běžně < 3 %) podle množství: majoritní prvky (makroelementy) > 100 mg/kg (ppm) = 0.01 % Na, K, Mg, Ca, Cl, P, S minoritní prvky 10 - 100 mg/kg Fe, Zn stopové prvky (mikroelementy) < 10 mg/kg AI, As, B, Cd, Co, Cr, Cu, F, Hg, I, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Sn ultrastopové prvky < 1 ug/kg (ppb) Prvek Celkové množství Jednotka Ca 1000-1500 g Mg 25-40 g K 140-180 g Na 70-100 g P 420-840 g S cca 140 g Cl 70-110 g Fe 3-5 g Zn 1,4-3 g F 0,8-2,5 g Si 1,4 g Cu 100-180 mg Mn 10-20 mg Mo 5-10 mg Co 1-1,5 mg Ni 10 mg Cr 5 mg V < 1-20 mg I 10-30 mg Se_10-20_mg minerální látky podle fyziologického hlediska: esenciální prvky Na, K, Mg, Ca, P, S, Fe, Zn, Mn, Cu, Ni, Co, Mo, Cr, Se, I, F, B, Si neesenciální prvky (indiferentní) Li, Rb, Cs, Ti, Au, Sn, Bi, Te, Br, AI toxické prvky As, Cd, Hg, Pb minerální látky :W=U;!.!W:,iMU A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Felisa Wolfe-Simon,1'2* Jodi Switzer Blum,2 Thomas R. Kulp,2 Gwyneth W. Gordon,1 Shelley E. Hoeft,2 Jennifer Pett-Ridge,4 John F. Stoli,s Samuel M. Webb,6 Peter K. Weber,* Paul C. W. Dairies,1-7 Ariel D. An bar,1-" Ronald S. Oremland2 Life is mostly composed of the elements carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur, and phosphorus. Although these six elements make up nucleic acids, proteins, and lipids and thus the bulk of living matter, it is theoretically possible that some other elements in the periodic table could serve the same functions. Here, we describe a bacterium, strain GFAJ-1 of the Halomonadaceae, isolated from Mono Lake, California, that is able to substitute arsenic for phosphorus to sustain its growth. Our data show evidence for arsenate in macromolecules that normally contain phosphate, most notably nucleic acids and proteins. Exchange of one of the major bio-elements may have profound evolutionary and geochemical importance. Biological dependence on the six major nutrient elements carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur, and phosphorus (P) is complemented by a selected array of other elements, usually metals or metalloids present in trace quantities that serve critical cellular func-tioas, such as enzyme co-factors (/). There are many cases of these trace elements substituting for one another. A few examples include the substitution of tungsten for molybdenum and cadmium for zinc in some enzyme families{2,3)and copper for iron as an oxygen-carrier in some arthropods and mo Husks (■/). In these examples and others, the trace elements that interchange share chemical similarities that facilitate the swap. However, there are no prior reports of substitutions for any of the six major elements essential for life. Here, we present evidence that arsenic can substitute for phosphorus in the biomolecules of a naturally occurring bacterium. Arsenic (As) is a chemical analog of P. which lies directly below P on the periodic tabic. Arsenic possesses a similar atomic radius, as well as near identical electronegativity to P (5). The most common form of P in biology is phosphate (P04J~), which behaves similarly to arsenate {AsO*-) over the range of biologically relevant pH and redox gradients (6). The physicochcmical similarity between As04J_ and P043~ contributes to the biological toxicity of AsOj3- because metabolic pathways intended for PQ,1- cannot distinguish between the two molecules (7) and AsOV" may 1NASA Astrobiology Institute, USA. 'U.S. Geotogiul Survey. Uenlo Park. CA 94025, USA. 'School of Earth and Space be incorporated into some early steps in the pathways [(6) and references therein]. However, it Ls thought that downstream metabolic processes are generally not compatible with As-incorporating molecules because of differences in the reactivities of P and As compounds {8). These down- stream biochemical pathways may require the more chemically stable P-based metabolites; the lifetimes of more easily hydrolyzed As-bearing analogs are thought to be too short. However, given the similarities of As and P—and by analogy with trace clement substitutions—wc hypothesized that AsC>43- could specifically substitute for P043_ in an organism possessing mechanisms to cope with the inherent instability of As04 compounds (r$>. Here, we experimentally tested this hypothesis by using AsO^1"", combined with no added P043_, to select for and isolate a microbe capable of accomplishing this substitution. Geo microbiology of GFAJ-1. Mono Lake, located in eastern California is a hypersalinc and alkaline water body with high dissolved arsenic concentrations [200 uM on average (9)]. We used lake sediments as inocula into an aerobic defined artificial medium at pH 9.8 (10, II) containing 10 mM glucose, vitamins, and trace metals but no added P043_ or any additional complex organic supplements (such as yeast extract or peptone), with a regimen of increasing As04J~ additions initially spanninu the range from II Hi uM to 5 mM. These enrichments were taken through many decimal-dilution transfers, greatly reducing any potential carryover of autochthonous phosphorus 0-20 / Mono Lake. KaWorne Science 3 June 2011: Vol. 332 no. 6034 pp. 1163-1166 DOI: 10.1126/science.1197258 minerální látky interakce s aminokyselinami amfoterní charakter AMK: H I H H R—C—COOH - w R—C—COO R—C—COO I f NH3 katión '3 amfion NH2 anion pokles stability komplexu s AMK: Cu2+ > Ni2+ > Zn2+ > Co2+ > Cd2+ > Fe2+ > Mn2+ o=c- h20 nh2-ch2 \ / .c=o .O—Zn—cr /\ CH2-N H20 pH 7: diakva-bis(glycinato)zinečnatý komplex o H2o oh2 c. \ / u r/ O—Zn—, 21 / \ c + NH3 H20 H20 ^ NH3 I .CH, pH 1: tetrahydrát zinečnaté soli glycinu minerální látky interakce s aminokyselinami - peptidy, bílkoviny komplexy kovů s peptidy komplex dipeptid-Cu Cu(Gly-Gly)2.H20 2+ H20 NHr komplex kovu s cysteinem 9"j O—M ľ I * CHj-S "ľ NHj-CH / I HOOC glutathion (+odvozené fytochelatiny) COOH minerální látky metalothioneiny interakce s aminokyselinami - peptidy, bílkoviny Prvek metalothionein, domény a a p komplexy kovů s bílkovinami, metaloproteiny metaloprotein myoglobin charakteristická vazba kovu Ca Fe Cu Mo Metaloprotein Výskyt kalmodulin parvalbumin troponin C myoglobin hemoglobin sval sval sval sval erythrocyty cytochromy, katalasy, všeobecné peroxidasy rozšíření transferrin ferritin laktoferrin ferredoxiny plantakyanin ceruloplasmin cerebrokuprein hemokuprein xanthinoxidasa Fe (Cu, Zn, Mn) konalbumin Ni niklplasmin ureasa Mn krev, játra slezina mléko např. špenát špenát krevní plasma mozek krev játra vaječný bílek krevní plasma sója, rýže pyruvátkarboxylasa všeobecné rozšíření minerální látky interakce s cukry Polyhydroxysloučeniny - komplexy s kovy tvoří neochotně H203PO 9P03H2 OP03H2 H203PO N OP03H2 OP03H2 kyselina fytová komplexuje kovy, např. Ca, Mg, Fe, Zn fytin: vápenato-hořečnatý komplex snižuje jejich dostupnost stabilita při pH 7: Cu > Zn > Ni > Co > Mn > Fe > Ca GMO rostliny se sníženým obsahem fytové minerální látky interakce s dalšími látkami nepolární lipidy - minimální interakce polární fosfolipidy —> soli 1, CH2 tÍ2 fosfatidylcholin 7VYV"' r L organokovové sloučeniny Hg, As, Sb, Se, Pb, Cd, Sn, ... významné: methylrtuť MeHg+, tetramethylolovo Pb(CH3)4 organické kyseliny tvoří soli šťavelan vápenatý nerozp. o p H d 6 Ca citrónová kys. 1/ vyvázání Fe z fytové v cereáliích, 21 Fe3+ + kys. citrónová —> Fe2+ (prooxidační působení) minerální látky metody stanovení minerálních látek Popel = podíl potraviny nespalitelný při předepsané teplotě vážkové stanovení popela: v žíhací misce (Pt, keramika) 550 °C, do konst. hmostnosti (až několik hodin) možný přídavek: AICI (snížení ztrát těkáním) Písek = popel nerozpustný v 10 % HCI vážkové stanovení písku: popel v smíchán s 10 % HCI, filtrace, znovu žíhání 550 °C typický obsah popela: obiloviny 0.6-2.5 % mléčné výrobky 0.7-2.1% ovoce 0.3-1.8 % maso 0.9-2.5 % minerální látky metody stanovení minerálních látek - mineralizace vzorku mineralizace (rozklad) způsob pro kvantitativní zachování stanovované látky a/ mineralizace suchou cestou - zpopelnění - rozpuštění popela v 10 % HCI - zbytek znovu zpopelněn, promyt 10 % HCI - roztoky filtrátů smíchány —> mineralizát b/ mineralizace mokrou cestou - mnoho způsobů pomocí různých minerálních kyselin: HN03,HCI,H2S04, peroxid - možno podpořit: zvýšená teplota, tlak, ultrazvuk, mikrovlnný rozklad - probíhá až do vyčeření roztoku ^mineralizát Norma připouští rozklad pomocí směsí HN03+H2S04 HN03+H2S04+H202 HN03+H2S04+HCI04 minerální látky AAS - atomová absorpční spektrometrie výbojka: dutokatodová výbojka ze stejného prvku který se plamen: vzduch-C2H2 (acetylén): 2100 °C N20-acetylen: 2700 °C hořák: přívod zmizeného roztoku vzorku —> atomizace 10 cm optická délka monochromátor: odraz na mřížce vymezení měřené vlnové délky detektor: vzduch-C2H2 (acetylén): 2100 °C N20-acetylen: 2700 °C spektrum výbojky spektrum po zeslabeni rezonanční čáry izolovaná rezonanční čára plamen \yboikä~| paprsek Síťhořá] monochiomátor detektor |[| hořák acetylén + oxidující plyn + aerosol vzorku minerální látky AAS - atomová absorpční spektrometrie m ■ J v Prvek Plamen \ Charakteristická Optimální (nm) koncentrace (lig/ml) pracovní rozsah (Mg/ml) Na vzduch-C2H2 589,0 0,004 0,05-0,7 Mu vzduch-C2H2 285,2 0,003 0,05-0,4 AI N20-C2H2 309,3 0,6 5-100 Fe vzduch-C\H: 248,3 0,05 0,2-8 Cu vzduch-C->H-. 324,7 0,025 0,1-5 Z n vzduch-C2H2 213,9 0,008 0,1-1,4 Pb vzduch-C2H2 217.0 0,08 2-20 minerální látky Funkce Na, K, Cl Na+K: osmotický tlak, acidobazická rovnováha, aktivace enzymů _| K: svalová a nervová aktivita Cl: osmotický tlak, trávení obsah draslíku /100g (CZFCDB.cz^ obsah sodíku /1009 (CZFCDB.cz) Název potraviny Hodnota Název potraviny Hodnota Hřib smrkovv. sušený 2969 mg Sůl jedlá 38850 mg Sója extrudovaná. Sojavita 2353 ma Omáčka sójová 5900 mg Kořeni, paprika 2344 mg Sýr. Akawi. 40 % t. v s. 2638 mg Prášek kakaovv 1955 mg oiivv zelené, marinované 2400 mg Mouka sójová, odtučněná 1870 mg Syr Jade| 40 % t. v s. 2296 mg Sója 1607 mg Syr olomoucké tvarůžkv 1918 mg Mléko sušené, odstředěné 1570 mg Svr Njva 50 % t v s 1833 mg Kořeni, majoránka, sušená 1546 mg s^ ba,kánskv 50 % t. v s. 1764 mg Mléko sušené, nizkotučné 1504 mg Maso vepřové krkovice bez kosti uzená 1380 mg Melasa 1464 mg syrová reakce s vodou: sodík, draslík, obojí minerální látky obsah vápníku /100g (CZFCDB.cz) obsah hořčíku /100g (CZFCDB.cz) Název potraviny Hodnota Koreni, tvmián. sušenv 1890 mg Koľeni. skoňce. mletá 1437 mg Mléko sušené, odstředěné 1421 mg Koreni, majoránka, sušená 1388 mg Mléko sušené, nizkotučné 1361 mg Mák 1357 mg Mléko sušené, polotučné 1226 mg Mléko sušené, plnotučné 1073 mg Sýr. Tylžskv. 50 % t. v s. 970 mg Svr. Eidam. 30 % t. v s. 952 mg Svr. Eidam uzený. 40 % t. v s. 874 mg Svr. Eidam. 50 %. t. v s. 773 mg Svr. tavenv. nizkoenerqetickv. Lipno. 30 % t. v s. 750 mg Koření, hřebíček 730 mg Kořeni, kmín 689 mg Svr. Romadur. 40 % t. v s. 683 mg Kořeni nové 660 mg Svr ovčí. Brvnza 644 mg Název potraviny Hodnota Semena tvkvová. sušená 535 mg Otrubv pšeničné 480 mg Prášek kakaovv 409 mg Mák 395 mg Semena slunečnicová 367 mg Semena sezamová 352 mg Kořeni, majoránka, sušená 333 mg Mouka sójová, odtučněná 300 mg Sója extrudovaná. Sojavita 276 mg Ořechy kešu 268 mg Mouka sójová, plnotučná 267 mg Sůl jedlá 265 mg Kořeni, hřebiček 260 mg Kořeni, kmin 258 mg Mandle 258 mg Melasa 242 mg Droždí sušené 230 mg minerální látky fosfor Potravina Obsah P (mg banány 230 - 310 brambory 320 - 580 cibule 300 - 480 čaj černý 6300 čočka 2400 čokoláda mléčná 2200 - 3000 fazole 3700 - 4300 hlávkový salát 300 - 390 hrách 3000 - 4300 hrášek 1000 - 1500 chléb celozrnný 1800 - 2000 jablka 100 - 130 jahody 230 - 350 játra vepřová 3600 - 4800 jogurt 1100 - 1200 káva pražená 1600 maso hovězí 1200 - 2000 maso kuřecí 1200 - 2500 maso vepřové 1300 - 2200 H203PO OP03H2 OP03H2 OP03H2 H203PO OP03H2 kyselina fytová o o — O—P — O—P — o^>—O — P—o — I I I I 0-0-0-0 I polyfosfát (aditivum) ideální poměr Ca:P v dietě: 1 : 1 až 1 : 1.5 ESSř MASA™ ADITIVA ZAKOUPENO gjj^ ^ ZNÁMKA CENA fz» 10C G) I WW I W I E 338: kyselina fosforečná, E 339 - 343: fosforečnany, E 450 - 452: polyfosforečnany Gran Mare 65% v kuse ne Penny Market Německo 8,87 Kč 1* Ocean Trader 65% v kuse ne Lidl Německo 12,20 Kč 1 Clever 57% mleté ano Billa Polsko 8,76 Kč 3 Euro Shopper 22 % mleté ano Albert Estonsko 4,36 Kč 3 Fish Fingers 22% mleté ano Globus — 7,48 Kč 3- Nowaco 22% ... ano Globus Estonsko 7,96 Kč 4 Vita Star 35% pyré ano Kaufland Polsko 4,36 Kč 4 rybí prsty - obsah fosforečnanů (jako "aditiva") minerální látky DDD nestanovena Qen pro sirné AMK) nedostupné formy: elementární a anorganická síra na obsah bohaté (mg/kg): maso obiloviny luštěniny vejce 1 - 3 000 1 000 400 400 erika doola NUTRÍ Any food that smells like 5ulfur 13 good for your sid n TION IRELAND minerální látky Tab: distribuce železa v těle Sloučenina Množství vg Obsah Fe v g % celkového množství Fe hemoglobin 900 3,0 60-70 myoglobin 40 0,13 3-5 ferritin 2-4 0,4-0,8 7-15 transferrin 10 0,004 0,1 katalasa 5 0,004 0,1 cytochrom c 0,8 0,004 0,1 i homosiderin minerální látky Fe iron-rich food minerální látky zinek poměr využitelnost zinku fy tát/zinek <5 vysoká: až 55 % 5-15 střední: až 35 % >15 nízká: pod 15 % nedostatek zinku ve světě Potravina Obsah zinku mg/100 g Využitelný zinek mg/100 g játra, ledviny 4,2-6,1 2,1 -3,1 maso červené 2,9-4,7 1,4-2,4 drůbež 1,8-3,0 0,9-1,5 mořské produkty 0,5-5,2 0,2-2,6 vejce 1,1 - 1,4 0,6-0,7 mléčné produkty 0,4-3,1 0,2-1,6 semena, ořechy 2,9-7,8 0,3-0,8 luštěniny 1,0-2,0 0,1 -0,2 chléb 0,9 0,4 minerální látky měď v organismu: většina potravin < 1 játra: játra 36 superoxiddismutása 2 02 ■ + 2H+ -> H202 + 02 brambory 11 bezobratlí: luštěniny 10 (oxy)hemokyanin houby 10 Cu ;cu + další kuproenzymy, ceruloplasmin, .. kofaktor enzymů: - superoxiddismutasa - pyruvátkarboxylása - arginása maso, játra lesní ovoce obiloviny čajové lístky některá koření < 3 mg/kg až 50 až 50 300 až 1 stovky mg/kg potravina obsah Ni většina potravin < 0.1 mg/kg luštěniny 3 - 10 mg/kg ořechy 9 mg/kg čokoláda 0 3 mg/kg celozrnný chléb 0 2 mg/kg High nickel release from 1- and 2-euro coins he amount of nickel t* regulated in hur\»pean product.* Ihiil conic inU» diiecl and piolonprd contact with human skin' hrtunicr this nirt.il may cause contact allergy, par in.ul.irly lurid *v Atn.i *. line w sruw that I- and 2-raro coin* induct- poftiliw vkin■ k-si reaction* in xenxi* li/aJ in J iv iJuaK -.»>MokJ mure nickel lhan l% allowed umkt the Furo-peari Union Nickel Dncvtrvr A tat tor contributing in tin* high release ol nickel is COnMkM due (it ihr hutirtallic iiiuclure ol these com*, which generates a galvanic (»Hi-iiti.il <»i mV m human tweat. Wr peitof med don te«s with I- and 2-euro coins ui seven patients known Ui haw nickrl-oonuicl allergy Alter 48 and 72 h with these coinx fixed by transparent Lipe • hit.i then skin, all IP.^in.Ht. A nnrlnrri7pfl r,\.-iri=-hr,-rr\ntrr>l\c±ri tm\ Conclusion Selenium or vitamin E, alone or in combination at the doses and formulations used, did not prevent prostate cancer in this population of relatively healthy men. J.,n,r. I). I1,..„,I,-m III. Ml) K. David Crawford. Ml) Gary K. Goodman. Ml) Jaime Claudio, Ml) Eric Winquist, MD, MSc Rlise D. Cook, M D Ji.iiii.-I ľ. K.ii|.. Ml) * PhUjp Walther. Ml) Mi.lia?S^. lieber. Ml) Alan II. kri-EH»4M'll Amy K. Darke, MS K.iilii wi li. Arnold. MS Patrn i j \ (any.. Ml) suspicious for prostate cancer. Interventions Oral selenium (200 pg/d from (.-selenomethionine)and matched vitamin E placebo, vitamin E (400 lU/d of all rac-a-tocopheryl acetate) and matched selenium placebo, selenium + vitamin E. or placebo + placebo for a planned follow-up of minimum of 7 years and a maximum of 12 years. Main Outcome Measures Prostate cancer and prespecified secondary outcomes, including lung, colorectal, and overall primary cancer. Results As of October 23. 2008, median overall follow-up was 5.46 years (range, 4.17-7.33 years). Hazard ratios (99% confidence intervals (CIs]) for prostate cancer were 1.13(99% CI. 0.95-1.35; n=473) for vitamin E, 1.04(99% CI, 0.87-1.24; n=432) for selenium, and 1.05(99% CI, 0.88-1.25; n=437) for selenium + vitamin Evs 1.00 .15) in any other prespecified cancer end points. There were statistically nonsignificant increased risks of prostate cancer in the vitamin E group (P= .06) and type 2 diabetes mellitus in the selenium group (relative risk, 1.07; 99% CI, 0.94-1.22; P=16) but not in the selenium + vitamin E group. Ht-yina M. Sanl.-lla. I'M) Demetrius Albanes, MD Philip K. Taylor, MD, ScD Jeffrey I.. Pri.l.>tfield. MD Conclusion Selenium or vitamin E, alone or in combination at the doses and formulations used, did not prevent prostate cancer in this population of relatively healthy men. Trial Registration clinicaltrials.gov identifier: NCT00006392 MMA. 2009,J(M(i;.'»-5t