Biologicky významné prvky (výběr) © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2008 Vodík Vodík v lidském těle • Elementární plynný vodík – vzniká v tlustém střevě činností bakterií, součást střevních plynů • Kation vodíku (proton) H^+ - v tělesných tekutinách určuje aktuální hodnotu pH, hodnoty pH jsou udržovány v úzkém rozmezí třemi pufračními systémy: hydrogenuhličitanový, proteinový, hydrogefosfátový • Kovalentně vázaný vodík v živinách – v dehydrogenačních reakcích přenášen na kofaktory NAD^+, FAD. Oxidací NADH a FADH[2] v dýchacím řetězci se uvolňuje energie a je využita k syntéze ATP Kyslík Kyslík je nejrozšířenější prvek v přírodě • vázaný ve sloučeninách (voda, CO[2], horniny) • dikyslík (O[2]) v atmosféře, ozon (O[3]) v ozonosféře • složení vzduchu: N[2] (78 %), O[2] (21 %), vzácné plyny (1 %) Hlavní biochemická funkce O[2][] • transportován z plic do krve ve vazbě na Hb, difunduje do buněk a do mitochondrií • terminální akceptor elektronů v DŘ ^• podléhá čtyřelektronové redukci na vodu: O[2] + 4 e^- + 4 H^+ ® 2 H[2]O^ Další funkce: dikyslík se účastní hydroxylačních reakcí • fenylalanin ® tyrosin • tyrosin   adrenalin • cholesterol   kalcitriol • cholesterol   žlučové kyseliny • hydroxylace xenobiotik Reaktivní formy kyslíku vznikající v organismu • superoxidový anion-radikál • hydroxylový radikál • singletový kyslík • peroxid vodíku Superoxidový anion-radikál •O[2]^- • vzniká jednoelektronovou redukcí dikyslíku • relativně málo reaktivní Tvorba superoxidu v organismu ^• tzv. respirační vzplanutí (fagocytující leukocyty) 2 O[2] + NADPH ¾® 2 •O[2]^- + NADP^+ + H^+ • spontánní oxidace hemoproteinů hem-Fe^2+ + O[2] ¾® hem-Fe^3+ + •O[2]^- Eliminace superoxidu v organismu • superoxiddismutasa • katalyzuje dismutaci superoxidu 2 •O[2]^- + 2 H^+ ¾® O[2] + H[2]O[2] • oxidační čísla kyslíku v reakci: -½ ¾® 0 -I Hydroxylový radikál •OH • vysoce reaktivní částice • reakcí •OH s různými molekulami vznikají sekundární volné radikály • vzniká ze superoxidu Jazyková poznámka Peroxid vodíku H[2]O[2] • poměrně nestálá sloučenina, snadno se rozkládá se na vodu a kyslík • vzniká v organismu při deaminaci AK - dvouelektronová redukce O[2] • ve Fentonově reakci produkuje •OH • může oxidovat -SH skupiny enzymů Oxidační deaminace aminokyselin poskytne amoniak, oxokyselinu a peroxid vodíku Eliminace H[2]O[2 ]v organismu • katalasa - disproporcionace H[2]O[2] H[2]O[2 ]¾® ½ O[2] + H[2]O • glutathionperoxidasa (obsahuje selenocystein) druhý substrát - glutathion (G-SH) 2 G-SH + H-O-O-H  G-S-S-G + 2 H[2]O Srovnejte: redukce dikyslíku Antioxidační systémy organismu • Enzymy superoxiddismutasa, katalasa, glutathionperoxidasa • Nízkomolekulární antioxidanty (lapače radikálů) redukující látky obsahující: fenolovou/enolovou -OH skupinu -SH skupinu Hydrofilní a lipofilní antioxidanty Vápník Výskyt vápníku (hmot. %) Vápník v přírodě • třetí nejrozšířenější kov, pátý nejrozšířenější prvek vůbec (minerály, horniny, sedimenty) • nejvíce CaCO[3] (vápenec, mramor, křída, krasové útvary) SK: Vysoké Tatry (žula) ´ Belianské Tatry (vápenec) HR: Biokovo, Brač, Kornati … GB: White Cliffs of Dover (křída) CZ: Moravský kras, Macocha (jeskyně, krápníky) • v moři - korálové útesy, lastury, perly … Biochemický význam vápníku • Ca^2+ je ve všech tělesných tekutinách • převážně v ECT • srážení krve • ICT – nízká konc. • regulační funkce • druhý posel • svalová kontrakce Koncentrace Ca^2+ v tělesných tekutinách Extracelulární tekutina • 2,4-2,7 mmol/l • tři formy: (1) ionizovaný (Ca^2+) (2) vázaný na proteiny (3) vázaný na organické anionty (citrát, malát, oxalát) Intracelulární tekutina • nerovnoměrná distribuce • cytosol - nízká konc. (10^-7 mol/l) • mitochondrie a ER - vysoká koncentrace Calcium malát je chelát Hospodaření s vápníkem regulují tři hormony Parathyrin • příštítná tělíska • mobilizuje Ca^2+ z kostí Kalcitriol • tvoří se z vitaminu D • podporuje resorpci Ca^2+ ve střevě Kalcitonin • štítná žláza • brzdí mobilizaci kostního Ca^2+ Fosforečnan vápenatý Ca[3](PO[4])[2] • calcii phosphas • nerozpustný ve vodě • v tvrdých tkáních jsou různé apatity – podvojné fosforečnany (= dva různé anionty) • v kostech hydroxylapatit Ca[5]OH(PO[4])[3] • v zubech fluorapatit Ca[5]F(PO[4])[3] Rozpustnost Ca-fosfátů (viz praktická cvičení, str. 20-22) Ca[3](PO[4])[2 ] nerozpustný CaHPO[4 ] nerozpustný Ca(H[2]PO[4])[2] rozpustný Rozpustnost Ca-fosfátů (viz praktická cvičení, str. 20-22) Síran vápenatý CaSO[4] • calcii sulfas • nerozpustný ve vodě Pozor: MgSO[4] je rozpustný (Šaratica, Zaječická) • hemihydrát (½ H[2]O) je sádra Uhličitan vápenatý CaCO[3 ](calcii carbonas) jako léčivo[ ] Externí aplikace • jemný bílý prášek • nerozpustný ve vodě zásypy, tekuté pudry • zubní pasty jemné abrazivum Užívání per os • bazické vlastnosti • neutralizuje žaludeční HCl antacidum Tums (GB), Rennie (F) • suplementace kalcia šumivé tablety Kalcium v šumivých tabletách[] • po styku s vodou reaguje CaCO[3] s citronovou kyselinou za vývoje plynu (= šumění) • CaCO[3] + 2 R-COOH ® CO[2] + (R-COO)[2]Ca + H[2]O Poznámka: ostatní šumivé tablety obsahují NaHCO[3] Organické soli Ca^2+ Hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO[3])[2] • calcii hydrogenocarbonas • existuje pouze ve vodném roztoku • způsobuje přechodnou tvrdost vody • varem se vypudí CO[2] a vzniká „kotelní kámen“ Ca(HCO[3])[2]  CO[2] + CaCO[3]  + H[2]O • minerální vody (alkalické) Ondrášovka, Hanácká kyselka, Bílinská kyselka Zdroje vápníku v potravě Živočišné • mléko • mléčné výrobky • sardinky s kostičkami • využitelnost až 50 % Rostlinné • mák, sezam • ořechy, mandle • datle • luštěniny • využitelnost ~ 10 % Obsah vápníku v mléčných výrobcích (mg/100 g) • Sušené mléko 1300 • Parmazán 1200 • Ementál 1000 • Brynza 600 • Tavené sýry 400 - 500 • Jogurty 100 - 160 • Mléko 110 - 130 • Tvaroh 100 - 140 • Máslo 20 Vstřebávání vápníku ve střevě Podporuje • vitamin D • proteiny • produkty mléčného kvašení Omezuje • nadbytek fosfátů (Coca-Cola) • oxaláty • nadbytek vlákniny Hliník Hliník se do lidského těla dostává různým způsobem • všudypřítomný prvek (hlína, prach …) • denní příjem hliníku 10 - 100 mg • možné zdroje: vodovodní voda (čeření síranem hlinitým), kyselá jídla z hliníkových hrnců, prach (inhalace), nadměrné užívání antiperspirantů a antacid • hliník se akumuluje v kostech a mozku • nejvíce ohroženi: pacienti na dialýze a parenterální výživě Sloučeniny hliníku jako léčiva Nerozpustné ve vodě • suspenze, koloidy • slabě bazické Þ antacida • jemné prášky, velký povrch Þ adsorbenty Rozpustné ve vodě • slabě kyselé vlivem hydrolýzy [Al(H[2]O)[6]]^3+ • stahující účinek na kůži = adstringentní Þ antiperspiranty Hliníková antacida • léčiva, která neutralizují žaludeční HCl • nerozpustné sloučeniny, nevstřebávají se • indikace: překyselení žaludku, pálení žáhy, funkční dyspepsie apod. • nežádoucí účinky: obstipace, mohou ovlivnit vstřebávání jiných léčiv Hliníková antacida (výběr) • hydroxid hlinitý Al(OH)[3] (aluminii hydroxidum), koloidní forma se nazývá algeldrat, Anacid (CZ) • fosforečnan hlinitý AlPO[4] (aluminii phosphas) • hlinitan hořečnatý Mg[3][Al(OH)[6]][2 ] (magnesii aluminas), Gastrogel (SK) • hexadekahydroxid-uhličitan hořečnato-hlinitý Mg[6]Al[2]CO[3](OH)[16 ] (hydrotalcitum), Talcid (D) Střevní adsorbenty • inertní látky s velkým povrchem • mají velkou schopnost vázat různé látky (toxiny, léčiva, ale i bakterie, plísně apod.) • nerozpustné, nevstřebávají se, jsou zcela netoxické • indikace: dietní chyby, kvasné dysmikrobie, cestovatelské průjmy, intoxikace apod. Dva typy střevních adsorbentů Carbo activatus • živočišné uhlí • elementární uhlík • nepravidelná grafitová modifikace • nepolární adsorbent • černý prášek • barví stolici • Carbosorb (SK) • cena: ê Diosmektit a podobné minerály • kaoliny, jíly, bentonity • Mg-Al křemičitan • MgAlSi[4]O[10](OH) . nH[2]O • vrstevnatá struktura • převážně polární adsorbent • bílý prášek • nebarví stolici • Smecta (F) • cena: êêêê Roztoky hlinitých solí mají kyselou reakci v důsledku hydrolýzy aquakationtu Rozpustné soli Al^3+ jako adstringencia • chlorid hlinitý (aluminii chloridum) AlCl[3] kosmetické antiperspiranty • octan hlinitý (aluminii acetas) (CH[3]-COO)[3]Al dermatologie, ORL • síran hlinito-draselný (aluminii kalii sulfas) KAl(SO[4])[2] kamenec, zastavovač krvácení při holení • laktát hlinitý (aluminii lactas) [CH[3]-CH(OH)-COO][3]Al zubní pasty proti krvácení dásní Uhlík Elementární uhlík vytváří několik allotropických modifikací • diamant, grafit, saze, koks, fullereny … • adsorpční uhlí (carbo adsorbens, carbo activatus) – nepolární adsorbent • připravuje se karbonizací pilin a jiných org. látek • Užití: průjmy, otravy apod., nutno užívat v dostatečném množství • černý prášek, barví stolici Þ může maskovat přítomnost krve Oxid uhelnatý CO • Bezbarvý plyn bez zápachu, molekula má charakter dipólu • Exogenní zdroje: nedokonalé spalování uhlíku a uhlíkatých sloučenin (cigaretový kouř, výfukové plyny, stará kamna, neudržované plynové kotle …) • Endogenní zdroj: katabolismus hemu hem ® Fe^2+ + CO + biliverdin ( bilirubin) • Toxicita: silná vazba na Fe^2+ v hemoglobinu, myoglobinu, cytochromech [• ]Karbonylhemoglobin (CO-Hb) – omezení transportu O[2] Karbonylhemoglobin v krvi Oxid uhličitý CO[2] • carbonei dioxidum • bezbarvý plyn, těžší než vzduch, snadno zkapalnitelný, termicky stabilní, lineární molekula • nulový dipólový moment Þ nepolární molekula Þ málo rozpustný ve vodě, rozpouští se až pod tlakem • kyselinotvorný (H[2]O + CO[2] ® H[2]CO[3]) • vzniká při dokonalém spalování uhlíku a org. sloučenin (nutný katalyzátor !) Endogenní tvorba CO[2] (300 - 600 litrů/den)[] • oxid uhličitý vzniká v dekarboxylačních reakcích • oxidační dekarboxylace pyruvátu ® acetyl-CoA • dvě dekarboxylace v CC (isocitrát, 2-oxoglutarát) • dekarboxylace aminokyselin  biogenní aminy • 6-P-glukonát  ribulosa-5-P + CO[2] (pentosový cyklus) • neenzymová dekarboxylace acetoacetátu  aceton • katabolismus pyrimidinových bází (cytosin, uracil  CO[2] + NH[3] + β-alanin) • katabolismus glycinu  CO[2] + NH[3] + methylen-THF Kyselina uhličitá H[2]CO[3] • slabá dvojsytná kyselina (pK[A1] = 6,37; pK[A2] = 10,33) • existuje pouze ve vodném roztoku, snadno se rozkládá • v roztoku zcela převažuje CO[2] (800 ´)  proto se užívá tzv. efektivní disociační konstanta: Srovnejte: CO[2] ve vodě a krvi Železo Železo v lidském těle • esenciální mikroprvek • v lidském těle je cca 4-5 g železa • nejvíce Fe je v hemoglobinu (60-85 %; krev), myoglobinu (10 %; svaly) a ferritinu (10 %; játra) • železo je těle vždy vázáno na bílkoviny (hemové a nehemové) Hemové proteiny Nehemové proteiny Zdroje Fe v potravě Živočišné • krev (vepřová, kachní) • jelita, krvává tlačenka • játra, játrová paštika • červené maso • využitelnost ~ 20 % Rostlinné • luštěniny • ořechy • švestky • meruňky • využitelnost ~ 10 % Resorpce železa ve střevě ^• výhradně jako Fe^2+ • nutná přítomnost askorbátu (vit. C), Fe^3+ se redukuje na Fe^2+ • denní příjem 10-30 mg • potřeba 1 mg (muži), 2 mg (ženy) • resorpci omezuje: taniny, polyfenoly (čaj), fytáty, kys. šťavelová (špenát), nadbytek vlákniny (vegetariáni) Mýtus a fakta o špenátu (Spinacia oleracea) Mýtus z roku 1929: • špenát je vynikajícím zdrojem železa a dodává velkou sílu (Popeye the Sailor) Fakta: • špenát objektivně obsahuje hodně železa, vázaného na Fe-S protein ferredoxin • špenát obsahuje hodně šťavelové kyseliny Þ při vaření vzniká nerozpustný oxalát železnatý/železitý, který se ve střevě neresorbuje Þ železo je prakticky nevyužitelné Latinské názvy solí^ ferrosi ´ ferri Srovnejte a rozlišujte latinské názvy ^ Soli železa užívané k suplementaci při sideropenii Perorálně • soli Fe^2+ • síran železnatý (ferrosi sulfas) • fumarát železnatý (ferrosi fumaras) • glukonát železnatý (ferrosi gluconas) Parenterálně • soli Fe^3+ • ferri citras • nutná velká opatrnost (!), organismus nemůže eliminovat injekčně aplikované železo ^ Nitroprusid sodný Na[2][Fe(CN)[5]NO] pentakyanonitrosylželezitan disodný Analytické činidlo • důkaz ketolátek v moči • diagnost. proužky Ketophan • viz praktická cvičení, str. 31 Léčivo • natrii nitroprussias • uvolňuje NO • vazodilatant • okamžitý účinek • nitrožilní infuze Halogeny v přírodě Halogeny v lidském těle Halogeny v potravinách Vybrané sloučeniny fluoru • Fluorid sodný NaF (natrii fluoridum) tablety (Rp.) – prolylaxe zubního kazu u dětí, zubní pasty, ústní vody, dental floss • Fluorofosfát sodný Na[2]PO[3]F (dinatrii fluorophosphas) zdroj fluoru v zubních pastách apod., léčba osteoporózy NaCl v lékařství Srovnejte koncentrace iontů (mmol/l) Bilance chloridů • Běžný denní příjem potravou: 5-12 g NaCl • Ztráta chloridů: zvracení, narušena acidobazická rovnováha v ECT Þ zvýšená koncentrace HCO[3]^-  alkalóza • Nadměrný příjem chloridů: infuze fyziol. roztoku, narušena acidobazická rovnováha v ECT Þ snížená koncentrace HCO[3]^- Þ acidóza HCl se tvoří v žaludku • acidum hydrochloricum, silná kyselina • H^+ pochází z H[2]CO[3] (parietální buňky), Cl^- z ECT • koncentrace ~ 0,1 mol/l, pH 1-2 • baktericidní účinek • denaturace bílkovin – napomáhá trávení • aktivace pepsinu (pepsinogen ® pepsin) • nedostatečná i nadměrná sekrece HCl jsou patologické stavy Biochemický význam jodu • esenciální mikroprvek • denní dávka jodu: 150-300 μg • nutný k tvorbě jodovaných thyroninů, aminokyseliny thyroxin, trijodthyronin - nezbytné pro zdárný vývoj organismu Přeměna tyrosinu na thyroxin Jodace soli • 35 mg I / kg soli (od roku 1946) • jodid sodný NaI, jodid draselný KI, nevýhoda: málo stabilní, při zvlhnutí - oxidace kyslíkem a následná sublimace elementárního jodu: 2 NaI + ½ O[2] + CO[2]  Na[2]CO[3] + I[2] • jodičnan sodný NaIO[3] – dlouhodobě stabilní [• ]Pozor: velkoodběratelé používají většinou nejodovanou sůl (pečivo, uzeniny apod.)[] Elementární jod jako léčivo • Výhody: mohutný baktericidní, antimykotický, protivirový účinek • Nevýhody: značný alergizační potenciál opatrnost u chorob štítné žlázy (!) pouze krátkodobé aplikace Roztoky elementárního jodu