1 Biologicky významné prvky (výběr) © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2013 2 Srovnání výskytu prvků (hm. %) Neživá příroda Lidské tělo Kyslík Křemík Hliník Železo Vápník 50,0 26,0 7,5 4,7 3,4 Kyslík Uhlík Vodík Dusík Vápník 63,0 20,0 10,0 3,3 1,5 3 Vodík v lidském těle •Elementární plynný vodík (H2) •vzniká v tlustém střevě činností bakterií, součást střevních plynů, biochemicky nevýznamné •Proton (H+) •transfer H+ mezi kyselinou a bází je podstatou acidobazických reakcí •v tělesných tekutinách určuje koncentrace H+ aktuální hodnotu pH •hodnoty pH jsou udržovány v úzkém rozmezí třemi pufračními systémy (viz další snímek) Vodík 4 Srovnání reálných pufračních systémů v krvi (pH 7,4) s pufrem ideálním Pufrační systém Pufrační báze Pufrační kyselina Zastoupení v krvi pKA Poměr [báze] : [kys] Ideální Ideální Ideální 100 % 7,4 1 : 1 Hydrogen uhličitanový HCO3- H2CO3 + CO2 50 % 6,1 20 : 1 Proteinovýa Protein-His Protein-His-H+ 45 % 6,0–8,0b ? Hydrogen fosfátový HPO42- H2PO4- 5 % 6,8 4 : 1 a V krevní plazmě hlavně albumin, v erytrocytech hemoglobin. b Hodnoty pKA protonizovaného histidinu (His-H+) závisejí na typu bílkoviny a strukturním okolí histidinu. 5 •Kovalentně vázaný vodík v molekulách živin •účastní se přenosu chemické energie při metabolismu živin •v dehydrogenačních reakcích přenášen na kofaktory NAD+, FAD •oxidací NADH a FADH2 v dýchacím řetězci se uvolňuje energie a je využita k syntéze ATP (viz přednáška Bioenergetika) • •Hydridový anion (H-) •vzniká přechodně při dehydrogenaci substrátu účinkem NAD+ •platí bilanční rovnice: 2 H ® H- + H+ • 6 Rozlišujte proton a vodík Látka odštěpuje H+ = kyselina Látka odštěpuje H = redukční činidlo Látka přijímá H+ = báze Látka přijímá H = oxidační činidlo ! 7 Kyslík je nejrozšířenější prvek v přírodě •vázaný ve sloučeninách (voda, horniny, celulosa ...) •dikyslík (O2) v atmosféře, ozon (O3) v ozonosféře •složení vzduchu: N2 (78 %), O2 (21 %), vzácné plyny (1 %) • •volný O2 v plících ...................................max. 1,0 litr •vázaný na Hb (krev) a Mb (svaly) ...................1,5 litr •fyzikálně rozpuštěný v ECT .............................0,2 litr Zásoby dikyslíku v organismu jsou nepatrné Kyslík 8 Hlavní biochemická funkce O2 •transportován z plic do tkání ve vazbě na hemoglobin, difunduje do buněk a do mitochondrií •terminální akceptor elektronů v dýchacím řetězci (vnitřní mitochondriální membrána) •podléhá čtyřelektronové redukci na vodu: O2 + 4 e- + 4 H+ ® 2 H2O 9 Další funkce: dikyslík se účastní hydroxylačních reakcí •fenylalanin ® tyrosin •tyrosin ® ® ® adrenalin •cholesterol ® ® kalciol (vitamin D) ® ® kalcitriol •cholesterol ® ® ® ® žlučové kyseliny •hydroxylace xenobiotik R-H + O2 + NADPH + H+ ® R-OH + H2O + NADP+ 10 Reaktivní formy kyslíku vznikající v organismu •superoxidový anion-radikál (•O2-) •hydroxylový radikál (•OH) •singletový kyslík (1O2) •peroxid vodíku (H2O2) Pozitivní účinek - baktericidní (respirační vzplanutí), signální molekuly Negativní účinek - poškození biomolekul (membrány, enzymy, receptory, DNA) 11 Superoxidový anion-radikál •O2- •vzniká jednoelektronovou redukcí dikyslíku •relativně málo reaktivní • O2 + e- ® •O2- [toto není reakce, pouze jeden redoxní pár] 12 Tvorba superoxidu v organismu •tzv. respirační vzplanutí (fagocytující leukocyty) 2 O2 + NADPH ¾® 2 •O2- + NADP+ + H+ •spontánní (neenzymová) oxidace hemoproteinů hem-Fe2+ + O2 ¾® hem-Fe3+ + •O2- [toto jsou reakce, tedy kombinace dvou redoxních párů] NADPH-oxidasa 13 Eliminace superoxidu v organismu •superoxiddismutasa •katalyzuje dismutaci superoxidu 2 •O2- + 2 H+ ¾® O2 + H2O2 •oxidační čísla kyslíku v reakci: -½ ¾® 0 + -I Jazyková poznámka: Dismutace je speciální typ redoxní reakce, kdy jeden prvek je současně redukován a oxidován na dva různé produkty. Disputace je vysoce odborná (učená) rozprava na (středověké) univerzitě. 14 Hydroxylový radikál •OH •vysoce reaktivní částice •reakcí •OH s různými molekulami vznikají sekundární volné radikály •vzniká ze superoxidu • •O2- + H2O2 ® O2 + OH- + •OH Reakci katalyzují redukované ionty kovů (Fe2+, Cu+) (tzv. Fentonova reakce) 15 Jazyková poznámka Termín Význam Hydroxid anion OH- Hydroxyl (reálný) radikál ·OH nebo (virtuální) skupina –OH Hydroxy- předpona v názvech organických sloučenin: 2-hydroxypropanová kyselina (mléčná) Hydroxo- předpona ligandu OH- v komplexech: Na[Al(OH)4] tetrahydroxohlinitan sodný 16 Peroxid vodíku H2O2 •in vitro poměrně nestálá sloučenina, snadno se rozkládá se na vodu a kyslík •in vivo vzniká při deaminaci aminokyselin a aminů - dvouelektronová redukce O2 •ve Fentonově reakci produkuje •OH radikál •H2O2 snadno oxiduje -SH skupiny enzymů a poškozuje tak jejich biologickou aktivitu 17 Oxidační deaminace aminokyselin poskytne amoniak, oxokyselinu a peroxid vodíku jako produkt reoxidace kofaktoru FADH2 H2O + ½ O2 18 Eliminace H2O2 v organismu •katalasa - disproporcionace H2O2 H2O2 ® ½ O2 + H2O •glutathionperoxidasa (obsahuje selenocystein) redukce na vodu za účasti glutathionu (G-SH) 2 G-SH + H-O-O-H ® G-S-S-G + 2 H2O • 19 Srovnejte: redukce dikyslíku Typ redukce Dílčí schéma (redoxní pár) Čtyřelektronová O2 + 4 e- + 4 H+ ® 2 H2O Jednoelektronová O2 + e- ® ·O2- Dvouelektronová O2 + 2 e- + 2 H+ ® H2O2 ! 20 Antioxidační systémy organismu •Tři enzymy superoxiddismutasa, katalasa, glutathionperoxidasa •Nízkomolekulární antioxidanty redukující látky obsahující: fenolovou/enolovou -OH skupinu, nebo -SH skupinu • nebo rozsáhlý systém konjugovaných vazeb • 21 Hydrofilní a lipofilní antioxidanty Antioxidant Zdroje / Komentář L-askorbát Flavonoidy Dihydrolipoát Močová kys. Glutathion ovoce, zelenina, brambory, kvašené zelí ovoce, zelenina, kakao, čaj, víno vzniká v těle z cysteinu katabolit adeninu + guaninu tripeptid, γ-glutamyl-cysteinyl-glycin Tokoferol Karotenoidy Ubichinol rostlinné oleje, ořechy, semena, klíčky barevná zelenina, ovoce, např. lykopen (rajčata) vzniká v těle z tyrosinu 22 Distribuce hořčíku v lidském těle Lidské tělo Krevní plazma (ECT) Kosti 60 % Ionizovaný 60 % Svaly, tkáně (ICT) 39 % Váz. na bílkoviny 33 % ECT 1 % Chelatovaný 7 % Hořčík 23 Biologický význam hořčíku •typický intracelulární kation •vázaný na záporné náboje bílkovin a nukleotidů (ATP) •aktivátor mnoha enzymů (kinasy, ATPasy) •antagonista vápenatých iontů - Mg2+ zpomalují nervosvalový převod vzruchu •minerální složka kostí Zdroje v potravě •většina živočišných a rostlinných potravin, vyšší obsah mají: •listová zelenina (chlorofyl) •celozrnné obiloviny, luštěniny, ořechy, sezamová semínka, chalva •některé minerální vody (zemitoalkalické kyselky) 24 Minerální vody: Rozlišujte Charakteristika Magnesia Šaratica Hlavní kation Mg2+ Mg2+ Hlavní anion HCO3- SO42- Význam zdroj hořčíku osmotické laxativum 25 Vápník v přírodě •třetí nejrozšířenější kov, pátý nejrozšířenější prvek (minerály, horniny, sedimenty, krasové útvary) •nejvíce CaCO3 (vápenec, mramor, křída ...) SK: Vysoké Tatry (žula) ´ Belianské Tatry (vápenec) HR: Biokovo, Brač, Kornati … UK: White Cliffs of Dover (křída) CZ: Moravský kras, Macocha (jeskyně, krápníky) •v moři - korálové útesy, lastury, perly … Vápník 26 Vápník v lidském těle Příjem 25 - 30 mmol/d = 1000 - 1200 mg/d (hlavně mléčné výrobky) střevní absorpce 10 - 50 % Distribuce tvrdé tkáně (99 %), ostatní tkáně (0.9 %), ECT (0.1 %), ICT (stopy – zvýšený intracelulární Ca2+ = druhý posel) Koncentrace v krvi celkový vápník: 2.3 - 2.7 mmol/l tři formy Ca2+: ionizovaný, vázaný na albumin, chelatovaný Regulace parathormon (parathyrin, PTH) - stimuluje výdej Ca z kostí, reabsorpci do krve v ledvinách kalcitonin (antagonista PTH) kalcitriol (stimuluje střevní absorpci vápníku z potravy) Výdej 5 - 6 mmol/d (moč) 27 Koncentrace Ca2+ v tělesných tekutinách •Extracelulární tekutina •2,3-2,7 mmol/l •tři formy: •1) ionizovaný (Ca2+) •2) vázaný na proteiny (albumin) •3) chelatovaný (citrát, malát, oxalát ...) •Intracelulární tekutina •cytosol – stopy (kalmodulin) •mitochondrie, ER: vys. koncentrace •(kalsekvestrin) ECT ICT 10-3 mol/l 10-7 mol/l Rozdíl o čtyři řády 28 Příklad chelátu: kalcium malát ve vodném roztoku není disociace 29 Biochemický význam vápníku •ECT: •srážení krve •ICT: •regulační funkce (druhý posel) •svalová kontrakce a další děje • Tvrdé tkáně: nerozpustné sloučeniny – apatity (hydroxylapatit, fluoroapatit) 30 Charakteristika Parathormon (PTH) Kalcitriol Kalcitonin Místo vzniku příštitná tělíska kůže – játra – ledviny štítná žláza Chemická povaha signální molekuly peptid polární sekosteroid nepolární peptid polární Hlavní účinek uvolnění Ca z kostí, resorpce v ledvinách resorpce Ca ze střeva ukládání Ca do kostí Hospodaření s vápníkem regulují tři hormony 31 Fosforečnan vápenatý Ca3(PO4)2 •calcii phosphas •nerozpustný ve vodě •v tvrdých tkáních jsou různé apatity – podvojné fosforečnany (= dva různé anionty) •v kostech hydroxylapatit Ca5OH(PO4)3 •v zubech fluorapatit Ca5F(PO4)3 • 32 Biologické apatity jsou vyjadřovány různými vzorci Název Stechiometrický vzorec (nejmenší poměr prvků) Krystalová jednotka (násobek) Hydroxylapatit Ca5(PO4)3OH Ca10(PO4)6(OH)2 Fluoroapatit Ca5(PO4)3F Ca10(PO4)6F2 Oktakalciumfosfát Ca4H(PO4)3 Ca8H2(PO4)6 Trikalciumfosfát Ca3(PO4)2 Ca9(PO4)6 33 Rozpustnost Ca-fosfátů (viz praktická cvičení) Ca(H2PO4)2 rozpustný CaHPO4 nerozpustný (Ks = 2,3 . 10-7) Ca3(PO4)2 nerozpustný (Ks = 2,8 . 10-30) klesá rozpustnost 34 Rozpustnost Ca-fosfátů závisí na pH (viz praktická cvičení) nerozpustný nerozpustný rozpustný pH > 12 pH 8-11 pH 4-6 (močové kameny) (moč) 35 Síran vápenatý CaSO4 •nerozpustný ve vodě •srovnejte: MgSO4 je rozpustný (Šaratica, Zaječická) •hemihydrát (½ H2O) je sádra přeměna hemihydrátu na dihydrát, zvětšení objemu o cca 1 % 36 Hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2 •calcii hydrogenocarbonas •existuje pouze ve vodném roztoku •způsobuje přechodnou tvrdost vody •varem se vypudí CO2 a vzniká „kotelní kámen“ • Ca(HCO3)2 ® CO2 + CaCO3 ¯ + H2O •minerální vody (alkalické) Ondrášovka, Hanácká kyselka, Bílinská kyselka 37 Při varu se v nádobách tvoří usazeniny kotelního kamene: Ca(HCO3)2 ® CO2 + CaCO3 ¯ + H2O Použití klasického mýdla je málo účinné: Ca2+ (aq) + 2 R-COONa ® (R-COO)2Ca ¯ + 2 Na+ (aq) sraženina vápenatého mýdla Tvrdost vody je celková koncentrace Ca2+ a Mg2+ Tvrdá voda dělá problémy 38 Zdroje vápníku v potravě •Živočišné •mléko •mléčné výrobky •využitelnost až 50 % • •Rostlinné •mák, sezam •ořechy, mandle •datle, luštěniny •využitelnost ~ 10 % Denní potřeba: dospělí 1 g, děti a staří lidé více 39 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 Podporuje: vitamin D proteiny produkty mléčného kvašení Omezuje: fosfáty (Coca-Cola, tavené sýry) oxaláty nadbytek vlákniny * Jako zdroj vápníku nevhodné, tavící soli (fosfáty) vážou vápník. 40 Sodík v lidském těle Příjem 150-280 mmol/d sůl (NaCl), solené výrobky (uzeniny aj.), minerální vody (Vincentka) Distribuce ECT (50 %), kosti (40 %), ICT (10 %) hlavní kation ECT, odpovědný za osmolalitu a objem ECT Koncentrace v krvi 130-145 mmol/l gradient mezi ECT a ICT je vytvářen a udržován Na+,K+-ATPasou Regulace aldosteron = zadržuje sodík v těle ANP (atriální natriuretický peptid) = antagonista aldosteronu Výdej 120-240 mmol/d (moč) [99 % filtrovaného Na+ je reabsorbováno v ledvinách] ~10 mmol/d (stolice), 10-20 mmol/d (pot) Sodík + Draslík 41 Draslík v lidském těle Příjem 40-120 mmol/d hlavně rostlinná strava: brambory, luštěniny, ovoce, zelenina, ořechy atd. Distribuce ICT (98 %), ECT (2 %) hlavní kation ICT, associovaný s proteiny (polyanionty) a fosfáty Koncentrace v krvi 3,8-5,2 mmol/l gradient mezi ECT a ICT je udržován Na+,K+-ATPasou hladina K+ v krvi závisí na pH Regulace sekrece K+ do moče (distální tubulus) závisí na mnoha faktorech: příjem K, produkce aldosteronu, alkalóza/acidóza, anionty v moči Výdej 45-90 mmol/d (moč) 5-10 mmol/d (stolice) 42 Průměrné koncentrace iontů v krevní plazmě Kation Koncentrace (mmol/l) Anion Koncentrace (mmol/l) Kation Náboj Anion Náboj Na+ K+ Ca2+ Mg2+ 142 4 2,5 1,5 142 4 5 3 Cl- HCO3- Protein- HPO42- SO42- Org.A.* 103 25 2 1 0,5 4 103 25 18 2 1 5 --------- 154 --------- 154 * laktát, citrát, oxalát, malát, askorbát, acetoacetát aj. 43 Biologický význam sodíku a draslíku •Na+ je hlavní kation ECT, určuje osmolalitu plazmy •ze všech iontů na sebe váže nejvíce vody (viz tabulka) •pohyb sodíku (retence, exkrece) je vždy doprovázen pohybem vody •K+ je hlavní kation ICT, vázaný na polyanionty bílkovin a fosfáty •distribuci obou iontů zajišťuje Na+,K+-ATPasa Ion Průměr iontu (nm) Volný Hydratovaný Na+ 0,19 0,52 K+ 0,27 0,46 44 Hormony regulující sodík Charakteristika Aldosteron ANP atriální natriuretický peptid Místo vzniku kůra nadledviny srdeční atrium Chemická povaha signální molekuly steroid nepolární peptid polární Hlavní účinek resorpce Na+ exkrece K+ v ledvinách exkrece Na+ a vody v ledvinách 45 Elementární uhlík vytváří různé allotropické modifikace •diamant, grafit, saze, koks, fullereny … •grafen – Nobelova cena za fyziku 2010 •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 Uhlík 46 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 apod.) •Endogenní zdroj: katabolismus hemu hem ® Fe2+ + CO + biliverdin (® bilirubin) •Toxicita: silná vazba na Fe2+ v hemoglobinu, myoglobinu, cytochromech •Karbonylhemoglobin (CO-Hb) – omezení transportu O2 (-)CºO(+) detektory CO 47 Degradace hemu poskytuje CO a bilirubin oxidační štěpení CO + biliverdin + 3 H2O bilirubin 3 O2 + 3 NADPH+H+ A B 48 Karbonylhemoglobin v krvi Subjekt / Situace CO-Hb (%)* Novorozenec Dospělý (venkov) Dospělý (město) Kuřák Dopravní policista Otrava Smrt 0,4 1-2 4-5 10-12 12-15 20-50 55-60 Endogenní CO Exogenní CO * Procenta z celkového hemoglobinu 49 Oxid uhličitý CO2 •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 (H2O + CO2 ® H2CO3) •vzniká při dokonalém spalování uhlíku a org. sloučenin (nutný katalyzátor !) O=C=O 50 Endogenní tvorba CO2 (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 •glukosa-6-P ® 6-P-glukonát ® ribulosa-5-P + CO2 (pentosový cyklus) •neenzymová dekarboxylace: acetoacetát ® aceton + CO2 •katabolismus pyrimidinových bází: cytosin, uracil ® CO2 + NH3 + β-alanin •katabolismus glycinu ® CO2 + NH3 + methylen-tetrahydrofolát hlavní zdroje CO2 51 Kyselina uhličitá in vitro •slabá dvojsytná kyselina (pKA1 = 6,35; pKA2 = 10,33) •existuje pouze ve vodném roztoku, snadno se rozkládá •v roztoku zcela převažuje CO2 (800 ´) Þ proto se užívá tzv. efektivní disociační konstanta: • H2O + CO2 D H2CO3 D HCO3- + H+ 800 : 1 : 0,03 Sycené vody: Pít či nepít? 52 Kyselina uhličitá in vivo (krevní plazma) •enzymová reakce (karbonát dehydratasa) •za fyziologických podmínek: pKA1 = 6,10 •CO2 je kontinuálně odstraňován plícemi (otevřený systém) •celková (efektivní) koncetrace kys. uhličité: • [CO2 + H2CO3] = pCO2 × s = 0,22 pCO2 (kPa) H2O + CO2 D H2CO3 D HCO3- + H+ 1 : stopy : 20 přímo měřitelná veličina 53 Srovnejte: CO2 ve vodě a krvi Kapalina pH [CO2] : [HCO3-] Perlivá vodaa 3,50 - 5,00 800 : 0,03 Krevb 7,36 - 7,44 1 : 20 ! aUzavřený systém (PET láhev), 25 °C, I » 0,00, pKA1 = 6,35 pH ~ pCO2 ~ tlaku CO2 při sycení bOtevřený systém, 37 °C, Iplazma = 0,16, pKA1 = 6,10 CO2 kontinuálně odstraňován, pCO2 v plicních alveolech ~ 5,3 kPa, kyselá složka hydrogenuhličitanového pufru 54 Metabolická dráha dusíku Dusík Příjem dusíku bílkoviny v potravě (maso, vejce, sýry, tvaroh, luštěniny) Přeměny v těle štěpení (žaludek, střevo): bílkovina ® AK anabolické: AK ® bílkoviny tkání/spec. produkty katabolické: (transaminace + deaminace): AK ® NH3 ® močovina Exkrece dusíku močí močovina (300 - 600 mmol/den) NH4+ (30 - 50 mmol/den) viz přednášky: Biologicky význ. reakce Aminokyseliny 55 Srovnejte Charakteristika Dusičnany Dusitany Vzorec NO3- NO2- Jiný název nitráty nitrity Zdroj v potravě pitná voda, zelenina uzeniny, paštiky apod. Norma pro pitnou vodu 50 mg/l 0,5 mg/l Endogenní zdroj arginin ® NO ® NO3- - Akutní toxicita ne ano Toxický mechanismus - Hb-Fe2+ ® Hb-Fe3+ R1R2NH ® R1R2N-N=O http://www.bvk.cz/ 56 Fosfor Biochemický význam fosforu Příjem P většina potravin, fosfolipidy (maso, vejce), fytáty (obiloviny, zelenina), fosfoproteiny (tvaroh, sýry - kasein) Distribuce v těle ICT: převážně fosfoestery (metab. sacharidů), makroergní fosfáty Buněčné jádro: DNA Buněčné membrány: fosfolipidová dvojvrstva ECT: hydrogenfosfátový pufr, fosfolipidová monovrstva lipoproteinů Kosti a zuby: biologické apatity Exkrece P močí H2PO4- (30 - 50 mmol/den) 57 Srovnejte Tekutina pH Převažující species Krev 7,4 HPO42- Moč 5,5 H2PO4- Coca-Cola 2,5 H3PO4 ! 58 Metabolická dráha síry Síra Příjem bílkoviny v potravě (AK cystein a methionin) pouze organicky vázaná síra je v potravinách Přeměny v těle Anabolické: Cys, Met ® bílkoviny tkání methionin ® S-adenosylmethionin (SAM) ® methylační reakce cystein ® taurin ® konjugační reakce cystein ® glutathion (GSH) ® antioxidant, konjugační reakce cystein ® SO42- ® PAPS ® sulfatační reakce Katabolické: Cys, Met ® HSO3- ® SO42- (exkrece) bakteriální rozklad proteinů (tlusté střevo) ® thioly (R-SH) + sulfan (H2S) Exkrece močí SO42- (8 - 35 mmol/den) viz také přednáška Aminokyseliny 59 Jazyková poznámka Sulfit siřičitan SO32- (alkylsulfit R-O-SO2H je ester) Sulfid anorganický anion S2-, ZnS sulfid zinečnatý Sulfid organický R-S-R dialkylsulfid R-S-S-R dialkyldisulfid Sulfát síran SO42- (alkylsulfát R-O-SO3H je ester) 60 Železo v lidském těle Příjem Smíšená strava: 10 – 20 mg pouze l – 2 mg se absorbuje Distribuce Celkový obsah v těle 4,0 – 4,5 g Fe: hemoglobin 2,5 – 3,0 g Fe tkáňový ferritin do 1 g Fe u mužů (~ 0,5 g ženy) myoglobin a ostatní hemoproteiny 0,3 g Fe cirkulující transferrin 3 – 4 mg Fe Koncentrace: krev (B) sérum (S) B-hemoglobin: ♂ 130 – 175 g/l ♀ 120 – 165 g/l S-Fe: ♂ 14 – 26 mmol/l ♀ 11 – 22 mmol/l Transferrin - saturace: ♂ 20 – 55 % ♀ 15 – 50 % Regulace Regulace příjmu Hepcidin – snižuje střevní absorpci Fe Výdej 1 – 2 mg Fe/den deskvamované epitelie (střevní mukosa, epidermis) nebo krvácení u žen větší ztráty (menstruace) Neexistuje žádný způsob aktivního vylučování železa Fe je vždy vázáno na bílkoviny volné ionty Fe2+ jsou toxické Železo 61 Hemové proteiny Protein Redoxní stav Fe Funkce Hemoglobin Myoglobin Katalasa Peroxidasa Cytochromy Cytochrom P-450 Fe2+ Fe2+ Fe3+ Fe3+ Fe2+ D Fe3+ Fe2+ D Fe3+ transport O2 v krvi zásoba O2 ve svalu rozklad H2O2 rozklad peroxidů složky dých. řetězce hydroxylační systém 62 Nehemové proteiny Protein Redoxní stav Fe Funkce Transferrin Ferritin Hemosiderin Fe-S proteiny Fe3+ Fe3+ Fe3+ Fe2+ D Fe3+ transport Fe v plazmě zásoba Fe v buňkách zásoba Fe v buňkách složky dých. řetězce 63 Zdroje a resorpce železa •Hemové Fe (živočišné) •zvířecí krev a produkty •červené maso •biodostupnost ~ 20 % •Nehemové Fe (rostlinné) •brokolice •zelená listová zelenina •biodostupnost ~ 5 % • Obecná dostupnost hem-Fe2+ > Fe2+ > Fe3+ Resorpci podporuje gastroferrin, askorbát, citrát, sacharidy, aminokyseliny, nízké pH, deficit železa Resorpci inhibuje fytáty (cereálie), oxaláty (špenát), taniny (čaj, červené víno), střevní adsorbenty, antacida, nadbytek železa 64 Mýty 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 nehemové železo, vázané na protein ferredoxin •špenát obsahuje nejvíce šťavelové kyseliny ze všech potravin Þ při vaření vzniká nerozpustný oxalát železitý, který se ve střevě neresorbuje Þ železo je prakticky nevyužitelné Þ obsaženo ve stolici popeye-2 65 Latinské názvy solí •ferrosi ´ ferri Fe2+ Fe3+ 66 Srovnejte a rozlišujte latinské názvy ferrosi sulfas FeSO4 ferri sulfas Fe2(SO4)3 ferrosi sulfis FeSO3 ferri sulfis Fe2(SO3)3 67 Soli železa užívané k suplementaci při sideropenii •Perorálně •soli Fe2+ •síran železnatý (ferrosi sulfas) •fumarát železnatý (ferrosi fumaras) •glukonát železnatý (ferrosi gluconas) • •Parenterálně •soli Fe3+ •ferri citras •nutná velká opatrnost (!), organismus nemůže eliminovat injekčně aplikované železo • • 68 Halogeny v lidském těle Fluor kosti, zuby (fluorapatit) Chlor Cl- je hlavní anion ECT, HCl v žaludku (H+ pochází z H2CO3, Cl- z plazmy) Brom stopy Jod štítná žláza (thyroxin, jodované thyroniny) Halogeny 69 Halogeny v potravinách Fluor voda (vodovodní, minerální), mořské ryby, černý čaj (Camellia sinensis), extrakce 3-5 min. Chlor sůl kuchyňská, slané potraviny, slané minerálky Brom mořské produkty Jod mořské produkty, jodovaná sůl, Vincentka 70 Vybrané sloučeniny fluoru •Fluorid sodný NaF (natrii fluoridum) tablety (Rp.) – prolylaxe zubního kazu u dětí, zubní pasty, ústní vody, dental floss •Fluorofosfát sodný Na2PO3F (dinatrii fluorophosphas) zdroj fluoru v zubních pastách apod., léčba osteoporózy • 71 NaCl v lékařství Fyziologický roztok NaCl (natrii chloridi solutio): 154 mmol/l (0,9 %) Osmolarita fyziol. roztoku: i c = 2 × 154 = 308 mmol/l Použití: doplnění sodíku a/nebo vody, chirurgické zákroky, výplachy dutiny břišní, čištění kožních ran a vředů, nosný roztok pro jiná léčiva, práce s živočišnými buňkami a tkáněmi Osmolalita krevní plazmy: 2 [Na+] + [glukosa] + [urea] » 280-295 mmol/kg H2O Osmolarita Osmolalita Definice i c i cm Jednotky mmol/l mmol/kg H2O Závisí na teplotě ano ne 72 Srovnejte koncentrace iontů (mmol/l) Krevní plazma Fyziol. roztok NaCl Na+ Cl- Na+ Cl- 133-150 ~ 100 154 154 Tzv. fyziologický roztok NaCl má nefyziologicky vysokou koncentraci chloridových aniontů. 73 Bilance chloridů •Běžný denní příjem potravou: 5-12 g NaCl •Ztráta chloridů: zvracení, narušena acidobazická rovnováha v ECT Þ zvýšená koncentrace HCO3- Þ alkalóza •Nadměrný příjem chloridů: infuze fyziol. roztoku, narušena acidobazická rovnováha v ECT Þ snížená koncentrace HCO3- Þ acidóza • 74 HCl se tvoří v žaludku •acidum hydrochloricum, silná kyselina •H+ pochází z H2CO3 (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 • 75 Biochemický význam jodu •esenciální mikroprvek •denní dávka jodu: 150-300 μg •nutný k tvorbě jodovaných thyroninů, aminokyseliny thyroxin, trijodthyronin - nezbytné pro zdárný vývoj organismu 76 Přeměna tyrosinu na thyroxin vázaný na tyreoglobulin 77 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 O2 + CO2 ® Na2CO3 + I2 •jodičnan sodný NaIO3 – dlouhodobě stabilní •Pozor: velkoodběratelé používají většinou nejodovanou sůl (pečivo, uzeniny apod.) • 78 Elementární jod jako léčivo •Výhody: mohutný baktericidní, antimykotický, protivirový účinek • •Nevýhody: značný alergizační potenciál opatrnost u chorob štítné žlázy pouze krátkodobé aplikace 79 Roztoky elementárního jodu Roztok Latinský název Složení Jodová tinktura Lugolův roztok Jodovaný povidona tinctura iodi solutio iodi aquosa sol. povidoni iodinati I2 + ethanol I2 + KI + H2O I2 + povidonb + H2O aKomerční přípravky: Jodisol, Betadine, Jox bSyntetický polymer polyvinylpyrrolidon Jod je nepolární, nerozpustný ve vodě, rozp. v org. rozpouštědlech