7_Skladniki_bionieorganiczne.pdf

7. SKŁADNIKI

BIONIEORGANICZNE

Iwona ś ak

W płynach ustrojowych, poza omówionymi elektrolitami, obecne s ą inne fi-

zjologiczne pierwiastki nieorganiczne, odgrywaj ą ce istotn ą rol ę w procesach Ŝ y-

ciowych. Najwa Ŝ niejsze z nich to jony Ŝ elaza, cynku, miedzi, kobaltu, molibdenu,

selenu, jodu i fluoru. Obecne mog ą by ć te Ŝ pierwiastki toksyczne, takie jak kadm,

ołów, rt ęć i inne.

St ęŜ enia jonów musz ą by ć utrzymywane w odpowiednich granicach, ponie-

wa Ŝ zbyt małe st ęŜ enie danego niezb ę dnego jonu wywiera ujemny wpływ na pro-

cesy przebiegaj ą ce z jego udziałem i organizm cierpi na jego niedobór. Natomiast

wzrost st ęŜ enia danego jonu powy Ŝ ej normy mo Ŝ e uwidoczni ć toksyczne działanie

jonu.

MAGNEZ

W organizmie ssaków l ą dowych zawarto ść magnezu stanowi 0,1–0,47% ma-

sy ciała (dlatego nale Ŝ y do makroelementów), z czego 60% przypada na ko ś ci. Jo-

ny magnezu wyst ę puj ą we wszystkich płynach ustrojowych, stanowi ą c istotny

składnik puli kationów, szczególne znaczenie maj ą w przestrzeni wewn ą trzkomór-

kowej. S ą aktywatorami wielu enzymów i uczestnicz ą w metabolizmie.

W komórce jony magnezu tworz ą kompleksy metalonukleotydowe w di-

fosfo- i trifosfonukleozydach, przedstawionych na przykładzie ADP i ATP, lecz

dotycz ą wszystkich innych, mianowicie: GDP i GTP, CDP i CTP oraz UDP i UTP.

- O P O P O ADENOZYNA

- O

O -

2 +

Mg-ADP

Jony magnezu ulegaj ą skoordynowaniu wył ą cznie z atomami tlenu grup

fosforanowych, znajduj ą cych si ę w pozycjach

lub

- O

- O g

O P O P O

A D E NOZYNA

- O

O -

2 +

a, b-

Mg-ATP

-Mg-ATP s ą faworyzowane w roztworach wodnych. ATP w tej po-

staci wi ąŜ e si ę tak Ŝ e z centrami aktywnymi wielu enzymów.

- O P O P O P

O ADENOZYNA

- O

O -

2 +

b, g-

Mg-ATP

Kompleksy Mg-ATP s ą substratami wymaganymi przez fosfotransferazy (kinazy),

nukleotydylotransferazy oraz ATPazy.

Jony magnezu, wraz z kationami Na + , K + , stabilizuj ą zwart ą struktur ę polia-

nionowych makrocz ą steczek, takich jak kwasy nukleinowe, pełni ą c rol ę przeciw-

jonów. Tworz ą one, podobnie jak kationowe poliaminy (np. spermina), mało spe-

cyficzne kompleksy z kwasami nukleinowymi, zoboj ę tniaj ą c ich ujemnie nałado-

wane grupy fosforanowe.

Zoboj ę tnienie ładunku zabezpiecza kwasy nukleinowe przed stanem, w któ-

rym odpychanie elektrostatyczne uzyskałoby przewag ę nad innymi czynnikami

stabilizuj ą cymi te makrocz ą steczki. Jony magnezu stabilizuj ą równie Ŝ struktur ę

rybosomów, zbyt niskie jego st ęŜ enie sprzyja rozpadowi rybosomów na podjed-

nostki. Maj ą te Ŝ znaczenie w tak wa Ŝ nych procesach dla komórki, jak replikacja

i transkrypcja informacji genetycznej.

Ponadto, jony magnezu reguluj ą procesy oksydoredukcji, maj ą wpływ na

gospodark ę lipidow ą , na poziom amin katecholowych oraz na przepuszczalno ść

błon komórkowych. Niedobór magnezu zaburza wymienione procesy, prowadz ą c

do dysfunkcji metabolicznej, głównie komórek mi ęś ni gładkich i mi ęś nia sercowe-

go, oraz sprzyja rozwojowi mia Ŝ d Ŝ ycy. Magnez spełnia istotn ą rol ę w profilaktyce

i terapii ró Ŝ nych chorób, w tym zapobiega nadpobudliwo ś ci nerwowej i depresji.

Kompleksy

ś ELAZO

ś elazo jest metalem niezb ę dnym w ka Ŝ dym organizmie. U dorosłego czło-

wieka całkowita zawarto ść Ŝ elaza wynosi 50–70 mmol/l, czyli 3–4 g. Znacz ą ca

cz ęść , 60–70% całkowitej puli Ŝ elaza organizmu, zwi ą zana jest z hemoglobin ą

i mioglobin ą . Zaledwie około 0,1% znajduje si ę w osoczu, gdzie Ŝ elazo transpor-

towane jest przez białko surowicy, transferyn ę . Natomiast do 25% Ŝ elaza jest zma-

gazynowane w komórkach, w poł ą czeniu z białkiem, ferrytyn ą lub w postaci bar-

dziej stabilnej hemosyderyny (fosforanu Ŝ elazowego), głównie w układzie siatecz-

kowo- ś ródbłonkowym w ą troby, ś ledziony i szpiku.

ś elazo wchodzi w skład wielu enzymów (np. katalaza, peroksydaza, akoni-

taza), zwi ą zków metaloproteinowych zawieraj ą cych klastery n Fe- n S (ferredoksyna

i inne przeno ś niki elektronów, akonitaza) lub zawieraj ą cych Ŝ elazo w poł ą czeniu

Ŝ elazoporfirynowym (hemoproteiny, w tym cytochromy). W organizmie Ŝ elazo

pełni rol ę w transporcie i metabolizmie O 2 oraz w ró Ŝ nych procesach oksydacyjno-

-redukcyjnych.

ś elazo wyst ę puje na dwóch stopniach utlenienia +2 i +3, odznacza si ę tak Ŝ e

szczególn ą aktywno ś ci ą w zmianach stopnia utlenienia, na jego zachowanie wpły-

wa wiele czynników, np. odczyn, potencjał redoks, substancja organiczna.

Wszystkie zwi ą zki Fe +2 s ą mobilne, ale na ogół mało stabilne. W oboj ę tnym

pH (około 7) Fe +3 jest nierozpuszczalne, dlatego bardzo mała liczba uwodnionych

jonów pozostaje w roztworze i bardzo niewielkie ilo ś ci Fe +3 mog ą zosta ć wchłoni ę -

te do organizmu. Dlatego praktycznie tylko dwuwarto ś ciowe Ŝ elazo mo Ŝ e ulega ć

wchłanianiu.

Wchłaniane Ŝ elazo do organizmu wi ąŜ e si ę z apoferrytyn ą , tworz ą c ferryty-

n ę ś luzówki jelita z jonami Fe 3+ . Ferrytyna ś luzówki przewodu pokarmowego jest

pierwszym magazynem Ŝ elaza ustrojowego, który pozostaje w równowadze z Ŝ ela-

zem osocza. Pojedyncza cz ą steczka ferrytyny o sferycznym i wydr ąŜ onym szkiele-

cie mo Ŝ e wi ą za ć do 4500 jonów Fe +3 . Wchłanianie Ŝ elaza ustaje, gdy apoferrytyna

jest całkowicie wysycona Ŝ elazem.

Białko osocza apotransferyna – po zwi ą zaniu jonów Ŝ elaza uwalnianych

z magazynów – przekształca si ę w transferyn ę , umo Ŝ liwiaj ą c w ten sposób solubi-

lizacj ę i transport Ŝ elaza w warunkach organizmu, gdzie wolne jony byłyby zupeł-

nie nierozpuszczalne. Pojedyncza cz ą steczka transferyny transportuje dwa jony

Fe 3+ .

Wprowadzanie Ŝ elaza do komórek odbywa si ę w kompleksie z transferyn ą ,

po zwi ą zaniu ze specyficznym receptorem na powierzchni komórki. Receptory dla

transferyny obecne s ą na powierzchni wszystkich komórek. Kompleks transferyna-

-receptor wnika do komórki drog ą endocytozy po ś rednio-receptorowej. W en-

dosomie, dzi ę ki działaniu pompy protonowej dochodzi do zakwaszenia ś rodowiska

(pH 5–6), które sprzyja uwolnieniu Ŝ elaza. W komórkach w ą troby, szpiku kostne-

go, ś ledziony i innych tkanek Ŝ elazo mo Ŝ e by ć wykorzystane lub zmagazynowane

w ferrytynie. Natomiast apotransferyna zwi ą zana z receptorem w cz ęś ci p ę cherzy-

ka endosomalnego powraca do błony komórkowej. Warunki zewn ą trzkomórkowe,

zwłaszcza pH~7,4 sprawiaj ą , Ŝ e apotransferyna jest uwalniana z receptora w for-

mie zdolnej do wi ą zania nast ę pnych jonów Ŝ elaza. Cały ten cykl kr ąŜ enia transfe-

ryny mi ę dzy wn ę trzem komórki a przestrzeni ą pozakomórkow ą trwa około 15

minut.

Niedobory Ŝ elaza u ludzi s ą cz ę ste, na ogół wynikaj ą z niskiej zawarto ś ci

przyswajalnych form tego pierwiastka w po Ŝ ywieniu lub zaburze ń w jego wchła-

nianiu. Niedobór Ŝ elaza powoduje niedokrwisto ść , ograniczenie wzrostu i ogólne

wycie ń czenie organizmu.

CYNK

Zawarto ść cynku w organizmie dorosłego człowieka wynosi od 1,5 do 2,0 g,

z czego do 80% przypada na mi ęś nie i ko ś ci. Wyst ę puje głównie wewn ą trzkomór-

kowo, natomiast w surowicy jego st ęŜ enie mie ś ci si ę w granicach 80–90

g/l,

gdzie niemal całkowicie jest zwi ą zany z białkami (albuminami,

a 2 -makroglobuli-

n ą , transferyn ą insulin ą ).

W komórkach cynk jest zwi ą zany z niskocz ą steczkowym białkiem, metalo-

tionein ą , które jest białkiem bardzo bogatym w reszty cysteinowe z wolnymi gru-

pami –SH, wi ąŜą cymi metale ci ęŜ kie, głównie kadm i ołów. Metalotioneina pełni

funkcj ę ochronn ą , detoksykacyjn ą , przeciwdziałaj ą c zatruciu metalami ci ęŜ kimi,

dzi ę ki temu, Ŝ e zwi ą zane z tym białkiem jony metali ci ęŜ kich niezdolne s ą do in-

nych oddziaływa ń .

Jony cynku znajduj ą si ę w centrach aktywnych wielu enzymów, np. w dy-

smutazie ponadtlenkowej wraz z jonem miedzi, w centrach enzymów hydrolitycz-

nych, np. peptydazach, esterazach, fosfatazach lub anhydrazie w ę glanowej katali-

zuj ą cej rozkład H 2 CO 3 . W hydrolazach wyst ę puj ą równie Ŝ kationy Mg +2 , Mn +2 ,

Ca +2 , Ni +2 , które w przewa Ŝ aj ą cych przypadkach s ą pierwiastkami nie ulegaj ą cymi

reakcjom redoks.

W enzymie zwanym transkarbamoilaz ą asparaginianow ą (katalizuj ą cym

pierwszy etap syntezy pirymidyn) znajduje si ę 6 jonów cynku, po jednym w ka Ŝ -

dym ła ń cuchu regulacyjnym. Pojedynczy jon cynku jest skoordynowany z 4 resz-

tami cysteinowymi, tworz ą c domen ę cynkow ą . Domeny cynkowe uczestnicz ą

w bezpo ś rednich kontaktach mi ę dzy podjednostkami regulacyjnymi i katalitycz-

nymi holoenzymu oraz maj ą znaczenie w efektach allosterycznych tego enzymu.

Syntaza porfobilinogenowa, katalizuj ą ca wczesny etap syntezy hemu jest

równie Ŝ enzymem zawieraj ą cym Zn +2 , którego aktywno ść hamuje ołów.

Cynk jest obecny w wielu białkach wi ąŜą cych kwasy nukleinowe i reguluj ą -

cych działanie genów (czynnikach transkrypcyjnych), w których pełni funkcje

strukturalne w tworzeniu domen cynkowych, zwanych „palcami cynkowymi” zdol-

nych do bezpo ś redniego oddziaływania z DNA.

Korzystny wpływ cynku na organizm uwidacznia si ę w ogólnej poprawie

metabolizmu, przyspieszaniu gojenia ran i poprawie sprawno ś ci umysłowej.

Niedobór cynku, wynikaj ą cy zazwyczaj z ograniczonego przyswajania z po-

Ŝ ywienia, powoduje zaburzenia rozwoju układu kostnego, funkcji rozrodczych,

stany zapalne skóry, łysienie, sprzyja procesom mia Ŝ d Ŝ ycowym.

MIED Ź

g/100 ml surowicy.

Wewn ą trzkomórkowa mied ź wyst ę puje głównie w mitochondriach i j ą drze

komórkowym. Wykazuje zdolno ść do tworzenia poł ą cze ń z kwasami nukleinowy-

mi, w których mo Ŝ e powodowa ć trwałe zmiany strukturalne. Szczególnie łatwo

tworzy poł ą czenia z ró Ŝ nymi białkami zawieraj ą cymi siark ę , szczególnie z nisko-

cz ą steczkow ą metalotionein ą .

Mied ź jest składnikiem ró Ŝ nych enzymów bior ą cych udział w procesach

oksydacyjno-redukcyjnych, m.in. oksydazy cytochromowej, oksydazy lizylowej,

oksydazy askorbinianowej, plastocjaniny, dysmutazy ponadtlenkowej, cerulopla-

zminy. Ceruloplazmina – białko osocza – pełni funkcj ę transportera miedzi.

Jony Cu +2 i Cu + zwykle skoordynowane s ą z atomem siarki cysteiny i atoma-

mi azotu pier ś cieni imidazolowych reszt histydyny ła ń cucha polipeptydowego.

Białka miedziowe transportuj ą ce elektrony maj ą barw ę niebiesk ą , wykazuj ą cha-

rakterystyczne intensywne pasmo absorpcji przy około 600 nm.

Mi ę dzy miedzi ą a cynkiem wyst ę puje antagonizm, natomiast mi ę dzy mie-

dzi ą i Ŝ elazem synergizm, co ma korzystny wpływ szczególnie przy syntezie he-

moglobiny.

Mied ź jest niezb ę dna do prawidłowego metabolizmu tkanki ł ą cznej, keraty-

nizacji włosów. Jej obecno ść jest tak Ŝ e konieczna dla aktywno ś ci oksydazy lizylo-

wej, która katalizuje oksydacyjn ą dezaminacj ę ła ń cuchów bocznych lizyn, prze-

kształcaj ą c je w allizyny bezpo ś rednio uczestnicz ą ce w tworzeniu wi ą za ń krzy Ŝ o-

wych w polipeptydach kolagenu i elastyny. Brak miedzi uniemo Ŝ liwia tworzenie

wi ą za ń krzy Ŝ owych i przekształcenie rozpuszczalnego tropokolagenu oraz tropo-

elastyny w dojrzałe białka tkanki ł ą cznej. Schorzenie to zwane jest latyryzmem.

Omawiany pierwiastek wpływa na metabolizm lipidów i cholesterolu oraz

na wła ś ciwo ś ci osłonek mielinowych włókien nerwowych.

Niedobór miedzi mo Ŝ e objawia ć si ę ograniczeniem wzrostu, płodno ś ci, za-

burzeniami układu nerwowego, krwiono ś nego, anemi ą , a tak Ŝ e mo Ŝ e mie ć wpływ

na rozwój osteoporozy.

100

Zawarto ść miedzi w organizmie dorosłego człowieka wynosi około 80 mg,

z czego najwi ę cej wyst ę puje w w ą trobie, a najmniej w mi ęś niach i ko ś ciach. We

krwi jest składnikiem stosunkowo stabilnym, st ęŜ enie miedzi najcz ęś ciej utrzymuje

si ę w granicach 100–130

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: