Transcript Chemia biopierwiastków
Chemia biopierwiastków
25.02.2014
CHEMIA BIOPIERWIASTKÓW
Liczba godzin: wykład 30 godzin Prowadzący: dr hab. Magdalena Maj-Żurawska, dr Hanna Elżanowska, prof. dr hab. Renata Bilewicz, Wiadomości wstępne: Podstawy chemii ogólnej Cel: Poznanie roli pierwiastków w organizmach żywych i w środowisku. Reakcje chemiczne w procesach biologicznych.
Zaliczanie: wykład zaliczany jest na podstawie egzaminu - pisemnego testu.
Treść wykładu
1. Wstęp
Organizacja wykładu, pomoce naukowe, sposób zaliczania, godziny konsultacji
2. Układ okresowy pierwiastków
Pierwiastki istotne w układach biologicznych, makro– i mikroelementy, formy ich występowania: zawartość fizjologiczna, stężenia toksyczne i ich skutki.
3. Zawartość pierwiastków w próbkach biologicznych i środowiskowych
Formy występowania biopierwiastków, pojęcie specjacji. Wykorzystanie właściwości pierwiastków do badania ich zawartości we włosach i paznokciach, we krwi i innych płynach fizjologicznych
4. Badanie składu bardziej złożonych układów biologicznych
Skład pierwiastkowy komórek i tkanek, mapy rozkładu pierwiastków i ich przemieszczanie się wewnątrz komórki.
5. Typy reakcji chemicznych przebiegających w komórkach
Odwracalne i nieodwracalne procesy chemiczne. Reakcje syntezy, wymiany i analizy. Reakcje z przeniesieniem ładunku.
6. Podstawowe cząsteczki biologiczne
Białka i kwasy nukleinowe oraz ich składniki
7. Rola jonów metali w procesach biologicznych
Funkcje strukturalne i katalityczne jonów metali alkalicznych, ziem alkalicznych i metali przejściowych.
6. Biologiczne katalizatory – enzymy
Typy reakcji enzymatycznych, funkcja jonów metali
7. Reakcje z udziałem tlenu
Wiązanie i redukcja tlenu, nośniki tlenu
8. Membrany biologiczne, transport przez błony
Pojęcie transportu biernego i czynnego, kanały jonowe, pompa sodowo-potasowa.
Literatura:
A. Kabata-Pendias , H. Pendias, Biogeochemia pierwiastków śladowych , PWN, Warszawa 1999.
S.J. Lippard, J.M. Berg, Warszawa 1998.
Podstawy chemii bionieorganicznej , PWN, R. Hay , Chemia bionieorganiczna , PWN, Warszawa 1990.
S.Rose, S. Bullock, Chemia życia , WNT, Warszawa 1993.
D. S. Goodsell, Tajemnice życia , WNT 1995 J. E. Andrews, P. Brimblecombe, T. D. Jickells, P. S. Liss, Wprowadzenie do chemii środowiska , WNT, Warszwa 2000.
E-mail: Prof. dr hab. Renata Bilewicz: Dr Hanna Elżanowska: [email protected]
Prof. dr hab. Magdalena Maj Żurawska: [email protected]
www.chem.uw.edu.pl/pracownicy/M.Maj Żurawska/ www.chem.uw.edu.pl/pracownicy/R.Bilewicz
PLAN WYKŁADU: 1.
Biopierwiastki w układzie okresowym 2. Makro-, mikro elementy (pierwiastki śladowe) 3.
Podstawowa rola pierwiastków organizmie 4.
Stężenia fizjologiczne, niedobory, nadmiar – stężenia toksyczne 5. Biopierwiastki jako leki 6.
Biopierwiastki w żywności 7.
Przemiany w glebach, kwaśne deszcze 8.
Oznaczanie biopierwiastków we włosach jako metoda oceny stanu mineralnego ustroju
Rozmieszczenie pierwiastków niezbędnych dla organizmu człowieka w układzie okresowym
IA
H Li
IIA
Be
IIA
B
IVA
C
VA
N
VIA
O
VIIA
F Na K Rb Cs Fr Mg Ca Sr Ba Ra
IIIB
Sc Y La * Ac **
IVB
Ti Zr Hf
VB
V Nb Ta
VIB
Cr Mo W
VIIB
Mn Tc Re Fe Ru Os
VIIIB
Co Rh Ir Ni Pd Pt
* lantanowce * * aktynowce Makroelementy występujące w dużych ilościach IB
Cu Ag Au
IIB
Zn Cd Hg Al Ga In Tl Si Ge Sn Pb P As Sb Bi S Se Te Po
Makroelementy Mikroelementy Ultraelementy Ultraelementy, przypuszczalnie niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu
Cl Br I At
VIIIA
He Ne Ar Kr Xe Rn
Zawartość procentowa pierwiastków w organizmie człowieka Ca 1,4% P 0,6% S 0,6% Na 0,3% K 0,2% Reszta 0,2% N 5,1% H 9,3% O 62,8% C 19,4%
Pierwiastek masa (g)/dorosłego(ok.70kg) Data odkrycia jako pierwiastka istotnego *: nie istotny *: istotność niepewna * * * * *
Paracelsus (Phillippus von Hohenheim) 1493 - 1541
Wikipedia
Stan organizmu w zależności od zawartości pierwiastka istotnego Stan zdrowia
śmierć Stężenie (dawka) śmierć
Prof. Julian Aleksandrowicz 1908 - 1988 www.ptmag.pl
Oddziaływanie pomiędzy niektórymi pierwiastkami
Współdziałanie Konkurencja
Bilans jonowy w płynach fizjologicznych
Hormon Kalcytonina (CT)
MAKROELEMENTY
C
- budulec organizmu; długie łańcuchy, stanowiące szkielet związków organicznych C C
O
- w postaci cząsteczkowej wydzielany jest podczas fotosyntezy; w oddychaniu tlenowym ostatni akceptor elektronów łańcucha oddechowego
H
- ważne procesy życiowe, takie jak fotosynteza, oddychanie C
N
- zasady azotowe, będące składnikami kwasów nukleinowych i układu przenośników energii typu ATP/ADP
Na
jeden z najważniejszych pierwiastków płynu pozakomórkowego, zapewnia prawidłową czynność mięśni i nerwów, bierze udział w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej, ciśnienia osmotycznego.
K
jeden z najważniejszych składników płynów wewnątrz i zewnątrzkomórkowych. Bierze udział w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej, ciśnienia osmotycznego, w utrzymaniu równowagi organizmu, prawidłowego rytmu serca. Niedobór wpływa ujemnie na czynność mięśni szkieletowych, powoduje zaburzenia w przewodzeniu i aktywności mięśnia sercowego.
Mg
jeden z najważniejszych składników płynów wewnątrz i zewnątrzkomórkowych. Aktywuje ponad 300 enzymów, wiążąc się z nukleotydami bierze udział w replikacji DNA, syntezie RNA, biosyntezie białek, budowie białek strukturowych, funkcyjnych, bierze udział w przemianach energetycznych wiążąc się z ATP, wpływa na względną przepuszczalność błony komórkowej wiążąc się z fosfolipidami, bierze udział w odbudowie potencjału membranowego w pobudzonych komórkach, utrzymuje pobudliwość neuromięśniową.
Ca
99% znajduje się w układzie kostnym i zębach, 1% we krwi, płynach międzykomórkowych i wewnątrz komórek. Utrzymuje prawidłową czynność układu sercowo – naczyniowego wpływa na gospodarkę hormonalną, krzepnięcie krwi, utrzymanie właściwego napięcia i pobudliwości mięśni szkieletowych oraz mięśnia sercowego. Bierze udział w metabolizmie żelaza, uczestniczy w przekazywaniu impulsów w obrębie układu nerwowego.
Związki wiążące jony metali
Kompleksy jonów sodu i potasu K+/nonaktyna Na+/monenzyna
Model cząsteczki ATP
Wiązanie jonów metali z ATP
Fe
porfirynowe związki żelaza (grupy hemowe) są istotnymi składnikami hemoglobiny spełniającymi rolę przenośników tlenu we krwi.
Struktura centrów Fe/S w białkach
Co
składnik kobalamin, podstawowe funkcje w wytwarzaniu czerwonych krwinek, w metabolizmie kwasów nukleinowych i białek.
Ni
aktywator niektórych dehydrogenaz i karboksylaz.
Cu
składnik enzymów biorących udział w procesach utleniania – redukcji.
Cr
współdziała z insuliną w regulowaniu poziomu cukru we krwi.
Mn
aktywtor enzymów regulujących metabolizm glukozy i innych węglowodanów.
Zn
składnik 18 enzymów, aktywator 14 enzymów, bierze udział w metabolizmie węglowodanów, konieczny do formowania się kości, w połączeniu z insuliną przedłuża jej działanie, stymuluje aktywność wit. A magazynowanej w wątrobie, przy niedoborze Zn dawkowanie wit. A nie uzupełnia jej braku.
Mo
składnik enzymów biorących udział w procesach wiązania azotu i reducji azotanów, składnik oksydaz.
Se
składnik peroksydazy glutationowej, chroni przed utlenianiem lipidów błon komórkowych, współdziała z wit. E (tokoferolem), jest najwa żniejszym naturalnym antyutleniaczem przerywającym reakcje łańcuchowe generujące wolne rodniki.
Przykład enzymu
Szczególne zagrożenie dla organizmów stwarzają
Cd, Pb
i
Hg
.
Cd
długo zatrzymywany w tkankach (okres biologicznego półtrwania 10 – 30 lat), inhibitor fosfataz i innych enzymów, powoduje zaburzenia w me tabolizmie białek, zakłóca przemianę wit. B 1 . Każda postać nowotworu może być spowodowana nadmiarem Cd w organizmie.
Pb
szczególna toksyczność pochodnych alkilowych, powoduje nadpobudliwość psychoruchową, agresję, obniżenie odporności, zwiększoną podatność na choroby nowotworowe, u dzieci opóźniony rozwój umysłowy.
Hg
kumuluje się w glebach, roślinach, organizmach ludzkich i zwierzęcych, szczególna toksyczność pochodnych alkilowych, przedostaje się do komórek centralnego układu nerwowego. Hg uznano za jeden z czynników ryzyka białaczki.
Pierwiastki szkodliwe dla organizmu ludzkiego
Cd
- toksyczne działanie kadmu polega na zaburzeniu czynności nerek, chorobie nadciśnieniowej, zmianach nowotworowych (zwłaszcza gruczołu krokowego i nerek), zaburzeniach metabolizmu wapnia (deformacja szkieletu), zaburzeniach funkcji rozrodczych
Hg
- akumuluje się w mózgu; zatrucie rtęcią powoduje: zaburzenia widzenia i świadomości, stany dezorientacji i zagubienia, nagminne zapominanie, nerwowość; pierwiastek silnie toksyczny, powoduje uszkodzenie nerek, nadciśnienie, deformację kości, zmiany nowotworowe
Pb
- akumuluje się w kościach, skąd może przechodzić do krwi; powoduje nadpobudliwość psychoruchową i agresję
Związki metali i metaloidów są lekami.
Zn
- w leczeniu ran od 5 tys. Lat.
Mg
- w schorzeniach jelitowych
Fe
- w leczeniu anemii
Li
- w leczeniu depresji maniakalnej
Au
w leczeniu reumatycznego zapalenia stawów
As
w postasi salwasanu w leczeniu kiły Metale szlachetne
Pt, Ru
– kompleksy w chemioterapii nowotworów (jako interkalatory)
DNA cis-platyna
Rola pierwiastków w organizmach żywych
Działanie regulacyjne
(np. Mg - przemiana węglowodanów; Na i K - regulacja gospodarki wodnej)
Rola budulcowa
(np. Ca - budulec kości; C, H, N, O - tworzą białka)
Reakcje enzymatyczne
(np. Mn - aktywator enzymów metabolizmu glukozy, syntezy glikogenu i mocznika)
Przeniesienie ładunku
(np. Fe- przenoszenie elektronów przez cytochromy; Cu - przenoszenie elektronów przez plastocyjaniny; K + , Na + , Cl - polaryzacja błon komórkowych)
Przeniesienie tlenu
(np. Fe - składnik hemoglobiny, mioglobiny, chlorokruoryny)