Chemia biopierwiastków

Download Report

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]

[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)