Transcript Rola metali w życiu człowieka

Rola Metali w Życiu Człowieka
Jacek Nycz
Institute of Chemistry, University of Silesia Katowice, Poland
[email protected]
•
•
Ziemia ~ 4 billiony lat
81 stabilnych pierwiastków
•
Pierwiastki w żywych organizmach:
–
–
11 wystepujących w skali makro
H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca
–
–
7 w mikro
Mn, Fe, Co, Cu, Zn, I, Mo
–
–
7 tylko u niektórych organizmów
B, F, Si, V, Cr, Se, Sn
1. W związkach organicznych:
(6 pierwiastków)
C, H, O, N, S, P
2. Nieorganiczne; szkielet i płyny ustrojowe: (5 pierwiastków)
Na, K, Ca, Mg, Cl
3. Pierwiastki śladowe : (~14)
- Se, Si, Sn, F, I
- metale przejściowe: Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Ni, V, Cr, Mo
Nie chciane pierwiastki (impurity):
- korzystne: B, Ti, W,... (As, Cd, Pb....)
- toksyczne: Hg, Cd, Pb, Tl, As, Pt, Be, Ba,..
Średnia zawartość różnych pierwiastków w ludzkim organiźmie
(70 kg masa ciała)
Pierwiastek masa
(m/m)%
Pierwiastek masa
(m/m)%
O (kg)
45,55
65,1
Na (g)
70
0,10
C (kg)
12,59
18,0
Mg (g)
42
0,06
H (kg)
6,78
9,7
Fe (g)
4-4,5
0,007
N (kg)
1,82
2,6
Zn (g)
2-3
0,0035
P (g)
680
1,0
Cu (mg)
80-120
0,00014
S (g)
100
0,15
Mn (mg)
12-20
0,00003
Ca (g)
1700
2,42
Mo (mg)
4-5
0,00001
K (g)
250
0,36
Se (mg)
20
0,00004
Cl (g)
115
0,16
I (mg)
30
0,00005
Dla porównania: Pb: 80 mg/70 kg, Al: 100 mg/70 kg, Sr: 140 mg/70 kg
Zawartość pierwiastków śladowych w organizmie
współczesnego i prehistoricznego człowieka (ppm)
Prehistoryczny
Współczesny
Fe
60
60
Zn
33
33
Cu
1,0
1,2
Mo
0,1
0,1
Al
0,4
0,9
Ti
0,4
0,4
Cd
0,001
0,7
Hg
< 0,001
0,19
Pb
0,01
1,7
Pierwiastek
Koncentracja i efekt fisiologiczny
Effect
Conc
Lack of element
(Death)
Deficiency
(Disease)
Optimal supply
Excess
(Disease)
Toxic dose
(Death)
śmierć, niedobór, OPTIMUM, nadmiar, śmierć
Metale niezbędne dla życia:
rola większości nie jest pewna
Na, K, Mg, Ca
V, Cr, Mn, Fe Co, Ni, Cu, Zn
Mo, W
Na, K: przenośniki ładunków
osmotyczne i elektrochemiczne stężenia
funkcjonowanie ukł. nerwowego
Mg, Ca:
aktywatory enzymów
struktura
kwasy Lewisa
Mg2+: chlorofil, fotosyntesa
Ca2+: nierozpuszczalne fosforany
Sód i Potas
• Funkcja:
– Elektrolity, generują potencjał (razem z Cl-)
– Są przeciwjonami dla DNA, membran, etc...
– Działanie układu nerwowego
• Koncentracja: [Na+] na zewnątrz, [K+] wewnątrz komórki
– Wewnątrz krwinek czerwonych: [Na+] = 0.01 M [K+] = 0.09 M
– Na zewnątrz surowicy: [Na+] = 0.16 M [K+] = 0.01 M
• Pompa jonowa
Sód i Potas– Pompa jonowa
• Na+/K+-ATPase
– Membrane-Spanning Protein Ion Pump
– a2b2 tetrameric 294,000 dalton protein
– Conformational changes pump the ions: one conformation
binds Na+ best, the other binds K+ best
– Hydrolysis of ATP provides the energy for conformational
changes (30% of a mammal’s ATP is used in this reaction)
– Antiport transport: like charged ions are transported in
opposite directions
– Reversing the normal reaction can generate ATP
– Reaction can occur 100 time per second
3Na+in + 2Kout+ + ATP4- + H2O
3Na+out + 2K+in + ADP3- + HPO42- + H+
Sód i Potas--Ion Channel
• Gramicydyna: tworzy kanały jonowe
– białko
107-108 ion/second may pass (Emem = 100 mV)
Rola:
Na+
–
–
–
–
–
Płyn zewnątrzkomórkowy
Równowaga osmotyczna „ pompa sodowa”
Równowaga kwasowo-zasadowa
Konformacja białek i kwasów nukleinowych (DNA, RNA)
Impulsy elektryczne w układzie nerwowym
Mg2+
3Na+ + 2K+ + ATP4- + H2O
3Na+ + 2K+ + ADP3- + HPO42- + H+
K+
–
–
–
–
–
Płyn wewnątrzkomórkowy
Aktywator enzymów
Konformacja białek i RNA (replikacja)
Wydzielanie kwasów żołądkowych
Potencjał Transmembrane!
Kompleksy metali alkalicznych (Na+, K+)
Cykliczne antybiotyki
Valinomycin
Monactin
Nonactin
polietery,
kryptandy
Kompleks walinomycyny z K+
D-Val
H
L
L-Val
O
O
L-Val
L
O
K+
O
H
D-Val
O
O
D-Val
H
L-Val
L
Makrocykliczne ligandy
Metale ziem alkalicznych
to:
Be
Mg
Występują in vivo:
Ca
Sr
Mg
Ca
Be, Ba BARDZO TOKSYCZNY!
Sr (mniej toksyczny)
90Sr akumuluje się w kościach
Ba
Ra
Wapń
• Funkcja:
– napięcie mięśniowe
– Materiał szkieletu
• Zawartość:
– Na zewnątrz komórki
– Wewnątrz komórki
[Ca2+] = 0.001 M
[Ca2+] = 10-7 M
Wapń--składowanie
• CaCO3 – skorupa jajka i szkielet koralowców
• Hydroksyapatyty- Ca2+ w kościach i zębach:
Ca10(PO4)6(OH)2 hydroksyfosforan wapnia
– Zastąpienie OH- przez F- zapobiega niszczeniu
zęba ponieważ F- jest słabszą zasadą
Mg2+
• Rośliny
CHLOROFIL
• System nerwowy (tetany)
• Transport aktywny (wewnątrzkomórkowy)
• aktywator enzymów (np. ATP-azy)
• Ca2+ antagonista
Ca2+
• Inhibuje Mg2+-aktywowane enzymy
• Zewnątrzkomórkowy: (10-3M)
Ca2+
protrombina
trombina-fibrynogen-fibryna
Chlorofil
Metale przejściowe
Fe, Cu, Mo:
Elektron-transfer
Redoks białka i enzymy
Transfer tlenu
Wiązanie azotu
Zn:
Metaloenzymy
Struktura
Kwasy Lewisa
Nie jest katalizatorem redoks!
Żelazo--Ewolucja
• Atmosfera Redukcyjna: H2, H2S, CH4, NH3Fe2+= 4.9x10-17 [Fe2+] = 5.0x10-3
Po Fotosyntezie:
• Atmosfera utleniająca: O2
• ---> Fe3+ = 2.6x10-39 [Fe3+] = 2.6x10-18
Funkcje:
O2 transport, elektron transfer, metabolizm
Żelazo--Siderofory
Siderofory: klasa bakteryjnych jonoforów specyficznych dla Fe3+
Razem rozpuszczalne
katechol
Kwas hydroksamowy
Enterobactins: 3 katechole
Ferrichromes: 3 kwasy hydroksamowe, cykliczne białka
Ferrioxamines: 3 kwasy hydroksamowe, acykliczne
białka
Żelazo-transferyna białko ssaków przenosi 2 jony
Fe3+. Żelazo jest wiązane jako Fe2+ i utleniane do
Fe3+. CO32- w tym samym czasie jest zaangażowany.
W ciele człowieka
75% Hem-żelazo
25% Non-hem-żelazo
•
•
•
•
• Rubredoxins
• Ferredoxins
Hemoglobina
Mioglobina
Cytochromy
Oksydaza, P-450
Jeden elektron wiecej, jeden
elektron mniej
Mitochondrialna oksydaza cytochromu c (też oksydaza
cytochromowa, kompleks IV łańcucha oddechowego) redukuje
tlen przez addycję 4 elektronów, tworzy wodę. Jeśli tylko 1, 2 lub
3 elektrony są dodane to tworzą się b. reaktywne cząstki np.
rodnik hydroksylowy.
Katalizowane przez jony żelaza -reakcja
Haber-Weiss oraz Fentona..
Cu(I), Cu(II)
Rośliny
Zwierzeta
Elektron transfer
O2-carrying
Cu-białka i enzymy
• Oksydaza cytochromowa
O2
H2O
• Tyrosynaza, Oksydaza fenolowa
ox. phenols
• Ceruloplazmina
Fe(II)
• Blue proteins
Electron transfer
• Superoxide dismutaza
Eliminacja of O2-
• Hemocjanina
Fe(III)
O2 transport
Miedź
• Funkcje
– O2 transport (hemocjanina)
– O2 activation (Cu oksydazy)
– elektron transfer (plastocjanina)
• Dostępność
– 3 metal przejściowy w organizmie
– 300 mg in a human body
Miedź--Transport
• Ceruloplazmina
– 132,000 dalton glycoprotien (7%
carbohydrate)
– Wiąże 95% Cu2+ w ludzkich płynach
– 6 Cu2+ sites: 1 Type I, 1 Type II, 4 Type III
Superoxide Dismutase
SOD-Cu2+ + O2.-  SOD-Cu1+ + O2
SOD-Cu1+ + O2.- + 2H+  SOD-Cu2+ +
H2O2
Cynk
• Funkcje:
– Kwas Lewisa katalizator
– Structura kontrola; metaloenzymy
– Substrate binding
– 200 Zn2+ proteins known
Dostepność:
– w biosferze, b. dobrze rozpuszczalny
– Wszystkie formy życia (2 g u człowieka)
– Versatile: labile, varied geometries (no
LFSE), hard/soft
– No redox chemistry
Rola Zn2+ :
niedobór:
• zakłóca systemy zw. z rozmnażaniem
• karzełkowatość
• zmiany skórne
• szkielet nieprawidłowości
Zink(II) w centrum
aktywnym
karboksypeptydazy-A
Centrum aktywne
dehydrogenazy alkoholowej
Cynk
• Transport: Serum Albumin
– Constitutes more than half of all serum
protein
– plays a role in Cu2+ transport as well
– 600 amino acid protein
– poorly described
Zn2+ pumps?
– high concentrations in some vesicles suggest
pumps
– [Zn2+]cytoplasm = 10-9 M
[Zn2+]vesicle =
10-3 M
Metale jako w leczeniu
Gold and Rheumatoid Arthritis
Złoto (chrysotherapy)
Au(I) rheumatoid arthritis
Leki antynowotworowe
NMR
Mechanizm działania cis-platyny
Witamina B12
Platyna, złoto i miedź
Protezy tytanowe
Srebro – Aleksander Macedoński
Lapis dezynfekcja
Goldwasser (niem. złota woda), gdańska
wódka – mocny (minimum 38% alkoholu)
likier ziołowo-korzenny (według pierwotnej
receptury oparty na mieszaninie 20 ziół)
wytwarzany według pomysłu holenderskiego
imigranta z XVI w. w Gdańsku.
Charakterystyczną cechą tego trunku są
drobne płatki 22-23-karatowego złota, które
są zawieszone w tym alkoholu. Wielbicielami
trunku byli m.in. car Rosji Piotr I, król Francji
Ludwik XIV czy caryca Rosji Katarzyna
Wielka.
Instytut Chemii
Informacje: http://www.chemia.us.edu.pl
Thank you for your attention !!!