Transcript Folie w2

Chemia biopierwiastków
4.03.2014
Podsumowanie poprzedniego wykładu
• Biopierwiastki w układzie okresowym
• Podstawowa rola biopierwiastków
Plan dzisiejszego wykładu
• Rola magnezu i wapnia
• Biopierwiastki w żywności i w środowisku
• Ocena zawartości biopierwiastków w
organiźmie na postawie analizy włosów
Enzymy zależne od magnezu
Kinazy włączające grupy fosforylowe do cząsteczek
organicznych (b) kompleks z glukozą
Fosfatazy – katalizują usuwanie grup fosforylowych.
Zastąpienie magnezu jonem wapnia – brak czynności
enzymu
Enolazy – usuwają proton w pozycji  do grupy
karboksylowej
Przemiany grup fosforylowych w kwasach
nukleinowych
Fotoreceptor
Centrum fotosyntezy bakterii Rhodopseudomonas
viridis
Kanały wapniowe: zależne od potencjału, zależne od
ligandu, pojemnościowe. Pompy wapniowe.
Odczytywanie sygnału wapniowego przez
zmianę konformacji białka kalmoduliny
Wiązanie wapnia w kalmodulinie
Wybrane pierwiastki ważne w
organizmach żywych
Joanna Biedrzycka
Adriana Palińska
III rok Wydziału Chemii UW
2005
Pierwiastki w organizmach żywych można podzielić ze
względu na różne ilości, w jakich występują:
Makroelementy - pierwiastki, których udział w budowie
suchej masy organizmu jest nie mniejszy niż 0,01%
Pierwiastki biogenne - pierwiastki należące do makroelementów,
stanowią one podstawę budowy związków organicznych, a tym
samym są tworzywem życia; należą do nich: C, H, O, N, P, S
Mikroelementy - pierwiastki, których udział w budowie
suchej masy organizmu waha się od 0,01 do 0,00001%
Ultraelementy - pierwiastki występujące w
milionowych częściach masy organizmu
Makroelementy - POTAS I SÓD
K, Na - cała gospodarka elektrolitów;
równowaga kwasowo-zasadowa organizmu;
przewodzenie bodźców w komórkach
nerwowych; potas reguluje czynności serca i
funkcji nerek
Niedobór K: osłabienie mięśniowe; depresja;
brak łaknienia; utrata perystaltyki jelit;
zaparcia; niedrożność jelit; wymioty;
niewydolność oddechowa; niewydolność
wydzielnicza nerek; niemiarowość akcji serca
Nadmiar Na: nadciśnienie tętnicze; choroby naczyniowe; cukrzyca;
uszkodzenie nerek; dolegliwości wątroby; niedoczynność gruczołów
żołądkowych; podwyższone stężenie cholesterolu; uczucie zmęczenia
Występowanie K: świeże i suszone owoce, banany, ziemniaki, jarmuż,
soja, bób,rzeżucha, pomidory, drób
Makroelementy - MAGNEZ
Mg - replikacja DNA i synteza RNA; bardzo ważna
rola przy skurczach mięśni; ochrona naczyń
włosowatych mięśni; aktywator ok. 300 enzymów;
biochemiczne przemiany energetyczne
cukru we krwi; składnik chlorofilu
Niedobór: białaczka limfatyczna;
zawał serca; miażdżyca; napięcie
mięśniowe; osłabienie; nudności
wymioty; tężyczka; zmiany
psychiczne; drażliwość;
zaburzenia snu; zmniejszona odporność na stres
Występowanie: czekolada,
soja, soczewica, kasze, nie
łuskany ryż, orzechy,
morele, suszone figi,
płatki owsiane, zielone
warzywa, kakao, siemię
lniane, fasola, groch, mak
Makroelementy - WAPŃ
Ca - budowa kości; procesy krzepnięcia krwi
oraz prawidłowe działanie układu nerwowego i
mięśniowego, w tym praca serca
Niedobór: łamliwość kości; skurcze mięśni;
uczucie mrowienia i drętwienia w rękach i
nogach; ból w stawach; zwolnienie tętna;
krwotoki; zaburzenia snu; stany lękowe;
zaburzenia chodu; złamania kości; zaburzenia
wzrostu i krzywica u dzieci; osteoporoza u
dorosłych; w roślinach: nieprawidłowy
wzrost korzeni, młodych pędów i liści
Występowanie: mleko i produkty
mleczne, jaja, sardynki, nasiona sezamu,
poziomki, ryż, kapusta, groch, szpinak,
fasola biała, migdały
Makroelementy - FOSFOR
P - przemiany energetyczne; tworzenie
kości i zębów; równowaga kwasowozasadowa; składnik fosfolipidów, które
służą za budulec dla mózgu i komórek
nerwowych; synteza DNA; główny składnik
fityny, będącej związkiem zapasowym w
nasionach roślinnych
Niedobór: złe samopoczucie; hemoliza erytrocytów; zwiększona skłonność
do infekcji; drgawki; bolesność i osłabienie siły mięśniowej; zaburzenia
oddychania; obniżona kurczliwość mięśnia sercowego; zwiększone wydalanie
Ca i Mg oraz glukozy z moczem
Nadmiar: nadmierny spadek stężenia wapnia we krwi, a tym
samym tężyczka; zespół czerwonych oczu; świąd skóry
Występowanie: twaróg półtłusty, jaja całe, cielęcina, wołowina, wątroba
cielęca, kasza jęczmienna, groch, borowiki suszone, maliny, drożdże,
czekolada, fasola, płatki owsiane
Makroelementy - SIARKA
S - składnik 2 aminokwasów: cysteiny i metioniny;
składnik oksydoreduktaz; powstający w ustroju
kwas siarkowy jest wykorzystywany przez
wątrobę w procesach odtruwania wielu
metabolitów i leków (ksenobiotyków)
Niedobór: u roślin hamuje syntezę chlorofilu
Nadmiar: niewydolność nerek; niedrożność jelit; białaczka
Występowanie: czosnek, jaja, mleko, mięso, fasola,
papryka, ziemniaki, kapusta, cebula, szczypiorek, ryby,
kakao, kalafior, kalarepa, rzepa, rzodkiew, brukselka
MIKROELEMENTY - MIEDŹ
Cu - procesy oksydo-redukcyjne (plastocyjanina); składnik
enzymów biorących udział w procesach utleniania –redukcji
synteza hemoglobiny; wchodzi w skład enzymu – dysmutazy
nadtlenkowej, chroniącej nasz organizm przed szkodliwym
działaniem nadtlenków; zapobieganie uszkodzeniu błon
komórkowych; wymiatacz wolnych rodników; hamowanie
onkogennego wpływu niektórych czynników wirusowych
(wirus mięsaka); zmniejszanie stężenia cholesterolu we
krwi, podnoszenie zawartości HDL
Niedobór: anemia; osteoporoza; obniżenie
Nadmiar:
odporności organizmu; wypadanie włosów; wypryski;
choroba
zapalenie błon śluzowych; zwiększony poziom
Addisona,
cholesterolu we krwi - wzrost stężenia LDL,
zwyrodnienie
obniżenie stężenia HDL
soczekwowate
Występowanie: drób, wątroba, czerwone wino, rośliny
wątroby
strączkowe, grzyby, kakao, czekolada, kawa, pieprz,
chleb, rodzynki, szpinak, sałata, banany, maliny, mięso
wołowe, cielęcina, makrela
Mikroelementy - ŻELAZO
Niedobór: stany osłabienia;
duszności; anemia; obstrukcje;
ograniczenie wzrostu;
wycieńczenie organizmu;
uszkodzenia troficzne włosów,
skóry i paznokci
Nadmiar: hemosyderoza
(krwawienie płucne)
Fe - składnik hemoglobiny,
mioglobiny, chlorokruoryny,
wiążących i transportujących
tlen we krwi; katalizuje procesy
utleniania i redukcji w procesie
fotosyntezy i oddychaniu
komórkowym
Występowanie: nerki, wątroba,
drożdże, szpinak, śliwki suszone, płatki
owsiane, fasola biała, pomidory, jabłka,
maliny, żółtka jaj, liście kapusty,
poziomki
Mikroelementy - CYNK
Zn - składnik insuliny, bierze udział w jej magazynowaniu;
synteza białek i auksyn; uruchomianie rezerw witaminy A z
wątroby; utrzymywania w prawidłowym stanie skóry, włosów i
paznokci; działanie przeciwwirusowe i przeciwbakteryjne,
zwiększa produkcję przeciwciał; składnik 18 enzymów,
aktywator 14 enzymów
Niedobór: karłowatość; niedorozwój płciowy; kurza ślepota;
łamliwe paznokcie; łamliwość i wypadanie włosów; niedobór
pigmentu; stany depresyjne; zaburzenia miesiączkowania;
epilepsja
Nadmiar: osłabienie; wymioty i niedokrwistość; zmiany nowotworowe
Występowanie: mięso kurze, wołowina,
otręby pszenne, fasola, groch, ziemniaki,
śledź, owoce morza, drożdże
Mikroelementy - MANGAN
Mn - składnik wielu enzymów; aktywator enzymów; wpływa
na przemiany tłuszczów i cholesterolu oraz hormonów
płciowych; regulacja pracy układu nerwowego
Niedobór: deformacje szkieletu; nieprawidłowe
działanie gruczołów płciowych; pogorszenie słuchu;
utrata masy ciała; zmęczenie; stany niepokoju;
ślepota; cukrzyca; zawroty głowy
Nadmiar: bezwład ruchowy
Występowanie: orzechy, pieczywo pełnoziarniste,
rośliny strączkowe, czarne jagody, borówki, buraki, owies
Mikroelementy - KOBALT
Co - składnik witaminy B12 niezbędnej w procesach
krwiotwórczych; metabolizm kwasów nukleinowych i białek
Niedobór: niedokrwistość; przyśpieszone procesy
starzenia; wypadanie włosów; stany zapalne dziąseł;
zaburzenia odczuwania smaku i zapachu; nerwobóle;
łamliwość paznokci
Nadmiar: niedomoga naczyń wieńcowych; czerwienica
Występowanie: grzyby (w tym drożdże), podroby zwłaszcza nerki i wątroba, cykoria
Mikroelementy - CHROM
Cr - z insuliną reguluje poziom cukru we krwi; stabilizuje
III-rzędową strukturę białek i kwasów nukleinowych;
zapobiega miażdżycy i nadmiernemu poziomowi
cholesterolu; podwyższa poziom HDL;
działa przeciwtrądzikowo
Niedobór: bóle głowy; brak
odporności nerwowej; drażliwość;
napady nudności; nastroje
depresyjne; skłonność do alkoholu;
skłonność do słodyczy; stany lękowe;
zmęczenie; nietolerancja na glukozę;
zaburzenia w gospodarce białek i
lipidów; utrata masy ciała
Mikroelementy - NIKIEL
Ni -jego rola w organizmie nie jest jeszcze
dobrze wyjaśniona; przypisuje mu się udział w
transporcie tlenu do tkanek, w syntezie białek
enzymatycznych, w przemianach węglowodanów,
tłuszczy i białek, tworzeniu hormonów;
aktywator niektórych dehydrogenaz i
karboksylaz
Niedobór: nadmierna potliwość; zaburzenia procesów trawienia;
niedokrwistość; stłuszczenie wątroby; zaburzenie funkcji nerek
Nadmiar: uszkodzenie błon śluzowych; odczyny alergiczne; zmiany w
chromosomach; zmiany w szpiku kostnym; rozwój komórek
nowotworowych; obniżenie poziomu magnezu oraz cynku w organach
miąższowych
Występowanie: czekolada, pełne ziarno zbóż,
ryby, nasiona roślin strączkowych
Mikroelementy - MOLIBDEN
Mo - składnik niektórych enzymów
(oksydaz); uczestniczy w procesach
odtruwania organizmu; hamuje rozwój
nowotworów; wywiera wpływ
przeciwtrądzikowy, przeciwwirusowy,
przeciwbakteryjny
Niedobór: przedwczesne starzenie;
impotencja; rak przełyku; próchnica zębów
Nadmiar: może wywoływać objawy
niedoboru miedzi, zaburzenia
metabolizmu wapnia i fluoru w
Występowanie: ziarno pełne, ryż naturalny,
tkance kostnej
nasiona roślin strączkowych, mleko i sery
Mikroelementy - SELEN
Se - stymuluje peroksydazę glutationową, która
zapobiega powstawaniu wolnych rodników;
przeciwutleniacz - chroni przed utlenianiem lipidow błon
komórkowych; antyseptyk; środek przeciwalergiczny i
przeciwnowotworowy; zwiększa syntezę przeciwciał;
niezbędny do prawidłowej spermatogenezy; zapobiega
przedwczesnej degradacji erytrocytów i niszczącemu
utlenieniu hemoglobiny
Niedobór: depresja; zwapnienie mięśni; zaburzenia skurczu mięśnia
sercowego; spadek stężenie trójodotyroniny T3 i tetrajodotyroniny T4
(tyroksyny) tarczycowej
Występowanie: ryby, sery, mięso, mózg, zboża,
owoce, warzywa, skorupiaki, drożdże, czosnek,
cebula
Literatura źródłowa:
• notatki z wykładu Chemia biopierwiastków prof. dr hab. Renaty
Bilewicz, prof. dr hab. Magdaleny Maj - Żurawskiej, dr Hanny
Majewskiej - Elżanowskiej
• Paweł Hoser - Fizjologia organizmów z elementami anatomii
człowieka; WSiP; Warszawa 1999
•Stephen J. Lippard, Jeremy M.. Berg - Podstawy chemii
bionieorganicznej; PWN; Warszawa 1998
• Lubert Stryer - Biochemia; PWN;Warszawa 2003
• Solomon, Berg, Martin, Villee - Biologia; Multico; Warszawa 1998
• Waldemar Lewiński - Genetyka; Operon; Rumia 2001
Strony WWW:
•
•
•
•
•
•
•
www.pwsz.krosno.pl/~henroz/biopierwiastki.html
www.biomol.pl/biopierwiastki.html
www.dieta.info.pl/biopierwiastki.htm
www.xlo.torun.pl/other/przedmioty/chemia/kuchnia.html
www.kulinaria.pl/artykuly.asp?id=5
www.oeiizk.edu.pl/chemia/konspekt/index.htm
cogito.org.pl/serwis/mineraly.html
Ocena zawartości biopierwiastków
w organiźmie na postawie analizy włosów
•Podstawowy składnik włosa (60%) –
białko keratyna
•Inny zestaw aminokwasów niż albuminy i
globuliny – inne powinowactwo do metali
•Wiązanie jonów metali z –SH, >CO, >NH
•Utrzymanie struktury keratyny i wiązanie
metali: również -S-S- i wiązania wodorowe
•Jony Co, Cu, Ni: niezbędne w barwnikach
włosów
•Analiza chemiczna włosów może być metodą oceny stanu
mineralnego ustroju (ocena żywienia, zatrucia metalami
ciężkimi)
•Białko korzenia włosa jest czulszym wskaźnikiem
niedożywienia i zaburzeń procesów metabolicznych niż
albuminy i transferyny we krwi
•Zawartość biopierwiastków we włosach jest od 10 do 200
razy wyższa niż we krwi czy erytrocytach (Ca 200*, Mg
30*, Zn 100*, Cu kilkanaście razy)
•Próbka jest łatwa do pozyskania i przechowywania, ulega
wolniej procesom destrukcyjnym niż inne tkanki
Mumia z Chile sprzed ok. 2000 lat
Adam Mickiewicz (1798-1855)
Czynniki wpływające na zawartość
pierwiastków we włosach:
•Miejsce włosa na skórze głowy
•Płeć
•Wiek
•Kolor
•Kosmetyki
Cold wave trwała
Tinting, dying
–barwienie
Bleaching –
rozjaśnianie
Rinsing płukanie
Etapy procesu analitycznego
•Wybór techniki
•Pobranie próbki
•Przygotowanie próbki do analizy
•Pomiar
•Wzorce
•Opracowanie wyników i ich statystyczna ocena
•Czy wyniki analiz wykonanych różnymi technikami
są sobie równe?
Plan wykładu
Dostępność biologiczna
pierwiastków
• Budowa Ziemi i skład jej zewnętrznych
stref
• Środowiska i procesy migracji
pierwiastków w skorupie ziemskiej
• Biosfera
• Antroposfera, równowaga chemiczna
środowiska i jej zagrożenia
Budowa Ziemi
Litosfera ok. 30 km
Górny 400 km
Dolny 1000 km
Wewnętrzny 2900 km
Ciekłe 5000 km
Stałe, Fe, Ni 6370 km
Budowa Ziemi
Kabata-Pendias
Hydrosfera i wody podziemne
Hydrosfera i wody podziemne
Morza i oceany 98% (ponad 70% całej pow. Ziemi)
Wody lądowe
2%
Hydrosfera i wody podziemne
Atmosfera
• Troposfera
•
•
•
•
Stratosfera
Mezosfera
Termosfera
Jonosfera
• Egzosfera
9 – 17 km (75% całej masy
atmosfery
11-32 km (20-30 km, ozon)
do 80 km
80-100 km (wzrost temp.)
do 800 km (zjonizowane
atomy i wolne elektrony)
>800 km (obszar przejścia w
przestrzeń kosmiczną)
Wyso
kość
(km)
80
30
17
-60
+20
Temp. (St. C)
Atmosfera
Budowa skorupy ziemskiej
•Skały magmowe
•Skały osadowe
•Skały metamorficzne
Klasyfikacja geochemiczna pierwiastków
Wg. Goldschmita – związana ze strefową budową Ziemi:
Syderofilne: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Re, Mo, P, Ge, Sn,
Au, W, As, Pb – rozpuszczalne w Fe, jądro Ziemi
Chalkofilne: Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Pb, As, Sb, Bi, S, Se,
Te, Fe, Ge, Sn, Mo, Co, Ni, Ru, Pd, Pt – występują jako siarczki,
arsenki, antymonki,strefa siarczkowo-tlenkowa
Litofilne (oksyfilne): Li,Na,K,Rb,Cs,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,B,Al, Sc,Y,
lantanowce, aktynowce, Ga, C,Si,Ti,Zr,Hf,V, Nb, Ta, P, Cr, W, O, Mn,
F, Cl, Br, I, H, Zn, Cd, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Fe, Co, Ni – tworzą
związki tlenowe (krzemiany, węglany, siarczany, fosforany, fluorki,
chlorki), litosfera
Atmofilne: H, gazy szlachetne, O, N, C, I – lotne, gromadzą się w
atmosferze i hydrosferze
Biofilne: H, C, N, O, Na, K, Mg, Ca, Si, Mn, Fe, Cu, B, Cl, I i inne –
uczestniczą w budowie organizmów żywych
Klasyfikacja geochemiczna pierwiastków
Wg. Wiernadskiego – związana z udziałem w procesach migracji w
zewnętrznych strefach Ziemi:
Cykliczne: H, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al., Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V,
Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, As, Se, Sr, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Te,
Ba, W, Au, Hg, Tl, Pb, Bi – dają wielokrotnie te same
charakterystyczne związki, 99,9% litosfery.
Ziem rzadkich (lantanowce): wchodzą w skład minerałów bardzo
trwałych i odpornych na wietrzenie, 0,018% litosfery
Rozproszone: Li, Sc, Ga, Rb, Y, In, Cs, Br, I – jako śladowe
domieszki towarzyszą niektórym pierwiastkom cyklicznym, 0,04%
litosfery
Silnie promieniotwórcze (aktynowce): stopniowo znikają, 0,001%
litosfery
Metale szlachetne: Rh, Ru, Pd, Os, Ir, Pt – występują w postaci
rodzimej, związkach metalicznych, 0,00002% litosfery
Gazy szlachetne: chemicznie nieczynne
Klasyfikacja geochemiczna pierwiastków
Migracja pierwiastków w skorupie
ziemskiej
Hipergeneza:
wietrzenie,
transport,
sedymentacja,
diageneza (zmiany fizyczne i chemiczne osadów),
metamorfizm, kształtowanie składu chemicznego płytkich
wód podziemnych i powierzchniowych.
Wietrzenie: mechaniczne i chemiczne, czynniki – promieniowanie
słoneczne, zmiany temperatury, woda, tlen atmosferyczny, CO2, świat
organiczny (rośliny, drobnoustroje).
Transport: erozja wodna, działalność wiatru (eolityczna), lodowce
(glacjalna), wody morskie (morska).
Sedymentacja
VI Reduzaty powstają w środowisku redukującym
VII Biolity
osady organogeniczne (fito- i zoolity)
zbiorniki wodne
siarczki żelaza, H2S
węgle kopalne, wapienie, osady krzemionkowe
Diageneza:
Przemiana luźnego materiału w zwięzłą skałę:
•Iłu w iłowiec lub łupek
•Piasku w piaskowiec
•Mułu wapiennego w margiel lub wapień
•Substancji roślinnej w węgiel
Metamorfizm: przemiany skał osadowych lub
magmowych pod wpływem wzrostu ciśnienia i
temperatury, najczęściej podczas przemieszczania w
głąb skorupy ziemskiej.
Biosfera
Dolna część atmosfery (do ok.10 km), litosfera, hydrosfera (od
wczesnego prekambru, ok. 3,5 – 1,5 mld lat temu)
Ekosystem: naturalna całość przyrodnicza, homeostaza: stałość składu
S p rzę że n ie p ro ce só w e n e rg e ty czn y ch
Skład chemiczny
żywej materii
Migracja pierwiastków chemicznych w
biosferze
Znaczenie wody w środowisku
przyrodniczym
Specjacja metali śladowych w glebie
Wpływ pH gleby na mobilność pierwiastków
Kwaśne deszcze
Kwaśne deszcze, deszcze zawierające zaabsorbowane w kroplach wody tlenek
siarki(IV), tlenki azotu oraz ich produkty reakcji w atmosferze: rozcieńczone roztwory
kwasów siarki, głównie kwasu siarkowego(IV) oraz najbardziej szkodliwego kwasu
siarkowego(VI), a także kwasu azotowego(V). Powstają nad obszarami, gdzie atmosfera
jest zanieczyszczana długotrwałą emisją tlenku siarki(IV) i tlenków azotu (ze źródeł
naturalnych, jak czynne wulkany, albo sztucznych, jak spaliny z dużych elektrowni i
elektrociepłowni zasilanych zasiarczonym - tzn. zawierającym siarkę i jej związki paliwem, zazwyczaj węglem kamiennym lub brunatnym).
Wpływ pH gleby na mobilność pierwiastków
Fitoprzyswajalność pierwiastków z gleby
Fitoakumulacja
Przepływ pierwiastków do organizmu
człowieka
Interakcje pierwiastków w organizmach
Współpracują (współdziałają)
Konkurują
Wpływ działalności człowieka na obieg
pierwiastków środowisku
Obieg naturalny
Wpływ człowieka
Bioakumulacja pierwiastków w człowieku
1. Podatność na bioakumulację:
a) ze środowiska wodnego: Hg, Cd, Pb, Cu, Zn, Sr, ...
b) Z gleby: Cd, Zn, B, Sn, Cs, Rb...
2. Koncentracja w biolitach: Ba, Be, V, Se, B, Ge, Rb, Sr...
3. Łatwa absorpcja z przewodu pokarmowego: Hg, Cd, I, Zn, B...
4. Przenikanie przez łożysko do zarodka: Cd, Hg, Pb, Zn
5. Przenikanie przez barierę biologiczną krew – mózg: Hg, Pb, B,
Al.
6. Tworzenie połączeń z sulfhydrylowymi grupami białek: Hg, Pb,
Se, Cd
7. Uszkadzanie budowy łańcucha kwasów nukleinowych
(zwłaszcza RNA i DNA): Cu, Zn, Cd, Hg, Ni.
Zanieczyszczenie środowiska
Bioindykacja – wykorzystanie roślin, organizmów zwierzęcych
lub ich organów do określania stopnia przyswajalności
pierwiastków
Konieczne jest monitorowanie środowiska