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, Podstawy chemii bionieorganicznej, PWN,
Warszawa 1998.
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:
[email protected]
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 IIA
IIA IVA VA VIA VIIA
Li Be
B
C
N
O
F
Na Mg IIIB IVB VB VIB VIIB
P
S
Cl
VIIIB
IB IIB Al Si
K Ca Sc Ti
V
Cr
Mn
Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Rb Sr
Y
Zr Nb Mo
Tc
Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
I
*
Cs Ba La Hf Ta W
Re
Os Ir
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po
At
**
Fr Ra Ac
* lantanowce
* * aktynowce
Makroelementy występujące w dużych ilościach
Makroelementy
Mikroelementy
Ultraelementy
Ultraelementy, przypuszczalnie niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu
VIIIA
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
Zawartość procentowa pierwiastków w organizmie człowieka
Ca 1,4%
K 0,2%
P 0,6%
S 0,6% Na 0,3% 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 zdrowia
śmierć
Efekt
toksyczny
Symptomy
niedoboru
Odpowiedź fizjologiczna
Stan organizmu w zależności od zawartości pierwiastka
istotnego
śmierć
Stężenie (dawka)
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
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
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
najważniejszym 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 metabolizmie białek, zakłóca przemianę
wit. B1. 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)