Biochemie 4 Významné prvky Doc. MUDr. Jan Šimůnek, CSc. Ústav preventivního lékařství 3. října 2008 Anorganické sloučeniny dusíku Amoniak představuje odpadní produkt při degradaci aminokyselin, u obratlovců je detoxokován na močovinu. Je indikátorem fekálního znečištění vody, případně hnití masa. Z oxidů dusíku mají největší význam oxid dusnatý, který je mediátorem některých vzruchů v nervové tkáni a hladkém svalstvu, sloučeniny, které ho uvolňují se užívají v léčbě ischemií. Oxid dusný má narkotické účinky " rajský plyn". Dusitany mají schopnost vazby na hemoglobin za vzniku relativně stálého methemoglobinu, který nepřenáší kyslík. Novorozenci a mladší kojenci jsou citlivější (obsah fetálního hemoglobinu v krvi), proto je v kojenecké vodě limit výrazně přísnější. Dusičnany se mohou v GIT redukovat na dusitany a vyvolat stejný efekt, ale redukuje se jich pouze cca 10%, proto je jejich limit ve vodě a potravinách vyšší. Fosfor Elementární fosfor (bílá forma) je silně jedovatý. Fosforečnany se podílí na pufrování pH krve, jsou součástí pevných tkání. V zemědělství se využívají jako součást hnojiv. Komplexní soli, metafosfáty, výrazně svyšují rozpustnost některých látek ve vodě, byly proto součástí pracích prostředků, ale i fotochemikálií apod. Jejich přechod do odpadních vod (projdou standardní čističkou) vede k eutrofizaci vod, která se projevuje explozívním množením řas a sinic v letním období. Kyslík Charakteristika 1 Kyslík je nezbytnou součástí řady organických sloučenin. Nejrozšířenější sloučeniny kyslíku v přírodě jsou oxidy mnoha prvků, případně od nich dále odvozené sloučeniny. Běžně se vyskytuje ve dvouatomových molekulách O2, působením UV záření vzniká v atmosféře též ozón O3, při rozkladu některých sloučenin (ozón, peroxidy) vzniká atomární " kyslík ve stavu zrodu", který je nejreaktivnější formou kyslíku. Kyslíková atmosféra na Zemi vznikla působením fotosynterizujících mikroorganismů, především sinic. " Otrávení" atmosféry kyslíkem vedlo k vyhynutí řady tehdy dominujícíh mikroorganismů, jiné se stejnými vlastnostmi se udržují v pro nás exotických ekologických nikách (hluboké geologické vrstvy, horké prameny, bahno pode dnem moří, ale i některé patrie GIT živočichů, vč. člověka). Charakteristika 2 Na oxidaci, hoření, pohlížíme běžně jako na " energetickou přeměnu paliva" a zapomínáme na to, že zcela ekvivalentním donorem energie je kyslík, a že je též do určité míry " fosilní palivo". Chemik, pracující na Tritonu (největší měsíc planety Neptun), který má atmosféru z metanu, by měl u kahanu bombu s kyslíkem, který by " hořel" v metanové atmosféře. Existence kyslíkové atmosféry umožnila vznik organismů s vyšším obratem energie, což je předpokladem i pro větší tělo a větší nervovou soustavu. Nestabilní sloučeniny kyslíku užívají některé organismy k likvidaci nežádoucích konkurentů nebo parazitů (včetně likvidace bakterií imunitním systémem člověka). Některé skupiny si vytvořily i zvláštní užití, např. brouci skupiny prskavců užívají reakce peroxidu vodíku s chinony za vzniku plynného kyslíku, který natlakuje prostor v jejich zadečku a vystříkne reagující směs na predátora. Sloučeniny kyslíku Voda Nejdůležitější sloučenina z hlediska pozemského života, základ tělesných tekutin a prostředí pro většinu biochemických reakcí. Peroxid vodíku Nestabilní sloučenina H-O-O-H. Snadno uvolňuje atomární kyslík. Kyslíkové radikály Kyslíkový radikál -O- 2 vzniká v organismu při metabolizaci kyslíku. Fentonovou reakcí předchozího s peroxidem vodíku vzniká radikál -OH. Oba jsou schopny reagovat s dalšími molekulami v tělě na řadu nežádoucích sloučenin a přispívat k tzv. oxidačnímu stresu. Mohou mj. poškozovat DNA. Antioxidanty Antioxidanty jsou schopné volné radikály navázat a zneškodnit. Rozdělujeme je na lipofilní, mezi které patří z látek v potravě tokoferol (vitamín E), -karoten, lykopen, vitamín A, k nim se připojuje endogenní ubichinol (koenzym Q), a hydrofilní, mezi které patří z potravy vitamin C a flavonoidy, organismus si vytváří lipoát, urát a glutathion. Z prvků mají antioxidační účinky selen a zinek. Síra Síra se v přírodě vyskytuje jako prvek i v řadě sloučenin, především sulfátech a sulfidech. Je důležitou součástí všech bílkovin a pojivových tkání. Sloučeniny síry Sulfan je silně jedovatý a páchne po zkažených vejcích. Oxid siřičitý je významnou složkou emisí, dávajících vznik kyselým dešťům. Soli kyseliny sírové se vyskytují v anorganické přírodě a mají využití i ve zdravotnictví. Selen Selen je esenciální mikroprvek s " Janusovskou tváří". Většina jeho sloučenin patří mezi zvlášť nebezpečné jedy a mnohé z nich jsou též karcinogenní. Na druhé straně je esenciální a v organismu je využíván ve sloučeninách odstraňujících volné radikály, těžké kovy a další nežádoucí toxické látky; při jeho nedostatku pak mj. roste riziko vzniku rakoviny. Do člověka se dostává prostřednictvím potravin, do nich z půdního podloží. Nejlépe využitelné jsou selenové analogy cysteinu a methioninu. Vznikají činností bakterií, případně dalších organismů. Potřeba selenu je 60 ­ 80 g.den-1, v případě nedostatku se suplementuje seleničnanem sodným nebo selenanem sodným. Halogeny 1 Fluor Fluor se vyskytuje především ve tvrdých tkáních (zuby, kosti). Vyskytuje se v kvalitní pitné vodě, některých minerálkách (Mattoni, Poděbradka ­ obsahují 3 ­ 5násobek doporučené denní dávky v litru), mořské ryby, černý čaj (krátce vyluhovaný). Fluorid sodný se používá k suplementaci F Chlor Chlor se vyskytuje ve formě chloridů, je důležitým iontem intrai extracelulárních kapalin, kyselina chlorovodíková se účastní trávení. Kyselina chlorná HClO a její soli se užívají jako oxidační desinfekční prostředky (Savo). Brom Vyskytuje se především v mořských řasách, na rozdíl od předchozích dvou je za pokojové teploty kapalný, je silně leptavý a jedovatý. Jeho biologický význam je nejasný. Halogeny 2 Jod Jod se získává z některých mineralizovaných vod a z mořských řas. Je významnou složkou hormonů štítné žlázy. Jeho přirozenými zdroji jsou ryby (mořské víc), mléko a mléčné výrobky, prostřednictvím jodidované soli také masné polotovary a uzeniny, případně pečivo. Samotná jodidovaná sůl (ve slánce na stole) odpovídá jen asi 15 % příjmu soli, tedy i jodu. Jodová tinktura je roztok jodu v lihu, používá se jako desinfeční prostředek. Lugolův roztok obchází malou rozpustnost jodu ve vodě přídavkem KJ, vznikají ionty Jn , které už ve vodě disociují. Užití je v ORL a mikroibiologii. Moderní přípravky obsahují povidon, polymer, vázající na sebe jod (Jodisol, Betadine). Jodid draselný se užívá k suplementaci jodu při strumě. Jodid sodný a jodičnan sodný se přídávají ke kuchyňské soli, druhý z nich je stabilnější. Železo Lidské tělo obsahuje 4 ­ 5 g železa, především v krvi a svalech. Sloučeniny železa jsou využívány k: * Přenosu kyslíku (hemoglobin, myoglobin) * Přenosu elektronu na dýchacím řetězci (cytochromy, Fe-S proteiny) * Základ enzymů (kataláza) Dále je železo přítomné ve ferritinu a hemosiderinu, které tvoří zásobní formu, a transferrinu, který je využíván k plazmatickému transportu Fe. Organismus se železem hospodaří velice šetrně, protože biologicky dostupného Fe je v naší potravě chronický nedostatek od dob biologických předchůdců. Hlavní zdroje Fe jsou maso, vnitřnosti a krev. Rostlinné zdroje mají podstatně horší využitelnost (přítomnost oxalátů a folátů), vyjma některých semen. Měď Měď je významným stopovým prvkem, je obsažena v některých enzymech a podílí se i na antioxidačních reakcích. Hlavním zdrojem jsou kakao, ořechy, celozrnné pečivo a luštěniny. Ve větším množství je jedovatá. Existuje Wilsonova choroba, kdy na základě dědičné metabolické vady dochází ke kumulaci mědi v játrech a oční duhovce. U některých skupin bezobratlých je měď využívána jako centrální atom krevního barviva, jejich krev je modrá. Zinek Zinek je důležitou součástí některých enzymů. Při jeho deficitu dochází ke zhoršení hojení ran i růstů buněk. Klesá i imunita. Vyskytuje se v červeném mase, luštěninách, slunečnicových a dýňových semínkách. Oxid zinečnatý se používá jako součást zásypů, pudrů, mastí a past v kožním lékařství a kosmetice. Kontaminující kovy Řada kovů, které nemají jednoznačné užití v organismu, může do organismu vstupovat a kumulovat se v některých tkáních. V některých případech je to jev využitelný (rostliny jsou schopny " vytáhnout" toxické kovy ze zeminy a řeší se až jejich popel; jindy je možné na základě analýzy popela rostlin z různých lokalit pátrat po ložiscích kovů). Kumulují se i radioaktivní prvky. Zejména silnými kumulačními organismy jsou houby, půdní i patogenní. U člověka se řada nežádoucích kovů kumuluje v tvrdých tkáních (kost, zuby), játrech a ledvinách. Arsen se kumuluje v kůži a kožních derivátech, podobně jako vismut a antimon. Kosti a zuby jsou výhodné z hlediska porovnání současné populace s populacemi minulých věků (kostnice apod.).