Bp 1252 Biochemie
#1 Biologicky významné anorganické
sloučeniny
Prvkové složení lidského organismu
• Esenciální makroprvky
denní příjem větší než 1 g; tvoří více než 99 % lidského těla
C, H, N, O, P, S, Cl, Ca, K, Na, Mg
• Esenciální mikroprvky
denní příjem menší než 100 mg; tvoří asi 1 % lidského těla
Fe, Zn, F, Cu, I, Se, Mn, Mo, Co, Cr
2
Voda H2O
• Prostředí pro všechny biologické děje
• Lidské tělo obsahuje asi 70 % vody
• Výborné rozpouštědlo polárních látek (některé
soli, močovina, glukosa atd.)
• Špatné rozpouštědlo nepolárních látek (lipidy
atd.)
3
Autoprotolýza vody a definice pH
• Autoprotolýza vody
H2O + H2O = H3O+ + OH•
Rovnovážná konstanta
K1 = [H3O+][OH-]/[H2O]2
• Iontový součin vody
KH2O = [H3O+][OH-]
KH2O = 1,00.10-14 mol2.l-2 (při 25°C)
• pH
pH = -log[H3O+] pH + pOH = 14
4
pH
V čisté vodě platí [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol.l-1
; pH = 7
5
pH
Zásaditý roztok 14
13
12
11
10
9 Antacida
8 Slzy
Neutrální roztok 7 Sliny
6
5
4
3 Ocet
2
1 Žaludeční šťáva
Kyselý roztok 0
pH
• Pro rychlé orientační měření pH slouží tzv.
univerzální indikátorový papírek
6
pH
• pH extracelulárního prostoru (resp. krevní
plasmy) má hodnotu 7,4
• pH intracelulárního prostoru je o něco nižší, má
hodnotu asi 6,8
• Příklady přibližné hodnoty pH transcelulárních
tekutin:
• Žaludeční šťáva pH 1,5
• Obsah tenkého střeva pH 8
• Moč pH 5
• Protonová pumpa
Transmembránový protein, aktivní transport H+
iontů přes buněčnou membránu 7
Příklad 1
• Krycími buňkami v žaludku je produkována kys.
chlorovodíková o koncentaci 0,5 mol.l-1.
Jaká je tedy hodnota pH sekretu těchto buněk?
• Řešení:
Kys. chlorovodíková je silná kyselina, v roztoku je
zcela disociována, koncentrace HCl tak odpovídá
rovnovážné koncentraci H3O+.
Dosazením do vztahu pH = -log[H3O+] dostaneme
výsledek pH = 0,3.
8
Příklad 2
• Jaké pH má roztok NaOH o koncentraci
5,0.10-4 mol.l-1 ?
• Řešení:
Hydroxid sodný je silná báze a ve vodném roztoku
je tak zcela disociován. Koncentrace NaOH tak
odpovídá rovnovážné koncentraci OH- iontů.
Spočítáme pOH dosazením do vztahu
pOH = -log [OH-]. Následně vypočteme pH
pomocí vztahu pH + pOH = 14.
Výsledek pH = 10,7
9
Pufry
• Roztoky schopné udržovat pH na určité
hodnotě
• Obsahují slabou kyselinu (resp. bázi) a její sůl
• Příklad: acetátový pufr CH3CO2H / CH3CO2Na
• Jak pufr pracuje? Velmi zjednodušeně takto:
Přídavek kyseliny:
CH3CO2
- + H+ → CH3CO2H vzniká slabá kyselina
Přídavek báze:
CH3CO2H + OH- → CH3CO2
- + H2O vzniká slabá báze
10
Pufrační systémy lidského organismu
• Pufrační systém krve
Hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) pufr
– Hlavní pufr extracelulárních tekutin
– Tvořen párem H2CO3 / HCO3
–
Kys. uhličitá je v rovnováze s rozpuštěným CO2
H2O + CO2 = H2CO3 Tato reakce je katalyzována
enzymem karbonátdehydratasou (též
karbonátanhydrasa a jiné názvy).
11
Pufrační systémy lidského organismu
• Proteiny
Některé funkční skupiny postranních řetězců
aminokyselinových zbytků se také podílí na
udržování fyziologického pH.
Pár hemoglobin/oxyhemoglobin (Hb/HbO2)
Hemoglobin s navázaným kyslíkem
(oxyhemoglobin, HbO2) je silnější kyselinou
než deoxygenovaný hemoglobin Hb.
Bohrův efekt – sobor jevů; ve tkáních s nižším pH (vlivem uvolňování CO2 a
metabolických kyselin) se z HbO2 uvolňuje snadno kyslík; naopak v plicích, kde CO2
odchází z krve, se kyslík na Hb snadno váže.
12
Pufrační systémy lidského organismu
• Fosfátový pufr
Tvořen párem H2PO4
- / HPO4
2Udržuje
pH v intracelulárním prostoru.
Pufruje moč.
13
Peroxid vodíku H2O2
• Koncentrované roztoky působí destruktivně na
pokožku i oči
• 3% vodný roztok se používá k povrchové
desinfekci
14
Kyslík O2
• Akceptor elektronů v dýchacím řetězci
• Zásoby kyslíku v těle:
- plynný v plicích
-vázaný na hemoglobin a myoglobin
-rozpuštěný v krvi
• Nedostatek kyslíku = hypoxie
15
Kyslík O2
• Značení tlakových lahví
Kyslík pro medicinální použití se dodává v
bílých tlakových lahvích.
16
Ozon O3
• Toxický plyn charakteristického zápachu,
dráždivé účinky na dýchací orgány
• Sterilizace vody
• Ozonová vrstva v atmosféře je filtrem UV
záření
17
Reactive Oxygen Species (ROS),
reaktivní formy kyslíku
Vznikají neřízenými reakcemi kyslíku v organismu.
• Superoxidový anion-radikál ∙O2
O2
+ e- → ∙O2
Enzym
superoxiddismutasa udržuje nízkou
hladinu této látky:
2 ∙O2
- → O2 + H2O2
• Hydroxylový radikál ∙OH
Vzniká Fentonovou reakcí:
∙O2
- + H2O2 → ∙OH + OH- + O2
18
Reactive Oxygen Species (ROS),
reaktivní formy kyslíku
• Peroxid vodíku
Vzniká při některých dehydrogenačních
reakcích.
Je to látka toxická → enzymaticky se
odbourává:
– katalasou (rozklad H2O2 na kyslík a vodu)
– peroxidasou (oxidace různých substrátů za
použití H2O2)
19
Uhlík a sloučeniny uhlíku
• „Živočišné uhlí“ – aktivní uhlí (adsorbent)
• Oxid uhelnatý CO
toxický plyn bez zápachu, složka svítiplynu,
vzniká při nedokonalém spalování uhlí
váže se na hemoglobin za vzniku
karboxyhemoglobinu, vazba je asi 250x
pevnější než v případě kyslíku
20
Uhlík a sloučeniny uhlíku
• Oxid uhličitý CO2
bezbarvý plyn bez zápachu, nedýchatelný
0,03 obj % ve vzduchu – běžná atmosféra
3 obj. % ve vzduchu – ospalost, bolesti hlavy
10 obj. % ve vzduchu – zástava dýchání
Konečný produkt metabolismu uhlíkatých
sloučenin.
21
Uhlík a sloučeniny uhlíku
• Oxid uhličitý CO2
Používá se při přípravě tzv. uhličitých koupelí.
Zlepšení prokrvení organismu.
Medicinální CO2 dodáván v bílých tlak. lahvích
se šedou horní
částí.
22
Obrázek převzat z www.nempr.cz
Uhlík a sloučeniny uhlíku
• Kyselina uhličitá H2CO3
vzniká rozpuštěním CO2 ve vodě
• Hydrogenuhličitany HCO3
- (bikarbonáty)
NaHCO3 (jedlá soda)
použití v šumivých tabletách, prášek do pečiva,
složka v infůzích
Hydrogenuhličitanový pufr:
pufrační systém krve
[HCO3
-]/[H2CO3]
23
Uhlík a sloučeniny uhlíku
• Kyanovodík a kyanidy
Vysoce toxický plyn hořkomandlového
zápachu.
Nejmenší dávka která usmrcuje: 0,04 g
Kyanid draselný KCN (cyankáli)
Bílá krystalická látka.
Nejmenší dávka která usmrcuje: 0,2 g
Inhibice cytochrom-c-oxidasy v dýchacím
řetězci.
24
Sloučeniny křemíku
• Silikagel SiO2.nH2O
Absorbent používaný v chromatografii.
• Hlinitokřemičitany
nerozpustné ve vodě, střevní adsorbenty
(Smecta)
• Talek (Mastek)
zásypy a pudry
• Azbesty – vláknité křemičitany, karcinogenní
• Silikony (polysiloxany)
25
Si
R
R
O
n
Sloučeniny dusíku
• Oxid dusný (rajský plyn) N2O
inhalační anestetikum, plyn ve šlehačkových
bombičkách
• Oxid dusnatý NO
snižuje krevní tlak, uvolňuje se z esterů
kyseliny dusité a dusičné (léčiva)
snadno se oxiduje na hnědý NO2
26
O2NO ONO2
O2NO
Nitroglycerin
Sloučeniny dusíku
• Kyselina dusitá HNO2 a dusitany
Toxické; vznik methemoglobinu (FeII → FeIII), který
nepřenáší kyslík;
vznik karcinogenních nitrosaminů
Kde se s dusitany setkáváme?
dusitanová solící směs E250 (uzeniny, konzervy), voda
27
R
1
N
R
2
N O
Nitrosaminy v tabáku
28
nikotin
N
N
N
N
O N
O
Sloučeniny dusíku
• Kyselina dusičná HNO3 a dusičnany
Téměr netoxické, používají se jako hnojiva (KNO3,
NaNO3, NH4NO3), dostávají se do zeleniny a vod.
Redukují se na toxické dusitany.
Limitní hodnoty pro dusičnany v pitné vodě:
50 mg/l (dospělý člověk)
15 mg/l (kojenec)
29
Pitná voda v Brně
30
Zdroj: Brněnské vodárny a kanalizace a.s.
Sloučeniny fosforu
• Kyselina fosforečná H3PO4
součást nápojů (Coca-Cola)
• Součást kostí a zubů ve formě Ca5OH(PO4)3
• Významné jsou estery kyseliny fosforečné
(nukleotidy, fosfolipidy atd.)
• Anionty H2PO4
- a HPO4
2- součást pufračního
systému (ovlivnění pH krve a moči)
31
P
O
OH OH
OH
P
O
O O
O
R
R
R
ROH
Sloučeniny síry
• Sulfan (sirovodík) H2S
Bezbarvý velmi toxický plyn, vzniká např. při
rozkladu bílkovin.
Reaguje s iontem železa v cytochromoxidase.
Jeho působení se tak více blíží spíše CN- než
CO.
• Oxid siřičitý SO2
Toxický plyn, štiplavý, způsobuje dráždivý
kašel.
32
Sloučeniny selenu
Význam pro funkci některých enzymů.
• Selenocystein
• Selenomethionin
33
COOH
NH2
Se
COOH
NH2
SeH
Sloučeniny fluoru
• Fluorid sodný – prevence zubního kazu
• Fluoroapatit Ca5(PO4)3F
spolu s hydroxoapatitem Ca5OH (PO4)3 součást
kostní tkáně
34
Sloučeniny chloru
• Chlorid sodný NaCl
podílí se na udržování osmotického tlaku
extracelulární tekutiny
• Kyselina chlorovodíková HCl
obsažena v žaluděční šťávě (0,4 %), aktivace
pepsinu, denaturace bílkovin a baktericidní účinky
• Chlornan sodný NaClO
desinfekční prostředek (Savo)
• Chlorové vápno CaCl(ClO)
desinfekce
35
Sloučeniny bromu
• Bromid sodný NaBr
V minulosti používán jako sedativum.
36
Jod a sloučeniny jodu
• Jodová tinktura
roztok jodu v ethanolu, antiseptikum
• Lugolův roztok
roztok jodu ve vodném roztoku jodidu
draselného
• Jodované povidony
roztok komplexu jodu s povidonem (Jodisol,
Betadine), antiseptika
37
Sloučeniny jodu
• Jodid draselný KI
Suplementace jodu při nedostatku; „jodové
tablety“ – náhrada radioaktivního izotopu 131I
v případě jaderné havárie
• Jodičnan sodný NaIO3
jodování soli
• Hormon thyroxin
produkovaný štítnou žlázou
38
Sodík a draslík
• Na+ hlavní kation extracelulární tekutiny
K+ hlavní kation intracelulární tekutiny
nerovnoměrné rozložení udržováno aktivním
transportem (sodno-draselná pumpa).
• Chlorid sodný NaCl
rozpouštění hlenů (pití a inhalace slaných
minerálek)
Fyziologický roztok: 0,9% ʘ NaCl ve vodě
Používá se k infůzím – zajištění iontové
rovnováhy 39
Sodno-draselná pumpa
40
Zdroj: Wikipedia
Sodík a draslík
• Chlorid sodný NaCl
rozpouštění hlenů (pití a inhalace slaných
minerálek)
Fyziologický roztok: 0,9% ʘ NaCl ve vodě
Používá se k infůzím – zajištění iontové
rovnováhy
41
Sodík a draslík
• Chlorid draselný KCl
při nedostatku draslíku (při podávání
kortikosteroidů nebo diuretik), podobné
použití má citrát a malát draselný.
• Síran sodný Na2SO4
ve formě dekahydrátu (Glauberova sůl) má
projímavé účinky
42
Hořčík a jeho sloučeniny
• Mg2+ kation intracelulární tekutiny
Zdrojem je např. listová zelenina (chlorofyl),
minerální vody (Magnesia)
• Hydroxid hořečnatý Mg(OH)2
antacidum
• Uhličitan hořečnatý MgCO3
součást zásypů a zubních past
• Síran hořečnatý MgSO4
silné projímadlo, v hořkých min. vodách
(Šaratica)
43
Vápník a jeho sloučeniny
• Většina vápníku v těle v kostech a zubech
(hydroxoapatit, fluoroapatit)
• Nejvydatnějším zdrojem je mléko a mléčné
výrobky
• Fosforečnan vápenatý Ca3(PO4)2
zásypy, zubní pasty
• Chlorid vápenatý CaCl2 – intravenózní injekce
při nedostaku Ca2+
• Ca2+ soli karboxylových kyselin – perorální
suplemntace (citrát, glukonát, laktát)
44
Hliník a jeho sloučeniny
• Hliníková antacida – slabě bazické sloučeniny
nerozpustné ve vodě
Al(OH)3, AlPO4, Mg3[Al(OH)6]2
• Síran daselno-hlinitý KAl(SO4)2.12H2O –
tzv. kamenec, adstringentní účinek, zastavení
krvácení po holení, antiperspiranty
• Octan hlinitý (CH3CO2)3Al – k obkladům
• Chlorid hlinitý – adstringentní účinek,
antiperspiranty
45
Železo
• Obsaženo v hemoglobinu a myoglobinu (FeII)
• Síran železnatý FeSO4.7H2O – tzv. zelená
skalice, v tabletách při nedostaku železa
• Podobné použití mají i železnaté soli
karboxylových kyselin (fumarát, glukonát,
laktát)
• Oxid železitý Fe2O3 – pigment k barvení tablet
ve farmacii
• Nitroprusid sodný Na2[Fe(CN)5NO] – uvolňuje
NO (snížení krevního tlaku)
46
Měď, zinek a jejich sloučeniny
• Součást některých enzymů
• Síran měďnatý CuSO4.5H2O – suplementace
mědi, fungicid
• Oxid zinečnatý ZnO – v dermatologii složka tzv.
zinkové masti
47