Rola Metali w Życiu Człowieka

Prezentacja na temat: "Rola Metali w Życiu Człowieka"— Zapis prezentacji:

1 Rola Metali w Życiu Człowieka
Jacek Nycz Institute of Chemistry, University of Silesia Katowice, Poland

2 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

3

4

5 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,..

6 Średnia zawartość różnych pierwiastków w ludzkim organiźmie
(70 kg masa ciała) 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

7 Zawartość pierwiastków śladowych w organizmie
współczesnego i prehistoricznego człowieka (ppm) Pierwiastek Prehistoryczny Współczesny Fe 60 Zn 33 Cu 1,0 1,2 Mo 0,1 Al 0,4 0,9 Ti Cd 0,001 0,7 Hg < 0,001 0,19 Pb 0,01 1,7

8 Koncentracja i efekt fisiologiczny
śmierć, niedobór, OPTIMUM, nadmiar, śmierć

9 Metale niezbędne dla życia:
rola większości nie jest pewna Na, K, Mg, Ca V, Cr, Mn, Fe Co, Ni, Cu, Zn Mo, W

10 Mg, Ca: aktywatory enzymów
Na, K: przenośniki ładunków osmotyczne i elektrochemiczne stężenia funkcjonowanie ukł. nerwowego Mg, Ca: aktywatory enzymów struktura kwasy Lewisa Mg2+: chlorofil, fotosyntesa Ca2+: nierozpuszczalne fosforany

11 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

12 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 Na+out + 2K+in + ADP3- + HPO42- + H+

13 Sód i Potas--Ion Channel
Gramicydyna: tworzy kanały jonowe białko ion/second may pass (Emem = 100 mV)

14 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+

15 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

16 Kompleks walinomycyny z K+

17 Makrocykliczne ligandy

18 Metale ziem alkalicznych
to: Be Mg Ca Sr Ba Ra Występują in vivo: Mg Ca Be, Ba BARDZO TOKSYCZNY! Sr (mniej toksyczny) 90Sr akumuluje się w kościach

19 Wapń Funkcja: Zawartość: napięcie mięśniowe Materiał szkieletu
Na zewnątrz komórki [Ca2+] = M Wewnątrz komórki [Ca2+] = 10-7 M

20 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

21 Mg2+ Ca2+ protrombina trombina-fibrynogen-fibryna Rośliny CHLOROFIL
System nerwowy (tetany) Transport aktywny (wewnątrzkomórkowy) aktywator enzymów (np. ATP-azy) Ca2+ antagonista Ca2+ Inhibuje Mg2+-aktywowane enzymy Zewnątrzkomórkowy: (10-3M) protrombina trombina-fibrynogen-fibryna

22 Chlorofil

23 Fe, Cu, Mo: Elektron-transfer
Metale przejściowe Fe, Cu, Mo: Elektron-transfer Redoks białka i enzymy Transfer tlenu Wiązanie azotu Zn: Metaloenzymy Struktura Kwasy Lewisa Nie jest katalizatorem redoks!

24 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

25 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

26 Żelazo-transferyna białko ssaków przenosi 2 jony Fe3+
Żelazo-transferyna białko ssaków przenosi 2 jony Fe3+. Żelazo jest wiązane jako Fe2+ i utleniane do Fe3+. CO32- w tym samym czasie jest zaangażowany.

27 W ciele człowieka 75% Hem-żelazo Hemoglobina Mioglobina Cytochromy
Oksydaza, P-450 25% Non-hem-żelazo Rubredoxins Ferredoxins

28 Jeden elektron wiecej, jeden elektron mniej

29 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.

30 Katalizowane przez jony żelaza -reakcja Haber-Weiss oraz Fentona..

31 Cu(I), Cu(II) Cu-białka i enzymy Oksydaza cytochromowa O2 H2O
Rośliny Elektron transfer Zwierzeta O2-carrying Cu-białka i enzymy Oksydaza cytochromowa O2 H2O Tyrosynaza, Oksydaza fenolowa ox. phenols Ceruloplazmina Fe(II) Fe(III) Blue proteins Electron transfer Superoxide dismutaza Eliminacja of O2- Hemocjanina O2 transport

32 Miedź Funkcje Dostępność O2 transport (hemocjanina)
O2 activation (Cu oksydazy) elektron transfer (plastocjanina) Dostępność 3 metal przejściowy w organizmie 300 mg in a human body

33 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

34 Superoxide Dismutase SOD-Cu2+ + O2.-  SOD-Cu1+ + O2
SOD-Cu1+ + O H+  SOD-Cu2+ + H2O2

35 Cynk Funkcje: Dostepność: 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

36 Rola Zn2+ : niedobór: zakłóca systemy zw. z rozmnażaniem
karzełkowatość zmiany skórne szkielet nieprawidłowości

37 Zink(II) w centrum aktywnym karboksypeptydazy-A
Centrum aktywne dehydrogenazy alkoholowej

38 Cynk Transport: Serum Albumin Zn2+ pumps?
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 Storage: Metallothionein chemistry similar to Cu2+

39 Metale jako w leczeniu Gold and Rheumatoid Arthritis
Złoto (chrysotherapy) Au(I) rheumatoid arthritis

40 Leki antynowotworowe

41 NMR

42 Mechanizm działania cis-platyny

43

44

45

46 Witamina B12

47

48

49

50 Platyna, złoto i miedź

51 Protezy tytanowe Srebro – Aleksander Macedoński Lapis dezynfekcja

52

53 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 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.

54 Informacje: http://www.chemia.us.edu.pl
Instytut Chemii Informacje:

55 Thank you for your attention !!!