Rola Metali w Życiu Człowieka Jacek Nycz Institute of Chemistry, University of Silesia Katowice, Poland jnycz@us.edu.pl

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

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,..

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

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

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

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

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

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

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 3Na+out + 2K+in + ADP3- + HPO42- + H+

Sód i Potas--Ion Channel Gramicydyna: tworzy kanały jonowe białko 107-108 ion/second may pass (Emem = 100 mV)

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+

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

Kompleks walinomycyny z K+

Makrocykliczne ligandy

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

Wapń Funkcja: Zawartość: napięcie mięśniowe Materiał szkieletu Na zewnątrz komórki [Ca2+] = 0.001 M Wewnątrz komórki [Ca2+] = 10-7 M

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

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

Chlorofil

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!

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

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

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.

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

Jeden elektron wiecej, jeden elektron mniej

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.

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

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

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

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

Superoxide Dismutase SOD-Cu2+ + O2.-  SOD-Cu1+ + O2 SOD-Cu1+ + O2.- + 2H+  SOD-Cu2+ + H2O2

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

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

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

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+

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

Leki antynowotworowe

NMR

Mechanizm działania cis-platyny

Witamina B12

Platyna, złoto i miedź

Protezy tytanowe Srebro – Aleksander Macedoński Lapis dezynfekcja

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 22-23-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.

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

Thank you for your attention !!!