Chemia biopierwiastków 26.02.2013

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.

Prof. dr hab. Renata Bilewicz: bilewicz@chem.uw.edu.pl E-mail: Prof. dr hab. Renata Bilewicz: bilewicz@chem.uw.edu.pl Dr Hanna Elżanowska: helzan@chem.uw.edu.pl Prof. dr hab. Magdalena Maj-Żurawska: mmajzur@chem.uw.edu.pl www.chem.uw.edu.pl/pracownicy/M.Maj-Żurawska/ www.chem.uw.edu.pl/pracownicy/R.Bilewicz  

PLAN WYKŁADU: Biopierwiastki w układzie okresowym Makro-, mikro-elementy (pierwiastki śladowe) Podstawowa rola pierwiastków organizmie Stężenia fizjologiczne, niedobory, nadmiar – stężenia toksyczne Biopierwiastki jako leki Biopierwiastki w żywności Przemiany w glebach, kwaśne deszcze Oznaczanie biopierwiastków we włosach jako metoda oceny stanu mineralnego ustroju

Rozmieszczenie pierwiastków niezbędnych dla organizmu człowieka w układzie okresowym

Zawartość procentowa pierwiastków w organizmie człowieka Ca 1,4% P 0,6% Na 0,3% S 0,6% 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 organizmu w zależności od zawartości pierwiastka istotnego Stan zdrowia Symptomy niedoboru Efekt toksyczny Odpowiedź fizjologiczna Stężenie (dawka) śmierć

Prof. Julian Aleksandrowicz 1908 - 1988 www.ptmag.pl

Oddziaływanie pomiędzy niektórymi pierwiastkami Współdziałanie Konkurencja

Bilans jonowy w płynach fizjologicznych

Kalcytonina (CT) Hormon

MAKROELEMENTY C - budulec organizmu; długie łańcuchy, stanowiące szkielet związków organicznych 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)