Wiązania chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Wiązania chemiczne Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2 oddziaływania międzycząstczkowe Wiązania chemiczne wiązanie atomowe, czyli kowalencyjne, powstaje w wyniku uwspólnienia dwóch elektronów o spinie przeciwnym, po jednym od każdego atomu wiązanie jonowe powstaje w wyniku przyciągania elektrostatycznego odmiennych ładunków siły Van der Waalsa - mają one głównie charakter elektrostatyczny wiązanie wodorowe wiązanie koordynacyjne 2

3 Wiązanie koordynacyjne tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu donoru akceptor uzupełnia ostatnią powłokę elektronową do konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego donor uzyskuje ładunek dodatni, akceptor uzyskuje ładunek ujemny donorami elektronów są atomy lub jony z przynajmniej jedną wolną parą elektronów, np. azot, tlen siarka, jon chlorkowy akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę oktetową. 3

4 Związki kompleksowe zewnętrzna sfera wewnętrzna K 4 [Fe-(CN) 6 ] jon centralny ligandy wiązanie koordynacyjne 4

5 zewnętrzna sfera wewnętrzna Jon centralny K 4 [Fe(CN) 6 ] jon centralny ligandy najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel, mangan oraz platynowce, miedziowce i cynkowce niemetale [SO 4 ] 2-, [PO 4 ] 3-,[BH 4 ] -, [SiF 6 ] 2-5

6 Związki kompleksowe - ligandy zewnętrzna sfera wewnętrzna K 4 [Fe(CN) 6 ] jon centralny ligandy - skoordynowane z atomem centralnym podstawniki: atomy, grupy atomów lub jony ujemne otaczają one atomy centralne i dostarczają przynajmniej jedną wolną parę elektronów ligandy są połączone z jonem centralnym za pomocą wiązania koordynacyjnego ligandy w ligandach dawcami elektronów najczęściej są atomy azotu, tlenu, siarki i węgla 6

7 zewnętrzna sfera wewnętrzna K 4 [Fe(CN) 6 ] jon centralny ligandy Jon kompleksowy może być kationem - [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ anionem [Fe(CN) 6 ] 4- cząsteczką obojętną Ni(CO) 4 Jeżeli część związku kompleksowego złożonego z jonu centralnego i ligandu jest obdarzona ładunkiem, to sferę zewnętrzną tworzą proste jony o przeciwnym znaku. 7

8 Związki kompleksowe - liczba koordynacyjna Liczbę przyłączonych par elektronowych, która najczęściej odpowiada liczbie podstawników przypadających na jon centralny nazywamy liczbą koordynacyjną 8

9 Liczba koordynacyjna Wartość liczby koordynacyjnej zależy od: stosunków przestrzennych możliwości jonu centralnego do przyjęcia par elektronowych na wolne wewnętrzne podpowłoki d (p) Liczba koordynacyjna przyjmuje najczęściej wartości 2, 4 lub 6 Reguła Lamberta - liczba koordynacyjna bardziej zależy od okresu niż grupy; często dla okresu: drugiego LK = 4 trzeciego i czwartego LK = 6 piątego i szóstego LK = 8 9

10 Synteza związków kompleksowych reakcje przyłączania (addycji) reakcje podstawiania (substytucji) reakcje dysocjacji (eliminacji) reakcje ze zmianą stopnia utlenienia 10

11 Izomeria związków kompleksowych Rozróżniamy dwa rodzaje izomerii związków kompleksowych: izomerię strukturalną ten sam sumaryczny skład chemiczny odmienny skład jonów kompleksowych stereoizomerię atom centralny otoczony jest we wszystkich izomerach takimi samymi ligandami, ligandy są położone względem siebie w różny sposób. 14

12 Izomeria strukturalna Izomeria jonowa: siarczan pentaaminabromokobaltu(iii) - ciemnofioletowy [Co(NH 3 ) 5 Br]SO 4 ligand samodzielny jon bromek pentaaminasiarczanokobaltu czerwony. [Co(NH 3 ) 5 SO 4 ]Br Różnice w reaktywności chemicznej. Pierwszy tworzy osad z roztworem chlorku baru, drugi z azotanem srebra. [Co(NH 3 ) 5 Br]SO 4 + BaCl 2 -> [Co(NH 3 ) 5 Br]Cl 2 + BaSO 4 [Co(NH 3 ) 5 SO 4 ]Br + AgNO 3 -> [Co(NH 3 ) 5 SO 4 ]NO 3 + AgBr 15

13 Izomeria strukturalna Izomeria hydratacyjna Jednym z ligandów (samodzielnym jonem) jest cząsteczka wody. [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 fioletowy chlorek heksaakwachromu(iii) [Cr(H 2 O) 5 Cl]Cl 2 H 2 O niebieskozielony chlorek pentaakwachlorochromu(iii) [Cr(H 2 O) 4 Cl 2 ]Cl H 2 O zielony chlorek tetraakwadichlorochromu(iii) 16

14 Związki kompleksowe w przyrodzie Do najważniejszych z nich zaliczamy kompleks żelazo porfirynowy. Jest on obecny w hemie hemoglobiny i mioglobiny łańcuch polipeptydowy hemoglobina kompleks żelazo-porfirynowy 19

15 Budowa hemu Wiązania koordynacyjne w hemoglobinie: 4 wiązania łączące żelazo z azotami pierścieni pirolowych wiązanie żelazo azot pierścienia imidazolowego histydyny łączące kompleks żelazo-porfirynowy z łańcuchami wiązanie żelazo cząsteczka tlenu, gdy hemoglobina jest w formie oxy imidazolowy łańcuch boczny histydyny reszta histydyny 20

16 Związki kompleksowe w przyrodzie witamina B12 jon centralny kobalt chlorofil jon centralny magnez 21

17 Związki kompleksowe w przyrodzie białka transportujące metale ceruloplazmina (miedź), transferyna (żelazo). 22

18 Związki kompleksowe w medycynie MIBI (sestamibi, kardiolit) [Tc(CNR) 6 ] + heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc) badanie: mięśnia sercowego (scyntygrafia) diagnostyka niektórych nowotworów gruczolaków przytarczyc RNC RNC CNR I Tc I CNR CNR CNR CH 3 I R= CH 2 -C-OCH 3 I CH 3 23

19 Związki kompleksowe w medycynie MIBI (sestamibi, kardiolit) [Tc(CNR) 6 ] + heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc) badanie: mięśnia sercowego (scyntygrafia) diagnostyka niektórych nowotworów gruczolaków przytarczyc RNC RNC CNR I Tc I CNR CNR CNR CH 3 I R= CH 2 -C-OCH 3 I CH 3 Izotop, przepływając wraz z krwią przez tętnice wieńcowe, jest wychwytywany przez serce. Miejsca, w których znacznik nie zgromadził się, to miejsca upośledzonego przepływu krwi (perfuzji) i upośledzonej żywotności (obszary żywego, ale niekurczącego się mięśnia). 24

20 Związki kompleksowe w medycynie MIBI (sestamibi, kardiolit) [Tc(CNR) 6 ] + heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc) badanie: mięśnia sercowego (scyntygrafia) diagnostyka niektórych nowotworów gruczolaków przytarczyc RNC RNC CNR I Tc I CNR CNR CNR CH 3 I R= CH 2 -C-OCH 3 I CH 3 FIGURE m Technetium sestamibi scan of a patient with a parathyroid adenoma. The radionuclide is present in both thyroid and parathyroid tissue on the 10-minute film; however, by 2 hours, the radionuclide has washed out of the thyroid and remains only in the right-sided parathyroid gland. This scan shows a 794- mg right upper parathyroid adenoma (arrow) 25

21 Związki kompleksowe w medycynie auranofina [Au(PEt 3 )(ttag)] + ttag = tetra-o-acetylotioglukoza lek przeciwreumatyczny niszczący wirusy HIV deponowane w limfocytach T tetraacetylotioglukoza trietylofosfina złoto jon centralny 26

22 Związki kompleksowe w medycynie cis-platyna cis-diaminadichloroplatyna(ii) Cl I H 3 N Pt Cl I NH 3 cis-[pt(nh 3 ) 2 Cl 2 ] (lek przeciwnowotworowy) trans-platyna stereoizomer cisplatyny nie jest aktywny biologicznie! Stosowana w leczeniu: raka jądra raka płuca raka pęcherza moczowego raka jajnika raka szyjki i macicy nowotworów w obrębie głowy i szyi czerniaka złośliwy mięsaków raka kory nadnerczy Dla prawidłowego funkcjonowania konieczna jest obecność: dwóch ligandów aktywnych chemicznie, będących względem siebie w położeniu cis (atomy chloru), dwóch ligandów niereaktywnych, obojętnych elektrycznie (grupy aminowe). Reaktywne atomy chloru są wymieniane (substytucja nukleofilowa) na atomy azotu zasad guanylowych w łańcuchu DNA 27

23 Związki kompleksowe w medycynie cis-platyna Cl I H 3 N Pt Cl I NH 3 trans-platyna stereoizomer cis-platyny nie jest aktywny biologicznie! Cl I H 3 N Pt Cl I H 3 N H 2 O Cl - + Cl I H 3 N Pt Cl I NH 3 dyfuzja pasywna przez błonę komórkową Cl H 2 O Cl - H 2 O H + OH I I I H 3 N Pt H 2 O H 3 N Pt H 2 O H 3 N Pt H 2 O I I I NH 3 NH 3 NH 3 2+ aktywne formy cis-platyny addukty cis-platyna-dna krew żylna cytoplazma + DNA komórki nowotworowej + 28

24 Związki kompleksowe chelaty Ligandy zawierające więcej niż jedną parę elektronów, występujących w różnych atomach tej samej cząsteczki nazywamy ligandami chelatującymi związki organiczne zawierające tlen, azot lub siarkę ligandy mogą być cząsteczkami obojętnymi lub anionami ligandy tworzą z kationem centralnym związki pierścieniowe najtrwalsze są kompleksy pięcio- lub sześcioczłonowe w chelatach mogą występować także wiązania jonowe i kowalencyjne 29

25 Związki kompleksowe - EDTA kwas etylenodiaminotetraoctowy 30

26 Związki kompleksowe - EDTA 31

27 Składniki bionieorganiczne organizmu Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

28 Wybrane makro- i mikropierwiastki w organizmie człowieka Pierwiastek Zawartość [g] Funkcja Makropierwiastki Wapń 1200 elektrolit, aktywator enzymów Potas 140 elektrolit, aktywator enzymów Sód 95 równowaga gospodarki wodno-elektrolitowej Magnez 35 elektrolit, aktywator enzymów Mikropierwiastki Żelazo 5 składnik metaloenzymów, aktywator enzymów Cynk 4 składnik metaloenzymów, aktywator enzymów Miedź 0,15 składnik metaloenzymów Jod 0,03 składnik hormonu tyroidowego Mangan 0,02 składnik metaloenzymów, aktywator enzymów Molibden 0,02 składnik metaloenzymów Wanad 0,02 udział w porcesach redoks Selen 0,015 udział w porcesach redoks Nikiel 0,01 składnik metaloenzymów Kobalt 0,003 składnik witaminy B 12, aktywator enzymów 33

29 Makropierwiastki stanowią ok. 99,4% masy ciała tlen, węgiel, wodór, azot, wapń, sód, potas, chlor, siarka i magnez tlen, węgiel i wodór dostarczane są w diecie, związane w białkach, tłuszczach i węglowodanach zapotrzebowanie na pozostałe makropierwiastki wynosi więcej niż 100 mg w ciągu doby Mikropierwiastki występują w niewielkich stężeniach (mg/g, ng/g tkanki) zapotrzebowanie na mikropierwiastki wynosi mniej niż 100 mg w ciągu doby 34

30 Mikropierwiastki Pierwiastki mogą wchodzić w skład: enzymów Cu dysmutaza ponadtlenkowa, oksydazy aminowe Zn anhydraza węglanowa Mn arginaza, glikozylotransferaza Se peroksydaza glutationowa hormonów - I - trijodotyronina witaminy B 12 - kobalt metaloprotein Fe w hemoglobinie i mioglobinie Cu w ceruloplazminie Zn w metalotioneinie Fluor może być uważany za istotny odgrywa znaczną rolę w zapobieganiu próchnicy i leczeniu osteoporozy nie udowodniono, że jest jednoznacznie niezbędny dla organizmu 35

31 Specyficzność działania pierwiastków śladowych Działanie pierwiastków śladowych in vivo jest całkowicie specyficzne. Niedobór pierwiastka może być usunięty tylko przez ten sam pierwiastek. Specyficzność wynika z właściwości: 1. wartościowość, 2. potencjał redox, 3. promień jonowy, 4. liczba koordynacyjna, 5. geometria koordynacji 6. powinowactwo do ligandu. 36

32 Specyficzność działania pierwiastków śladowych W warunkach in vitro specyficzność jest zdecydowanie mniejsza. zastąpienie pierwiastka przejściowego, właściwego dla danego enzymu, innym pierwiastkiem przejściowym: powoduje tylko zmianę powinowactwa enzymu do substratu, nie prowadzi do inaktywacji enzymu. Mimo specyfiki dzialnia w warunkach in vivo, działanie pierwiastków jest zależne od wzajemnych stężeń: długotrwały niedobór miedzi prowadzi do anemii wskutek obniżenia zdolności wchłaniania żelaza i wzrostu jego stężenia w wątrobie miedź i cynk współzawodniczą we wchłanianiu nadmiar molibdenu w diecie powoduje niedobory miedzi w organizmie 37

33 Funkcje jonów metali w organizmach żywych Główne funkcje jonów metali w układach biologicznych: katalityczna strukturalna transportowa udział w przekazywaniu sygnałów hormonalnych udział w obronie organizmu przed wolnymi rodnikami udział w strukturze leków 40

34 Funkcje jonów metali w organizmach żywych - katalityczna polega na bezpośrednim udziale jonów metali w reakcjach enzymatycznych w formie metaloenzymów lub aktywatorów enzymów Metaloenzymy określona ilość jonów metalu silnie związanych z apoenzymem jon metalu nie zmienia stopnia utlenienia w czasie katalizowanej reakcji Zn +2, Mn +2, Ni +2, Mg +2, Cu +2 - w reakcjach hydrolizy, dekarboksylacji, transaminacji jon metalu ulega procesom redoks Cu +/+2 i Fe +2/+3 - w cytochromach 41

35 Funkcje jonów metali w organizmach żywych - katalityczna Enzymy aktywowane przez jony metali wiązanie między jonem metalu a apoenzymem jest słabe Enzymy aktywowane przez jony metali: nie wiążą się tak trwale jak metaloenzymy, bez jonu metalu enzymy nie mają zdolności katalitycznej Różnica między metaloenyzmami a enzymami aktywowanymi przez metale opiera się na sile powinowactwa między metalem a apoenzymem 42

36 Funkcje jonów metali w organizmach żywych - strukturalna jony wapnia hydroksyapatyt: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 [ 3 Ca 3 (PO 4 ) 2. Ca(OH) 2 ] jony fluorkowe F - + 3Ca 3 (PO 4 ) 2. Ca(OH) 2 Ca(OH)F. 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 + OH - hydroksyapatyt hydroksyfluoroapatyt F - + Ca(OH)F. 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 CaF 2. 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 + OH - wymiana jest możliwa ze względu na: taki sam ładunek podobną wielkość jonów fluoroapatyt 43

37 Funkcje jonów metali w organizmach żywych funkcję transportową wykazują białka metaloproteiny - wiążące jony metali i przenoszące je w organizmie. wiążąc określone jony metali regulują zależne od nich procesy, niektóre wykazują również aktywność enzymatyczną. metaloproteiny wykazują odmienną specyficzność wobec jonów różnych metali. szczególnym przykładem metaloproteiny jest metalotioneina (Mt), białko wiążące Zn, Cu, Cd, Hg i inne metale ciężkie. Mt chroni organizm przed toksycznymi metalami przekazywanie sygnałów hormonalnych jony wapnia: śródkomórkowy przekaźnik w mechanizmie działania hormonów, np. wazopresyny i katecholaminy alfa-adrenergiczne w regulacji przemiany glikogenu w wątrobie jod stanowi integralną część trijodotyroniny i tyroksyny (hormonów tarczycy) 44

38 Funkcje jonów metaliw organizmach żywych Udział w obronie antyoksydacyjnej dysmutaza ponadtlenkowa miedź i cynk lub mangan katalaza - żelazo peroksydaza glutationowa - selen Udział w strukturze leków cis-platyna auranofina 45

39 Mechanizm oddziaływania jonów metali na aktywność enzymów Jony metali biorą udział w reakcjach enzymatycznych i zwiększają ich szybkość uczestnicząc w jednym w czterech mechanizmów: ogólnej katalizie kwasowo-zasadowej katalizie kowalencyjnej tworzenie przejściowego tetraedrycznego połączenia enzymu z substratem reakcji rozerwanie wiązania w substracie, powstanie kowalencyjnego produktu pośredniego enzym-substrat (produkt) uwolnienie końcowego produktu przybliżaniu związków reagujących indukowaniu odkształceń enzymu lub substratu. 46

40 Suma kationów anionów 153 meq/l 153 meq/l Suma kationów anionów 198 meq/l 198 meq/l Na Cl - 3 meq HCO meq SO 4 - K fosforany Na Cl - K + 4 Ca + 5 Mg HCO 3 - białczany aniony resztkowe Ca 2+ 2 meq Mg białczany Skład jonowy surowicy krwi Skład jonowy płynu wewnątrzkomórkowego 47

41 [(5,6 mmol/l 3,8 mmol/l): 4,7 mmol/l]*100% = 40% - wahania stężeń gdzie 4,7 mmol/l środek normy dla kalemii Potas (3,8 5,6 mmol/l ) wzrost stężenia potasu: odwodnienie jatrogenne (podawanie pozajelitowe soli potasowych, soli potasowych penicyliny, przetoczenia dużej ilości krwi konserwowanej) hemoliza i zespół zmiażdżenia niedotlenienie tkanek zatrucie strychniną, leczenie cytostatykami niewydolność nerek, mocznica niedoczynność kory nadnerczy (choroba Addisona), hipoaldosteronizm długotrwała hipoglikemia i kwasica metaboliczna (cukrzycowa) stosowanie leków: moczopędnych oszczędzających potas, niesterydowych przeciwzapalnych zmiany w EKG przy stężeniu K + > 6,7 mmol/l zwiększenie załamka T około 6 mmol/l blok międzykomorowy przy stężeniu około 10 mmol/l zatrzymanie akcji serca przy stężeniu około 12 mmol/l 48

42 [(145 mmol/l 135 mmol/l): 140 mmol/l] * 100% = 7% - wahania stężeń gdzie 140 mmol/l środek normy dla natremii Sód ( mmol/l ) miękki, srebrzysty metal reaguje gwałtownie z wodą występuje w soli kamiennej, morskiej i oceanicznej w formie chlorku sodu NaCl wszystkie sole sodu są rozpuszczalne w wodzie. zapotrzebowanie na sól kuchenną wynosi ok. 5 g wskazane jest jest spożywanie soli kamiennej lub morskiej zamiast warzonej, gdyż ta pozbawiona jest mikroelementów. w organizmie człowiek sód występuje w postaci kationu Na +, głównie w płynach ustrojowych pozakomórkowych jest niezbędny: do prawidłowego funkcjonowania nerwów i mięśni, reguluje gospodarkę wodno-elektrolitową i kwasowo-zasadową obrzęk mózgu w przebiegu hiponatremii Na<110mmol/L

43 Żelazo ilość całkowita 2,5 4 g, magazynowane głównie w wątrobie, śledzionie i szpiku kostnym 2/3 całkowitej ilości służy jako kofaktor hemoglobiny posiada bardzo wysoki potencjał oksydoredukcyjny nie występuje w postaci wolnych jonów jest skompleksowane z hemem (Fe +2 ) lub bezpośrednio z białkami transportowymi i magazynowymi transferyną i ferrytyną (Fe +3 ) słabo przyswajalne z pożywienia funkcje żelaza transport tlenu, transport elektronów udział w utrzymaniu równowagi oksydoredukcyjnej 50

44 Żelazo Cytochrom c mioglobina hem 51

45 Wapń ilość całkowita ok g: 99 % - tkanka kostna i zęby hydroksyapatyt: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca(OH) 2 mikrofibryle kryształy o stosunku długość: grubość 1000:1 węglan wapnia CaCO 3 Niedobór powoduje osteoporozę 52

46 Wapń Kalmodulina przyłącza cztery jony wapnia zmiana konformacji, powstaje kompleks aktywujący i stymulujący m.in.. kinazę II fosforylującą różne białka, pompy błonowo-jonowe 1 % - regulator procesów metabolicznych przekazywanie sygnału pobudliwość nerwowo-mięśniowa czynność serca (częstość uderzeń i objętość wyrzutowa) przepuszczalność błon aktywność enzymatyczna układ krzepnięcia Dzienne zapotrzebowanie: osoby dorosłe 1000 mg młodzież, kobiety ciężarne i karmiące, osoby powyżej 50 roku życia 1300 mg Niedobór powoduje: zaburzenia pobudliwości nerwowomięsniowej tężyczka tężczcowy skurcz mięśni szkieletowych 53

47 Magnez Ilość całkowita ok. 24 g: 65% w kościach 1% - zewnątrzkomórkowo (wolne jony Mg 2 +) 34%- jon wewnątrzkomórkowy Jony magnezowe: regulują procesy oksydoredukcji, kofaktor ok. 300 enzymów mają wpływ na gospodarkę lipidową poziom katecholamin i przepuszczalność błon komórkowych kompleksy Mg-ATP uczestniczą w transfosforylacji, transferze energii i przekazywaniu sygnałów w komórce hamują krzepnięcie krwi biorą udział w przekazywaniu sygnałów pomiędzy neuronami i komórkami mięśniowymiwraz z jonami sodu i potasu, stabilizuje zwartą strukturę polianionowych makrocząsteczek tworzą one kompleksy z kwasami nukleinowymi zobojętniając ich ujemnie naładowane grupy fosforanowe. stabilizuje strukturę rybosomów 54

48 Magnez Zapotrzebowanie dzienne: mg Objawy niedoborów magnezu: drżenie mięśni i skurcze, ogólne osłabienie Niedobór magnezu zaburza procesy prowadząc do dysfunkcji metabolicznej, głównie komórek mięśni gładkich i mięśnia sercowego. Magnez spełnia istotną rolę w profilaktyce i terapii różnych chorób, w tym zapobiega nadpobudliwości nerwowej i depresji. 55

49 Selen (niemetal) Peroksydaza glutationowa; widoczne reszty selenocysteiny pierwiastek niezbędny dla organizmu składnik enzymów oksydacyjno-redukcyjnych i cytochromów HSe-CH 2 -CH-COO - występuje w peroksydazie glutationowej w organizmie selen tworzy z metalami toksycznymi selenki, które odkładając się w tkankach miękkich są częściowo eliminowane z obiegu + NH 3 selenocysteina niedobór selenu powoduje: uszkodzenie mięśnia sercowego, choroby układu kostnego, ograniczenie sprawności układu odpornościowego, zwiększa także ryzyko choroby nadciśnieniowej i nowotworów. 56

50 Selen niezbędny mikroelement HSe-CH 2 -CH-COO - + NH 3 selenocysteina musi być dostarczany w pożywieniu zawartość selenu w produktach spożywczych związana jest z dużymi różnicami w zawartości selenu w glebie i wodzie w różnych częściach świata gleby na terenie Polski są uważane za ubogie w selen. składnik enzymów oksydacyjno-redukcyjnych i cytochromów występuje w peroksydazie glutationowej w organizmie selen tworzy z metalami toksycznymi selenki, które odkładając się w tkankach miękkich są częściowo eliminowane z obiegu 57

51 Selen najwyższą bioprzyswajalnością charakteryzuje się selen pozyskiwany z drożdży wchłanianie selenu wzmagają białka małomolekularne oraz witaminy (głównie A, E, C) synergiczne działanie selenu z witaminą E przyczynia się do opóźniania procesów starzenia oraz przyspieszenia regeneracji komórek jest konieczny do prawidłowego funkcjonowania układów enzymatycznych głównie peroksydazy glutationowej ważny jest dla funkcjonowania układu odpornościowego oraz tarczycy. chroni serce przed działaniem wolnych rodników, pomaga w walce z depresją, przemęczeniem i nadmierną nerwowością. redukuje ilość szkodliwych związków przyczyniających się do powstawania reumatoidalnego zapalenia stawów podawanie selenu łagodzi objawy choroby u 40% chorych. niedobór selenu powoduje: uszkodzenie mięśnia sercowego, choroby układu kostnego, ograniczenie sprawności układu odpornościowego, zwiększa także ryzyko choroby nadciśnieniowej i nowotworów 58

52 Cynk całkowita zawartość w organizmie wynosi ok. 1,5 2 g, z czego 80% przypada na mięśnie i kości. występuje głównie wewnątrzkomórkowo w organizmie związany jest z białkami w osoczu głównie z albuminą, w tkankach z metalotioneiną. jest obecny w wielu białkach wiążących kwasy nukleinowe i regulujących działania genów pełni funkcje strukturalne w tworzeniu domen cynkowych ( palcami cynkowymi ), zdolnych do bezpośredniego oddziaływania z DNA Source: Int J Environ Res Public Health April; 7(4):

53 Cynk anhydraza węglanowa atom Zn skoordynowany z trzema resztami histydyny stanowi centrum aktywne wielu enzymów element budulcowy enzymów wchłanianie z jelita jest hamowane przez obecne w pożywieniu: kwas fitynowy, pektyny, jony miedzi, żelaza, wapnia i fosforany w osoczu tworzy kompleksy z 2 -makroglobuliną i albuminą, stężenie i magazynowanie jest kontrolowane przez metalotioneinę i jelitowe białko bogate w cysteinę właściwa podaż: ok. 10 mg/dziennie źródła w diecie: mięso, twarde sery, produkty zbożowe z pełnego przemiału, owoce morza 60

54 Cynk palec cynkowy domena białkowa występującej w białkach wiążących DNA, bierze bezpośredni udział w związaniu cząsteczki kwasu nukleinowego przez białko palec cynkowy składa się z dwóch antyrównoległych b-kartki i -helisy atom cynku łączy się z dwiema resztami cysteiny i dwiema resztami histydyny cynk bierze udział w transkrypcji cytokin stanowiąc składnik tzw palców cynkowych czynników transkrypcyjnych IL-2, IL-12 i INFγ 61

55 Cynk Korzystny wpływ cynku na organizm człowieka ogólna poprawa metabolizmu, przyspieszenie gojenia się ran i poprawie sprawności umysłowej Niedobór cynku, wynikający zazwyczaj z ograniczonego przyswajania z pożywienia, powoduje: zaburzenia układu kostnego, funkcji rozrodczych, stany zapalne skóry, sprzyja procesom miażdżycowym. 62

56 Miedź Zn Cu ilość całkowita około 100 mg 40% w kościach, 24% w mięśniach, 9% w wątrobie, 6% w mózgu w osoczu miedź występuje w formie kompleksów z transkupreiną, aminokwasami i ceruloplazminą - zapewnia transport między wątrobą a tkanką docelową z organizmu wydalana jest z żółcią przez przewód pokarmowy nie występuje w postaci wolnych jonów wchodzi w skład co najmniej 15 białek ludzkiego organizmu występuje jako pierwiastek wiążący w elastynie i kolagenie oraz jako katalizator reakcji białek. 63

57 Miedź dzienne zapotrzebowanie 1 1,5 mg prawidłowa dieta warzywa strączkowe, produkty zbożowe z pełnego przemiału podstawowy składnik systemu antyoksydacyjnego jest potrzebna do wytwarzania komórek czerwonych w układzie nerwowym uczestniczy w tworzeniu osłonki mielinowej (ochrania włókna nerwowe oraz uczestniczy w przesyłaniu impulsów nerwowych) enzymy zależne od miedzi dysmutazy i oksydazy są odpowiedzialne za zrównoważenie stresu oksydacyjnego i zmiatanie wolnych rodników (lub reaktywnych form tlenu) uczestniczącą w procesach takich jak oddychanie komórkowe, tworzenie naczyń krwionośnych czy usprawnianie układu immunologicznego. 64

58 kofaktor molibdenowy Molibden występuje głównie w tkance kostnej, a także w nerkach, wątrobie i zębach wchodzi on (kofaktor molibdenowy) w skład centrów aktywnych enzymów odpowiedzialnych za procesy oksydacyjno-redukcyjne oksydaza ksantynowa oksydaza aldehydowa oksydaza siarczynowa ma zdolność do ulegania dwuelektronowym reakcjom redoks na stopniach utlenienia między 6 a 4 nadmiar jest toksyczny - powoduje: deformacje kości podobne do gośćca, skłonność do próchnicy zębów zaburzenia gospodarki lipidowej i białkowej. 65

59 Kobalt w największych ilościach występuje w narządach miąższowych i mięśniach jest on składnikiem witaminy B 12, która odgrywa rolę w: wytwarzaniu krwinek czerwonych metabolizmie białek kwasów nukleinowych niedobór witaminy B 12 powoduje niedokrwistość i zmiany w narządach miąższowych nadmiar kobaltu powoduje czerwienicę, uszkodzenie narządów miąższowych nerek, wątroby, uszkodzenie osłonek mielinowych, kardiomiopatię 66

60 Kadm charakteryzuje się wybitnymi właściwościami akumulującymi okres półtrwania w organizmie (10 30 lat) przyczynia się do odkładania się, wraz z wiekiem, głównie w nerkach, gdzie gromadzi się do 50% całego kadmu działa na systemy enzymatyczne komórek, wypierając i zastępując inne fizjologiczne metale (Cu, Zn, Se) z metaloenzymów wiąże się z grupami czynnymi SH białek: łatwo wiąże się z metalotioneiną, niskocząsteczkowym białkiem cytoplazmatycznym, bogatym w reszty cysteinowe, która wiąże dwuwartościowe kationy cynku, miedzi, selenu nadmiar kadmu prowadzi do zaburzeń czynności nerek, metabolizmu wapnia i funkcji rozrodczych, rozwoju choroby nadciśnieniowej oraz zmian nowotworowych, głównie nerek i gruczołu krokowego. 67

61 Ołów w organizmie jest odkładany w postaci nierozpuszczalnych związków ołowiu, w kościach i w tkankach miękkich toksyczne działanie ołowiu ujawnia się na poziomie molekularnym, hamuje wiele enzymów, w tym syntazę porfobilinogenową, podstawowy składnik w syntezie hemu wiąże się z kwasami nukleinowymi i aminokwasami białek zakłóca metabolizm niezbędnych pierwiastków śladowych działając antagonistycznie na inne metale m.in. przyspiesza wydalanie miedzi i żelaza z organizmu podwyższenie poziomu miedzi, wapnia i fosforu w diecie obniża pobieranie ołowiu przez organizm skutkami toksyczności ołowiu są zaburzenia w hematopoezie, nadciśnienie tętnicze, neuropatie i uszkodzenia mózgu 68

62 Rtęć źródłem wchłaniania pierwiastka przez ludzi są tkanki ryb skażonych rtęcią pośrednim źródłem rtęci jest mięso zwierząt domowych karmionych mączką otrzymaną ze skażonych ryb toksyczne działanie rtęci wynika z jej dużego powinowactwa do grup SH, -COOH i NH 2 aminokwasów białek ma działanie mutagenne i teratogenne alkilowe pochodne rtęci łatwo przedostają się do komórek mózgowych, naruszając barierę krew-mózg, powodują uszkodzenia komórek mózgowych i zaburzają metabolizm układu nerwowego toksyczność może zmniejszać selen, ograniczając tworzenie połączeń aminokwasów białek z rtęcią 69