Anorganické látky v buňkách Pavel Jirásek
Chemické složení buňky voda 60 % většina chemických reakcí probíhá ve vodném roztoku organické látky 35 % vysokomolekulární glykogen, proteiny, nukleové kyseliny nízkomolekulární glukóza, aminokyseliny, lipidy, meziprodukty metabolismu (hlavně deriváty organických kyselin) anorganické látky 5 %
Biogenní prvky I = prvky nezbytné pro stavbu a funkci organismů makrobiogenní tvoří nad 0,005 % hmotnosti organismu, koncentrace v krvi větší než mikromolární doporučený denní příjem nad 100 mg C, H hlavní stavební prvky všech živých organismů O stavební prvek, finální akceptor elektronů v dýchacím řetězci (bez kyslíku není možná tvorba ATP aerobní fosforylací) N součást aminokyselin, nukleových kyselin a dalších biologicky významných látek S součást sirných aminokyselin (methionin, cystein) P, Ca, Na, Cl, K, Mg
Biogenní prvky II mikrobiogenní (stopové) tvoří pod 0,005 % hmotnosti organismu, koncentrace v krvi menší než mikromolární doporučený denní příjem pod 100 mg Fe, Cu, Zn, Se, F, I, Co, Cr, Mn, Mo, Si, V
Periodická tabulka vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí protonového čísla periody číslo periody shodné s hlavním kvantovým číslem směrem doprava roste počet valenčních elektronů a elektronegativita, zmenšuje se atomový poloměr a přibývá nekovových vlastností skupiny číslo skupiny shodné s počtem valenčních elektronů směrem dolů roste atomový poloměr a snižuje se elektronegativita, přibývá kovových vlastností
značka česky latinsky anglicky H vodík Hydrogenium hydrogen Hg rtuť Hydrargyrum mercury C uhlík Carboneum carbon N dusík Nitrogenium nitrogen O kyslík Oxygenium oxygen I jód Iodium iodine Al hliník Aluminium aluminium Si křemík Silicium silicon P fosfor Phosphorus phosphorus S síra Sulfur sulphur Na sodík Natrium sodium K draslík Kalium potassium Ca vápník Calcium calcium Mg hořčík Magnesium magnesium Cu měď Cuprum copper Fe železo Ferrum iron
Triviální názvy některých sloučenin voda H 2 O hydroxoniový (oxoniový) kationt H 3 O + amoniak NH 3 amonný kationt NH 4 + sůl NaCl kyselina solná HCl hypermangan KMnO 4 bikarbonát HCO 3 -
Voda molekula vody tvar čtyřstěnu (úhly 105⁰) dipól kyslík silně elektronegativní na H parciální kladný náboj na O parciální záporný náboj tvorba vodíkových můstků polární rozpouštědlo dipolární molekuly vody obklopí rozpouštěnou látku a natočí se podle náboje ionty organické látky obsahující elektricky nabité skupiny neutrální molekuly schopné s vodou tvořit vodíkové můstky nepolární látky se naopak snaží kontaktu s vodou vyhnout shlukují se do kapének
Minerální látky Na + hlavní extracelulární kationt, udržování osmotického tlaku extracelulární tekutiny (ECT), přenos vzruchu na membránách Cl - hlavní extracelulární aniont, udržování osmotického tlaku ECT, tvorba HCl v žaludeční šťávě K + hlavní intracelulární kationt, udržování osmotického tlaku v buňce, klidový membránový potenciál
Minerální látky II Ca 2+ 99 % (1,5 kg) uloženo v tvrdých tkáních (kosti, zuby) hlavně ve formě hydroxyapatitu; zbytek v ECT; v buňkách pouze minimální koncentrace (10-5 -10-4 mmol/l), přesto velmi významná funkce v buňce druhý posel buněčná signalizace skládání proteinů v ER sekrece látek z buňky (nutný pro splynutí sekrečních vesikulů s membránou) mezibuněčné spoje (cadheriny) utěsňovací role v membránách funkce mimo buňku mineralizace kostí nervosvalový přenos a svalová kontrakce srážení krve
Minerální látky III fosfáty 85 % (840 g) v tvrdých tkáních, intracelulární koncentrace poměrně vysoká volný P i a ve formě esterů s organickými sloučeninami součást biologicky významných sloučenin (nukleové kyseliny, makroergní sloučeniny), účast na energetickém metabolismu Mg 2+ 60 % (40 g) v tvrdých tkáních, 2. hlavní intracelulární kationt nejvíce ve svalových buňkách, funkce: stavební kosti a zuby snižuje nervosvalovou dráždivost (blokuje Ca 2+ kanály) kofaktor asi 300 enzymů vazba na ATP (neutralizuje negativní náboje) umožňuje vazbu obou podjednotek ribozomu
Minerální látky IV Fe 2+ a Fe 3+ v těle asi 5g nejvíce v hemoglobinu a myoglobinu (ve formě Fe 2+ ) přenos O 2 součást enzymů podílejících se na přenosech elektronů (oxidoreduktasy) dýchací řetězec, metabolismus cizorodých látek (xenobiotik) přenos v krvi pomocí transferinu (Fe 3+ ), v buňce uloženo do feritinu (Fe 3+ ) volná forma Fe 2+ nebezpečná Fentonova reakce H 2 O 2 + Fe 2+ HO + OH + Fe 3+ - hydroxylový radikál velmi reaktivní Cu + a Cu 2+ součást některých biologicky významných enzymů (dýchací řetězec, antioxidační systém, vyzrávání pojiva, degradace neurotransmiterů) přenos v krvi pomocí ceruloplazminu a albuminu
Vybrané stopové prvky Se selenocystein (21. aminokyselina) enzymy - antioxidační systém, metabolismus hormonů štítné žlázy Zn enzymy - hojení a regenerace tkání, činnost imunitního systému Cr v těle ve formě Cr 3+, Cr 6+ je vysoce toxický enzymy metabolismus sacharidů, funkce insulinu I součást hormonů štítné žlázy
Vybrané stopové prvky Mn enzymy metabolismus sacharidů, antioxidační systém, vývoj kostí Si úloha v kalcifikaci kostí, zrání kolagenu a elastinu a zrání glykosaminoglykanů v pojivu Co podobný Fe, součást vitaminu B 12 (kobalamin)
Významné plyny O 2 dýchací řetězec (buněčné dýchání), biologické oxidace CO 2 odpadní produkt metabolismu uhlíkatých sloučenin CO v těle vzniká pouze v minimálním množství (degradace hemoglobinu), nebezpečná je zvýšená koncentrace v ovzduší (nedokonalé spalování) karboxyhemoglobin (blokace Hb)
Významné plyny II NH 3 v těle v minimální koncentraci (metabolismus dusíkatých látek), při fyziologickém ph naprostá většina ve formě netoxického NH 4 +, při alkalóze však podíl NH 3 stoupá prochází hematoencefalickou bariérou do mozku, kde blokuje Krebsův cyklus a nepříznivě ovlivňuje metabolismus neurotransmiterů, edém mozku NO vzniká z argininu signální molekula - vazodilatace, neurotransmiter, imunitní systém (likvidace intracelulárních parazitů)
ph v buňkách nižší než v extracelulárním prostředí metabolické reakce produkují kyseliny sacharidy pyruvát (laktát) + H + TAG mastné kyseliny, ketolátky + H + fosfolipidy fosát + H + proteiny aminokyseliny močovina + H + cytosol ph = 6,8 7 lysozomy ph = 4,5 5 x krev ph = 7,4 ± 0,04 x moč ph = 5-6
Pufry v buňce pufr = konjugovaný pár kyseliny a zásady schopný v určitém rozmezí udržovat stabilní ph i po přidání silné kyseliny nebo zásady do systému proteiny postranní řetězce některých aminokyselin tvořících proteiny obsahují kyselé či zásadité skupiny COOH COO - + H + NH 2 + H + NH 3 + fosfátový hlavně intracelulární tekutina a moč H 2 PO 4 - HPO 4 2- + H + v buňce (ph 7) je poměr HPO 4 2- : HPO 4 2- přibližně 1:1 organické formy (AMP, ADP, ATP )
Termíny k procvičení difúze pohyb solutu z místa o vysoké koncentraci do místa o nízké koncentraci solutu osmóza pohyb rozpouštědla z prostředí o nízké koncentraci solutu do prostředí s vysokou koncentrací kyselina látka schopná odštěpit H + zásada látka schopná H + vázat
Termíny k procvičení II chemická rovnováha stav, kdy se rychlost zpětné reakce vyrovná rychlosti reakce přímé (koncentrace reaktantů a produktů je v daném čase konstantní) v živém organismu je však rovnováha většiny chemických reakcí posunuta buď ve prospěch produktů nebo reaktantů rovnováhu chemické reakce popisuje rovnovážná konstanta K r A + B C + D čím větší má K r hodnotu, tím více je rovnováha posunuta ve prospěch produktů rovnováhu lze ovlivnit změnou podmínek reakce (koncentrace reaktantů a produktů, teplota, tlak)
Termíny k procvičení III disociace rozpad molekul na ionty disociační konstanta vyjadřuje ochotu kyselin a zásad disociovat ve vodném prostředí odvozuje se z rovnovážné konstanty př. HCl (kys.) + H 2 O (zás.) H 3 O + (kys.) + Cl - (zás.) schopnost disociace určuje sílu kyseliny (zásady)
Termíny k procvičení oxidace předávání elektronů, zvyšování oxidačního čísla redukce přijímání elektronů, snižování oxidačního čísla hydratace navázání vody
Kontrolní otázky Pohyb vody skrz buněčnou membránu se označuje jako difúze Po otevření draselného kanálu v buněčné membráně K + vystupuje z buňky ANO Na + /K + -pumpa transportuje tyto ionty po jejich koncentračním gradientu Po otevření vápenatého kanálu v buněčné membráně Ca 2+ vstupuje do buňky ANO
Kontrolní otázky II V lidských buňkách je nejčetnějším kationtem hořčík NE je nejčetnějším aniontem chlorid NE je významným pufrem fosfátový pufr ANO vzniká jako konečný produkt oxidace různých organických látek CO NE
Kontrolní otázky III Chemický vzorec amoniaku je NH 4 + Hydrogenfosforečnan je HPO 4-1 Fosfátový pufr v buňkách je tvořen H 2 PO 4 - a H 3 PO 4 Bikarbonát je báze odvozená od kyseliny uhličité ANO
Kontrolní otázky IV Přeměna Fe +II na Fe +III je oxidace ANO Cu +II je nižší oxidační stupeň ze dvou, v nichž se měď vyskytuje v buňkách Při rozpouštění CO 2 ve vodě vzniká kyselina uhličitá ANO H 3 O + je vodíkový kation
Kontrolní otázky V Pokud koncentrace H 3 O + roste, ph roztoku se zvyšuje Koncentrace H 3 O + v zásaditých roztocích je stejná jako v čisté vodě ph v buňkách je často vyšší než v extracelulární tekutině Proteiny patří mezi významné intracelulární pufry ANO
Kontrolní otázky VI Vápník je latinsky kalium Hořčík patří mezi alkalické kovy Jediný biologicky významný halogen v lidském těle je chlor Mezi stopové prvky, které řadíme k přechodným kovům, patří Cu, Zn a Se
Kontrolní otázky VII V molekule vodíku jsou atomy vodíku vázány vodíkovou vazbou Elektronegativita je nejvyšší u prvků skupiny I.A V cytoplazmě buňky se dobře rozpouští hydrofóbní látky Vodný roztok kyseliny má vyšší koncentraci hydroxoniových iontů než destilovaná voda ANO
Kontrolní otázky VIII Roztok amoniaku ve vodě má kyselé ph Vzroste-li koncentrace hydroxoniových iontů v roztoku stokrát, vzroste ph dvakrát Kyselina s hodnotou pk = 5 je silnější kyselinou než kyselina s hodnotou pk = 3 Smícháme-li 5 ml 0,1 M kyseliny sírové s 5 ml 0,1 M hydroxidu sodného, bude výsledný roztok neutrální