Anorganické látky v buňkách Vladimíra Kvasnicová
voda ionty pufry plyny produkty metabolismu reaktivní formy kyslíku a dusíku těžké kovy
Chemické složení lidského těla 60% vody (2/3 intracelulárně, 1/3 extracelulárně) 18% proteiny, peptidy aminokyseliny 15% tuky (hlavně triacylglyceroly v tukové tkáni) 1% sacharidy (poly- a monosacharidy) 1% nukleové kyseliny, nukleotidy 5% minerální látky
Chemické složení buňky 1. 60% hmotnosti tvoří voda polární rozpouštědlo, většina chemických reakcí v těle probíhá ve vodném roztoku 2. 35% organické látky a) vysokomolekulární (proteiny, nukleové kyseliny, glykogen) b) nízkomolekulární (glukóza, lipidy, aminokyseliny, meziprodukty metabolismu např. deriváty organických kyselin) 3. 5% anorganické látky
Minerální látky v lidském těle (dospělý člověk, 70 kg) Ca 1 500 g 99% v kostech a zubech: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ; buněč. signalizace, sval. kontrakce, srážení krve P 840 g 85% v kostech; ve strukt. nukl. kys., fosfolipidů a makroergních slouč., účast na energetickém mtb K 180 g převážně intracelulárně, udržování osmotického tlaku, membránový potenciál, srdeční aktivita S 140 g v proteinech (Cys, Met), součást biokatalyzátorů Cl 110 g převážně extracelulárně, udržování osmot. tlaku Na 100 g převážně extracelulárně, udržování osmotického tlaku, membránový potenciál Mg 40 g 60% v kostech, intracelulárně: stabilizace ATP Fe 5g nejvíc v hemoglobinu (přenos O 2 ), součást enzymů (přenos elektronů - redoxní reakce)
Obrázek převzat z http://www.windows.ucar.edu/earth/geology/images/periodic_table.gif (září 2007)
Zastoupení prvků v přírodě anorganická hmota kyslík (O) 50% křemík (Si) 25% hliník (Al) 7% železo (Fe) 5% vápník (Ca) 3% sodík (Na) draslík (K) hořčík (Mg) vodík (H) 90% organická hmota kyslík (O) uhlík (C) vodík (H) dusík (N) organické sloučeniny: sloučeniny uhlíku C, O, H, N titan (Ti) 0,6%
Biogenní prvky = prvky nezbytné pro stavbu a funkci organismů makrobiogenní prvky: C O H N Ca P S Na Cl K Mg nad 0,005 % hmotnosti organismu doporučený denní přísun potravou nad 100 mg koncentrace v krvi více než mikromolární mikrobiogenní (stopové) prvky Fe Cu Zn Se F I Co Cr Mn Mo Si V pod 0,005 % hmotnosti organismu doporučený denní přísun potravou pod 100 mg koncentrace v krvi mikromolární nebo nižší
Co je důležité znát: 1) rozdělení prvků do skupin 2) symboly a české názvy prvků 3) latinské názvy prvků 4) triviální názvy vybraných sloučenin Doplňující informace: pravidla latinského chemického názvosloví (jejich znalost není k udělení zápočtu ani u zkoušky vyžadována)
skupenství: plynné, kapalné, pevné nekovy přechodné kovy kovy vzácných zemin halogeny alkalické inertní kovy kovy alkal. ostatní kovy plyny zemin Obrázek převzat z http://www.corrosionsource.com/handbook/periodic/periodic_table.gif (září 2007)
Co je důležité znát: 1) rozdělení prvků do skupin viz. Periodická tabulka prvků alkalické kovy: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (IA) kovy alkalických zemin: (Be, Mg), Ca, Sr, Ba (IIA) halogeny: F, Cl, Br, I (VIIA) vzácné plyny: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (VIIIA)
Co je důležité znát: 1) rozdělení prvků do skupin viz. Periodická tabulka prvků nekovy: H (IA) B (IIIA) C, Si (IVA) N, P, As (VA) O, S, Se (VIA) centrální atomy kyselin halogeny (VIIA)
Co je důležité znát: 1) rozdělení prvků do skupin viz. Periodická tabulka prvků přechodné kovy: Cu, Ag, Au (IB) Zn, Cd, Hg (IIB) Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Pt ostatní kovy: Al, Sn, Sb, Pb, Bi
Co je důležité znát: 2) symboly a české názvy prvků 3) latinské názvy prvků symboly jsou odvozeny z latinských názvů H = Hydrogenium = vodík Na = Natrium = sodík Ag = Argentum = stříbro (Ar = Argon)
ČESKY vodík rtuť uhlík dusík kyslík jód hliník křemík fosfor síra olovo LATINSKY Hydrogenium Hydrargyrum Carboneum Nitrogenium Oxygenium Iodium Aluminium Silicium Phosphorus Sulfur Plumbum ANGLICKY hydrogen mercury carbon nitrogen oxygen iodine aluminium silicon phosphorus sulphur lead
ČESKY sodík draslík vápník hořčík měď stříbro cín antimon železo nikl zlato LATINSKY Natrium Kalium Calcium Magnesium Cuprum Argentum Stannum Stibium Ferrum Niccolum Aurum ANGLICKY sodium potassium calcium magnesium copper silver tin antimony iron nickel gold
4) Triviální názvy některých sloučenin H 2 O voda H 3 O + hydroxonium NH 3 amoniak NH 4 + amonium NaCl HCl sůl kyselina solná KMnO 4 hypermangan (lat. Kalii permanganas) HCO 3 - bikarbonát (lat. bicarbonas)
CVIČENÍ Na 2 SO 3 K 3 PO 4 (NH 4 ) 2 HPO 4 LiH 2 PO 4 Ca(HCO 3 ) 2 Ag 2 S ZnSO 4 KMnO 4 NaBrO Ba(NO 3 ) 2 HgCl 2 Na 2 B 4 O 7. 10 H 2 O KAl(SO 4 ) 2 NaAl(SO 4 ) 2. 12 H 2 O (NH 4 ) 2 CO 3 CaSO 4. ½ H 2 O ZnSO 4. 7 H 2 O K 2 Cr 2 O 7 KMgF 3 NH 4 MgPO 4 PbClF Cu 3 (CO 3 ) 2 F 2
Cytosol je vodný roztok H 2 O 60 % hmotnosti buněk voda je polární rozpouštědlo rozpouští polární látky
Vlastnosti vody polárně-kovalentní vazba mezi kyslíkem a vodíkem parciální náboje polární molekula vodíkové můstky ve vodných roztocích (slabé interakce ne kovalentní vazba, ale významné) molekuly vody mají tendenci se slepovat k sobě navzájem: vysoké povrchové napětí voda vytváří hydratační obal kolem rozpuštěných látek
protein ve vodě olej ve vodě
Autoprotolýza vody (disociace vody) ve vodných roztocích platí: K v = [H 3 O + ] x [OH - ] = 10-14 [H 3 O + ] = 10-7 ph = 7 [OH - ] = 10-7 v čisté vodě: [H 3 O + ] = [OH - ] v kyselých roztocích: [H 3 O + ] > [OH - ] ph < 7 v zásaditých roztocích: [H 3 O + ] < [OH - ] ph > 7
rozmezí ph slučitelné se životem Obrázek převzat z http://www.colorado.edu/kines/class/iphy3430-200/14fluid.html (duben 2007)
ph v buňkách nižší než v extracelulární tekutině, protože metabolické reakce produkují kyseliny (CO 2 H 2 CO 3, kyselina mléčná) cytosol: ph = 6,8 7,0 v lyzosomech: ph = 4,5 5,0 v krvi: ph = 7,40 ± 0,04 v moči: ph = 5,0 6,0
Metabolismus okyseluje: obecně: uhlíkatý skelet CO 2 +H 2 O HCO 3- + H + sacharidy glukóza pyruvát, laktát + H + triacylglyceroly mastné kyseliny, ketolátky + H + fosfolipidy fosfát + H + proteiny aminokyseliny sulfát, močovina + H +
Intracelulární pufry proteiny (amfolyty): postranní řetězce aminokyselin fosfáty anorganické: HPO 4 2- / H 2 PO 4 - organické: estery a anhydridy kyseliny fosforečné bikarbonátový pufr je hlavní pufr extracelulární tekutiny (krve) HCO 3- / H 2 CO 3 (H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O) Henderson Hasselbalchova rovnice ph = pk a + log (c b / c a )
Disociační konstanta a ph pufru! pufr nejlépe pufruje při: ph = pk ± 1! a) ph = pk + log (1 / 1) ph = pk b) ph = pk + log (10 / 1) ph = pk + 1 c) ph = pk + log (1 / 10) ph = pk 1 ph = pk a + log (c b / c a )
Cvičení Která ze složek fosfátového pufru (HPO 2-4 / H 2 PO 4- ) převažuje v krvi, jejíž ph = 7,40? pk(h 2 PO 4- ) = 7,0 (2,5 = 25/10 = 5/2, tj. převažuje HPO 2-4 ) Která ze složek fosfátového pufru (HPO 2-4 / H 2 PO 4- ) převažuje v moči, jejíž ph = 6,0? pk(h 2 PO 4- ) = 7,0 (0,1 = 1/10, tj. převažuje H 2 PO 4- )
Význam disociační konstanty Poměr složek fosfátového pufru (HPO 4 2- / H 2 PO 4-, pk 2 = 7,0) při a) ph = 7,4 (v krvi) b) ph = 7,0 (v buňce) c) ph = 6,0 (v moči) 2,5 = 25/10 = 5/2 1,0 = 1/1 0,1 = 1/10
Henderson-Hasselbalchova rovnice pro bikarbonátový pufr při ph krve převažuje báze bikarbonátového pufru, neboť hodnota ph krve je vyšší než hodnota pk pufru (7,4 > 6,1) bikarbonátový pufr je účinný i při poměru 20/1 neboť vznikající CO 2 vydýcháme (otevřený systém) [CO 2 ] = α x pco 2 α = 0,226 pro pco 2 v kpa α = 0,03 pro pco 2 v mmhg
Převod jednotek tlak = síla působící na jednotku plochy (Pa) 1 kpa = 10 3 Pa Daltonův zákon = celkový tlak směsi plynů je roven součtu parciálních tlaků jednotlivých složek směsi parciální tlak = tlak jednoho plynu přítomného ve směsi plynů
Složení vzduchu: Převod jednotek 78% N 2 21% O 2 1% voda, vzácné plyny, CO 2 (0,04%) Tlak vzduchu: 1 atm = 101 325 Pa (~ 101 kpa) = 760 Torr (= mmhg) 1 mmhg = 0,1333 kpa 1 kpa = 7,5 mmhg
Cvičení Parciální tlak krevních plynů naměřený v laboratoři: po 2 = 71 mmhg pco 2 = 35 mmhg Převeďte tyto hodnoty do SI jednotek (kpa). po 2 = 9,5 kpa pco 2 = 4,7 kpa
Anorganické ionty v tělních tekutinách anorganické ionty = minerály (5% hmotnosti) intracelulární tekutina (ICT) K + > > Mg 2+ > Na + > > > > > (Ca 2+ ) fosfáty > proteiny > sulfáty > HCO 3- > Cl - extracelulární tekutina (ECT) např. krevní plazma: Na + > > > K + > Ca 2+ > Mg 2+ Cl - > > HCO 3- > proteiny > fosfáty > sulfáty transport přes membránu (kanály, transportéry)
Stopové prvky (0,005 % tělesné hmotnosti a méně) často slouží jako kofaktory enzymů 1) plazmatická koncentrace: 10 20 µmol / L Fe, Zn, Cu / běžné oxidační stavy! 2) nízká plazmatická koncentrace (µmol/l, nmol/l) Se, Mn, Mo, Cr, Co, Si, F, I,...
kationty krevní plazmy Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Fe 3+ H + mmol/l 142 4,2 2,5 0,9 0,02 0,000 04 nmol/l 142 000 000 4 200 000 2 500 000 900 000 20 000 40
Anorganické produkty metabolismu C, H, O CO 2, H 2 O H 2 CO 3 / HCO - 3 N NH 3 / NH + 4 P H 2 PO 4- / HPO 2-4 = fosfáty S SO 2-4 = sulfát I - z degradace thyroidálních hormonů CO z degradace hemu H + z kyselin / H jako redukční ekvivalent
Vzorové testové otázky Kurz 1 - Struktura buňky průběžný test: 7. listopadu 2016
Vyberte pravdivá tvrzení a) pohyb vody skrz buněčnou membránu se označuje jako difúze b) po otevření draselného kanálu v buněčné membráně K + vystupuje z buňky c) Na + /K + -pumpa transportuje tyto ionty po jejich koncentračním gradientu d) po otevření vápenatého kanálu v buněčné membráně Ca 2+ vstupuje do buňky
Vyberte pravdivá tvrzení a) pohyb vody skrz buněčnou membránu se označuje jako difúze b) po otevření draselného kanálu v buněčné membráně K + vystupuje z buňky c) Na + /K + -pumpa transportuje tyto ionty po jejich koncentračním gradientu d) po otevření vápenatého kanálu v buněčné membráně Ca 2+ vstupuje do buňky NE ANO NE ANO
V lidských buňkách a) je nejčetnějším kationtem hořčík b) je nejčetnějším aniontem chlorid c) je významným pufrem fosfátový pufr d) vzniká jako konečný produkt oxidace různých organických látek CO
V lidských buňkách a) je nejčetnějším kationtem hořčík b) je nejčetnějším aniontem chlorid c) je významným pufrem fosfátový pufr d) vzniká jako konečný produkt oxidace různých organických látek CO NE NE ANO NE
Souhlasíte s následujícími tvrzeními? a) chemický vzorec amoniaku je NH 4 + b) hydrogenfosforečnan je HPO 4-1 c) fosfátový pufr v buňkách je tvořen H 2 PO 4- a H 3 PO 4 d) bikarbonát je báze odvozená od kyseliny uhličité
Souhlasíte s následujícími tvrzeními? a) chemický vzorec amoniaku je NH 4 + b) hydrogenfosforečnan je HPO 4-1 c) fosfátový pufr v buňkách je tvořen H 2 PO 4- a H 3 PO 4 d) bikarbonát je báze odvozená od kyseliny uhličité NE NE NE ANO
Vyberte pravdivá tvrzení a) přeměna Fe +II na Fe +III je oxidace b) Cu +II je nižší oxidační stupeň ze dvou, v nichž se měď vyskytuje v buňkách c) při rozpouštění CO 2 ve vodě vzniká kyselina uhličitá d) H 3 O + je vodíkový kation
Vyberte pravdivá tvrzení a) přeměna Fe +II na Fe +III je oxidace b) Cu +II je nižší oxidační stupeň ze dvou, v nichž se měď vyskytuje v buňkách c) při rozpouštění CO 2 ve vodě vzniká kyselina uhličitá d) H 3 O + je vodíkový kation ANO NE ANO NE
Která tvrzení jsou správná? a) pokud koncentrace H 3 O + roste, ph roztoku se zvyšuje b) koncentrace H 3 O + v zásaditých roztocích je stejná jako v čisté vodě c) ph v buňkách je často vyšší než v extracelulární tekutině d) proteiny patří mezi významné intracelulární pufry
Která tvrzení jsou správná? a) pokud koncentrace H 3 O + roste, ph roztoku se zvyšuje b) koncentrace H 3 O + v zásaditých roztocích je stejná jako v čisté vodě c) ph v buňkách je často vyšší než v extracelulární tekutině d) proteiny patří mezi významné intracelulární pufry NE NE NE ANO
Která tvrzení jsou správná? a) vápník je latinsky kalium b) hořčík patří mezi alkalické kovy c) jediný biologicky významný halogen v lidském těle je chlor d) mezi stopové prvky, kteréřadíme k přechodným kovům, patří Cu, Zn a Se
Která tvrzení jsou správná? a) vápník je latinsky kalium b) hořčík patří mezi alkalické kovy c) jediný biologicky významný halogen v lidském těle je chlor d) mezi stopové prvky, kteréřadíme k přechodným kovům, patří Cu, Zn a Se NE NE NE NE
Pravidla latinského chemického názvosloví název kationtu vlevo / aniontu vpravo název kationtu v genitivu (= 2. pád) více oxidačních stupňů: 2 různé koncovky 2 různé předpony příklad: FeCl 2 Ferrosi chloridum FeCl 3 Ferri chloridum příklad: Acidum hypochlorosum Acidum perchloricum 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mono di tri tetra penta hexa hepta octa nona deca dodeca undeca
oxidační číslo kationtu koncovka latinsky /anglicky NIŽŠÍ -osi -ous VYŠŠÍ -i -ic
Důležité koncovky a jejich vzájemný vztah (latinsky / anglicky) bezkyslíkatá oxokyselina - nižší ox.č. oxokyselina - vyšší ox.č. kyselina (Acidum) hydro-...-icum hydro-...-ic acid -osum -ous acid -icum -ic acid sůl /anion -idum -ide -is -ite -as -ate
předpony k rozlišení více než dvou oxidačních stupňů předpona NEJNIŽŠÍ (hy)per- hypo- NEJVYŠŠÍ
příklady: HCl HClO HClO 2 HClO 3 HClO 4 Acidum hydrochloricum Acidum hypochlorosum Acidum chlorosum Acidum chloricum Acidum perchloricum NaCl NaClO NaClO 2 NaClO 3 NaClO 4 Natrii chloridum Natrii hypochloris Natrii chloris Natrii chloras Natrii perchloras
SLOVNÍČEK latinsky / anglicky oxidum / oxide peroxidum / peroxide hydroxidum / hydroxide chloridum / chloride sulfidum / sulfide cyanidum / cyanide acidum / acid hydrogeno- / hydrogensub- / hydroxy- česky oxid peroxid hydroxid chlorid sulfid kyanid kyselina předpona hydrogenpředpona pro bazickou sůl