2. Anorganické látky v buňkách

Náplň podkapitoly:

1. Složení živé hmoty
2. Anorganické ionty v buňkách

_

Složení živé hmoty

Na první pohled se zdá, že rozlišit živou a neživou hmotu je zcela jednoduché. Přesto intuitivně snadný pojem živé není formulačně vymezen a obdobně ani zařazení systémů a útvarů nemusí být zcela jednoznačné. Živá hmota se vyznačuje vysokým stupněm vnitřní organizovanosti, která není samoúčelná, ale umožňuje živým systémům autonomní regulaci a adaptaci na změny ve vnějším prostředí. Proto je k udržení života zapotřebí kontinuální výměna informací, energie a hmoty s okolím a udržování stálosti vnitřního prostředí v relativně úzkých mezích, tzv. homeostáza. Základní zákony termodynamiky jsou platné i pro živou hmotu. Z termodynamického hlediska se živý organismus řadí mezi otevřené systémy, tedy ty, jež pokrývají svoji potřebu hmoty a energie na úkor okolí, jímž je obklopen a ve kterém zvyšuje stupeň neuspořádanosti. Rovnováha s okolním prostředím je pomíjivá, spíše dynamická, a vzdálená od statické rovnováhy v izolovaném systému. Živé organismy potřebují pro svoji existenci získávat, přeměňovat a využívat energii, a to zejména k:

1) Aktivnímu transportu molekul a iontů

2) Mechanické práci při svalové kontrakci a dalších pohybech buněk

3) Biosyntéze makromolekul a dalších látek z prekurzorů

4) Tvorbě tepla (termogenezi)

Při porovnání chemického složení lidského těla a zemské kůry je z kvalitativního hlediska nápadné, že živá hmota neobsahuje žádný prvek, který by se nevyskytoval také v neživé přírodě. Pokud z kvantitativního hlediska přistoupíme k zastoupení jednotlivých elementů, živá hmota se vyznačuje vysokou koncentrací lehkých prvků. Výjimku představuje nízké zastoupení křemíku a hliníku v lidském tělem, jež se obecně řadí k nejrozšířenějším prvkům na Zemi. Stalo se již tradicí dělit chemické prvky do skupin dle toho, v jakém množství jsou zastoupeny v živé hmotě. I my se tohoto pravidla budeme v následujícím textu držet.

Jako primární biogenní prvky, neboli makrobiogenní, se označují H, O, C, N a P, jež jsou zastoupeny ve všech organismech v množství převyšující 1 % jejich hmotnosti. V menších množstvích se ve všech organismech vyskytují další prvky, tzv. invariabilní, které se podle podílu hmotnosti dále dělí na oligobiogenní, v zastoupení 0,05-1 % hmotnosti (Ca, Mg, S, Na, K, Fe a Cl) a mikrobiogenní prvky (Cu, Zn, Co, Mn, I a Mo). Poslední skupinou jsou prvky jako např. B, Si, V, Br, Li, Se, Ti, As či Al, jež se nacházejí ve významnějších množstvích jen v určitých druzích organismů a pro něž se vžilo označení mikroelementy.

Nedílnou složku živých organismů představují ionty – z kationtů zejména Na+, K+, Ca2+ a Mg2+, z aniotů pak Cl- a kyslíkaté sloučeniny, především PO43- a CO32-.

Celkové množství iontů je v jednotlivých organismech rozdílné, avšak poměrné zastoupení hlavních kationtů je stálé a podobá se svými parametry složení mořské vody. Atomární poměr hlavních kationtů reprezentuje tabulka č. 1. s jejich koncentracemi v živých buňkách a v jejich prostředí.

Tabulka č. 1: Koncentrace hlavních kationtů v živých buňkách a jejich prostředí (mmol.l-1)

Kompartment

Na+

K+

Ca2+

Mg2+

Intracelulární tekutina

10

150

10-4

10

Krevní plazma

140

4,5

2,4

0,9

Mořská voda

460

10

10

52

Z evolučního hlediska je tak zřejmé, že prostředí moře hrálo nedílnou součást při vzniku života, zejména v jeho raných fázích rozvoje.

V následujících dvou tabulkách je uvedeno absolutní množství (v gramech) hlavních prvků obsažených v těle průměrného, zdravého muže o hmotnosti 70 kg.

1) Obsah makrobiogenních prvků

Prvek

Kyslík

Uhlík

Vodík

Dusík

Vápník

Fosfor

Obsah v těle v gramech

45 000 g*

12 600 g

7 000 g

2 100 g

1 050 g

700 g

*více než polovina tělesné hmotnosti

2) Obsah „kovových“ prvků je o poznání menší

Prvek

Draslík

Sodík

Hořčík

Železo

Zinek

Měď

Mangan

Obsah v těle v gramech

140 g

105 g

25 g

4,2 g

2,3 g

0,11 g

0,02 g

Ačkoli je množství kovových prvků o poznání menší (představují přibližně pouhá 2 % tělesné hmotnosti), jsou na nich životní pochody závislé daleko více, než samotný údaj naznačuje. Celá řada anorganických prvků totiž hraje velmi důležitou roli v mnoha biochemických procesech, můžeme je nalézt např. v molekulách:

1) Metaloenzymů a enzymových kofaktorů (cca 40 % známých enzymů, zejm. je využívají oxidoreduktázy (Fe, Cu, Mn, Mo, Ni, V) a hydrolázy (peptidázy, fosfatázy: Zn, Mg, Ca, Fe))

2) Neenzymatických metaloproteinů (např. hemoglobinu: Fe)

3) Biominerálů (kosti, zuby: Ca, Si, …)

4) Vitaminů (např. vitamin B12)

5) Nukleových kyselin (např. DNA n-(M+)n12: Co);  M = Na, K)

6) Hormonů (např. hormony štítné žlázy – tyroxin, trijodthyronin: I)

7) Antibiotik (např. ionofory: valinomycin / K)

8) Chlorofylu (Mg)

_

Anorganické ionty v buňkách

Chemické prvky v biologickém systému

Sodík, draslík, vápník a hořčík se řadí mezi významné složky živých systémů. Kationty jako takové se podílejí na stabilizaci buněčných membrán, enzymů a konformaci nukleových kyselin (DNA, RNA), zejména prostředníctvím elektrostatických interakcí a osmolaritou. Nukleové kyseliny jsou poly-anionty a jako takové vyžadují proti-ionty k částečné nebo úplné neutralizaci negativně nabitých fosfátových skupin. Elektrostatická repulse (elektrostatické odpuzování stejně nabitých iontů a přitahování opačně nabitých) nezastiňuje stabilizační účinky a tak je možné využít Na+, K+, Mg2+ kationt k jejich neutralizaci.

Vápník (Ca)

Vápník hraje jednak ústřední roli ve struktuře biomineralizovaných tkáních savců, jednak se Ca2+ ionty uplatňují jako klíčový, komplexní intracelulární posel, jenž zprostředkovává široký pool biologických procesů. Jako příklady můžeme uvést tvorbu kostí, svalovou kontrakci, proces srážení krve, vylučování neurotransmiterů a hormonů či jeho roli kofaktoru stabilizujícího proteiny. Některé extracelulární enzymy váží jeden nebo více Ca2+ iontů a ty se tak stávají nedílnou součástí jejich struktury. V několika málo z nich je Ca2+ iont vázán na nebo v blízkosti aktivního místa, což souvisí s udržením jeho katalytické aktivity (fosfolipáza A2, α-amyláza, nukleáza).

Hořčík (Mg)

Hořčík je základním prvkem lidského těla s průměrnou denní spotřebou 500 mg u zdravého dospělého člověka. Vzhledem k tomu, že se vyskytuje v molekule chlorofylu, poskytuje listová zelenina jeho dokonalý zdroj. Jak již bylo uvedeno výše, lidský organismus obsahuje asi 25 g Mg2+ iontů, z toho je 65 % uloženo v kostech a zbylých 35 % je široce využito jako soudržný činitel konformace nukleových kyselin (RNA) či jako enzymový aktivátor. Horčík se též podílí na stabilizaci ribozomu. Prakticky všechny enzymy kooperující s fosfátovými kofaktory (např. ATP) vyžadují přítomnost Mg2+ pro svou správnou funkci. Deficit Mg2+ iontů v organismu může být příčinou křečí.

Draslík a sodík (K a Na)

Sodík

Natrium (chemická značka Na) je latinský název pro sodík, jenž nalezneme v periodické tabulce prvků ve skupině alkalických kovů. V zemské kůře i hydrosféře nalezneme sodné ionty téměř všude. Chlorid sodný (sůl kamenná – NaCl) i dusičnan sodný (chilský ledek – NaNO3) jsou součástí hornin a vod. Mořská voda obsahuje ~3 % NaCl. Obsah sodíku se v organismu pohybuje mezi 70-100 g a vyskytuje se z ~50 % v extracelulárním prostoru, z ~40 % v kostní tkáni a z ~10 % je obsažen v intracelulární tekutině. Sodík je zde přítomen ve zcela disociované formě jako sodný kationt – Na+. Koncentrace sodíku (natremie) se v extracelulární tekutině pohybuje kolem 140 mmol.l-1, v intracelulární tekutině 3-10 mmol.l-1a v erytrocytech ~15 mmol.l-1.

Regulace hladiny sodných kationtů je neodmyslitelně spojena s metabolismem vody. Na regulaci natremie, a potažmo i osmolální a objemové homeostáze se podílí systém renin-angiotenzin-aldosteron. Koncentrace sodných kationtů se v organismu striktně monitoruje a je spjata s osmotickým tlakem extracelulární tekutiny. Pokud dojde k zvýšenému vstřebávání sodíku z potravy, zvýší se zpětná resorpce vody v ledvinách a zároveň dojde ke zvýšené exkreci sodíku. Toto platí i opačně – při příjmu většího množství hypoosmotické tekutiny se v ledvinách zvýší zpětná resorpce sodíku a omezí se vstřebávání vody. Hospodaření s volnou vodou zajišťuje antidiuretický hormon (ADH, vasopresin), který uvolňují neurosekreční buňky hypothalamu. Natremie je udržována ve fyziologickém rozmezí hormonem aldosteronem syntetizovaným buňkami kůry nadledvin. Zvýšená produkce aldosteronu je zprostředkována působením angiotenzinu, který sám vykazuje vazokonstrikční účinek.

Hlavní funkce sodíku (souhrnně s draslíkem a chloridy) je v organismu udržovat stálý osmotický tlak uvnitř/vně buněk a acidobazickou rovnováhu. Sodík s chloridovými a hydrogenuhličitanovými anionty tvoří jakýsi základní elektrolyt, ve kterém se uskutečňují všechny životní projevy buněk. Sodík např. ovlivňuje množství tekutiny či udržuje hodnotu klidového membránového potenciálu. Sodný kationt je přečerpáván Na+/K+-ATPázou (tzv. sodno-draselná pumpa) – odčerpává sodík ven z buňky, do buňky je naopak vháněn draslík. Neustálá výměna iontů proti svým koncentračním spádům je energeticky velmi náročná – potřebnou energii dodává ATP.

Draslík

Draslík, latinsky kalium s chemickou značkou K, patří v periodické tabulce prvků do stejné skupiny prvků jako sodík, tj. do skupiny alkalických kovů. Draslík lze stejně jako sodík nalézt v horninách, nerostech a v rozpuštěné formě ve vodách.

V organismu je draslík na rozdíl od svého předchůdce hlavním jednomocným intracelulárním kationtem. 98 % jeho celotělového obsahu je uloženo intracelulárně a pouhá 2 % se nacházejí extracelulárně. Z celkového obsahu intracelulární tekutiny je přibližně 86 % lokalizováno ve svalových buňkách, a po ~6 % v játrech a v červených krvinkách. V intracelulární tekutině můžeme rozlišit volný a vázaný draslík. Vázaný draselný iont je součástí intracelulárních fosfátů a bílkovin. Poměr draslíku vázaného a volného závisí do značné míry na pH prostředí. Při katabolických pochodech dochází k uvolňování iontů draslíku a jejich množství se v plazmě zvyšuje. Při procesech, jež vedou k anabolismu se naopak ionty draslíku váží a jejich obsah se v krevní plazmě snižuje.

Draslík slouží mimo jiné k aktivaci některých enzymů – např. enzymy glykolýzy či dýchacího řetězce. Draselné kationty ovlivňují činnost svalů (zejména srdečního), podílí se na využití sacharidů, na syntéze proteinů, při tvorbě glykogenu a udržují stálost intracelulární tekutiny.

Kobalt (Co)

Lidské tělo obsahuje jen o něco málo více než 1 mg kobaltu. Ten se v organismu vyskytuje zejména v játrech, kosterním svalstvu, kostech, vlasech, v tukové tkáni a krvi. Jako nepostradatelná součást vitaminu B12 se uplatňuje při tvorbě červených krvinek.

Zinek (Zn)

Lidské tělo obsahuje okolo 1,5-3 g zinku, který je hojně zastoupen zejména v játrech a kostech, méně již ve svalech. Existuje množství enzymů (okolo 300), které ke své aktivitě vyžadují přítomnost zinku (například alkoholdehydrogenáza, karboanhydráza nebo laktátdehydrogenáza). Podílí se tedy na mnoha enzymatických funkcích – vykazuje antioxidační vlastnosti, jako součást transkripčních faktorů se účastní syntézy DNA (a proto má význam při buněčné proliferaci, regeneraci tkání a hojení ran) či se uplatňuje v metabolismu sacharidů. Za zmínku stojí i skutečnost, že zinek tvoří komplexy s molekulou inzulinu.

Molybden (Mo)

Molybden tvoří nepostradatelnou součást několika metaloenzymů – např. xantinoxidázy (významný enzym metabolismu purinů), aldehydoxidázy či sulfitoxidázy.

Xantinoxidáza je enzym ze skupiny oxidoreduktáz, jež za pomoci kofaktoru FAD a komplexu železo-molybden, katalyzuje reakci:

Xantin + H2O + O2 → urát + H2O2

Molybden tedy hraje významnou úlohu v metabolismu purinů – v konečné fázi přeměny xantinu na kyselinu močovou. Dále se molybden uplatňuje v uvolňování železa z ferritinu ve střevní sliznici a při zprostředkování uvolnění železa z ferritinu z jater a v erythropoetické tkáni či placentě. Molybdoflavinové enzymy se účastní i dýchacího řetězce.

Aldehydoxidáza řadící se také mezi oxidoreduktázy, jež obsahují molybden (jejím kofaktorem je flavohemoprotein a molybden) katalyzuje reakci:

Aldehyd + H2O + O2 → karboxylová kyselina + H2O2

Sulfitoxidáza (molybdopterin) katalyzuje poslední krok v oxidaci atomu síry v molekule příslušné aminokyseliny (cystein) na anorganický sulfát, respektive katalyzuje oxidaci siřičitanu na síran.

Kromě role enzymového kofaktoru zvyšuje molybden společně s fluorem pevnost kostí a zubů, a tím přispívá k prevenci zubního kazu.

Mangan (Mn)

Celkový obsah manganu v dospělém lidském organismu činí 10-20 mg, přičemž je obsažen zejména v játrech, pankreatu a ledvinách. Hlavní funkcí manganu je usnadnění ukládání vápníku a fosforu do kostí, čímž má preventivně působit např. proti vzniku osteoporózy. Uplatňuje se i při syntéze hormonu štítné žlázy tyroxinu či pohlavních hormonů.

Chrom (Cr)

Dospělý člověk disponuje zásobou chromu okolo 6 mg. V těle se vyskytuje ve dvou základních formách – trojmocné a šestimocné. Trojmocný chrom vykazující pozitivní biologické účinky v organismu se absorbuje v horní části gastrointestinálního traktu. Šestimocný chrom je naopak pro lidské tělo toxický a jeho expozice je viněna z role v patogenezi rozvoje nádorových a kožních onemocnění. Role trojmocného chromu se uplatňuje zejména v rámci metabolismu sacharidů, kdy některé studie naznačují jeho pozitivní vliv na působení inzulinu. Jiné studie tento vliv naopak nepotvrdily, a proto se tohoto faktu v klinické praxi rutinně nevyužívá.

Měď (Cu)

Zásoba mědi u dospělého člověka činí 100-110 mg, přičemž její vyšší obsah je popisován v játrech, ledvinách, srdci a mozku. Játra se uplatňují jako hlavní orgán distribuce mědi do tkání a její exkrece z těla.

Měď napomáhá při vstřebávání železa a je nepřímo zodpovědná za tvorbu hemoglobinu. Dále se uplatňuje v procesu hojení ran, produkce energie, pigmentace či tvorby kostí. Podílí se na aktivitě řady enzymů – např. superoxiddismutázy, lysyloxidázy, monoaminoxidázy, dopamin β-hydroxylázy, aminoxidázy, tyrosinázy nebo ferroxidázy.

Železo (Fe)

Celkové množství železa v organismu se pohybuje okolo 4-5 g. Z tohoto množství je 60-70 % součástí hemoglobinu, 15 % je vázáno na buněčný protein ferritin,  3-5 % je uloženo ve svalovém myoglobinu, přibližně 0,2 % se vyskytuje jako součást enzymů dýchacího řetězce a asi 0,0004 % železa je vázáno na transportní protein transferin. Železo tak umožňuje přenos kyslíku v krvi, je potřebné pro mnoho enzymů a podílí se na tvorbě energie. Je důležité pro řadu vitálních funkcí, podporuje růst, reprodukci, hojení ran a imunitní systém. Ke kompletnímu vstřebávání železa je zapotřebí měď, mangan a vitamin C.

Autor podkapitoly: Václav Pavlíček

cc-by-sa