Biochémia je odvetvie biológie, ktoré študuje chemické zloženie jednotlivých buniek aj celého organizmu. Je známe, že takmer 98 % bunkového obsahu zahŕňa atómy kyslíka, uhlíka, dusíka a vodíka. Tieto chemické prvky sa nazývajú organogénne. 1,8 % pripadá na draslík, sodík, horčík, chlór, fosfor. V ľudskom tele sú súčasťou minerálnych solí a majú formu jednoduchých alebo komplexných iónov, zabezpečujúcich normálny priebeh metabolických reakcií. Napríklad najdôležitejšie bunkové zlúčeniny zodpovedné za prenos dedičných vlastností - nukleové kyseliny - obsahujú anióny kyslých zvyškov kyseliny ortofosforečnej.
Ióny obsahujúce fosfor sú tiež zahrnuté v molekulách ATP, od ktorých závisí zásobovanie buniek energiou. V tomto článku uvedieme príklady, ktoré potvrdzujú to dôležitéúloha fosforu v ľudskom tele a jeho vplyv na metabolizmus.
Kovalentné polárne väzby a ich význam
Základom štruktúry organických látok, ktoré tvoria živú hmotu, je schopnosť ich molekúl vytvárať určitý typ chemickej väzby. Nazýva sa kovalentná polárna a vzniká medzi atómami nekovov a určuje hlavné chemické vlastnosti zlúčenín. Biochémia, ktorá študuje zloženie molekúl látok vstupujúcich do buniek rastlín, húb, zvierat, stanovila ich chemické zloženie. Ukázalo sa, že okrem dusíka, uhlíka, kyslíka k nim patrí aj fosfor. V ľudskom organizme sa vo voľnom stave nevyskytuje, keďže ide o prudko toxickú látku. Preto má prvok v živých systémoch formu aniónov kyseliny meta-, orto- alebo pyrofosforečnej, ktoré majú schopnosť vytvárať väzby s katiónmi kovov. V ktorých látkach bunky sa nachádzajú?
Fosfor v zložitých organických molekulách
Proteíny kostrového systému, hormóny, vitamíny a lipidy tvoria komplexné zlúčeniny s komplexnými iónmi obsahujúcimi fosfor. V ľudskom tele sa nachádzajú zložité zlúčeniny – fosfolipidy a fosfoproteíny, ktoré sú súčasťou molekúl biologicky aktívnych látok – enzýmov a steroidov. Kovalentné polárne väzby v nukleotidoch DNA a RNA zabezpečujú tvorbu fosfodiesterových väzieb v reťazcoch nukleových kyselín. Prečo je fosfor potrebný v ľudskom tele a aké sú jeho funkcie v metabolizme? Najprv sa zamyslime nad touto otázkou na bunkovej úrovni organizácie.
Miesto fosforu v elementárnom zložení bunky
Podľa obsahu v cytoplazme a organelách (0,2-1%) je nekov na štvrtom mieste po organogénnych prvkoch. Najviac nasýtené zlúčeninami fosforu sú bunky pohybového aparátu - osteocyty, látka zubného tkaniva - dentín. Ich obsah je vysoký v neurónoch a neurogliách, ktoré tvoria nervový systém. Atómy fosforu sa nachádzajú v membránových proteínoch, nukleových kyselinách a energeticky náročných látkach – ATP kyseline adenozíntrifosforečnej a v redukovanej forme nikotínamiddinukleotidfosfátu – NADP×H2. Ako vidíte, v ľudskom tele sa fosfor nachádza vo všetkých životne dôležitých štruktúrach: bunkách, tkanivách, fyziologických systémoch.
Je známe, že úroveň homeostázy bunky, ktorá je otvoreným biologickým systémom, závisí od koncentrácie rôznych iónov v hyaloplazme a medzibunkovej tekutine. Aká je funkcia fosforu pri udržiavaní stálosti vnútorného prostredia ľudského tela?
Systém vyrovnávacej pamäte
Vďaka vlastnosti semipermeability cez vonkajšiu membránu neustále vstupujú do bunky rôzne látky, ktorých vysoká koncentrácia môže nepriaznivo ovplyvniť jej životnú aktivitu. Na neutralizáciu prebytku toxických iónov obsahuje cytoplazma spolu s katiónmi sodíka, draslíka, vápnika kyslé zvyšky kyseliny uhličitanu, siričitanu a kyseliny fosforečnej. Sú schopné reagovať s prebytkom iónov, ktoré vstúpili do bunky, a kontrolovať stálosť vnútrobunkového obsahu. Tlmivý systém okrem iónov slabých kyselín nevyhnutne zahŕňa aniónyNRO42- a N2RO4 - s obsahom fosforu. V ľudskom tele ako súčasť nárazníkového systému zabezpečuje fyziologicky normálny priebeh metabolických reakcií na bunkovej úrovni.
Oxidačná fosforylácia
Rozklad organických zlúčenín v bunke sa nazýva aeróbne dýchanie. Jeho lokalizáciou sú mitochondrie. Enzýmové komplexy sa nachádzajú na vnútorných záhyboch - cristae organel. Napríklad systém ATP-ázy obsahuje molekuly nosiča elektrónov. Vďaka reakciám katalyzovaným enzýmami sa ATP syntetizuje z ADP a voľných molekúl kyseliny fosforečnej – univerzálnej energetickej substancie buniek, ktorá sa vynakladá na ich rozmnožovanie, rast a pohyb. Jeho vznik možno znázorniť ako zjednodušenú reakčnú schému: ADP + F=ATP. Potom sa molekuly kyseliny adenozíntrifosforečnej akumulujú v cytoplazme. Slúžia ako zdroj energie na vykonávanie mechanickej práce, napríklad v svalovom systéme a pri plastických výmenných reakciách. V dôsledku toho hrá fosfor v ľudskom tele vedúcu úlohu v energetickom metabolizme.
Fosfodiesterové väzby molekúl dedičnosti
V bunkovom jadre je zaznamenaný vysoký obsah atómového fosforu, keďže prvok je súčasťou nukleových kyselín. Boli objavené ešte v 19. storočí švajčiarskym vedcom F. Miescherom, sú to biopolyméry a pozostávajú z monomérov – nukleotidov. Prítomný fosforako v samotných purínových a pyrimidínových bázach, tak aj vo väzbách, ktoré tvoria reťazce RNA a supercoil DNA. Monoméry nukleových kyselín sú schopné vytvárať polymérne štruktúry vďaka vzniku kovalentných väzieb medzi pentózovými a fosforečnými zvyškami susedných nukleotidov. Nazývajú sa fosfodiestery. K deštrukcii molekúl DNA a RNA, ku ktorej dochádza v ľudských bunkách pod vplyvom tvrdého gama žiarenia alebo v dôsledku otravy toxickými látkami, dochádza v dôsledku prerušenia fosfodiesterových väzieb. Spôsobuje odumieranie buniek.
Biologické membrány
Štruktúry, ktoré obmedzujú vnútorný obsah bunky, obsahujú aj fosfor. V ľudskom tele až 40% suchej telesnej hmotnosti pripadá na zlúčeniny obsahujúce fosfolipidy a fosfoproteíny. Sú hlavnými zložkami membránovej vrstvy, ktorá obsahuje aj látky ako bielkoviny a sacharidy. Vysoký obsah fosforu je charakteristický pre membrány neurocytov a ich procesy - dendrity a axóny. Fosfolipidy dodávajú membránam plasticitu a vďaka prítomnosti molekúl cholesterolu aj pevnosť. Zohrávajú tiež úlohu druhých poslov – signálnych molekúl, ktoré sú aktivátormi efektorových proteínov zapojených do vedenia nervového impulzu.
Prištítne telieska a ich úloha v metabolizme fosforu
Prištítne telieska, ktoré sa podobajú hrášku, ležia na oboch lalokoch štítnej žľazy a vážia každý 0,5 – 0,8 g, vylučujú parathormón. Reguluje výmenu prvkov ako naprvápnika a fosforu v ľudskom tele. Ich funkciami je pôsobenie na osteocyty a osteoblasty – bunky kostrového systému, ktoré vplyvom hormónu začnú uvoľňovať soli kyseliny fosforečnej do extracelulárnej tekutiny. Pri hyperfunkcii prištítnych teliesok ľudské kosti strácajú pevnosť, mäknú a kolabujú, obsah fosforu v nich prudko klesá. V tomto čase sa zvyšuje riziko zlomenín chrbtice, panvových kostí a bedier, ktoré ohrozujú život pacienta. Zároveň sa zvyšuje množstvo vápnika. To vedie k hyperkalcémii s príznakmi poškodenia periférnych nervov a poklesu tonusu kostrového svalstva. Parathormón pôsobí aj na obličky, pričom znižuje reabsorpciu solí fosforu z primárneho moču. Zvýšenie fosfátu v tkanivách obličiek spôsobuje hyperfosfatúriu a tvorbu kameňov.
Minerálne zloženie kostí
Tvrdosť, pevnosť a elasticita nosného systému závisí od chemického zloženia buniek kostného tkaniva. Osteocyty obsahujú organické zlúčeniny, ako je proteín osseín, ako aj anorganické látky obsahujúce vápenaté a horečnaté fosforečnanové soli. Ako človek starne, zvyšuje sa množstvo minerálnych zložiek, ako sú hydroxyapatity, v osteocytoch a osteoblastoch. Abnormálna mineralizácia kostného tkaniva, hromadenie vápenatých solí a nadbytok fosforu v ľudskom tele vedie k strate pružnosti a pevnosti všetkých častí kostry, takže starší ľudia sú náchylnejší na riziko úrazov a zlomenín.
Transformácia zlúčenín fosforu v telečlovek
Najväčšia tráviaca žľaza v ľudskom tele – pečeň – hrá vedúcu úlohu v metabolizme látok obsahujúcich fosfor. Parathormóny a vitamín D tiež ovplyvňujú tieto procesy. Denná potreba prvku pre dospelých je 1,0-2,0 gramov, pre deti a dospievajúcich - do 2,5 g Fosfor vo forme ľahko stráviteľných solí, ako aj v komplexoch s bielkovinami a sacharidmi, vstupuje do ľudského tela s jedlom.
Slnečnicové, tekvicové, konopné semienka sú ním nasýtené. V kuracej pečeni, hovädzom mäse, tvrdých syroch a rybách je veľa fosforu v živočíšnych produktoch. Nadbytok fosforu v tele sa môže vyskytnúť v dôsledku porušenia reabsorpčnej funkcie obličiek, nesprávneho používania vitamínov a nedostatku vápnika v potravinách. Negatívny vplyv fosforu na ľudský organizmus sa prejavuje predovšetkým v poškodení kardiovaskulárneho systému, obličiek a kostného aparátu a môže poukazovať na vážne metabolické poruchy.
