Biochemia to dziedzina biologii, która bada skład chemiczny zarówno pojedynczych komórek, jak i całego organizmu. Wiadomo, że prawie 98% zawartości komórek to atomy tlenu, węgla, azotu i wodoru. Te pierwiastki chemiczne nazywane są organogennymi. 1,8% przypada na potas, sód, magnez, chlor, fosfor. W organizmie człowieka wchodzą w skład soli mineralnych i mają postać jonów prostych lub złożonych, zapewniając prawidłowy przebieg reakcji metabolicznych. Na przykład najważniejsze związki komórkowe odpowiedzialne za przenoszenie cech dziedzicznych - kwasy nukleinowe - zawierają aniony reszt kwasowych kwasu ortofosforowego.
Jony zawierające fosfor są również zawarte w cząsteczkach ATP, od których zależy dostarczanie komórkom energii. W tym artykule podamy przykłady, które potwierdzają ważnerola fosforu w organizmie człowieka i jego wpływ na metabolizm.
Kowalencyjne wiązania polarne i ich znaczenie
Podstawą budowy substancji organicznych, które składają się na żywą materię, jest zdolność ich cząsteczek do tworzenia określonego typu wiązania chemicznego. Nazywa się to kowalencyjnym polarnym i powstające między atomami niemetali określa główne właściwości chemiczne związków. Biochemia, badając skład cząsteczek substancji wchodzących do komórek roślin, grzybów, zwierząt, ustaliła ich skład chemiczny. Okazało się, że oprócz azotu, węgla, tlenu zawierają również fosfor. W organizmie człowieka nie występuje w stanie wolnym, gdyż jest substancją silnie toksyczną. Dlatego w układach żywych pierwiastek ma postać anionów kwasu meta-, orto- lub pirofosforowego, które mają zdolność tworzenia wiązań z kationami metali. W jakich substancjach komórki można je znaleźć?
Fosfor w złożonych cząsteczkach organicznych
Białka układu kostnego, hormony, witaminy i lipidy tworzą złożone związki z jonami kompleksowymi zawierającymi fosfor. W ludzkim ciele znajdują się złożone związki - fosfolipidy i fosfoproteiny, które wchodzą w skład cząsteczek substancji biologicznie czynnych - enzymów i steroidów. Wiązania kowalencyjne polarne w nukleotydach DNA i RNA zapewniają tworzenie wiązań fosfodiestrowych w łańcuchach kwasu nukleinowego. Dlaczego fosfor jest potrzebny w organizmie człowieka i jakie są jego funkcje w metabolizmie? Rozważmy najpierw to pytanie na poziomie komórkowym organizacji.
Miejsce fosforu w składzie pierwiastkowym komórki
Zgodnie z zawartością cytoplazmy i organelli (0,2-1%), niemetale zajmują czwarte miejsce po elementach organogenicznych. Najbardziej nasycone związkami fosforu są komórki układu mięśniowo-szkieletowego – osteocyty, substancja tkanki zęba – zębina. Ich zawartość jest wysoka w neuronach i neurogleju, które tworzą układ nerwowy. Atomy fosforu znajdują się w białkach błonowych, kwasach nukleinowych i substancjach energochłonnych - kwasie ATP adenozynotrifosforowym oraz w zredukowanej formie fosforanu dinukleotydu nikotynamidu - NADP×H2. Jak widać, w ludzkim ciele fosfor znajduje się we wszystkich ważnych strukturach: komórkach, tkankach, układach fizjologicznych.
Wiadomo, że poziom homeostazy komórki, która jest otwartym systemem biologicznym, zależy od stężenia różnych jonów w hialoplazmie i płynie międzykomórkowym. Jaka jest funkcja fosforu w utrzymaniu niezmienności środowiska wewnętrznego organizmu człowieka?
System buforowy
Ze względu na właściwość półprzepuszczalności przez błonę zewnętrzną do komórki nieustannie dostają się różne substancje, których wysokie stężenie może niekorzystnie wpływać na jej aktywność życiową. Aby zneutralizować nadmiar jonów toksycznych, cytoplazma wraz z kationami sodu, potasu, wapnia zawiera kwaśne pozostałości kwasów węglanowych, siarczynowych i fosforowych. Są w stanie reagować z nadmiarem jonów, które dostały się do komórki i kontrolować stałość zawartości wewnątrzkomórkowej. Układ buforowy, oprócz jonów słabych kwasów, koniecznie zawiera anionyNRO42- i N2RO4 - zawierające fosfor. W organizmie człowieka, jako element układu buforowego, zapewnia fizjologicznie prawidłowy przebieg reakcji metabolicznych na poziomie komórkowym.
Fosforylacja oksydacyjna
Rozkład związków organicznych w komórce nazywa się oddychaniem tlenowym. Jego lokalizacja to mitochondria. Kompleksy enzymatyczne znajdują się na wewnętrznych fałdach - cristae organelli. Na przykład system ATP-azy zawiera cząsteczki będące nośnikami elektronów. Dzięki reakcjom katalizowanym przez enzymy, ATP jest syntetyzowany z ADP i wolnych cząsteczek kwasu fosforowego - uniwersalnej substancji energetycznej komórek, która zużywana jest na ich rozmnażanie, wzrost i ruch. Jego powstawanie można przedstawić jako uproszczony schemat reakcji: ADP + F=ATP. Następnie w cytoplazmie gromadzą się cząsteczki kwasu adenozynotrifosforowego. Służą jako źródło energii do wykonywania prac mechanicznych, na przykład w układzie mięśniowym oraz w reakcjach wymiany plastycznej. W konsekwencji fosfor w ludzkim ciele odgrywa wiodącą rolę w metabolizmie energetycznym.
Wiązania fosfodiestrowe cząsteczek dziedziczności
Wysoka zawartość fosforu atomowego jest rejestrowana w jądrze komórkowym, ponieważ pierwiastek ten jest częścią kwasów nukleinowych. Odkryte w XIX wieku przez szwajcarskiego naukowca F. Mieschera, są biopolimerami i składają się z monomerów - nukleotydów. Fosfor obecnyzarówno w samych zasadach purynowych i pirymidynowych, jak iw wiązaniach tworzących łańcuchy RNA i superskrętkę DNA. Monomery kwasu nukleinowego są zdolne do tworzenia struktur polimerowych dzięki pojawieniu się wiązań kowalencyjnych między resztami pentozy i kwasu fosforowego sąsiednich nukleotydów. Nazywane są fosfodiestrami. Zniszczenie cząsteczek DNA i RNA zachodzące w komórkach ludzkich pod wpływem twardego promieniowania gamma lub w wyniku zatrucia substancjami toksycznymi następuje w wyniku zerwania wiązań fosfodiestrowych. Powoduje śmierć komórek.
Błony biologiczne
Struktury, które ograniczają wewnętrzną zawartość komórki, zawierają również fosfor. W organizmie człowieka do 40% suchej masy ciała przypada na związki zawierające fosfolipidy i fosfoproteiny. Są głównymi składnikami warstwy membranowej, która zawiera również substancje takie jak białka i węglowodany. Wysoka zawartość fosforu jest charakterystyczna dla błon neurocytów i ich procesów – dendrytów i aksonów. Fosfolipidy nadają błonom plastyczność, a dzięki obecności cząsteczek cholesterolu również wytrzymałość. Pełnią również rolę wtórnych posłańców - cząsteczek sygnalizacyjnych, które są aktywatorami białek efektorowych zaangażowanych w przewodzenie impulsu nerwowego.
Przytarczyce i ich rola w metabolizmie fosforu
Przypominający groszek, leżący na obu płatach tarczycy i ważący 0,5-0,8 g każdy, gruczoły przytarczyczne wydzielają hormon przytarczyc. Reguluje wymianę elementów takich jak:wapń i fosfor w organizmie człowieka. Ich funkcją jest działanie na osteocyty i osteoblasty – komórki układu kostnego, które pod wpływem hormonu zaczynają uwalniać do płynu pozakomórkowego sole kwasu fosforowego. Przy nadczynności przytarczyc kości ludzkie tracą siłę, miękną i zapadają się, zawartość fosforu w nich gwałtownie spada. W tym czasie wzrasta ryzyko złamań kręgosłupa, kości miednicy i bioder, które zagrażają życiu pacjenta. Jednocześnie wzrasta ilość wapnia. Prowadzi to do hiperkalcemii z objawami uszkodzenia nerwów obwodowych i spadku napięcia mięśni szkieletowych. Hormon przytarczyc działa również na nerki, zmniejszając wchłanianie zwrotne soli fosforu z moczu pierwotnego. Wzrost fosforanów w tkankach nerek powoduje hiperfosfaturię i tworzenie się kamieni.
Skład mineralny kości
Twardość, wytrzymałość i elastyczność systemu nośnego zależy od składu chemicznego komórek tkanki kostnej. Osteocyty zawierają zarówno związki organiczne, takie jak białko osseina, jak i substancje nieorganiczne zawierające fosforany wapnia i magnezu. Wraz z wiekiem wzrasta ilość składników mineralnych, takich jak hydroksyapatyty, w osteocytach i osteoblastach. Nieprawidłowa mineralizacja tkanki kostnej, nagromadzenie soli wapnia i nadmiaru fosforu w organizmie człowieka prowadzą do utraty elastyczności i wytrzymałości wszystkich części szkieletu, dlatego osoby starsze są bardziej narażone na urazy i złamania.
Przemiana związków fosforu w organizmieczłowiek
Największy gruczoł trawienny w ludzkim organizmie – wątroba – odgrywa wiodącą rolę w metabolizmie substancji zawierających fosfor. Hormony przytarczyc i witamina D również wpływają na te procesy. Dzienne zapotrzebowanie na pierwiastek dla dorosłych wynosi 1,0-2,0 g, dla dzieci i młodzieży - do 2,5 g. Fosfor w postaci łatwo przyswajalnych soli, a także w kompleksach z białkami i węglowodanami, wchodzi do organizmu człowieka wraz z pożywieniem.
Nasączone są nim nasiona słonecznika, dyni, konopi. W produktach pochodzenia zwierzęcego w wątrobie drobiowej, wołowinie, twardych serach i rybach jest dużo fosforu. Nadmiar fosforu w organizmie może wystąpić w wyniku naruszenia funkcji reabsorpcji nerek, niewłaściwego stosowania witamin i braku wapnia w pożywieniu. Negatywny wpływ fosforu na organizm człowieka objawia się przede wszystkim uszkodzeniem układu krążenia, nerek i aparatu kostnego i może wskazywać na poważne zaburzenia metaboliczne.
