Biokemia on biologian ala, joka tutkii sekä yksittäisten solujen että koko organismin kemiallista koostumusta. Tiedetään, että lähes 98 % solujen sisällöstä sisältää happi-, hiili-, typpi- ja vetyatomeja. Näitä kemiallisia alkuaineita kutsutaan organogeenisiksi. 1,8 % laskee kaliumille, natriumille, magnesiumille, kloorille, fosforille. Ihmiskehossa ne ovat osa mineraalisuoloja ja ovat yksinkertaisten tai monimutkaisten ionien muodossa, mikä varmistaa aineenvaihduntareaktioiden normaalin kulun. Esimerkiksi tärkeimmät perinnöllisten ominaisuuksien välittämisestä vastaavat soluyhdisteet - nukleiinihapot - sisältävät ortofosforihapon happotähteiden anioneja.
ATP-molekyyleihin sisältyy myös fosforia sisältäviä ioneja, joista solujen energian saaminen riippuu. Tässä artikkelissa annamme esimerkkejä, jotka vahvistavat tärkeänfosforin rooli ihmiskehossa ja sen vaikutus aineenvaihduntaan.
Kovalentit polaariset sidokset ja niiden merkitys
Elävän aineen muodostavien orgaanisten aineiden rakenteen perusta on niiden molekyylien kyky muodostaa tietyntyyppinen kemiallinen sidos. Sitä kutsutaan kovalenttiseksi polaariseksi, ja se syntyy ei-metallien atomien välissä, ja se määrittää yhdisteiden tärkeimmät kemialliset ominaisuudet. Biokemia, joka tutkii kasvien, sienten ja eläinten soluihin joutuvien aineiden molekyylien koostumusta, määritti niiden kemiallisen koostumuksen. Kävi ilmi, että typen, hiilen ja hapen lisäksi ne sisältävät myös fosforia. Ihmiskehossa sitä ei esiinny vapaassa tilassa, koska se on erittäin myrkyllinen aine. Siksi elävissä järjestelmissä elementti on meta-, orto- tai pyrofosforihapon anionien muodossa, joilla on kyky muodostaa sidoksia metallikationien kanssa. Mistä solun aineista ne löytyvät?
Fosfori monimutkaisissa orgaanisissa molekyyleissä
Luuston proteiinit, hormonit, vitamiinit ja lipidit muodostavat monimutkaisia yhdisteitä fosforia sisältävien monimutkaisten ionien kanssa. Ihmiskehossa on monimutkaisia yhdisteitä - fosfolipidejä ja fosfoproteiineja, jotka ovat osa biologisesti aktiivisten aineiden - entsyymien ja steroidien - molekyylejä. Kovalenttiset polaariset sidokset DNA- ja RNA-nukleotideissa muodostavat fosfodiesterisidoksia nukleiinihappoketjuissa. Miksi fosforia tarvitaan ihmiskehossa ja mitkä ovat sen tehtävät aineenvaihdunnassa? Pohditaan ensin tätä kysymystä organisaation solutasolla.
Fosforin paikka solun alkuainekoostumuksessa
Sytoplasman ja organellien (0,2-1 %) pitoisuuden mukaan epämetalli on neljännellä sijalla organogeenisten alkuaineiden jälkeen. Fosforiyhdisteillä kyllästetyimpiä ovat tuki- ja liikuntaelimistön solut - osteosyytit, hammaskudoksen aine - dentiini. Niiden pitoisuus on korkea hermoston muodostavissa hermosoluissa ja neuroglioissa. Fosforiatomeja löytyy kalvoproteiineista, nukleiinihapoista ja energiaintensiivisistä aineista - ATP-adenosiinitrifosforihappo ja pelkistetyssä muodossa nikotiiniamidi-dinukleotidifosfaatti - NADP×H2. Kuten näette, ihmiskehossa fosforia on kaikissa elintärkeissä rakenteissa: soluissa, kudoksissa, fysiologisissa järjestelmissä.
Tiedetään, että solun, joka on avoin biologinen järjestelmä, homeostaasin taso riippuu erilaisten ionien pitoisuudesta hyaloplasmassa ja solujen välisessä nesteessä. Mikä on fosforin tehtävä ihmiskehon sisäisen ympäristön pysyvyyden ylläpitämisessä?
Puskurijärjestelmä
Ulkokalvon läpi kulkevan puoliläpäisevän ominaisuuden ansiosta soluun pääsee jatkuvasti erilaisia aineita, joiden korkea pitoisuus voi vaikuttaa haitallisesti sen elintärkeään toimintaan. Myrkyllisten ionien ylimäärän neutraloimiseksi sytoplasma sisältää yhdessä natrium-, kalium- ja kalsiumkationien kanssa karbonaatti-, sulfiitti- ja fosforihappojen happojäämiä. Ne pystyvät reagoimaan ylimäärän soluun joutuneiden ionien kanssa ja säätelevät solunsisäisen sisällön pysyvyyttä. Puskurijärjestelmä sisältää heikkojen happojen ionien lisäksi välttämättä anionejaNRO42- ja N2RO4 -, jotka sisältävät fosforia. Ihmiskehossa se osana puskurijärjestelmää varmistaa aineenvaihduntareaktioiden fysiologisesti normaalin kulun solutasolla.
Oksidatiivinen fosforylaatio
Orgaanisten yhdisteiden hajoamista solussa kutsutaan aerobiseksi hengitykseksi. Sen sijainti on mitokondrio. Entsyymikompleksit sijaitsevat sisäpoimuissa - organellien risteyksissä. Esimerkiksi ATP-aasijärjestelmä sisältää elektronin kantajamolekyylejä. Entsyymien katalysoimien reaktioiden ansiosta ATP syntetisoituu ADP:stä ja vapaista fosforihapon molekyyleistä - solujen universaalista energia-aineesta, joka kuluu niiden lisääntymiseen, kasvuun ja liikkumiseen. Sen muodostuminen voidaan esittää yksinkertaistettuna reaktiokaaviona: ADP + F=ATP. Sitten adenosiinitrifosforihappomolekyylit kerääntyvät sytoplasmaan. Ne toimivat energianlähteenä suoritettaessa mekaanista työtä esimerkiksi lihasjärjestelmässä ja plastisissa vaihtoreaktioissa. Näin ollen ihmiskehon fosforilla on johtava rooli energia-aineenvaihdunnassa.
Perinnöllisyysmolekyylien fosfodiesterisidokset
Solun ytimessä on suuri atomifosforipitoisuus, koska alkuaine on osa nukleiinihappoja. Sveitsiläinen tiedemies F. Miescher löysi 1800-luvulla ne ovat biopolymeerejä ja koostuvat monomeereistä - nukleotideista. Fosforia läsnäsekä itse puriini- ja pyrimidiiniemäksissä että sidoksissa, jotka muodostavat RNA-ketjut ja DNA-superkelan. Nukleiinihappomonomeerit pystyvät muodostamaan polymeerirakenteita johtuen kovalenttisten sidosten muodostumisesta viereisten nukleotidien pentoosi- ja fosforihappotähteiden välille. Niitä kutsutaan fosfodiestereiksi. Ihmissoluissa kovan gammasäteilyn vaikutuksesta tai myrkyllisillä aineilla myrkytyksen seurauksena tapahtuva DNA- ja RNA-molekyylien tuhoutuminen tapahtuu fosfodiesterisidosten katkeamisen seurauksena. Se aiheuttaa solujen kuoleman.
Biologiset kalvot
Rakenteet, jotka rajoittavat solun sisäistä sisältöä, sisältävät myös fosforia. Jopa 40 % ihmiskehon kuivapainosta putoaa fosfolipidejä ja fosfoproteiineja sisältäville yhdisteille. Ne ovat kalvokerroksen pääkomponentteja, jotka sisältävät myös aineita, kuten proteiineja ja hiilihydraatteja. Korkea fosforipitoisuus on ominaista neurosyyttien kalvoille ja niiden prosesseille - dendriiteille ja aksoneille. Fosfolipidit antavat kalvoille plastisuutta ja kolesterolimolekyylien läsnäolon ansiosta myös lujuutta. Niillä on myös toissijaisten lähettiläiden rooli – signaalimolekyylejä, jotka ovat hermoimpulssin johtamiseen osallistuvien efektoriproteiinien aktivaattoreita.
Lisäkilpirauhaset ja niiden rooli fosforiaineenvaihdunnassa
Herneitä muistuttavat, kilpirauhasen molemmilla lohkoilla makaavat ja 0,5-0,8 g painavat lisäkilpirauhaset erittävät lisäkilpirauhashormonia. Se säätelee elementtien vaihtoa, kutenkalsium ja fosfori ihmiskehossa. Niiden tehtävänä on vaikuttaa osteosyytteihin ja osteoblasteihin - luuston soluihin, jotka hormonin vaikutuksesta alkavat vapauttaa fosforihapon suoloja solunulkoiseen nesteeseen. Lisäkilpirauhasten ylitoiminnan yhteydessä ihmisen luut menettävät voimansa, pehmenevät ja romahtavat, niiden fosforipitoisuus laskee jyrkästi. Tällä hetkellä potilaan elämää uhkaavien selkärangan, lantion luiden ja lonkkien murtumien riski kasvaa. Samalla kalsiumin määrä kasvaa. Tämä johtaa hyperkalsemiaan, johon liittyy perifeeristen hermovaurioiden oireita ja luustolihasten sävyn laskua. Lisäkilpirauhashormoni vaikuttaa myös munuaisiin vähentäen fosforisuolojen takaisinimeytymistä ensisijaisesta virtsasta. Fosfaattipitoisuuden lisääntyminen munuaisten kudoksissa aiheuttaa hyperfosfaturiaa ja kivien muodostumista.
Luun mineraalikoostumus
Tukijärjestelmän kovuus, lujuus ja elastisuus riippuvat luukudossolujen kemiallisesta koostumuksesta. Osteosyytit sisältävät sekä orgaanisia yhdisteitä, kuten osseiiniproteiinia, että epäorgaanisia aineita, jotka sisältävät kalsium- ja magnesiumfosfaattisuoloja. Iän myötä mineraalikomponenttien, kuten hydroksiapatiittien, määrä osteosyyteissä ja osteoblasteissa kasvaa. Luukudoksen epänormaali mineralisaatio, kalsiumsuolojen ja ylimääräisen fosforin kerääntyminen ihmiskehoon johtavat kaikkien luuston osien kimmoisuuden ja lujuuden menettämiseen, joten vanhemmilla ihmisillä on suurempi riski saada vammoja ja murtumia.
Fosforiyhdisteiden muuttuminen kehossaihminen
Ihmiskehon suurimmalla ruoansulatusrauhasella - maksalla - on johtava rooli fosforipitoisten aineiden aineenvaihdunnassa. Lisäkilpirauhashormonit ja D-vitamiini vaikuttavat myös näihin prosesseihin. Elementin päivittäinen tarve aikuisille on 1,0-2,0 grammaa, lapsille ja nuorille - jopa 2,5 g. Fosfori helposti sulavien suolojen muodossa sekä komplekseina proteiinien ja hiilihydraattien kanssa tulee ihmiskehoon ruoan kanssa.
Auringonkukan, kurpitsan, hampunsiemenet ovat kyllästyneet sillä. Fosforia on paljon eläintuotteissa kananmaksassa, naudanlihassa, kovissa juustoissa ja kalassa. Ylimääräinen fosfori kehossa voi johtua munuaisten reabsorptiotoiminnan rikkomisesta, vitamiinien väärästä käytöstä ja kalsiumin puutteesta ruoassa. Fosforin negatiivinen vaikutus ihmiskehoon ilmenee ensisijaisesti sydän- ja verisuonijärjestelmän, munuaisten ja luuston vaurioina ja voi viitata vakaviin aineenvaihduntahäiriöihin.
