Niezbędne i toksyczne
Prof. dr hab. Alfreda Graczyk
Kierownik Pracowni Biochemii i Spektroskopii
Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie
Biopierwiastki w organizmach ludzi, zwierząt i roślin odgrywają kluczową rolę, wpływając zwłaszcza na regulację metabolizmu komórkowego. Spośród 104 znanych pierwiastków występujących w przyrodzie cztery z nich – węgiel, wodór, azot i tlen – stanowią aż 96 proc. masy naszego ciała. Nowoczesne metody analityczne, zwłaszcza rozwój spektroskopii absorpcji atomowej, przyczyniły się w ostatnich latach do ustalenia dokładnych stężeń biopierwiastków występujących w organizmie człowieka i bliższego poznania ich funkcji.
Pierwiastki o stężeniach większych niż 0,01 proc. noszą nazwę makroelementów lub makrobiopierwiastków. Należą do nich: wapń, magnez, fosfor, siarka, potas, sód, chlor. Pozostałe, występujące w ilościach poniżej 0,01 proc., to tzw. mikroelementy lub mikrobiopierwiastki. Do tej grupy zalicza się: żelazo, cynk, miedź, molibden, nikiel, kobalt, chrom, mangan. Do trzeciej grupy należą pierwiastki silnie toksyczne, niepożądane w organizmie w żadnym stężeniu. Są to: tal, ołów, rtęć, glin, kadm.
Dotychczas twierdzono, że wartości niezbędne dla organizmu posiadają: wapń, magnez, miedź, cynk, żelazo, selen, mangan, chrom, a także kilka innych submikro, których rola nie jest jeszcze dokładnie poznana.
Pierwiastkami nie wykazującymi własności toksycznych są m.in. wapń, magnez, sód, potas, jednak pod warunkiem, że występują w organizmie w ściśle określonych proporcjach. Jak bowiem mawiał Paracelsius, ponad 500 lat temu, każda substancja może być trucizną, wszystko zależy od dawki.
Oprócz niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu pierwiastków – wapnia, magnezu, miedzi, cynku, żelaza – ważną i pozytywną rolę mogą pełnić także inne, charakteryzujące się właściwościami toksycznymi. Zalicza się do nich: selen oraz chrom i mangan bez którego nie możemy funkcjonować.
Każdy z pierwiastków spełnia w organizmie określone funkcje
Wapń, poza tym że jest składnikiem hydroksyapatytu, związku chemicznego, tworzącego podstawę naszego układu kostnego, jest także aktywatorem wielu enzymów. Występuje w tzw. płynach pozakomórkowych. Stężenie wapnia w surowicy krwi jest co najmniej 10-krotnie większe niż wewnątrz komórek. Natomiast magnez należy do pierwiastków wewnątrzkomórkowych i jego stężenie jest 100, a nawet więcej razy wyższe wewnątrz niż na zewnątrz komórki. Te dwa pierwiastki, występujące jakby w parze, są jednak przeciwstawne. Kości zdrowego człowieka w ok. 60 procentach zbudowane są z soli wapnia. Niedobór tego pierwiastka jest jednym z elementów prowadzących do ubytków kostnych. Magnez uruchamia reakcje enzymatyczne, pozwalające na wbudowanie cząsteczek wapnia w matrycę kości.
Podobnie jest z sodem i potasem. Sód, to pierwiastek zewnątrzkomórkowy, lokalizujący się głównie w płynie międzykomórkowym, a tylko w niewielkich ilościach w komórce. Natomiast potasu jest najwięcej w komórce, a mało w płynie pozakomórkowym.
Równowaga między stężeniem pierwiastka w komórce i płynie pozakomórkowym odgrywa bardzo istotną rolę. W przypadku np. zaburzenia w funkcjonowaniu błon komórkowych dochodzi do tzw. depolaryzacji. Jest to proces zmniejszenia się potencjału elektrycznego błony komórkowej co prowadzi do zaburzeń równowagi elektrolitowej między płynem międzykomórkowym a wnętrzem komórki. Różnica potencjału elektrycznego między zewnętrzną a wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej zmniejsza się i na bardzo krótki czas ulega nawet odwróceniu – wewnątrz komórki ładunek staje się dodatni, a na zewnątrz ujemny. Istotny jest w tym procesie ruch jonów sodu z zewnątrz do wnętrza komórki, a jonów potasu w przeciwnym kierunku.
Zaburzenie równowagi między stężeniem pierwiastka w komórce i płynie pozakomórkowym może prowadzić do procesu chorobowego.
Obok stężenia i proporcji istotna jest także odpowiednia forma chemiczna pierwiastka. Na przykład żelazo, zaliczane do mikropierwiastków, występuje w hemie – czerwonym barwniku krwi. Istnieje osiem etapów syntezy hemu, prowadzących do wytworzenia związku o nazwie protoporfiryna. Połączony z protoporfiryną atom żelaza spełnia rolę nośnika tlenu.
Podanie pacjentowi zbyt dużej ilości żelaza, które przenosi białko (transferyna) – jedna cząsteczka tego białka może przenieść tylko dwa atomy żelaza – jest podstawowym błędem. Często nawet lekarze nie zdają sobie z tego sprawy. Nie wszyscy wiedzą, że nie można podawać żelaza w dużych dawkach, jeżeli pacjent ma np. niski poziom żelaza w surowicy, albo niską hemoglobinę, czyli tzw. anemię. Białko transportujące (transferyna) może udźwignąć tylko dwa atomy żelaza na raz, a jeśli podamy ich więcej wówczas żelazo nie „wchodzi” do transferyny, nie zostaje wbudowane do hemu, przedostaje się na tzw. obwód. Mówimy że jest to żelazo pozahemowe. Żelazo takie potrafi zmieniać wartościowość (z 2 na 3 i z 3 na 2) i wchodzi w reakcje (opisane przez Habera-Weissa i Fentona), w wyniku których wolne jony żelaza biorą udział w produkowaniu tzw. rodników tlenowych, nazywanych prooksydantami. Prooksydanty uszkadzają błony komórkowe naczyń krwionośnych, wątroby czy mięśnia sercowego, co może prowadzić do różnych schorzeń.
Uzupełnianie żelaza
Jeśli żelaza jest w organizmie zbyt mało nie można podawać go od razu w dużych dawkach, ani dożylnie ani doustnie. Przy większym poziomie tego pierwiastka organizm potrafi podnieść poziom transferyny, ale do ograniczonych możliwości.
Żelazo podawane jest zwykle osobom chorym, z osłabioną odpornością, a to stwarza jeszcze większe niebezpieczeństwo dla zdrowia. Zalecaną, wysoką dawkę należy podawać nie w trzech zastrzykach ale w 10, czy 15 i co drugi dzień.
Z kolei mangan jest pierwiastkiem występującym na różnych stopniach utlenienia, czyli jego związki potrafią mieć różną wartościowość, od +2 aż do +7. Wartościowość +7 posiada mangan w nadmanganianie potasu, charakteryzujący się własnościami przeciwbakteryjnymi. Nadmanganianem potasu płuczemy np. jamę ustną, obmywamy ranę, ale gdyby przedostał się do wnętrza organizmu zadziałałby jak środek toksyczny.
Mangan na poziomie +2 jest niezbędny dla naszego życia, bo aktywuje enzym o nazwie dysmutaza ponadtlenkowa manganozależna, albo mitochondrialna. Mitochondrium, to część komórki, fabryka energii dla naszego organizmu. Tam następuje synteza kwasu adenozynotrójfosforowego, czyli tzw. ATP, który jest substancją energotwórczą. W procesie syntezy ATP występuje tzw. fosforylacja oksydacyjna, w której biorą udział grupy fosforanowe oraz tlen. Jeżeli organizm jest młody, to w syntezie ATP nie zostaje przereagowane około jednego procenta tlenu. Powstaje tzw. „wyciek elektronowy”, czyli tlen „wychodzi” jako odpad w postaci wolnych rodników tlenowych. Zdolność ich niszczenia posiada właśnie dysmutaza ponadtlenkowa aktywowana jonami Mn+2. Gdyby nie ma tego enzymu, dzieci rodzące się z brakiem lub ograniczoną wydolnością genu kodującego dysmutazę ponadtelnkową Mn+2 umierają w ciągu 6 – 8 lat życia jako bezzębni, wyłysiali staruszkowie.
U przeciętnego człowieka wydajność tej reakcji maleje wraz z wiekiem. Czyli zamiast jednego procenta tlenu nieprzereagowanego w procesie syntezy ATP, mamy z czasem półtora, później dwa, trzy itd, a to znaczy, że rośnie stężenie endogennych prooksydantów (wytwarzanych w naszym organizmie), które generalnie zapoczątkowują reakcje procesu starzenia.
Zniszczyć wolne rodniki
Aby zutylizować toksyczne wolne rodniki tlenowe dysmutazą ponadtlenkową manganozależną trzeba dostarczyć organizmowi odpowiednią ilość jonów manganu – Mn+2, np. w wodzie mineralnej (dużą zawartość posiada woda Muszynianka). Wody mineralne są doskonałym źródłem cennych składników. Powinni je pić wszyscy, lecz zwłaszcza ludzie starsi, ponieważ mają większe zapotrzebowanie na biopierwiastki biorące udział w niwelowaniu toksyn wytwarzanych przez organizm.
Oprócz dysmutazy manganowej mitochondrialnej istnieje także dysmutaza ponadtlenkowa (w innych elementach komórki) aktywowana dwoma jonami – cynku i miedzi, oraz enzymy przeciw utleniające takie jak katalaza – aktywowane jonami miedzi i żelaza.
Organizm człowieka wyposażony jest w liczne związki, które nas chronią przed własnymi toksynami. Selen na -2 stopniu utlenienia bierze udział w aktywacji enzymów takich jak oksydaza glutationowa, peroksydaza glutationowa i reduktaza.
Wysłuchała: Danuta Orlewska
Dziennik Polski 18.09.2008 r.
