Biochemie je obor biologie, který studuje chemické složení jednotlivých buněk i celého organismu. Je známo, že téměř 98 % buněčného obsahu zahrnuje atomy kyslíku, uhlíku, dusíku a vodíku. Tyto chemické prvky se nazývají organogenní. 1,8 % připadá na draslík, sodík, hořčík, chlór, fosfor. V lidském těle jsou součástí minerálních solí a mají formu jednoduchých nebo komplexních iontů, zajišťujících normální průběh metabolických reakcí. Například nejdůležitější buněčné sloučeniny zodpovědné za přenos dědičných znaků - nukleové kyseliny - obsahují anionty kyselých zbytků kyseliny ortofosforečné.
Ionty obsahující fosfor jsou také součástí molekul ATP, na kterých závisí zásobování buněk energií. V tomto článku uvedeme příklady, které potvrzují to důležitérole fosforu v lidském těle a jeho vliv na metabolismus.
Kovalentní polární vazby a jejich význam
Základem struktury organických látek, které tvoří živou hmotu, je schopnost jejich molekul tvořit určitý typ chemické vazby. Nazývá se kovalentní polární a vzniká mezi atomy nekovů a určuje hlavní chemické vlastnosti sloučenin. Biochemie, která studuje složení molekul látek vstupujících do buněk rostlin, hub, zvířat, stanovila jejich chemické složení. Ukázalo se, že kromě dusíku, uhlíku, kyslíku k nim patří i fosfor. V lidském těle se nevyskytuje ve volném stavu, jelikož jde o silně toxickou látku. Proto má prvek v živých systémech podobu aniontů kyseliny meta-, orto- nebo pyrofosforečné, které mají schopnost vytvářet vazby s kationty kovů. V jakých látkách buňky je lze nalézt?
Fosfor ve složitých organických molekulách
Proteiny kosterního systému, hormony, vitamíny a lipidy tvoří komplexní sloučeniny s komplexními ionty obsahujícími fosfor. V lidském těle se vyskytují složité sloučeniny - fosfolipidy a fosfoproteiny, které jsou součástí molekul biologicky aktivních látek - enzymů a steroidů. Kovalentní polární vazby v nukleotidech DNA a RNA zajišťují tvorbu fosfodiesterových vazeb v řetězcích nukleových kyselin. Proč je fosfor v lidském těle potřebný a jaké jsou jeho funkce v metabolismu? Podívejme se nejprve na tuto otázku na buněčné úrovni organizace.
Místo fosforu v elementárním složení buňky
Podle obsahu v cytoplazmě a organelách (0,2-1%) je nekov na čtvrtém místě po organogenních prvcích. Nejvíce nasycenými sloučeninami fosforu jsou buňky pohybového aparátu - osteocyty, látka zubní tkáně - dentin. Jejich obsah je vysoký v neuronech a neurogliích, které tvoří nervový systém. Atomy fosforu se nacházejí v membránových proteinech, nukleových kyselinách a energeticky náročných látkách - ATP kyselině adenosintrifosforečné a v redukované formě nikotinamiddinukleotidfosfátu - NADP×H2. Jak vidíte, v lidském těle se fosfor nachází ve všech životně důležitých strukturách: buňkách, tkáních, fyziologických systémech.
Je známo, že úroveň homeostázy buňky, která je otevřeným biologickým systémem, závisí na koncentraci různých iontů v hyaloplazmě a mezibuněčné tekutině. Jakou funkci plní fosfor při udržování stálosti vnitřního prostředí lidského těla?
Systém vyrovnávací paměti
Díky vlastnosti semipermeability přes vnější membránu neustále do buňky vstupují různé látky, jejichž vysoká koncentrace může nepříznivě ovlivnit její životně důležitou činnost. K neutralizaci přebytku toxických iontů obsahuje cytoplazma spolu s kationty sodíku, draslíku, vápníku kyselé zbytky kyselin uhličitanů, siřičitanů a fosforečných. Jsou schopny reagovat s přebytkem iontů, které vstoupily do buňky, a kontrolovat stálost intracelulárního obsahu. Tlumivý systém kromě iontů slabých kyselin nutně zahrnuje aniontyNRO42- a N2RO4 - obsahující fosfor. V lidském těle jako součást nárazníkového systému zajišťuje fyziologicky normální průběh metabolických reakcí na buněčné úrovni.
Oxidativní fosforylace
Rozklad organických sloučenin v buňce se nazývá aerobní dýchání. Jeho umístěním jsou mitochondrie. Enzymové komplexy se nacházejí na vnitřních záhybech – kristách organel. Například systém ATP-ázy obsahuje molekuly nosiče elektronů. Díky reakcím katalyzovaným enzymy je ATP syntetizován z ADP a volných molekul kyseliny fosforečné - univerzální energetické substance buněk, která se vynakládá na jejich reprodukci, růst a pohyb. Jeho vznik lze znázornit zjednodušeným reakčním schématem: ADP + F=ATP. Poté se molekuly kyseliny adenosintrifosforečné hromadí v cytoplazmě. Slouží jako zdroj energie pro provádění mechanické práce např. ve svalovém systému a při plastických výměnných reakcích. V důsledku toho hraje fosfor v lidském těle vedoucí roli v energetickém metabolismu.
Fosfodiesterové vazby molekul dědičnosti
V buněčném jádru je zaznamenán vysoký obsah atomového fosforu, protože prvek je součástí nukleových kyselin. Byly objeveny již v 19. století švýcarským vědcem F. Miescherem, jsou to biopolymery a skládají se z monomerů - nukleotidů. Přítomný fosforjak v samotných purinových a pyrimidinových bázích, tak ve vazbách, které tvoří řetězce RNA a supercoil DNA. Monomery nukleových kyselin jsou schopné tvořit polymerní struktury díky vzniku kovalentních vazeb mezi zbytky pentózy a kyseliny fosforečné sousedních nukleotidů. Říká se jim fosfodiestery. K destrukci molekul DNA a RNA, ke které dochází v lidských buňkách vlivem tvrdého gama záření nebo v důsledku otravy toxickými látkami, dochází v důsledku porušení fosfodiesterových vazeb. Způsobuje odumírání buněk.
Biologické membrány
Struktury, které omezují vnitřní obsah buňky, také obsahují fosfor. V lidském těle připadá až 40 % suché tělesné hmotnosti na sloučeniny obsahující fosfolipidy a fosfoproteiny. Jsou hlavními složkami membránové vrstvy, která také obsahuje látky, jako jsou bílkoviny a sacharidy. Vysoký obsah fosforu je charakteristický pro membrány neurocytů a jejich procesy - dendrity a axony. Fosfolipidy dodávají membránám plasticitu a díky přítomnosti molekul cholesterolu i pevnost. Hrají také roli druhých poslů - signálních molekul, které jsou aktivátory efektorových proteinů zapojených do vedení nervového vzruchu.
Příštítná tělíska a jejich role v metabolismu fosforu
Příštítná tělíska, která se podobají hrášku, leží na obou lalocích štítné žlázy a každý o hmotnosti 0,5–0,8 g vylučují parathormon. Reguluje výměnu prvků jako napřvápníku a fosforu v lidském těle. Jejich funkcí je působit na osteocyty a osteoblasty – buňky kosterního systému, které vlivem hormonu začnou uvolňovat soli kyseliny fosforečné do extracelulární tekutiny. Při hyperfunkci příštítných tělísek lidské kosti ztrácejí pevnost, měknou a kolabují, obsah fosforu v nich prudce klesá. V této době se zvyšuje riziko zlomenin páteře, pánevních kostí a kyčlí, které ohrožují život pacienta. Zároveň se zvyšuje množství vápníku. To vede k hyperkalcémii s příznaky poškození periferních nervů a poklesu tonusu kosterního svalstva. Parathormon působí také na ledviny, snižuje reabsorpci fosforových solí z primární moči. Zvýšení fosfátu v tkáních ledvin způsobuje hyperfosfaturii a tvorbu kamenů.
Minerální složení kostí
Tvrdost, pevnost a elasticita nosného systému závisí na chemickém složení buněk kostní tkáně. Osteocyty obsahují jak organické sloučeniny, jako je protein ossein, tak anorganické látky obsahující vápenaté a hořečnaté fosfátové soli. Jak člověk stárne, zvyšuje se množství minerálních složek, jako jsou hydroxyapatity, v osteocytech a osteoblastech. Abnormální mineralizace kostní tkáně, hromadění vápenatých solí a nadbytek fosforu v lidském těle vedou ke ztrátě elasticity a pevnosti všech částí kostry, takže u starších lidí je pravděpodobnější riziko zranění a zlomenin.
Transformace sloučenin fosforu v tělečlověk
Největší trávicí žláza v lidském těle – játra – hraje vedoucí roli v metabolismu látek obsahujících fosfor. Parathormony a vitamin D také ovlivňují tyto procesy. Denní potřeba prvku pro dospělé je 1,0-2,0 gramů, pro děti a dospívající - až 2,5 g. Fosfor ve formě snadno stravitelných solí, stejně jako v komplexech s bílkovinami a sacharidy, vstupuje do lidského těla s jídlem.
Slunečnicová, dýňová, konopná semínka jsou jím nasycená. V živočišných produktech je hodně fosforu v kuřecích játrech, hovězím mase, tvrdých sýrech a rybách. Přebytek fosforu v těle může nastat v důsledku porušení reabsorpční funkce ledvin, nesprávného používání vitamínů a nedostatku vápníku v potravinách. Negativní vliv fosforu na lidský organismus se projevuje především poškozením kardiovaskulárního systému, ledvin a kostního aparátu a může poukazovat na závažné metabolické poruchy.
