Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)/15. Otázka

			15. Otázka
			Chemické vlastnosti makrobiogenních prvků (C, H, O, N, P, Na, K, Ca, Mg, S, Cl).
			Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)
			⏪️   ⏩️

Uhlík

Uhlík je jedím z makrobiogenních prvků. Tvoří uhlovodíkové řetězce, které mohou být značně variabilní a tvoří základ organických molekul. Uhlík je v uhlovodíkových řetězcích čtyřvazný.

Spolu s kyslíkem tvoří oxidy. Nejvýznamější jsou oxid uhličitý a oxid uhelnatý. Oxid uhličitý je tvořen v řadě metabolických reakcích, kdy vzniká při dekarboxylaci. Například v Krebsově cyklu při dekarboxylaci izocitrátu na α-ketoglutarát a jeho následné dekarboxylaci na sukcinyl CoA. Při jednom Krebsově cyklu tedy vznikají dvě molekuly CO², které jsou následně vydýchány. Oxid uhelnatý vzniká při nedokonalém spalování a je pro organismus toxický. Má totiž vysokou afinitu k hemoglobinu a v případě jeho přítomnosti v organismu není možno na HB navázát molekuly kyslíku.

Kyslík

Elektronový obal kyslíku

Kyslík (O₂) je jeden z hlavních biogenních prvků vyskytujících se v organismu. Je to druhý nejrozšířenější plyn v zemské atmosféře (přibližně 21%). Právě atmosférický kyslík využívá převážná většina organismů jako oxidační činidlo pro většinu metabolických procesů, které v těle probíhají.

Kyslík se svými vlastnostmi liší od dalších prvků umístěných v VI.A

Výskyt kyslíku

Nejrozšířenější prvek v zemské kůře (kolem 49%). Vázaný je obsažen ve vodě, v řadě anorganických a organických látek. Je biogenním prvkem - je obsažen v živých organismech a rostlinách.

Fyzikální vlastnosti

Bezbarvý plyn těžší než vzduch. Při teplotě -183 °C kondenzuje na modrou kapalinu. Tvoří jednak molekuly O₂, jednak tří atomové molekuly O₃ - ozon. Atomární kyslík O je obdobou atomárního vodíku.

Kyslík je tvořen třemi izotopy:

¹⁶₈ O 99,8%

¹⁷₈ O 0,04%

¹⁸₈ O 0,16%

Chemické vlastnosti

Kyslík je velmi reaktivní, hlavně za vyšší teploty se slučuje téměř se všemi prvky. Odolávají halogeny, některé ušlechtilé kovy a vzácné plyny.

Prudká oxidace látek kyslíkem nebo jinými oxidačními činidly za vývoje tepla a světla se nazývá hoření, ke kterému dochází až po zahřátí látky na tzv. zápalnou teplotu.

Binární sloučeniny kyslíku

Do této skupiny řadíme oxidy, peroxid vodíku a peroxidy kovů. Oxidy jsou binární sloučeniny kyslíku s jinými prvky, v nichž kyslík s oxidačním číslem -II. je jejich elektronegativnější složkou.

Dusík

Dusík je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Řadí se mezi prvky V.A skupiny spolu s fosforem, arsenem, antimonem a bismutem. Všechny tyto prvky mají 5 valenčních elektronů.

Tekutý dusík

Výskyt dusíku

Volný dusík se vyskytuje v podobě dvouatomových molekul. Jedná se o nejrozšířenější plyn v zemské atmosféře (78 %), také je vázán v celé řadě přírodních sloučenin (např soli kys. dusičné). Dusík je také významným biogenním prvkem – je součástí všech živých organizmů (živočichů i rostlin).

Vlastnosti

Atom dusíku má ve své valenční vrstvě 5 elektronů. Nejvyšší oxidační číslo, které může dusík ve sloučeninách mít, je V a nejnižší -III. Díky vysoké hodnotě elektronegativity se může podílet na tvorbě vodíkových můstků. Molekuly dusíku jsou tvořeny dvěma atomy, mezi kterými je trojná vazba. Tato trojná vazba je velice pevná a díky ní je molekula N₂ málo reaktivní. Dusík taje při -210,5 ^oC a vře při -193 ^oC.

Sloučeniny dusíku

Dusík může být ve sloučeninách maximálně čtyřvazný. Molekulární dusík je inertní plyn, proto většina jeho sloučenin může vznikat pouze za vysokých teplot a tlaků. Naproti tomu atomární dusík je velice reaktivní.

Sloučeniny s vodíkem

• Amoniak NH₃

Hořčík

Hořčík (Magnesium) je prvek s atomovým číslem 12 a chemickou značkou Mg. Je to lehký kov, který se nejčastěji vyskytuje jako hořečnatý kation Mg²⁺. Latinský název hořčíku je podle řecké oblasti Magnesia v kraji Thesálie, kde se hojně vyskytuje oxid hořečnatý MgO („magnesia alba“), používaná již starověkými lékaři.

Hořčík je hojně zastoupen v zemské kůře (tvoří 13 % hmotnosti planety), v mořské vodě i ve vesmíru jako celku. Vzhledem ke své vysoké reaktivitě se na Zemi přirozeně nevyskytuje v čisté (kovové) podobě. Je-li uměle připraven, pokryje se kov rychle tenkou vrstvou oxidu, která je odolná a nerozpustná. Kov se připravuje elektrolýzou hořčíkových solí. Kovový hořčík má nižší hustotu než hliník, a je proto ceněn jako součást lehkých slitin.

Hořčík je nezbytným stavebním prvkem živých organismů. Více než 300 enzymů používá ionty hořčíku pro svou katalytickou činnost, včetně všech enzymů které využívají nebo syntetizují ATP. Tělo dospělého jedince obsahuje asi 24 g hořčíku, z toho 60 % v kostře. Nízká hladina hořčíku je spojená s rozvojem řady onemocnění jako je astma, cukrovka, nebo osteoporóza.

Hladiny jsou typicky:

• v séru 0,7–0,9 mmol/l,
• v moči 1,2–11 mmol/d,
• 53 % v kostech, zbytek ve svalech aj.,
• v ECT je jen 1 %, z toho 0,5 % v erytrocytech – podobně jako K, ale S-Mg neodráží zásobu Mg v těle;
• podobně jako vápník je též vázán na bílkoviny, 55–60 % je volných.

Význam v organismu:

• po K je druhým nejvýznamnějším IC kationtem, kofaktor enzymů vázajících ATP a další nukleosidtrifosfáty (např. Na⁺/K⁺-ATPáza, …);
• činnost ATPázy bránící vstupu Ca²⁺ do buněk;
• funkce antiarytmická, vazomotorická, snižuje excitabilitu myokardu, zlepšuje průtok koronárními arteriemi;
• je nezbytný pro činnost některých enzymů Krebsova cyklu, dýchacího řetězce a metabolismu nukleových kyselin.

Hypomagnezémie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hypomagnesémie.

Příčiny

snížený příjem, snížená absorpce (alkoholismus, zvracení, malabsorpce), zvýšené vylučování (enterální nemoci, endokrinopatie (hyperparat., hyperaldost., DM), ATB), gravidita, laktace

Příznaky

při poklesu pod 0,5 mmol/l, arytmie, hypertenze

metabolické příznaky – hypokalemie, hypokalcemie, hypofosfatemie, hyponatremie

psychické příznaky – deprese, agitovanost

neurologické příznaky – zvýšená nervosvalová dráždivost, Chvostek, fascikulace, spazmy, tetanie

Terapie

při křečích – 16 mmol MgSO₄ (projímavé účinky) během 10 minut

Hypermagnezémie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hypermagnesémie.

Příčiny

renální selhání, endokrinní (hypotyreóza, m. Addison, nedostatek STH), některé léky s Mg (antacida, projímadla), dehydratace, metastázy tumorů, myelom, acidémie

Příznaky

nausea, zvracení, teplá kůže, hypotenze, bradykardie, letargie, svalová slabost, snížené reflexy, prodloužené QT, kóma, zástava srdce a respirace (nad 5 mmol/l)

Terapie

zastavení příjmu, úprava acidózy či hydratace

Zdroje v potravě

Dospělí by měli přijímat alespoň 365 mg hořčíku za den. Hlavními zdroji jsou listová zelenina, živočišné bílkoviny a ořechy. Vysoký obsah hořčíku mají také některé minerální vody např. šaratické a zaječické. Ty obsahují heptahydrát síranu hořečnatého, který se ze střeva omezeně vstřebává a váže na sebe vodu-působí tedy jako osmoticky účinné projímadlo. K nahrazení nedostatku hořčíku se podává perorálně uhličitan hořečnatý, magnesium-citrát nebo laktát, při akutním nedostatku parenterálně magnesium-asparát.

Kalium

Iont draselný (K⁺) je hlavní intracelulární kation. V dalším textu používáme namísto iontové formy K⁺ názvu prvku Kalium, česky draslík. V těle je obsaženo asi 3 500 mmol K⁺, přitom z 98 % v intracelulárních tekutinách (ICT) a jen 2 % v extracelulárních tekutinách (ECT). Intracelulárně je kalium nezbytné ke tvorbě i rozpadu adenosintrifosfátu (ATP), čímž souvisí s energetikou – při anabolismu stoupá K⁺ v buňkách, při katabolismu je opouští (navíc je v buňkách vázáno na bílkoviny a glykogen apod. → při katabolismu se uvolňuje). Kalemie (S-K⁺) má vztah k pH – při acidémii se přiměřená hodnota S-K⁺ zvyšuje, při alkalémii snižuje, a to velmi přibližně o 0,6 mmol/l při změně pH o 0,1 jednotky.

Referenční hodnoty:

• plazma 3,8–5,4 mmol/l;
• moč 45–90 mmol/den;
• denní příjem a výdej 50–100 mmol (2–4 g).

Regulace

Kalium

• Udržování kalemie (S-K⁺) ve fyziologických mezích je velmi důležité, protože patologická hypokalemie i hyperkalemie vedou k poruše funkce myokardu (též kosterního svalstva).
• Bilance K⁺ je regulována v distálním tubulu a ve sběrných kanálcích ledvin.
• Řídí se přitom:
  • množstvím přiváděného K⁺ v potravě;
  • množstvím Na⁺ a rychlostí toku v distálním tubulu;
  • aktuálním stavem ABR;
  • aktivitou mineralokortikoidů;
  • odpovídavostí distálního tubulu na mineralokortikoidy;
  • druhem a směnitelností aniontů.
• Předpokládá se, že při náhlém zatížení organizmu K⁺ dochází přechodně k vzestupu K⁺ v ECT → zvýšení sekrece glukagonu → hyperglykemie → zvýšení sekrece inzulinu → zvýšená utilizace glukózy buňkami a tím k přenosu glukózy do buňky spolu s K⁺.
• Koncentrační gradient mezi ECT a ICT (cca 110–140 mmol/l) je udržován Na⁺/K⁺-ATPázovou pumpou v buněčné membráně.

Hypokalemie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hypokalémie.

• Příčiny:

1. Ztráty zažívacím traktem:
   • akutní a chronické průjmy;
   • abúzus laxantií;
   • zvracení;
   • střevní píštěle.
2. Renální ztráty:
   • léčba diuretiky;
   • polyurická fáze akutního renálního selhání;
   • renální tubulární acidóza;
   • hyperaldosteronismus;
   • Cushingův syndrom nebo terapie steroidy.
3. Alkalóza.
4. Infuzní terapie bez K⁺.
5. Jednostranná dieta (chudá na K⁺).

• Příznaky – slabost, sklon k ileu, renální poruchy, citlivost myokardu na kardiotonika, arytmie, EKG – nižší T, objevují se U.
• Výpočet substituční dávky – K [mmol] = ECT × (4,4 − K zjištěné) × 3 + substituce ztrát K.
• Oligurie či anurie je kontraindikací podávání K.

Hyperkalemie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hyperkalemie.

• Příčiny:

1. Renální (snížené vylučování):
   • oligurie až anurie při akutním renálním selhání;
   • terminální stádium chronického renálního selhání;
   • renální tubulární acidóza typ H;
   • insuficience nadledvin;
   • kalium šetřící diuretika.
2. Přesun z ICT do ECT:
   • acidóza (akutní);
   • zvýšený buněčný katabolismus nebo nekróza buněk.
3. Zvýšený přívod.
4. Nedostatek mineralokortikoidů.

• Příznaky – bradykardie, arytmie až fibrilace, hrotnatá vlna T, prodloužení PQ, rozšíření QRS, deprese ST.

• Inzulin aktivuje antiport H⁺/Na⁺ → stoupá Na v buňce → pomocí Na⁺/K⁺ATPázy víc K do buněk.

Pseudohyperkalemie

• Zvýšení K⁺ v séru (nikoliv v plasmě!) při výrazné trombocytóze (při srážení krve ve zkumavce dochází k uvolnění K⁺ ze zmnožených trombocytů);
• hemolýza při odběru krve.

Kalcium

Vápník (kalcium) je kovový prvek s chemickou značkou „Ca“. Jedná se o značně reaktivní prvek, který tvoří dvojmocné (vápenaté) soli.

Formy vápníku v organismu

Vápník je makrobiogenní prvek a tvoří přibližně 1,5% hmotnosti lidského těla (z toho většina v kostech). Vápník se v těle vyskytuje výhradně ve formě vápenatých iontů (v lékařské terminologii často nesprávně označované jen jako "vápník"). Vápenaté ionty patří k nejvýznamnějším extracelulárním iontům (koncentrace v séru 2,25 až 2,75 mmol/l). Intracelulárně je koncentrace vápenatých iontů o několik řádů nižší než v vně buňky, přechodné zvýšení cytoplazmatické koncentrace však hraje zásadní roli v buněčné signalizaci (vápenaté ionty slouží jako druhý posel zprostředkující účinek hormonů, cytokinů a dalších mediátorů) či např. při řízení svalového stahu. Vápenaté ionty jsou významnou komponentou kostí a zubů, podílí se na regulaci neuromuskulární činnosti, koagulace, srdeční aktivity. Vápník je obsažen v mléce, v sýrech, vejcích a „tvrdé vodě“. Ve střevě se vstřebá z potravy potřebné množství vápníku a zbytek se vyloučí stolicí a močí.

Referenční meze: U vápníku sledujeme 3 základní parametry:

• sérum vápník celkový: 2,25 až 2,75 mmol/l (tj. suma všech forem vápníku v plasmě)
• sérum vápník ionizovaný: 1,0 až 1,4 mmol/l (z chemického hlediska správně "volný iontový", tj. vápník ve formě volných iontů nevázaných v komplexech s fosfátem a jinými chelátory)
• vápník v moči: 2,5 až 7,5 mmol/den.

Na udržování sérové hladiny kalcia se podílí 3 hormony: parathormon, vitamin D a kalcitonin. Tyto hormony regulují absorpci kalcia ve střevě, reabsorpci v ledvinách, exkreci a využití kalcia v kostech.

Význam vápníku

Význam vápníku a fyziologické funkce vázané na přítomnost vápníku: anorganická složka kostí a zubů, faktor krevního srážení (faktor IV), tvorba kininů, regulace enzymů, uvolňování hormonů i jejich efekt, regulace excitace řady tkání, regulace uvolňování transmiteru, v kosterním svalu aktivuje troponin, tvorba tropomyosinu, čímž je aktivován aktin, v hladkém svalu aktivuje kontrakci vazbou na kalmodulin. Intracelulárně se vápník podílí na akčním potenciálu buňky, na kontrakci, na motilitě, na buněčném dělení, na strukturální integritě buňky, zvýšení glykolýzy. Pokles extracelulární koncentrace vápníku zvyšuje nervosvalovou dráždivost a tím také možnost vzniku tetanie.

Resorpce vápníku

Doporučená denní dávka je u dospělých okolo 1 gramu. Jeho resorpce se fyziologicky pohybuje okolo 25–40 %. Vápník je resorbován aktivně v duodenu a jejunu, pasivně v ileu a tlustém střevě. Resorpce vápníku probíhá současně s jeho sekrecí. Alkalické pH významně snižuje resorpci vápníku.

Na úrovni enterocytů dochází k resorpci vápníku dvěma způsoby:

1. Transcelulárně – Na straně přivrácené ke střevnímu lumen, se využívá specifické transportní bílkoviny calbindinu. Na straně bazolaterální membrány se pak vápník transportuje aktivně za přítomnosti energie proti koncentračnímu spádu do krve.
2. Paracelulárně – Vápník transportován ze střevního lumen jednak přímo, a jednak se transportuje vápník který se dostává do paracelulárního prostoru uvolněním z lyzozomu enterocytu.

Kalcémie

Vápník je v krvi ve třech formách:

1. 50 % ve volné ionizované formě (biologicky nejaktivnější, schopný difundovat přes biologické membrány, rozhodující pro neuromuskulární dráždění);
2. 40 % vázáno na bílkoviny (též ionizován, není volně difuzibilní);
3. 10–13 % ve formě komplexů (jako hydrouhličitan, fosforečnan, citrát).

Alkalóza v krvi vede ke zvýšenému navazování vápníku na plazmatické bílkoviny, čímž se snižuje volný, ionizovaný vápník, ale celková koncentrace kalcia se nemění.

Vazba vápníku na bílkoviny závisí na pH krve – při vzestupu pH (alkalóze) se na bílkovinách uvolňuje více vazebných míst pro Ca²⁺, a proto klesá ionizované Ca²⁺. Proto například v důsledku hyperventilace dochází k tetanii. Hypoalbuminemie je spojena s poklesem vápníku, ale nejsou žádné příznaky hypokalcemie, protože ionizovaná forma je v normě.

S metabolismem vápníku je úzce spojen metabolismus fosfátů. Intravenózní podávání fosfátů snižuje koncentraci Ca²⁺ v séru, protože vzniká kalciumfosfát, který se ukládá v kostech. Naopak hypofosfatemie způsobuje hyperkalcemii uvolňováním Ca²⁺ z kostí.

Exkrece vápníku

Ledvinami filtrovatelný je pouze volný ionizovaný vápník. V oblasti proximálního kanálku probíhá zpětná resorpce jak transcelulárně (15–20 %, aktivně), tak paracelulárně (80–85 %, pasivně). Vzestupná část Henleovy kličky opět resorbuje vápník transcelulárně i paracelulárně.

Parathormon i kalcitonin stimulují zpětnou resorpci transcelulární cestou v této oblasti nefronu. V distální části nefronu se na zpětné resorpci vápníku podílí vedle parathormonu, kalcitoninu i kalcitriol.

Udržování homeostázy vápníku

Homeostázu vápníku udržuje aktivita osteoklastů, které kost resorbují a zvyšují tak koncentraci vápníku v séru a současnou aktivitou osteoblastů, které se podílejí na novotvorbě kostní hmoty, a tím snižují koncentraci vápníku v séru. Mezi hormony, které udržují homeostázu vápníku, patří kalcitonin, parathormon a vitaminu D za spoluúčasti střeva, ledvin a kostí. Pro udržování homeostázy vápníku je důležitá také pravidelná a přiměřená fyzická zátěž organismu, která zlepšuje resorpci vápníku ze střeva zvýšením prokrvení splanchnické oblasti a tvorbu a udržování kvality kostní hmoty. Vstup vápníku do buněk lze farmakologicky snížit blokátory vápníkového kanálu. Antagonistou vápníku je hořčík.

Poruchy homeostázy vápníku

Hypokalcémie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hypokalcemie.

Hypokalcémie je hladina vápníku v séru nižší než 2,14 mmol/l.

Příčiny:

• hypoalbuminémie (nefrotický syndrom, …), hypoparatyreóza, pseudohypoparatyreóza, hypomagnesemie, deficit vitaminu D, deplece kalcia ze séra (osteoblastické metastázy, pankreatitida, …);
• alkalózy, po transfuzích (citrát vyváže Ca²⁺).

Klinické příznaky:

• příznaky neuromuskulární a psychiatrické: parestézie, tetanie, pozitivní Chvostkův příznak, dušnost, zmatenost, podrážděnost;
• rachitis, osteomalacie, zvýšená kazivost zubů, hypoplastický chrup;
• při hodnocení je nutno vždy se dívat na pH, Ca²⁺ v séru, ionizovanou frakci Ca²⁺ a celkovou bílkovinu;
• EKG: prodloužení QT intervalu.

Terapie:

• infuze 10% Calcium gluconicum, nebo 10% Calcium chloratum CaCl₂ · 6 H₂O 10 % à 12 nebo 6 hodin;
• monitorace akce srdeční – při rychlém podání riziko bradykardie.

Hyperkalcemie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hyperkalcemie.

Příčiny:

• hyperparatyreóza, hypervitaminóza D, osteolytické metastázy, hyperproteinemie, …

Klinické příznaky:

• GIT příznaky;
• CNS příznaky: slabost, letargie, únava, zmatenost, snížení neuromuskulární dráždivosti, zvracení;
• EKG: zkrácení QT intervalu;
• kalcemie nad 4 mmol/l – hyperkalcemická krize: zmatenost, bezvědomí, zástava srdce v systole (tzv. „chemická smrt“).

Terapie:

• hyperhydratace (fyziologický roztok), diuretika (furosemid), alkalizace, dialýza.