Bioķīmija ir bioloģijas nozare, kas pēta gan atsevišķu šūnu, gan visa organisma ķīmisko sastāvu. Ir zināms, ka gandrīz 98% no šūnu satura ietver skābekļa, oglekļa, slāpekļa un ūdeņraža atomus. Šos ķīmiskos elementus sauc par organogēniem. 1,8% nokrīt uz kāliju, nātriju, magniju, hloru, fosforu. Cilvēka organismā tie ir daļa no minerālsāļiem un ir vienkāršu vai sarežģītu jonu formā, nodrošinot normālu vielmaiņas reakciju norisi. Piemēram, svarīgākie šūnu savienojumi, kas ir atbildīgi par iedzimto īpašību pārnešanu - nukleīnskābes - satur ortofosforskābes skābju atlikumu anjonus.
Fosforu saturošie joni ir iekļauti arī ATP molekulās, no kurām atkarīga šūnu nodrošināšana ar enerģiju. Šajā rakstā mēs sniegsim piemērus, kas apstiprina svarīgofosfora loma cilvēka organismā un tā ietekme uz vielmaiņu.
Kovalentās polārās saites un to nozīme
Dzīvo vielu veidojošo organisko vielu struktūras pamatā ir to molekulu spēja veidot noteikta veida ķīmiskās saites. To sauc par kovalento polāro un, kas rodas starp nemetālu atomiem, nosaka savienojumu galvenās ķīmiskās īpašības. Bioķīmija, pētot to vielu molekulu sastāvu, kas nonāk augu, sēņu, dzīvnieku šūnās, noteica to ķīmisko sastāvu. Izrādījās, ka bez slāpekļa, oglekļa, skābekļa tajos ietilpst arī fosfors. Cilvēka organismā tas nenotiek brīvā stāvoklī, jo tā ir ļoti toksiska viela. Tāpēc dzīvās sistēmās elementam ir meta-, orto- vai pirofosforskābes anjonu forma, kas spēj veidot saites ar metāla katjoniem. Kādās šūnas vielās tās var atrast?
Fosfors sarežģītās organiskās molekulās
Skeleta sistēmas olb altumvielas, hormoni, vitamīni un lipīdi veido kompleksus savienojumus ar fosforu saturošiem kompleksajiem joniem. Cilvēka organismā ir sarežģīti savienojumi – fosfolipīdi un fosfoproteīni, kas ir daļa no bioloģiski aktīvo vielu – enzīmu un steroīdu – molekulām. Kovalentās polārās saites DNS un RNS nukleotīdos nodrošina fosfodiestera saišu veidošanos nukleīnskābju ķēdēs. Kāpēc fosfors ir nepieciešams cilvēka organismam un kādas ir tā funkcijas vielmaiņā? Vispirms izskatīsim šo jautājumu organizācijas šūnu līmenī.
Fosfora vieta šūnas elementārajā sastāvā
Pēc satura citoplazmā un organellās (0,2-1%) nemetāls ir ceturtajā vietā aiz organogēnajiem elementiem. Ar fosfora savienojumiem visvairāk piesātinātas ir muskuļu un skeleta sistēmas šūnas – osteocīti, zobu audu viela – dentīns. Tajos ir daudz neironu un neirogliju, kas veido nervu sistēmu. Fosfora atomi atrodami membrānas olb altumvielās, nukleīnskābēs un energoietilpīgās vielās – ATP adenozīntrifosforskābē un nikotīnamīda dinukleotīda fosfāta reducētā veidā – NADP×H2. Kā redzat, cilvēka organismā fosfors ir atrodams visās dzīvībai svarīgās struktūrās: šūnās, audos, fizioloģiskās sistēmās.
Ir zināms, ka šūnas, kas ir atvērta bioloģiskā sistēma, homeostāzes līmenis ir atkarīgs no dažādu jonu koncentrācijas hialoplazmā un starpšūnu šķidrumā. Kāda ir fosfora funkcija cilvēka ķermeņa iekšējās vides noturības uzturēšanā?
Bufersistēma
Pateicoties puscaurlaidības īpašībai caur ārējo membrānu, šūnā nepārtraukti nonāk dažādas vielas, kuru augsta koncentrācija var nelabvēlīgi ietekmēt tās vitālo darbību. Lai neitralizētu toksisko jonu pārpalikumu, citoplazma kopā ar nātrija, kālija, kalcija katjoniem satur karbonātu, sulfītu un fosforskābju skābes atlikumus. Viņi spēj reaģēt ar jonu pārpalikumu, kas iekļuvuši šūnā, un kontrolēt intracelulārā satura noturību. Bufersistēma papildus vāju skābju joniem obligāti ietver anjonusNRO42- un N2RO4 -, kas satur fosforu. Cilvēka organismā kā daļa no bufersistēmas nodrošina fizioloģiski normālu vielmaiņas reakciju norisi šūnu līmenī.
Oksidatīvā fosforilācija
Organisko savienojumu sadalīšanos šūnā sauc par aerobo elpošanu. Tās atrašanās vieta ir mitohondriji. Fermentu kompleksi atrodas uz iekšējām krokām - organellu kristām. Piemēram, ATP-āzes sistēma satur elektronu nesējmolekulas. Pateicoties enzīmu katalizētajām reakcijām, ATP tiek sintezēts no ADP un brīvajām fosforskābes molekulām - šūnu universālās enerģētiskās vielas, kas tiek tērēta to pavairošanai, augšanai un kustībai. Tās veidošanos var attēlot kā vienkāršotu reakcijas shēmu: ADP + F=ATP. Tad citoplazmā uzkrājas adenozīna trifosforskābes molekulas. Tie kalpo kā enerģijas avots mehāniskā darba veikšanai, piemēram, muskuļu sistēmā un plastiskās apmaiņas reakcijās. Līdz ar to fosforam cilvēka organismā ir vadošā loma enerģijas metabolismā.
Iedzimtības molekulu fosfodiestera saites
Šūnas kodolā ir reģistrēts augsts atomu fosfora saturs, jo šis elements ir daļa no nukleīnskābēm. Tos tālajā 19. gadsimtā atklāja Šveices zinātnieks F. Mišers, tie ir biopolimēri un sastāv no monomēriem – nukleotīdiem. Klāt esošais fosforsgan pašās purīna un pirimidīna bāzēs, gan saitēs, kas veido RNS ķēdes un DNS superspirāli. Nukleīnskābes monomēri spēj veidot polimēru struktūras, pateicoties kovalento saišu rašanās starp blakus esošo nukleotīdu pentozes un fosforskābes atlikumiem. Tos sauc par fosfodiesteriem. DNS un RNS molekulu iznīcināšana, kas notiek cilvēka šūnās cietā gamma starojuma ietekmē vai saindēšanās ar toksiskām vielām rezultātā, notiek fosfodiestera saišu pārrāvuma dēļ. Tas izraisa šūnu bojāeju.
Bioloģiskās membrānas
Struktūras, kas ierobežo šūnas iekšējo saturu, satur arī fosforu. Cilvēka organismā līdz 40% no sausā ķermeņa svara krīt uz savienojumiem, kas satur fosfolipīdus un fosfoproteīnus. Tās ir galvenās membrānas slāņa sastāvdaļas, kas satur arī tādas vielas kā olb altumvielas un ogļhidrātus. Augsts fosfora saturs ir raksturīgs neirocītu membrānām un to procesiem - dendritiem un aksoniem. Fosfolipīdi piešķir membrānām plastiskumu un holesterīna molekulu klātbūtnes dēļ arī izturību. Tie spēlē arī otro vēstnešu lomu - signalizācijas molekulas, kas ir nervu impulsa vadīšanā iesaistīto efektorolb altumvielu aktivatori.
Parathormona dziedzeri un to nozīme fosfora metabolismā
Līdzīgi zirņiem, guļ uz abām vairogdziedzera daivām un katra sver 0,5-0,8 g, epitēlijķermenīšu dziedzeri izdala parathormonu. Tas regulē tādu elementu apmaiņu kākalcijs un fosfors cilvēka organismā. To funkcijas ir iedarboties uz osteocītiem un osteoblastiem – skeleta sistēmas šūnām, kuras hormona ietekmē sāk izdalīt fosforskābes sāļus ekstracelulārajā šķidrumā. Ar epitēlijķermenīšu hiperfunkciju cilvēka kauli zaudē spēku, mīkstina un sabrūk, fosfora saturs tajos strauji samazinās. Šajā laikā palielinās mugurkaula, iegurņa kaulu un gurnu lūzumu risks, kas apdraud pacienta dzīvību. Tajā pašā laikā palielinās kalcija daudzums. Tas noved pie hiperkalciēmijas ar perifēro nervu bojājumu simptomiem un skeleta muskuļu tonusa pazemināšanos. Parathormons iedarbojas arī uz nierēm, samazinot fosfora sāļu reabsorbciju no primārā urīna. Fosfātu daudzuma palielināšanās nieru audos izraisa hiperfosfatūriju un akmeņu veidošanos.
Kaulu minerālu sastāvs
Atbalsta sistēmas cietība, izturība un elastība ir atkarīga no kaulaudu šūnu ķīmiskā sastāva. Osteocīti satur gan organiskus savienojumus, piemēram, proteīnu oseina, gan neorganiskas vielas, kas satur kalcija un magnija fosfāta sāļus. Cilvēkam novecojot, palielinās minerālvielu, piemēram, hidroksilapatītu, daudzums osteocītos un osteoblastos. Kaulu audu patoloģiska mineralizācija, kalcija sāļu un liekā fosfora uzkrāšanās cilvēka organismā noved pie visu skeleta daļu elastības un izturības zuduma, tāpēc gados vecākiem cilvēkiem ir lielāks traumu un lūzumu risks.
Fosfora savienojumu pārveide organismācilvēks
Lielākais cilvēka ķermeņa gremošanas dziedzeris - aknas - ieņem vadošo lomu fosforu saturošo vielu metabolismā. Šos procesus ietekmē arī parathormoni un D vitamīns. Elementa ikdienas nepieciešamība pieaugušajiem ir 1,0-2,0 grami, bērniem un pusaudžiem - līdz 2,5 g. Fosfors viegli sagremojamu sāļu veidā, kā arī kompleksos ar olb altumvielām un ogļhidrātiem cilvēka organismā nonāk ar pārtiku.
Ar to piesātinātas saulespuķu, ķirbju, kaņepju sēklas. Dzīvnieku izcelsmes produktos vistu aknās, liellopu gaļā, cietajos sieros un zivīs ir daudz fosfora. Fosfora pārpalikums organismā var rasties nieru reabsorbcijas funkcijas pārkāpuma, nepareizas vitamīnu lietošanas un kalcija trūkuma dēļ pārtikā. Fosfora negatīvā ietekme uz cilvēka organismu galvenokārt izpaužas kā sirds un asinsvadu sistēmas, nieru un kaulu aparāta bojājums un var liecināt par nopietniem vielmaiņas traucējumiem.
