Biochemija yra biologijos šaka, tirianti tiek atskirų ląstelių, tiek viso organizmo cheminę sudėtį. Yra žinoma, kad beveik 98% ląstelių turinio sudaro deguonies, anglies, azoto ir vandenilio atomai. Šie cheminiai elementai vadinami organogeniniais. 1,8% tenka kaliui, natriui, magniui, chlorui, fosforui. Žmogaus kūne jie yra mineralinių druskų dalis ir turi paprastų arba sudėtingų jonų formą, užtikrinančią normalią medžiagų apykaitos reakcijų eigą. Pavyzdžiui, svarbiausiuose ląstelių junginiuose, atsakinguose už paveldimų savybių perdavimą – nukleino rūgštyse – yra ortofosforo rūgšties rūgščių liekanų anijonų.
Fosforo turintys jonai taip pat yra įtraukti į ATP molekules, nuo kurių priklauso ląstelių aprūpinimas energija. Šiame straipsnyje pateiksime pavyzdžius, patvirtinančius svarbųfosforo vaidmuo žmogaus organizme ir jo poveikis medžiagų apykaitai.
Kovalentiniai poliniai ryšiai ir jų reikšmė
Gyvąją medžiagą sudarančių organinių medžiagų struktūros pagrindas yra jų molekulių gebėjimas sudaryti tam tikro tipo cheminius ryšius. Jis vadinamas kovalentiniu poliniu ir, atsiradęs tarp nemetalų atomų, lemia pagrindines junginių chemines charakteristikas. Biochemija, tirdama į augalų, grybų, gyvūnų ląsteles patenkančių medžiagų molekulių sudėtį, nustatė jų cheminę sudėtį. Paaiškėjo, kad, be azoto, anglies, deguonies, juose yra ir fosforo. Žmogaus organizme jis neatsiranda laisvoje būsenoje, nes tai labai toksiška medžiaga. Todėl gyvose sistemose elementas turi meta-, orto- arba pirofosforo rūgšties anijonų formą, kurios gali sudaryti ryšius su metalo katijonais. Kokiose ląstelės medžiagose jų galima rasti?
Fosforas sudėtingose organinėse molekulėse
Skeleto sistemos b altymai, hormonai, vitaminai ir lipidai sudaro kompleksinius junginius su fosforo turinčiais kompleksiniais jonais. Žmogaus organizme yra sudėtingų junginių – fosfolipidų ir fosfoproteinų, kurie yra biologiškai aktyvių medžiagų – fermentų ir steroidų – molekulių dalis. Kovalentiniai poliniai ryšiai DNR ir RNR nukleotiduose užtikrina fosfodiesterio jungčių susidarymą nukleorūgščių grandinėse. Kodėl fosforas reikalingas žmogaus organizmui ir kokios jo funkcijos metabolizme? Pirmiausia apsvarstykime šį klausimą korinio organizacijos lygiu.
Fosforo vieta elementinėje ląstelės sudėtyje
Pagal kiekį citoplazmoje ir organelėse (0,2-1%) nemetalas yra ketvirtoje vietoje po organogeninių elementų. Fosforo junginiais labiausiai prisotintos yra raumenų ir kaulų sistemos ląstelės – osteocitai, dantų audinio medžiaga – dentinas. Juose yra daug neuronų ir neuroglijų, kurie sudaro nervų sistemą. Fosforo atomų yra membranų b altymuose, nukleorūgštyse ir daug energijos sunaudojančiose medžiagose – ATP adenozintrifosfato rūgštyje ir redukuotoje nikotinamido dinukleotido fosfato formoje – NADP×H2. Kaip matote, žmogaus organizme fosforo yra visose gyvybiškai svarbiose struktūrose: ląstelėse, audiniuose, fiziologinėse sistemose.
Yra žinoma, kad ląstelės, kuri yra atvira biologinė sistema, homeostazės lygis priklauso nuo įvairių jonų koncentracijos hialoplazmoje ir tarpląsteliniame skystyje. Kokią funkciją atlieka fosforas palaikant žmogaus kūno vidinės aplinkos pastovumą?
Buferio sistema
Dėl pusiau pralaidumo per išorinę membraną savybės į ląstelę nuolat patenka įvairios medžiagos, kurių didelė koncentracija gali neigiamai paveikti jos gyvybinę veiklą. Norint neutralizuoti toksiškų jonų perteklių, citoplazmoje kartu su natrio, kalio, kalcio katijonais yra karbonato, sulfito ir fosforo rūgščių rūgščių likučių. Jie sugeba reaguoti su jonų pertekliumi, patekusiu į ląstelę, ir kontroliuoti tarpląstelinio turinio pastovumą. Buferinė sistema, be silpnų rūgščių jonų, būtinai apima anijonusNRO42- ir N2RO4 -, kurių sudėtyje yra fosforo. Žmogaus kūne, kaip buferinės sistemos dalis, jis užtikrina fiziologiškai normalią medžiagų apykaitos reakcijų eigą ląstelių lygmenyje.
Oksidacinis fosforilinimas
Organinių junginių skaidymas ląstelėje vadinamas aerobiniu kvėpavimu. Jo vieta yra mitochondrijos. Fermentų kompleksai išsidėstę ant vidinių raukšlių – organelių kristalų. Pavyzdžiui, ATP-azės sistemoje yra elektronų nešiklio molekulės. Dėl fermentų katalizuojamų reakcijų ATP sintetinamas iš ADP ir laisvųjų fosforo rūgšties molekulių – universalios ląstelių energetinės medžiagos, kuri išnaudojama jų dauginimuisi, augimui ir judėjimui. Jo susidarymą galima pavaizduoti kaip supaprastintą reakcijos schemą: ADP + F=ATP. Tada citoplazmoje kaupiasi adenozino trifosforo rūgšties molekulės. Jie naudojami kaip energijos š altinis atliekant mechaninį darbą, pavyzdžiui, raumenų sistemoje ir plastinių mainų reakcijose. Vadinasi, žmogaus organizme esantis fosforas vaidina pagrindinį vaidmenį energijos apykaitoje.
Paveldimumo molekulių fosfodiesteriniai ryšiai
Ląstelės branduolyje užfiksuotas didelis atominio fosforo kiekis, nes elementas yra nukleorūgščių dalis. Dar XIX amžiuje atrasti šveicarų mokslininko F. Miescherio, jie yra biopolimerai ir susideda iš monomerų – nukleotidų. Esama fosforotiek pačiose purino ir pirimidino bazėse, tiek ryšiuose, kurie sudaro RNR grandines ir DNR superspiralę. Nukleino rūgščių monomerai gali sudaryti polimerines struktūras dėl kovalentinių ryšių tarp gretimų nukleotidų pentozės ir fosforo rūgšties liekanų. Jie vadinami fosfodiesteriais. DNR ir RNR molekulių sunaikinimas, atsirandantis žmogaus ląstelėse, veikiant stipriai gama spinduliuotei arba apsinuodijus toksinėmis medžiagomis, įvyksta dėl fosfodiesterio jungčių nutrūkimo. Dėl to ląstelės miršta.
Biologinės membranos
Struktūrose, kurios riboja vidinį ląstelės turinį, taip pat yra fosforo. Žmogaus kūne iki 40% sauso kūno svorio tenka junginiams, kuriuose yra fosfolipidų ir fosfoproteinų. Jie yra pagrindiniai membraninio sluoksnio komponentai, kuriuose taip pat yra tokių medžiagų kaip b altymai ir angliavandeniai. Didelis fosforo kiekis būdingas neurocitų membranoms ir jų procesams – dendritams ir aksonams. Fosfolipidai suteikia membranoms plastiškumo, o dėl cholesterolio molekulių – ir stiprumo. Jie taip pat atlieka antrųjų pasiuntinių – signalinių molekulių, kurios yra efektorinių b altymų, dalyvaujančių vykdant nervinį impulsą, aktyvatoriai, vaidmenį.
Paratiroidinės liaukos ir jų vaidmuo fosforo apykaitoje
Panašios į žirnius, gulinčios ant abiejų skydliaukės skilčių ir sveriančios po 0,5-0,8 g, prieskydinės liaukos išskiria prieskydinės liaukos hormoną. Jis reguliuoja keitimąsi elementais, tokiais kaipkalcio ir fosforo žmogaus organizme. Jų funkcijos yra veikti osteocitus ir osteoblastus – skeleto sistemos ląsteles, kurios, veikiamos hormono, į ekstraląstelinį skystį pradeda išskirti fosforo rūgšties druskas. Esant prieskydinių liaukų hiperfunkcijai, žmogaus kaulai praranda stiprumą, suminkštėja ir griūva, o fosforo kiekis juose smarkiai sumažėja. Šiuo metu padidėja stuburo, dubens kaulų ir klubų lūžių, keliančių grėsmę paciento gyvybei, rizika. Tuo pačiu metu padidėja kalcio kiekis. Tai sukelia hiperkalcemiją su periferinių nervų pažeidimo simptomais ir griaučių raumenų tonuso sumažėjimu. Parathormonas taip pat veikia inkstus, sumažindamas fosforo druskų reabsorbciją iš pirminio šlapimo. Padidėjęs fosfatų kiekis inkstų audiniuose sukelia hiperfosfaturiją ir akmenų susidarymą.
Kaulų mineralinė sudėtis
Atraminės sistemos kietumas, stiprumas ir elastingumas priklauso nuo kaulinio audinio ląstelių cheminės sudėties. Osteocituose yra ir organinių junginių, tokių kaip b altymas oseinas, ir neorganinės medžiagos, turinčios kalcio ir magnio fosfato druskų. Žmogui senstant, mineralinių komponentų, tokių kaip hidroksiapatitai, kiekis osteocituose ir osteoblastuose didėja. Dėl nenormalios kaulinio audinio mineralizacijos, kalcio druskų ir fosforo pertekliaus kaupimosi žmogaus organizme prarandamas visų skeleto dalių elastingumas ir stiprumas, todėl vyresnio amžiaus žmonėms dažniau kyla traumų ir lūžių rizika.
Fosforo junginių transformacija organizmežmogus
Didžiausia žmogaus organizmo virškinimo liauka – kepenys – atlieka pagrindinį vaidmenį fosforo turinčių medžiagų apykaitoje. Prieskydinės liaukos hormonai ir vitaminas D taip pat turi įtakos šiems procesams. Elemento dienos poreikis suaugusiems yra 1,0-2,0 gramų, vaikams ir paaugliams - iki 2,5 g. Fosforas lengvai virškinamų druskų pavidalu, taip pat kompleksuose su b altymais ir angliavandeniais patenka į žmogaus organizmą su maistu.
Jo yra prisotintos saulėgrąžų, moliūgų, kanapių sėklos. Daug fosforo yra gyvūninės kilmės produktuose – vištienos kepenyse, jautienoje, kietuose sūriuose, žuvyje. Fosforo perteklius organizme gali atsirasti dėl inkstų reabsorbcijos funkcijos pažeidimo, netinkamo vitaminų vartojimo ir kalcio trūkumo maiste. Neigiamas fosforo poveikis žmogaus organizmui pirmiausia pasireiškia širdies ir kraujagyslių sistemos, inkstų ir kaulų aparato pažeidimu ir gali rodyti rimtus medžiagų apykaitos sutrikimus.
