GLOBAL KNOWLEDGE ARK

Chemija · Pamoka

Būtinieji elementai, cheminė forma ir biologinis prieinamumas

Susieti elemento biologinį vaidmenį su jo chemine forma, organizmu ir vietine aplinka. Atskirti elemento buvimą, įsisavinimą, veikiantį kofaktorių ir būtinumo įrodymus.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

  • Atskirti elementą nuo cheminių dalelių, kuriose jis yra.
  • Suskaičiuoti elemento kiekį pasirinktuose formuliniuose vienetuose.
  • Apibrėžti prieinamumo palyginimą konkrečiai sistemai.
  • Sekti galinėmis grupėmis užbaigtą Zn pirmosios koordinacinės sferos fragmentą, nepriskiriant jo krūvio visam baltymui.
01

Biologinis vaidmuo siejamas su apibrėžta chemine sistema

Bioneorganinė chemija tiria neorganinius jonus, kompleksus ir jų sąveiką su gyvosiomis sistemomis. Metalas gali padėti formuoti struktūrą, surišti substratą, perduoti elektroną arba prisidėti prie katalizės. Susilankstę baltymai aplink kofaktorių sukuria molekulinę aplinką su donoriniais atomais, prieigos keliais ir kitomis sąveikomis. Svarbūs ir pats elementas, ir jo ligandai, ir aplinkinė biologinė sistema.

Būtinumas reiškia patvirtintą poreikį tam tikro organizmo funkcijai atitinkamomis sąlygomis. Elemento aptikimas mėginyje nepatvirtina tokio poreikio, o vienos cheminės formos vaidmuo nepatvirtina, kad tokį patį vaidmenį atlieka visi to elemento junginiai. Įrodymai gali apimti kontroliuojamus funkcijos pokyčius ir jos atkūrimą apibrėžtomis sąlygomis; taip pat reikia atsižvelgti į užterštumą, nespecifinį prisijungimą ir pakitusias eksperimento sąlygas.

Žmogaus hemoglobinas, kuriame yra geležies, ir nuo cinko priklausomi fermentai yra nustatytų vaidmenų pavyzdžiai. Kobalamine yra kobalto, o kai kurie žmogaus fermentai naudoja metilkobalamino arba adenozilkobalamino kofaktorius. Šis molekulinis vaidmuo nereiškia, kad bet kurios kobalto druskos yra lygiavertės tiems kofaktoriams. Taip pat negalima manyti, kad poreikį viršijantis kiekis pagerins funkciją vien todėl, kad elementas joje dalyvauja.

02

Teiginiui būtina nurodyti organizmą ir pagrindžiančių duomenų ribas

Jūrinis titnagdumblis Thalassiosira weissflogii yra dokumentuotas kadmio turinčios karboanhidrazės pavyzdys tirtomis aplinkos sąlygomis. Vėliau nustatytos struktūros rodo kadmio ir cinko tarpusavio pakeitimą šioje sistemoje. Šie tyrimai praplečia biologinės chemijos žinias; jie nepatvirtina, kad žmogui būtinas kadmis, ir nesuteikia pagrindo titnagdumblio prisitaikymą priskirti kitam organizmui.

Duomenys taip pat gali paneigti įprastą sąrašą. Galutiniame 2014 m. vertinime EFSA nustatė, kad siūlomos būtinosios Cr(III) funkcijos žmogaus organizme nebuvo pagrįstos, ir negalėjo nustatyti žmogaus mitybinio poreikio. Šis apibrėžtos aprėpties vertinimas neteigia, kad chromas neturi jokio biologinio poveikio. Jis parodo, kodėl bendroje apžvalgoje pateiktą teiginį apie elemento būtinumą reikia patikrinti pagal konkrečius duomenis ir organizmą.

03

Tas pats Fe simbolis skirtingose cheminėse formose

Pasirinktos elementinės geležies Fe oksidacijos laipsnis lygus nuliui. Neutraliuose FeSO₄ ir Fe₂(SO₄)₃ formuliniuose vienetuose sulfatui priskirkite −2 krūvį: Fe oksidacijos laipsnis yra atitinkamai +2 ir +3. Pasirinktame [Fe(H₂O)₆]²⁺ jone dėl neutralaus vandens Fe oksidacijos laipsnis yra +2. Šie priskyrimai apibūdina skirtingas pasirinktas chemines formas, bet nenustato tikrojo jų pasiskirstymo biologiniame skystyje.

Cheminių formų pasiskirstymas nusako, kaip elementas sistemoje pasiskirsto tarp apibrėžtų cheminių formų. Bendrojo elemento kiekio analizė susumuoja elementą visose šiose formose; pati savaime ji nenustato ligandų, oksidacijos laipsnių ar molekulinių struktūrų. Tirpimas, ligandų mainai, oksidacijos ir redukcijos reakcijos bei asociacija gali pakeisti šį pasiskirstymą prieš įsisavinimą arba jo metu. Todėl cheminės formos tapatybė ir sistemos sąlygos yra teiginio apie prieinamumą ar biologinę funkciją dalis.

04

Suskaičiuoti elementą ir apibrėžti matuojamą pernašą

Originaliame formulinių vienetų skaičiavimo uždavinyje 0.400 μmol FeSO₄ ir 0.300 μmol Fe₂(SO₄)₃ iš viso turi 0.400+2×0.300=1.00 μmol Fe atomų, nors abiejų užrašytų formulių vienetų yra tik 0.700 μmol. Kai tiksli Avogadro konstanta N_A=6.02214076×10²³ mol⁻¹, šis Fe kiekis atitinka 6.02214076×10¹⁷ atomų. Tai stechiometrija, o ne įsisavinimo matavimas.

Atskirame išgalvotame prieinamumo palyginime į ekspozicijos kompartmentą įveskite 1.00 μmol įvardytos cheminės formos ir išmatuokite 0.250 μmol, per pasirinktą laikotarpį perneštų į apibrėžtą vidinį kompartmentą. Išmatuota dalis yra 0.250, arba 25.0%. Jei atskaitos sistemos dalis yra 0.500, santykinė dalis yra 0.500.

Kartu su šiais skaičiais turi būti nurodyti kompartmentas, laikotarpis, organizmas, patekimo kelias ir atskaitos sistema. Tirpumas, perneštas kiekis, sisteminė farmakokinetinė ekspozicija ir įtraukimas į funkcinį kofaktorių yra skirtingi vertinimo rodikliai. Šis supaprastintas matavimas nenustato individo poreikio, iš maisto absorbuojamos dalies ar biologinės naudos.

05

Fragmentas gali paaiškinti vietinį krūvio pokytį

Žmogaus karboanhidrazės II pirmojoje koordinacinėje sferoje Zn yra koordinuotas trijų histidino donorinių atomų ir iš tirpiklio kilusio O donorinio atomo. Įvardytos liekanos His 94, His 96 ir His 119 sudaro tris jungtis per N atomus. Supaprastintame, galinėmis grupėmis užbaigtame modelyje šios baltymo donorinės grupės pakeičiamos trimis neutraliomis imidazolo donorinėmis grupėmis ImH; likusi baltymo dalis sąmoningai neįtraukiama.

Pasirinktame fragmente [Zn(ImH)₃(H₂O)]²⁺ Zn oksidacijos laipsnis yra +2, elektroninė konfigūracija – d¹⁰, o tiesiogiai prisijungusių donorų yra keturi. Deprotonavus prie jo prisijungusią vandens molekulę, susidaro [Zn(ImH)₃(OH)]⁺ ir H⁺: fragmento krūvis sumažėja vienetu, o Zn oksidacijos laipsnis lieka +2, elektroninė konfigūracija – d¹⁰, ir donorų skaičius lieka keturi. Pasirinktame modelyje tai yra rūgštinis–bazinis pokytis, o ne Zn oksidacijos–redukcijos etapas.

ImH čia yra neutralaus imidazolo donoro santrumpa, o ne visa histidino liekana ar išmatuotas baltymo krūvis. Toliau pateiktos vienetinės tetraedrinės kryptys iliustruotų keturių donorų topologiją, o ne tikrąsias kristalo koordinates ar ryšių ilgius. Protonų pernaša baltyme, tirpiklio mainai ir konformacinis kontekstas nepatenka į šio apriboto fragmento apskaitą.

Ligando protonas keičia užbaigto fragmento krūvį, o Zn išlieka +2
Originalūs pasirinktų Zn(ImH)₃(H₂O)²⁺ ir Zn(ImH)₃(OH)⁺ fragmentų idealios tetraedrinės pirmosios koordinacinės sferos brėžiniai. ImH yra neutrali imidazolo galinė grupė, atstojanti kiekvieną nurodytą histidino N donorą; likusi baltymo dalis ir antrosios koordinacinės sferos His64 nepavaizduoti. Vienetinio spindulio koordinatės skirtos geometrijai mokyti – jos nėra kristalografinės padėtys, ryšių ilgiai ar visas katalizės kelias. Zn išlieka +2, jo formalioji konfigūracija išlieka d¹⁰, o kontaktų su donorais skaičius – keturi.Idealus pirmosios koordinacinės sferos modelis · likusi baltymo dalis neparodytaFragmentas su koordinuotu vandeniuHis94 NHis96 NHis119 NVandens OZnFragmento su galinėmis grupėmis krūvis +2Zn +2 · d¹⁰ · keturi donoraiFragmentas su koordinuotu hidroksiduHis94 NHis96 NHis119 NHidroksido OZnUžbaigto fragmento krūvis +1Zn +2 · d¹⁰ · keturi donorai

Originalūs pasirinktų Zn(ImH)₃(H₂O)²⁺ ir Zn(ImH)₃(OH)⁺ fragmentų idealios tetraedrinės pirmosios koordinacinės sferos brėžiniai. ImH yra neutrali imidazolo galinė grupė, atstojanti kiekvieną nurodytą histidino N donorą; likusi baltymo dalis ir antrosios koordinacinės sferos His64 nepavaizduoti. Vienetinio spindulio koordinatės skirtos geometrijai mokyti – jos nėra kristalografinės padėtys, ryšių ilgiai ar visas katalizės kelias. Zn išlieka +2, jo formalioji konfigūracija išlieka d¹⁰, o kontaktų su donorais skaičius – keturi.

Abiejuose brėžiniuose yra trys N donorai ir vienas O donoras. Užbaigto fragmento apskaitoje neutrali koordinuota vandens molekulė virsta OH⁻ ir išsiskiria H⁺: fragmento krūvis iš +2 tampa +1, o Zn +2 nekinta. His64 nepatenka į pasirinktą pirmąją koordinacinę sferą.

Pagrindinės idealiosios koordinatės ir apskaita
Bedimensės donorų padėtys metalo, esančio taške (0, 0, 0), atžvilgiu
Pasirinktas fragmentasDonoro žymuoVienetinio spindulio x, y, zSusietas metalas
Fragmentas su koordinuotu vandeniuHis94 N0.57735, 0.57735, 0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu vandeniuHis96 N0.57735, -0.57735, -0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu vandeniuHis119 N-0.57735, 0.57735, -0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu vandeniuVandens O-0.57735, -0.57735, 0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu hidroksiduHis94 N0.57735, 0.57735, 0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu hidroksiduHis96 N0.57735, -0.57735, -0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu hidroksiduHis119 N-0.57735, 0.57735, -0.57735Zn
Fragmentas su koordinuotu hidroksiduHidroksido O-0.57735, -0.57735, 0.57735Zn
Formalieji priskyrimai užbaigtiems fragmentams
Pasirinktas fragmentas su užbaigtais ryšiaisLigandų krūvių sumaFragmento krūvisZn oksidacijos laipsnis; tiesioginiai donorai
[Zn(ImH)₃(H₂O)]²⁺0+2Zn +2, d¹⁰;4
[Zn(ImH)₃(OH)]⁺−1+1Zn +2, d¹⁰;4
Hidrokso fragmentas +H⁺−1 hidrokso ligandeIš viso +2Ta pati metalo būsena; išsiskiria vienas protonas

Išnagrinėti pavyzdžiai

Nustatykite Fe oksidacijos laipsnį atskirai keturiose pasirinktose formose

Laikykite, kad sulfato krūvis yra −2, o vanduo yra neutralus.

  1. Elementinės Fe oksidacijos laipsnis yra 0.
  2. FeSO₄: iš x −2=0 gauname +2.
  3. Fe₂(SO₄)₃: iš 2x −6=0 gauname +3.
  4. [Fe(H₂O)₆]²⁺: x=+2.

Pasirinktoms formoms nustatyti oksidacijos laipsniai: 0, +2, +3, +2; iš šių priskyrimų neseka, kad šios formos biologiniu požiūriu yra tarpusavyje pakeičiamos.

Skaičiuokite Fe atomus, o ne formulinius vienetus

Naudokite 0.400 μmol FeSO₄ ir 0.300 μmol Fe₂(SO₄)₃.

  1. Pirmajame junginyje yra 0.400 μmol Fe atomų.
  2. Antrojo indėlis yra 2×0.300=0.600 μmol.
  3. Bendras 1.00 μmol kiekis atitinka 6.02214076×10¹⁷ atomų.

Bendras elemento medžiagos kiekis yra vienas μmol; užrašytų formulinių vienetų kiekių suma yra 0.700 μmol.

Nurodykite vardiklį ir atskaitą

Naudokite išgalvotą 1.00 μmol įvesties kiekį, apibrėžtą 0.250 μmol pernašos kiekį ir atskaitos dalį 0.500.

  1. Pernešto kiekio ir įvesties kiekio santykis 0.250.
  2. Procentinė dalis 25.0%.
  3. Santykinė dalis 0.250/0.500=0.500.

Apibrėžtos sistemos matavimas, nedarant išvadų apie fiziologinę funkciją ir neteikiant individualios rekomendacijos.

Subalansuokite fragmento su blokuotomis galinėmis grupėmis protono netekimą

Palyginkite Zn fragmentus su akva- ir hidrokso- ligandais.

  1. Akva: Zn +2 kartu su neutraliais donorais suteikia +2 krūvį.
  2. Hidrokso: Zn +2 kartu su OH⁻ sudaro +1 krūvį.
  3. Hidrokso + H⁺ išlaiko pradinį bendrąjį krūvį +2.
  4. Zn priskyrimas ir keturi tiesioginiai donorai lieka nepakitę.

Vietinė rūgščių ir bazių apskaita, į modelį neįtraukiant viso baltymo krūvio.

Pabandykite patys

  1. Naudokite 0.200 μmol FeSO₄ ir 0.100 μmol Fe₂(SO₄)₃. Raskite bendrą Fe atomų medžiagos kiekį.

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    0.400 μmol.

    0.200+2×0.100=0.400; formulinių vienetų kiekiui ir elemento kiekiui taikomi skirtingi daugikliai.

  2. Kitoje apibrėžtoje supaprastintoje modelinėje sistemoje iš įnešto 1.20 μmol kiekio pernešama 0.300 μmol. Kokia dalis pernešama?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    0.250, arba 25.0%.

    Perneštą kiekį padalykite iš įnešto kiekio; sistemą ir galutinį tašką vis tiek reikia apibrėžti.

  3. Ar galinėmis grupėmis užbaigtame fragmente vykstantis akva→hidrokso virsmas pakeičia formalųjį Zn oksidacijos laipsnį?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne; jis lieka +2.

    Ligandas netenka protono, ir jam priskiriamas krūvis pakinta; tai nėra metalo oksidacijos laipsnio pokytis.

  4. Kodėl kadmio turintis jūrinio titnagdumblio fermentas nepagrindžia kadmio būtinumo žmogui?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Skiriasi organizmas, funkcija ir tirtos sąlygos.

    Teiginiui apie būtinumą reikia įrodymų, susijusių su konkrečia biologine sistema; vien elemento buvimo nepakanka.

Ką verta įsidėmėti

  • Įvardykite cheminę dalelę ir biologinę sistemą.
  • Būtinumą laikykite įrodymais pagrįstu poreikiu.
  • Elemento atomus skaičiuokite taikydami tinkamą formulės daugiklį.
  • Apibrėžkite prieinamumo vertinimo rodiklį ir atskaitos pagrindą.
  • Galinėmis grupėmis užbaigtas kofaktoriaus fragmentas nėra visas baltymas.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.

  1. International Union of Pure and Applied Chemistry3 šaltiniai
    1. Bioavailability (general)International Union of Pure and Applied ChemistryŽinynasgoldbook.iupac.orgSkaityti šaltinį
    2. Speciation in chemistryInternational Union of Pure and Applied ChemistryŽinynasgoldbook.iupac.orgSkaityti šaltinį
    3. MetalloenzymeInternational Union of Pure and Applied ChemistryŽinynasgoldbook.iupac.orgSkaityti šaltinį
  2. NIH Office of Dietary Supplements; no individual byline displayed3 šaltiniai
    1. Iron: Health Professional Fact SheetNIH Office of Dietary Supplements; no individual byline displayedŽinynasods.od.nih.govSkaityti šaltinį
    2. Zinc: Health Professional Fact SheetNIH Office of Dietary Supplements; no individual byline displayedŽinynasods.od.nih.govSkaityti šaltinį
    3. VitaminB12: Health Professional Fact SheetNIH Office of Dietary Supplements; no individual byline displayedŽinynasods.od.nih.govSkaityti šaltinį
  3. Scientific Opinion on Dietary Reference Values for chromiumEFSA NDA PanelŽinynasefsa.onlinelibrary.wiley.comSkaityti šaltinį
  4. A cadmium enzyme from a marine diatomTodd W.Lane; Mak A.Saito; Graham N.George; Ingrid J.Pickering; Roger C.Prince; François M.M.MorelŽinynas · PDFwww2.whoi.eduSkaityti šaltinį
  5. Structure and metal exchange in the cadmium carbonic anhydrase of marine diatomsYan Xu; Liang Feng; Philip D.Jeffrey; Yigong Shi; François M.M.MorelŽinynasnature.comSkaityti šaltinį
  6. Active-site solvent replenishment observed during human carbonic anhydrase II catalysisJin Kyun Kim; Carrie L.Lomelino; Balendu Sankara Avvaru; Brian P.Mahon; Robert McKenna; SangYoun Park; Chae Un KimŽinynasjournals.iucr.orgSkaityti šaltinį
  7. Meet the ConstantsNIST institutional metrology educationŽinynasnist.govSkaityti šaltinį