Η βιοχημεία είναι ένας κλάδος της βιολογίας που μελετά τη χημική σύνθεση τόσο των μεμονωμένων κυττάρων όσο και ολόκληρου του οργανισμού. Είναι γνωστό ότι σχεδόν το 98% του κυτταρικού περιεχομένου περιλαμβάνει άτομα οξυγόνου, άνθρακα, αζώτου και υδρογόνου. Αυτά τα χημικά στοιχεία ονομάζονται οργανογόνα. Το 1,8% πέφτει σε κάλιο, νάτριο, μαγνήσιο, χλώριο, φώσφορο. Στον ανθρώπινο οργανισμό αποτελούν μέρος των μεταλλικών αλάτων και έχουν τη μορφή απλών ή σύνθετων ιόντων, εξασφαλίζοντας την κανονική πορεία των μεταβολικών αντιδράσεων. Για παράδειγμα, οι πιο σημαντικές κυτταρικές ενώσεις που είναι υπεύθυνες για τη μετάδοση κληρονομικών χαρακτηριστικών - νουκλεϊκά οξέα - περιέχουν ανιόντα όξινων υπολειμμάτων ορθοφωσφορικού οξέος.
Τα ιόντα που περιέχουν φώσφορο περιλαμβάνονται επίσης στα μόρια ATP, από τα οποία εξαρτάται η παροχή ενέργειας στα κύτταρα. Σε αυτό το άρθρο, θα δώσουμε παραδείγματα που επιβεβαιώνουν το σημαντικόο ρόλος του φωσφόρου στο ανθρώπινο σώμα και η επίδρασή του στο μεταβολισμό.
Ομοιοπολικοί πολικοί δεσμοί και η σημασία τους
Η βάση της δομής των οργανικών ουσιών που συνθέτουν τη ζωντανή ύλη είναι η ικανότητα των μορίων τους να σχηματίζουν έναν ορισμένο τύπο χημικού δεσμού. Ονομάζεται ομοιοπολική πολική και, που προκύπτει μεταξύ των ατόμων των μη μετάλλων, καθορίζει τα κύρια χημικά χαρακτηριστικά των ενώσεων. Η βιοχημεία, μελετώντας τη σύνθεση των μορίων των ουσιών που εισέρχονται στα κύτταρα των φυτών, των μυκήτων, των ζώων, καθόρισε τη χημική τους σύνθεση. Αποδείχθηκε ότι, εκτός από άζωτο, άνθρακα, οξυγόνο, περιλαμβάνουν και φώσφορο. Στον ανθρώπινο οργανισμό, δεν εμφανίζεται σε ελεύθερη κατάσταση, καθώς είναι μια εξαιρετικά τοξική ουσία. Επομένως, στα ζωντανά συστήματα, το στοιχείο έχει τη μορφή ανιόντων μετα-, ορθο- ή πυροφωσφορικού οξέος, τα οποία έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν δεσμούς με μεταλλικά κατιόντα. Σε ποιες ουσίες του κυττάρου μπορούν να βρεθούν;
Φώσφορος σε πολύπλοκα οργανικά μόρια
Οι πρωτεΐνες του σκελετικού συστήματος, οι ορμόνες, οι βιταμίνες και τα λιπίδια σχηματίζουν σύνθετες ενώσεις με σύμπλοκα ιόντα που περιέχουν φώσφορο. Στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν πολύπλοκες ενώσεις - φωσφολιπίδια και φωσφοπρωτεΐνες, οι οποίες αποτελούν μέρος των μορίων βιολογικά ενεργών ουσιών - ενζύμων και στεροειδών. Οι ομοιοπολικοί πολικοί δεσμοί στα νουκλεοτίδια DNA και RNA παρέχουν το σχηματισμό φωσφοδιεστερικών δεσμών σε αλυσίδες νουκλεϊκών οξέων. Γιατί χρειάζεται ο φώσφορος στον ανθρώπινο οργανισμό και ποιες είναι οι λειτουργίες του στο μεταβολισμό; Ας εξετάσουμε πρώτα αυτό το ερώτημα σε κυτταρικό επίπεδο οργάνωσης.
Η θέση του φωσφόρου στη στοιχειακή σύνθεση του κυττάρου
Σύμφωνα με την περιεκτικότητα στο κυτταρόπλασμα και τα οργανίδια (0,2-1%), το μη μέταλλο βρίσκεται στην τέταρτη θέση μετά τα οργανογόνα στοιχεία. Οι πιο κορεσμένες ενώσεις φωσφόρου είναι τα κύτταρα του μυοσκελετικού συστήματος - τα οστεοκύτταρα, η ουσία του οδοντικού ιστού - η οδοντίνη. Η περιεκτικότητά τους είναι υψηλή σε νευρώνες και νευρογλοία, που αποτελούν το νευρικό σύστημα. Τα άτομα φωσφόρου βρίσκονται σε πρωτεΐνες μεμβράνης, νουκλεϊκά οξέα και ενεργοβόρες ουσίες - ATP αδενοσινοτριφωσφορικό οξύ και σε ανηγμένη μορφή φωσφορικού δινουκλεοτιδίου νικοτιναμιδίου - NADP×H2. Όπως μπορείτε να δείτε, στο ανθρώπινο σώμα, ο φώσφορος βρίσκεται σε όλες τις ζωτικές δομές: κύτταρα, ιστούς, φυσιολογικά συστήματα.
Είναι γνωστό ότι το επίπεδο ομοιόστασης ενός κυττάρου, που είναι ένα ανοιχτό βιολογικό σύστημα, εξαρτάται από τη συγκέντρωση διαφόρων ιόντων στο υαλόπλασμα και στο μεσοκυττάριο υγρό. Ποια είναι η λειτουργία του φωσφόρου στη διατήρηση της σταθερότητας του εσωτερικού περιβάλλοντος του ανθρώπινου σώματος;
Σύστημα προσωρινής αποθήκευσης
Λόγω της ιδιότητας της ημιπερατότητας μέσω της εξωτερικής μεμβράνης, διάφορες ουσίες εισέρχονται συνεχώς στο κύτταρο, η υψηλή συγκέντρωση των οποίων μπορεί να επηρεάσει δυσμενώς τη ζωτική του δραστηριότητα. Για την εξουδετέρωση της περίσσειας τοξικών ιόντων, το κυτταρόπλασμα, μαζί με κατιόντα νατρίου, καλίου, ασβεστίου, περιέχει όξινα υπολείμματα ανθρακικών, θειωδών και φωσφορικών οξέων. Είναι σε θέση να αντιδρούν με μια περίσσεια ιόντων που έχουν εισέλθει στο κύτταρο και να ελέγχουν τη σταθερότητα του ενδοκυτταρικού περιεχομένου. Το ρυθμιστικό σύστημα, εκτός από ιόντα ασθενών οξέων, περιλαμβάνει απαραίτητα ανιόνταNRO42- και N2RO4 - που περιέχει φώσφορο. Στο ανθρώπινο σώμα, ως μέρος του ρυθμιστικού συστήματος, διασφαλίζει τη φυσιολογικά φυσιολογική πορεία των μεταβολικών αντιδράσεων σε κυτταρικό επίπεδο.
Οξειδωτική φωσφορυλίωση
Η διάσπαση των οργανικών ενώσεων σε ένα κύτταρο ονομάζεται αερόβια αναπνοή. Η θέση του είναι τα μιτοχόνδρια. Τα σύμπλοκα ενζύμων βρίσκονται στις εσωτερικές πτυχές - τα cristae των οργανιδίων. Για παράδειγμα, το σύστημα ΑΤΡ-άσης περιέχει μόρια φορέα ηλεκτρονίων. Χάρη στις αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα, το ATP συντίθεται από το ADP και τα ελεύθερα μόρια του φωσφορικού οξέος - της καθολικής ενεργειακής ουσίας των κυττάρων, η οποία δαπανάται για την αναπαραγωγή, την ανάπτυξη και την κίνησή τους. Ο σχηματισμός του μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα απλοποιημένο σχήμα αντίδρασης: ADP + F=ATP. Στη συνέχεια, μόρια τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης συσσωρεύονται στο κυτταρόπλασμα. Χρησιμεύουν ως πηγή ενέργειας για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών, για παράδειγμα, στο μυϊκό σύστημα και σε αντιδράσεις ανταλλαγής πλαστικών. Κατά συνέπεια, ο φώσφορος στο ανθρώπινο σώμα παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στον ενεργειακό μεταβολισμό.
Φωσφοδιεστερικοί δεσμοί μορίων κληρονομικότητας
Μια υψηλή περιεκτικότητα σε ατομικό φώσφορο καταγράφεται στον πυρήνα του κυττάρου, καθώς το στοιχείο είναι μέρος των νουκλεϊκών οξέων. Ανακαλύφθηκαν τον 19ο αιώνα από τον Ελβετό επιστήμονα F. Miescher, είναι βιοπολυμερή και αποτελούνται από μονομερή - νουκλεοτίδια. Παρών φώσφοροςτόσο στις ίδιες τις βάσεις πουρίνης και πυριμιδίνης, όσο και στους δεσμούς που σχηματίζουν τις αλυσίδες RNA και το υπερπηνίο DNA. Τα μονομερή νουκλεϊκού οξέος είναι ικανά να σχηματίζουν δομές πολυμερούς λόγω της εμφάνισης ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των υπολειμμάτων πεντόζης και φωσφορικού οξέος γειτονικών νουκλεοτιδίων. Ονομάζονται φωσφοδιεστέρες. Η καταστροφή των μορίων DNA και RNA που συμβαίνει στα ανθρώπινα κύτταρα υπό την επίδραση σκληρής ακτινοβολίας γάμμα ή ως αποτέλεσμα δηλητηρίασης με τοξικές ουσίες συμβαίνει λόγω της θραύσης των φωσφοδιεστερικών δεσμών. Προκαλεί τον θάνατο των κυττάρων.
Βιολογικές μεμβράνες
Οι δομές που περιορίζουν το εσωτερικό περιεχόμενο του κυττάρου περιέχουν επίσης φώσφορο. Στο ανθρώπινο σώμα, έως και το 40% του ξηρού σωματικού βάρους πέφτει σε ενώσεις που περιέχουν φωσφολιπίδια και φωσφοπρωτεΐνες. Είναι τα κύρια συστατικά του στρώματος της μεμβράνης, το οποίο περιέχει επίσης ουσίες όπως πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Η υψηλή περιεκτικότητα σε φώσφορο είναι χαρακτηριστική των μεμβρανών των νευροκυττάρων και των διεργασιών τους - δενδρίτες και άξονες. Τα φωσφολιπίδια δίνουν στις μεμβράνες πλαστικότητα, και λόγω της παρουσίας μορίων χοληστερόλης, και αντοχή. Παίζουν επίσης το ρόλο των δεύτερων αγγελιοφόρων - μορίων σηματοδότησης που είναι ενεργοποιητές πρωτεϊνών τελεστών που εμπλέκονται στην αγωγή μιας νευρικής ώθησης.
Οι παραθυρεοειδείς αδένες και ο ρόλος τους στο μεταβολισμό του φωσφόρου
Μοιάζουν με μπιζέλια, που βρίσκονται και στους δύο λοβούς του θυρεοειδούς αδένα και ζυγίζουν 0,5-0,8 g ο καθένας, οι παραθυρεοειδείς αδένες εκκρίνουν παραθυρεοειδή ορμόνη. Ρυθμίζει την ανταλλαγή στοιχείων όπως π.χασβέστιο και φώσφορο στο ανθρώπινο σώμα. Οι λειτουργίες τους είναι να δρουν σε οστεοκύτταρα και οστεοβλάστες - κύτταρα του σκελετικού συστήματος, τα οποία, υπό την επίδραση της ορμόνης, αρχίζουν να απελευθερώνουν άλατα φωσφορικού οξέος στο εξωκυτταρικό υγρό. Με την υπερλειτουργία των παραθυρεοειδών αδένων, τα ανθρώπινα οστά χάνουν δύναμη, μαλακώνουν και καταρρέουν, η περιεκτικότητα σε φώσφορο σε αυτά μειώνεται απότομα. Αυτή την περίοδο αυξάνεται ο κίνδυνος καταγμάτων της σπονδυλικής στήλης, των οστών της λεκάνης και των γοφών, που απειλούν τη ζωή του ασθενούς. Ταυτόχρονα αυξάνεται και η ποσότητα του ασβεστίου. Αυτό οδηγεί σε υπερασβεστιαιμία με συμπτώματα βλάβης των περιφερικών νεύρων και πτώση του τόνου των σκελετικών μυών. Η παραθυρεοειδική ορμόνη δρα επίσης στα νεφρά, μειώνοντας την επαναρρόφηση αλάτων φωσφόρου από τα πρωτογενή ούρα. Η αύξηση των φωσφορικών στους ιστούς των νεφρών προκαλεί υπερφωσφατουρία και σχηματισμό λίθων.
Σύνθεση ορυκτών οστών
Η σκληρότητα, η αντοχή και η ελαστικότητα του συστήματος στήριξης εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των κυττάρων του οστικού ιστού. Τα οστεοκύτταρα περιέχουν τόσο οργανικές ενώσεις, όπως η πρωτεΐνη οσεΐνη, όσο και ανόργανες ουσίες που περιέχουν άλατα φωσφορικού ασβεστίου και μαγνησίου. Καθώς ένα άτομο μεγαλώνει, η ποσότητα των μεταλλικών συστατικών, όπως οι υδροξυαπατίτες, στα οστεοκύτταρα και τους οστεοβλάστες αυξάνεται. Η μη φυσιολογική ανοργανοποίηση του οστικού ιστού, η συσσώρευση αλάτων ασβεστίου και περίσσειας φωσφόρου στο ανθρώπινο σώμα οδηγούν σε απώλεια ελαστικότητας και αντοχής όλων των τμημάτων του σκελετού, επομένως οι ηλικιωμένοι είναι πιο πιθανό να διατρέχουν κίνδυνο τραυματισμών και καταγμάτων.
Μετασχηματισμός ενώσεων φωσφόρου στο σώμαάνθρωπος
Ο μεγαλύτερος πεπτικός αδένας του ανθρώπινου σώματος - το συκώτι - παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στο μεταβολισμό των ουσιών που περιέχουν φώσφορο. Οι παραθυρεοειδικές ορμόνες και η βιταμίνη D επηρεάζουν επίσης αυτές τις διαδικασίες. Η ημερήσια απαίτηση του στοιχείου για ενήλικες είναι 1,0-2,0 γραμμάρια, για παιδιά και εφήβους - έως 2,5 γρ. Ο φώσφορος με τη μορφή εύπεπτων αλάτων, καθώς και σε σύμπλοκα με πρωτεΐνες και υδατάνθρακες, εισέρχεται στο ανθρώπινο σώμα με την τροφή.
Οι σπόροι ηλίανθου, κολοκύθας, κάνναβης είναι κορεσμένοι με αυτό. Υπάρχει πολύς φώσφορος στα ζωικά προϊόντα στο συκώτι κοτόπουλου, το βοδινό κρέας, τα σκληρά τυριά και τα ψάρια. Μια περίσσεια φωσφόρου στο σώμα μπορεί να συμβεί ως αποτέλεσμα παραβίασης της λειτουργίας επαναρρόφησης των νεφρών, ακατάλληλης χρήσης βιταμινών και έλλειψης ασβεστίου στα τρόφιμα. Η αρνητική επίδραση του φωσφόρου στον ανθρώπινο οργανισμό εκδηλώνεται κατά κύριο λόγο στη βλάβη του καρδιαγγειακού συστήματος, των νεφρών και του οστικού συστήματος και μπορεί να υποδηλώνει σοβαρές μεταβολικές διαταραχές.
