Биохимията е клон от биологията, който изучава химичния състав както на отделните клетки, така и на целия организъм. Известно е, че почти 98% от клетъчното съдържание включва кислородни, въглеродни, азотни и водородни атоми. Тези химични елементи се наричат органогенни. 1,8% се пада на калий, натрий, магнезий, хлор, фосфор. В човешкото тяло те са част от минерални соли и имат формата на прости или сложни йони, осигуряващи нормалното протичане на метаболитните реакции. Например, най-важните клетъчни съединения, отговорни за предаването на наследствени черти - нуклеинови киселини - съдържат аниони на киселинни остатъци от ортофосфорна киселина.
Фосфорсъдържащите йони също са включени в молекулите на АТФ, от които зависи снабдяването на клетките с енергия. В тази статия ще дадем примери, които потвърждават важноторолята на фосфора в човешкото тяло и ефекта му върху метаболизма.
Ковалентни полярни връзки и тяхното значение
В основата на структурата на органичните вещества, които изграждат живата материя, е способността на техните молекули да образуват определен тип химична връзка. Нарича се ковалентен полярен и, възникващ между атомите на неметалите, определя основните химични характеристики на съединенията. Биохимията, изучавайки състава на молекулите на веществата, влизащи в клетките на растения, гъби, животни, установи техния химичен състав. Оказа се, че освен азот, въглерод, кислород, те включват и фосфор. В човешкото тяло не се среща в свободно състояние, тъй като е силно токсично вещество. Следователно в живите системи елементът има формата на аниони на мета-, орто- или пирофосфорна киселина, които имат способността да образуват връзки с метални катиони. В какви вещества на клетката могат да бъдат открити?
Фосфор в сложни органични молекули
Протеини на скелетната система, хормони, витамини и липиди образуват сложни съединения с фосфор-съдържащи комплексни йони. В човешкото тяло има сложни съединения - фосфолипиди и фосфопротеини, които са част от молекулите на биологично активните вещества - ензими и стероиди. Ковалентните полярни връзки в нуклеотидите на ДНК и РНК осигуряват образуването на фосфодиестерни връзки във веригите на нуклеиновите киселини. Защо е необходим фосфорът в човешкото тяло и какви са неговите функции в обмяната на веществата? Нека първо разгледаме този въпрос на клетъчно ниво на организация.
Мястото на фосфора в елементния състав на клетката
По съдържание в цитоплазмата и органелите (0,2-1%) неметалът е на четвърто място след органогенните елементи. Най-наситени с фосфорни съединения са клетките на опорно-двигателния апарат - остеоцити, веществото на зъбната тъкан - дентин. Тяхното съдържание е с високо съдържание на неврони и невроглия, които изграждат нервната система. Фосфорните атоми се намират в мембранни протеини, нуклеинови киселини и енергоемки вещества - АТФ аденозин трифосфорна киселина и в редуцираната форма на никотинамид динуклеотид фосфат - NADP×H2. Както можете да видите, в човешкото тяло фосфорът се намира във всички жизненоважни структури: клетки, тъкани, физиологични системи.
Известно е, че нивото на хомеостаза на клетката, която е отворена биологична система, зависи от концентрацията на различни йони в хиалоплазмата и междуклетъчната течност. Каква е функцията на фосфора за поддържане на постоянството на вътрешната среда на човешкото тяло?
Буферна система
Поради свойството на полупропускливост през външната мембрана, в клетката постоянно влизат различни вещества, чиято висока концентрация може да повлияе неблагоприятно на нейната жизнена дейност. За да неутрализира излишъка от токсични йони, цитоплазмата, заедно с натриеви, калиеви, калциеви катиони, съдържа киселинни остатъци от карбонатна, сулфитна и фосфорна киселини. Те са в състояние да реагират с излишък от йони, които са влезли в клетката и контролират постоянството на вътреклетъчното съдържание. Буферната система, освен йони на слабите киселини, задължително включва аниониNRO42- и N2RO4 -, съдържащи фосфор. В човешкото тяло, като част от буферната система, той осигурява физиологично нормално протичане на метаболитните реакции на клетъчно ниво.
Окислително фосфорилиране
Разграждането на органичните съединения в клетката се нарича аеробно дишане. Местоположението му е митохондриите. Ензимните комплекси са разположени върху вътрешните гънки – кристите на органелите. Например, системата ATP-ase съдържа молекули носители на електрони. Благодарение на реакциите, катализирани от ензими, АТФ се синтезира от ADP и свободни молекули на фосфорната киселина - универсалната енергийна субстанция на клетките, която се изразходва за тяхното възпроизвеждане, растеж и движение. Образуването му може да се представи като опростена реакционна схема: ADP + F=ATP. Тогава в цитоплазмата се натрупват молекули на аденозинтрифосфорната киселина. Те служат като източник на енергия за извършване на механична работа, например в мускулната система и при реакции на пластичен обмен. Следователно, фосфорът в човешкото тяло играе водеща роля в енергийния метаболизъм.
Фосфодиестерни връзки на наследствени молекули
В клетъчното ядро се регистрира високо съдържание на атомен фосфор, тъй като елементът е част от нуклеиновите киселини. Открити още през 19 век от швейцарския учен Ф. Мишер, те са биополимери и се състоят от мономери – нуклеотиди. Наличен фосфоркакто в самите пуринови и пиримидинови бази, така и във връзките, които образуват РНК веригите и супернамотката на ДНК. Мономерите на нуклеиновата киселина са способни да образуват полимерни структури поради появата на ковалентни връзки между пентозата и остатъците от фосфорна киселина на съседни нуклеотиди. Те се наричат фосфодиестери. Разрушаването на молекулите на ДНК и РНК, което се случва в човешките клетки под въздействието на твърда гама лъчение или в резултат на отравяне с токсични вещества, възниква поради разрушаването на фосфодиестерните връзки. Кара клетките да умират.
Биологични мембрани
Структури, които ограничават вътрешното съдържание на клетката, също съдържат фосфор. В човешкото тяло до 40% от сухото телесно тегло се пада на съединения, съдържащи фосфолипиди и фосфопротеини. Те са основните компоненти на мембранния слой, който също съдържа вещества като протеини и въглехидрати. Високото съдържание на фосфор е характерно за мембраните на невроцитите и техните израстъци - дендрити и аксони. Фосфолипидите придават на мембраните пластичност, а поради наличието на холестеролни молекули и здравина. Те също играят ролята на втори пратеници - сигнални молекули, които са активатори на ефекторните протеини, участващи в провеждането на нервния импулс.
Паращитовидните жлези и тяхната роля в метаболизма на фосфора
Наподобяващи грах, разположени върху двата лоба на щитовидната жлеза и с тегло 0,5-0,8 g всеки, паращитовидните жлези секретират паратироиден хормон. Той регулира обмена на елементи като напркалций и фосфор в човешкото тяло. Функциите им са да въздействат върху остеоцитите и остеобластите – клетки на скелетната система, които под въздействието на хормона започват да отделят соли на фосфорната киселина в извънклетъчната течност. При хиперфункция на паращитовидните жлези човешките кости губят здравина, омекват и се срутват, съдържанието на фосфор в тях рязко спада. По това време се увеличава рискът от фрактури на гръбначния стълб, тазовите кости и бедрата, които застрашават живота на пациента. В същото време количеството на калций се увеличава. Това води до хиперкалциемия със симптоми на увреждане на периферните нерви и спад в тонуса на скелетните мускули. Паратироидният хормон действа и върху бъбреците, намалявайки реабсорбцията на фосфорните соли от първичната урина. Увеличаването на фосфатите в тъканите на бъбреците причинява хиперфосфатурия и образуване на камъни.
Костен минерален състав
Твърдостта, здравината и еластичността на поддържащата система зависи от химичния състав на клетките на костната тъкан. Остеоцитите съдържат както органични съединения, като протеин осеин, така и неорганични вещества, съдържащи калциеви и магнезиеви фосфатни соли. С напредването на възрастта на човек количеството минерални компоненти, като хидроксиапатити, в остеоцитите и остеобластите се увеличава. Ненормалната минерализация на костната тъкан, натрупването на калциеви соли и излишък от фосфор в човешкото тяло водят до загуба на еластичност и здравина на всички части на скелета, така че възрастните хора са по-склонни да бъдат изложени на риск от наранявания и фрактури.
Трансформация на фосфорни съединения в тялоточовек
Най-голямата храносмилателна жлеза в човешкото тяло - черният дроб - играе водеща роля в метаболизма на веществата, съдържащи фосфор. Паратироидните хормони и витамин D също влияят на тези процеси. Дневната нужда от елемента за възрастни е 1,0-2,0 грама, за деца и юноши - до 2,5 г. Фосфорът под формата на лесно смилаеми соли, както и в комплекси с протеини и въглехидрати, влиза в човешкото тяло с храната.
Слънчогледови, тиквени, конопени семки са наситени с него. Има много фосфор в животинските продукти в пилешки черен дроб, говеждо месо, твърди сирена и риба. Излишъкът от фосфор в организма може да възникне в резултат на нарушение на реабсорбционната функция на бъбреците, неправилна употреба на витамини и липса на калций в храната. Отрицателният ефект на фосфора върху човешкия организъм се проявява предимно в увреждане на сърдечно-съдовата система, бъбреците и костния апарат и може да показва сериозни метаболитни нарушения.
