prof. dr hab. inż. Bogusław Baś 30 listopada 2019

1. Cynk
pierwiastek,
o którym wiadomo…
bas@agh.edu.pl
prof. dr hab. inż. Bogusław Baś

2. …, że należy do grupy biopierwiastków, których zarówno niedobór
jak i nadmiar może prowadzić do zaburzeń homeostazy
(samoregulacji procesów biologicznych) w organizmie człowieka.

3. Biopierwiastki pod względem zawartości w organizmie
człowieka klasyfikuje się na:
makroelementy
pierwiastki występujące w dużych ilościach, i stanowiące nie mniej
niż 0.1% masy ciała człowieka:
65.04% O2; 18.25% C; 10.05% H2; 2.65% N2; 1.4% Ca; 0.81% P;
0.27% K; 0.26% Na; 0.25% Cl2; 0.21% S.
mikroelementy
pierwiastki występujące w ilościach mniejszych niż 0.1 % masy ciała,
np.: 0.04% Mg; 6·10-3% Fe; 3·10-3% Zn; 10-4% Cu; 10-4% Si.
ultraelementy
pierwiastki występujące w organizmie w ilościach mniejszych niż
10-4%, np.: Mn; Mo; Se; Sr; V.

4. Diagnostyka zaburzeń gospodarki biopierwiastkami, z punktu
widzenia patofizjologii organizmów żywych, jest niezbędna w celu
zapewnienia adekwatnego (do schorzenia) leczenia, a także
profilaktyki.
Do najważniejszych funkcji jakie biopierwiastki pełnią
w organizmie człowieka zaliczyć należy:
budulcową układu kostnego
i tkanek miękkich
regulującą funkcje fizjologiczne
poprzez obecność w strukturze wielu
enzymów
Kość zbita: a) kanały Haversa; b) osteocyty
Hemoglobina Kompleks żelazo-porfirynowy

5. Wydalanie biopierwiastków odbywa się wraz z:
- żółcią: Cu; Mn; Mo; Se; Zn
- potem: Zn
- sokiem trzustkowym: Zn
- moczem i kałem: Co; Cr; Mo; Se; Zn
- martwymi komórkami śluzowymi: Fe
Wchłanianie biopierwiastków odbywa się przez jonospecyficzne
kanały, z udziałem ligandów i specyficznych białek transportowych:
a) albuminy: Cr; Cu; Mn; Se; Zn; (CO2)
b) globuliny: transkobalamina: Co
transferyna: Cr; Fe; Mn
ceruloplazmina: Cu
makroglobulina: Mn; Zn
c) Aminokwasów białkowych: Cu; Se

6. Zawartość biopierwiastka ↔ Stan zdrowia organizmu
Philippus Bombastus von Hohenheim
(1493-1541)
„Wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną.
Tylko dawka czyni, że dana substancja nie jest
trucizną" (łac. Dosis facit venenum)

7. W warunkach in vivo (łac. „na żywym”) zachowanie
biopierwiastków w organizmie człowieka jest ściśle określone
i specyficzne. Specyficzność oddziaływania określa m.in.:
- wartościowość
- potencjał redox
- promień jonowy
- liczba koordynacyjna
- geometria koordynacji
- i powinowactwo do liganda
W warunkach in vitro (łac. „w szkle”) specyficzność działania
biopierwiastków jest istotnie ograniczona.
Niedobór danego biopierwiastka w organizmie człowieka może
być uzupełniony tylko przez ten sam pierwiastek.

8. a) enzymów:
Zn – anhydraza węglanowa, dysmutaza ponadtlenkowa (z Cu)
Cu – oksydazy aminowe
Mn – arginaza, glikozylotransferaza
Se – peroksydaza glutationowa
b) hormonów:
I – tyroksyna, trijodotyronina
c) witamin:
Co – witamina B12
d) metaloprotein:
Fe – hemoglobina i mioglobina
Cu – ceruloplazmina
Biopierwiastki wchodzą w skład:
Zn
Zn
OH-
histydyny
Anhydraza węglanowa

9. Wszystkie procesy chemiczne związane z funkcjonowaniem
organizmów żywych wymagają współudziału enzymów, by osiągnąć
wystarczającą wydajność.
metaloenzymy (metaloproteiny) – jony metalu (kofaktory) silnie wiązane
z apoenzymem (białkowy składnik enzymu) - enzymy aktywowane przez
jony metali
Enzymy – to białkowe (w większości) katalizatory przyspieszające
reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji.
- są wysoce specyficzne wobec substratów, dany enzym katalizuje
jedną (kilka) reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów
- enzymy nie zużywają się w trakcie przebiegu reakcji, a także nie
wpływają na ich równowagę

10. W 1894r. Emil Fischer sugeruje, że zarówno enzym jak i jego
substraty są do siebie geometrycznie, idealnie dopasowane jak
klucz i zamek – taki model wyjaśnia specyficzność mechanizmu
działania enzymów.
W 1958r. Koshland udowadnia, że to grupy boczne
aminokwasów, tworzące (z jonem metalu) centra aktywne enzymów
podlegają reorganizacji przestrzennej, ściśle dopasowując swoje
pozycje do wiązanego substratu, co umożliwia ich katalizę.

11. Anhydraza węglanowa to jeden z
najszybciej działających enzymów.
Jedna cząsteczka enzymu katalizuje
104 - 106 cząsteczek CO2 w ciągu 1 sek.
(dwukierunkowo, w zależności od
stężenia substratów i produktów).
w tkankach; wysokie stężenie CO2
w płucach; niskie stężenie CO2
Zn2+
Anhydraza węglanowa
CO2 + H2O HCO3
-Anhydraza węglanowa
HCO3
- CO2 + H2OAnhydraza węglanowa
Schemat odwracalnej reakcji hydratacji CO2

12. LADH
Wątrobowa dehydrogenaza alkoholowa
(LADH) - enzym katalizujący przekształcanie
etanolu w aldehyd octowy lub odwrotnie.
Enzym LADH odgrywa podstawową rolę
w detoksykacji alkoholu.

 HNADHCHOCHNADOHHC 352
Stężenie LADH w organizmie ma decydujący wpływ na osobniczą
odporność na „zamroczenie alkoholowe”.
Osoby z dużym stężeniem LADH są określane jako mające „mocną
głowę”. Płacą za tę cechę:
- silniejszym „kacem”
- skłonnością do alkoholizmu
- większym prawdopodobieństwem
zachorowania na marskość wątroby

13. Ogólnoustrojowe zaburzenie
pracy enzymów metabolicznych
może być powodem otyłości.
Aktywność enzymatyczna i jej ścisła kontrola jest elementem
homeostazy:
- defekt (mutacja) w jednym nawet enzymie
- niedobór enzymu
- nadprodukcja enzymu
- czy zaburzenie w mechanizmach kontroli jego aktywności
może prowadzić do stanu chorobowego lub śmierci organizmu.

14. Strukturalna (kości, zęby):
Ca2+ - hydroksyapatyt: Ca10(PO4)6(OH)2
Przekazywanie sygnałów hormonalnych
Ca2+ - śródkomórkowy przekaźnik w mechanizmie działania hormonów
I - integralna część tyroksyny (pobudza procesy utleniania w
tkankach, rozpad tłuszczów, wzmaga wchłanianie glukozy z
przewodu pokarmowego i jej zużycie przez komórki)
Ochrona antyoksydacyjna
- dysmutaza ponadtlenkowa (Zn, Cu) - dysmutacja anionorodnika
ponadtlenkowego (2O2
- + 2H+ → H2O2 + O2) (w ciągu doby, w wyniku utleniania
tkankowego powstaje ok. 1.7x1023, a w wyniku utleniania hemoglobiny 2.5x1017 anionorodników)
- katalaza (2H2O2→2H2O + O2)
Inne funkcje jonów metali w organizmie

15. Biopierwiastki - wzajemne oddziaływanie

16. CYNK
najważniejszy z biopierwiastków??
- cynk jest stałym i niezbędnym składnikiem organizmu ludzkiego
- jego zawartość w organizmie dorosłego człowieka to 1.4 – 2.3 g
- cynk występuje głównie wewnątrzkomórkowo (75% w erytrocytach;
20% w skórze):
 w surowicy 12.2 – 21.4 μmol/L
 w moczu <0.6 mg / 24 h
 w kale 8 – 14 mg / 24 h
- cynk stanowi centrum aktywne ok. 80 enzymów, wiele aktywuje
- występuje w białkach wiążących kwasy nukleinowe

17. Cynk - krótka historia poznania:
- cynk do Europy dotarł z Chin w 1595r., gdzie był znany już ok. 1500 lat
p.n.e., do XVIII w. Chiny były jego jedynym producentem i eksporterem,
- cynk nazywano wówczas kalaëm lub kalaim od nazwy rudy, z której
był pozyskiwany kadmia (gr. kadmeia),
- w Chinach otrzymywano cynk na skalę przemysłową już w VI w., był
stosowany m.in. do produkcji monet i zwierciadeł,
- o „żółtej miedzi” (mosiądzu) i jej wytwarzaniu pisał już Arystoteles
przeszło 300 lat p.n.e. (prażenie miedzi z kadmią),
- w Europie tajemnicę produkcji cynku odkrył i ujawnił Marggraf w 1746r.,
przemysłową technologię zaproponował Ruhberg w 1798r.,
- w polskim piśmiennictwie „Początki Chemii” J. Śniadecki proponuje
nazwę „Zink”, zmienioną na „Cynk”
przez Czyrniańskiego.

18. CYNK (łac. Zincum) - właściwości fizykochemiczne
Występowanie w przyrodzie:
- sfaleryt (wurcyt) – ZnS
- smitsonit – ZnCO3
Otrzymywanie:
Rudy cynku, po wzbogaceniu przez
flotacje, przekształca się najpierw przez
prażenie w tlenek:
ZnCO3 → ZnO + CO2
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
następnie, z tlenku otrzymuje się metal
termicznie lub elektrolitycznie.
Właściwości fizykochemiczne:
Kruchy, błękitnobiały metal. Matowieje w powietrzu, reaguje z kwasami
i zasadami. Używany do cynkowania żelaza, składnik stopowy
(mosiądz), ogniwach, w postaci ZnO jako stabilizator gum i polimerów.
Temp. top. [K]: 692.73
Temp. wrz. [K]: 1 180
Gęstość [kg·m-3]: 7 133 (293 K)
Promień atomowy [pm]: 135 (obl. 142)
Elektroujemność: 1.65 (Pauling)
Powinowactwo elektronowe
(M→ M-) [kJ·mol-1]: 9
E0 Zn2++2e→Zn0 [V]: -0.762
Stopnie utlenienia:
ZnII ZnO, ZnS, [Zn(OH)4]2-
Energie jonizacji:
1 M → M+ 906.4 [kJ·mol-1]
2 M+ → M2+ 1 733.3
3 M2+ → M3+ 3 832.6
Podstawowe
izotopy
Masa
atomowa
Naturalny
udział [%]
64Zn 63.92915 48.6
66Zn 65.92603 27.9
Konfiguracja elektronowa
stanu podstawowego:
[Ar]3d104s2
Ważniejsze nieorganiczne związki chemiczne:
ZnO –jako pigment, wypełniacz, stabilizator, składnik maści; ZnS –pigment; ZnCl2 –jako środek odwadniający (silnie
higroskopijny); Zn(NO3)2; ZnCO3; ZnSO4 –składnik elektrolitu do cynkowania; Zn(OH)2 –adsorbent w opatrunkach
medycznych; Na2[Zn(OH)4] (tetrahydroksocynkan sodowy); [Zn(NH3)4](OH)2 (wodorotlenek tetraamina cynku).

19. oczy
przyzębie
żołądek,
jelita
układ
rozrodczy
skóra
mózg
Cynk w organizmie człowieka
serce
wątroba
płuca
trzustka

20. Cynk
- jest niezbędnych mikroelementem (potwierdzono naukowo w 1957r.)
- jest obecny w centrach aktywnych ok. 80 enzymów
- uczestniczy w procesach mineralizacji kości i gojeniu się ran
- jako antagonista Cd i Pb bierze udział w odtruwaniu organizmu
- uczestniczy w biosyntezie RNA i DNA
- w regulacji ciśnienia krwi i rytmu serca
- wpływa na pracę układu odpornościowego
- reguluje stężenie witaminy A i cholesterolu
- reguluje wydzielanie insuliny
- zwiększa produkcję plemników
Zn
Zn
Zn
kompleks białka ZIF268 z DNA
nić DNA
palec
cynkowy

21. Cynk
- reguluje mechanizmy odczuwania smaku i zapachu (zaburzenia
odczuwane zwłaszcza w czasie ciąży)
- jest niezbędny dla prawidłowej adaptacji wzroku
- wykazuje działanie przeciwwirusowe i przeciwbakteryjne
- utrzymuje równowagę jonową; Cu, Mg, Mn i Se
- reguluje wrażliwość na ból
- reguluje wydzielanie śluzu

22. Ponadto…
- wg. prof. J. Aleksandrowicza jony cynku leczą niedokrwistość
sierpowatokrwinkową – wrodzona anemia – sklejanie krwinek
(dawka ok. 270 mg ZnSO4 / dobę)
- dokanałowe, do(pod)oponowe iniekcje z chlorku cynku istotnie
łagodzą dolegliwości uszkodzenia nerwu kulszowego u szczurów
- dowiedziono, że objawy epilepsji są szczególnie nasilone przy
niedoborze cynku
- wspomaga leczenie niepłodności męskiej
- zapobiega neuropatii cukrzycowej
- jednoczesne podawanie leku i cynku przyczynia się do
przyspieszenia wyleczenia; grypy, kataru, oparzeń i trądziku
- podkreślana i wciąż badana jest rola cynku w depresji
- różne preparaty i maści wytwarzane na bazie soli cynku są
stosowane już od 5 000 lat.

23. Deficyt cynku (hipocynkemia)
w organizmie powoduje liczne dolegliwości i schorzenia układów:
- immunologicznego
- nerwowego
- pokarmowego
- mięśniowego
- hormonalnego
- oraz płciowego

24. Objawy chorobowe hipocynkemii wyrażają się:
- zahamowaniem wzrostu i opóźnieniem dojrzewania
- zmianami skórnymi (egzemy, rozstępy, wysychanie skóry, itp.)
- brakiem apetytu i utratą masy ciała
- brakiem odporności na infekcje
- zaburzeniami psychicznymi i zaburzeniami neurosensorycznymi
- zaburzeniami widzenia i objawami starzenia się
- obniżeniem stężenia testosteronu
- podwyższeniem stężenia amoniaku w surowicy
- zwiększeniem tolerancji na glukozę (co prowadzi do cukrzycy).

25. Niedobory cynku mogą być wywołane:
- zbyt małą ilością cynku przyjmowaną z pokarmem
- upośledzonym trawieniem i wchłanianiem
- dużą ilością soli magnezowo-wapniowych kwasu fitynowego
(fityn) przyjmowanych z pokarmami roślinnymi
- chorobami wątroby (marskość)
- bulimią (wilczy głód)
- paradontopatią (chorobą przyzębia)
- zapaleniem jelita grubego
- istotne straty cynku obserwuje się po dużym wysiłku fizycznym.
Zespół Danbolta-Clossa (Acrodermatitis enteropathica) - choroba
związana z mutacją genu SLC39A4, który odpowiada za kodowanie
białka odpowiedzialnego za wchłanianie cynku. W przypadku braku
suplementacji cynku prowadzi do zgonu w ciągu kilku lat.

26. Stany chorobowe wywołane niedoborem cynku
(m.in. zespół Danbolta-Clossa)
Przed leczeniem Po leczeniu dużą dawką cynku (HZnAsp)

27. WNIOSKI:
- proces gojenia się wrzodów żołądka istotnie przyspiesza wzrost
stężenia cynku w soku żołądkowym i tkance, poprzez:
- zwiększenie poziomu żołądkowego przepływu krwi
- oraz istotną redukcję wydzielania żołądkowego
Zastosowanie anodowej
woltamperometrii stripingowej
w analityce klinicznej

28. Średnia zawartość cynku
w 100 g produktów spożywczych:
ostrygi wędzone 120 mg
ostrygi surowe 90 mg
wątroba gotowana 10 mg
indyk duszony 8 mg
żółtka jaj 8 mg
chleb razowy, owsianka 6 mg
nasiona słonecznika, dyni 10 mg
jogurt 0.6 mg
jarzyny i owoce 0 do 0.8 mg
Zalecane dzienne spożycie cynku w Polsce:
dzieci (1-3 lat) 10 mg
chłopcy (15-18 lat) 16 -18 mg
dziewczęta (15-18 lat) 13 -15 mg
mężczyźni 14 -16 mg
kobiety 19 - 60 mg

29. Wybrane preparaty zawierające cynk
CENTRUM BODYMAX DUOVIT GERIAVIT
PHARMATON
SUPRADYN NATURE
4 LIFE
Jedna tabletka preparatu zawiera:
Bor 50 mg
Chrom 25 mg 0,125 mg 20 mg
Cyna 10 mg
Cynk 15 mg 15 mg 3 mg 1 mg 0.5 mg 5 mg
Fluor 0,2 mg
Fosfor 125 mg 12 mg 70 mg 23,8 mg
Jod 150 mg 80 mg
Krzem 10 mg 1 mg
Magnez 100 mg 200 mg 20 mg 10 mg 21,2 mg 50 mg
Mangan 2,5 mg 3,8 mg 1 mg 1 mg 0,5 mg 1,5 mg
Miedź 2 mg 2,5 mg 1 mg 1 mg 1 mg 0,5 mg
Molibden 25 mg 0,250 mg 0,1 mg 80 mg
Nikiel 5 mg
Potas 40 mg 8 mg 20 mg
Selen 25 mg 15 mg
Wanad 10 mg 10 mg
Wapń 162 mg 15 mg 90,3 mg 51,3 mg 100 mg
Żelazo 18 mg 18 mg 10 mg 10 mg 10 mg 5 mg

30. Co wiemy o długofalowych konsekwencjach
dla dzieci urodzonych przez cesarskie cięcie???

31. Życie jako moja nieustanna walka…

32. Dziękuję Radzie Programowej UO AGH
Państwu za uwagę!!!