ביוכימיה הוא ענף בביולוגיה החוקר את ההרכב הכימי של תאים בודדים ושל האורגניזם כולו. ידוע שכמעט 98% מהתכולה התאית כוללת חמצן, פחמן, חנקן ומימן. יסודות כימיים אלו נקראים אורגנוגניים. 1.8% נופל על אשלגן, נתרן, מגנזיום, כלור, זרחן. בגוף האדם, הם חלק ממלחים מינרלים ויש להם צורה של יונים פשוטים או מורכבים, מה שמבטיח את המהלך התקין של תגובות מטבוליות. לדוגמה, תרכובות התא החשובות ביותר האחראיות להעברת תכונות תורשתיות - חומצות גרעין - מכילות אניונים של שאריות חומצה של חומצה אורתופוספורית.
יונים המכילים זרחן נכללים גם במולקולות ATP, שבהן תלוי אספקת התאים באנרגיה. במאמר זה נביא דוגמאות המאששות את החשובתפקידו של הזרחן בגוף האדם והשפעתו על חילוף החומרים.
קשרים קוטביים קוולנטיים ומשמעותם
הבסיס למבנה של חומרים אורגניים המרכיבים את החומר החי הוא היכולת של המולקולות שלהם ליצור סוג מסוים של קשר כימי. זה נקרא קוטבי קוולנטי, הנובע בין האטומים של לא-מתכות, קובע את המאפיינים הכימיים העיקריים של תרכובות. ביוכימיה, חקר הרכב מולקולות של חומרים הנכנסים לתאים של צמחים, פטריות, בעלי חיים, ביססה את ההרכב הכימי שלהם. התברר שמלבד חנקן, פחמן, חמצן, הם כוללים גם זרחן. בגוף האדם, הוא אינו מתרחש במצב חופשי, מכיוון שהוא חומר רעיל ביותר. לכן, במערכות חיות, ליסוד יש צורה של אניונים של חומצה מטא-, אורתו- או פירו-פוספורית, בעלי יכולת ליצור קשרים עם קטיוני מתכת. באילו חומרים בתא ניתן למצוא אותם?
זרחן במולקולות אורגניות מורכבות
חלבוני מערכת השלד, הורמונים, ויטמינים ושומנים יוצרים תרכובות מורכבות עם יונים מורכבים המכילים זרחן. בגוף האדם יש תרכובות מורכבות - פוספוליפידים ופוספופרוטאינים, המהווים חלק מהמולקולות של חומרים פעילים ביולוגית - אנזימים וסטרואידים. קשרים קוטביים קוולנטיים בנוקלאוטידים של DNA ו-RNA מספקים יצירת קשרים פוספודיסטרים בשרשרות חומצות גרעין. מדוע יש צורך בזרחן בגוף האדם ומהם תפקידיו בחילוף החומרים? תחילה נבחן את השאלה הזו ברמת הסלולר של הארגון.
מקום הזרחן בהרכב היסודות של התא
לפי התוכן בציטופלזמה ובאברונים (0.2-1%), אי-מתכת נמצאת במקום הרביעי אחרי יסודות אורגניים. הרוויים ביותר בתרכובות זרחן הם התאים של מערכת השרירים והשלד - אוסטאוציטים, החומר של רקמת השיניים - דנטין. התוכן שלהם גבוה בנוירונים ובנוירוגליה, המרכיבים את מערכת העצבים. אטומי זרחן נמצאים בחלבוני ממברנה, חומצות גרעין וחומרים עתירי אנרגיה - ATP adenosine triphosphoric acid ובצורה המופחתת של nicotinamide dinucleotide phosphate - NADP×H2. כפי שאתה יכול לראות, בגוף האדם, זרחן נמצא בכל המבנים החיוניים: תאים, רקמות, מערכות פיזיולוגיות.
ידוע שרמת ההומיאוסטזיס של תא, שהוא מערכת ביולוגית פתוחה, תלויה בריכוז של יונים שונים בהיאלופלזמה ובנוזל הבין-תאי. מה תפקידו של זרחן בשמירה על הקביעות של הסביבה הפנימית של גוף האדם?
מערכת מאגר
עקב תכונת החדירה למחצה דרך הממברנה החיצונית, כל הזמן חודרים לתא חומרים שונים, שריכוז גבוה שלהם עלול להשפיע לרעה על פעילותו החיונית. כדי לנטרל את עודף היונים הרעילים, הציטופלזמה, יחד עם קטיוני נתרן, אשלגן, סידן, מכילה שאריות חומצה של חומצות קרבונט, סולפיט וחומצות זרחתיות. הם מסוגלים להגיב עם עודף של יונים שנכנסו לתא ולשלוט בקביעות התוכן התוך תאי. מערכת החיץ, בנוסף ליונים של חומצות חלשות, כוללת בהכרח אניוניםNRO42- ו-N2RO4 - מכיל זרחן. בגוף האדם, כחלק ממערכת החוצץ, הוא מבטיח את המהלך התקין מבחינה פיזיולוגית של תגובות מטבוליות ברמה התאית.
זרחון חמצוני
התמוטטות של תרכובות אורגניות בתא נקראת נשימה אירובית. מיקומו הוא המיטוכונדריה. מתחמי אנזימים ממוקמים על הקפלים הפנימיים - הקריסטות של האברונים. לדוגמה, מערכת ה-ATP-ase מכילה מולקולות נושאות אלקטרונים. הודות לתגובות המזרזות על ידי אנזימים, ATP מסונתז מ-ADP וממולקולות חופשיות של חומצה זרחתית - חומר האנרגיה האוניברסלי של תאים, המושקע על רבייה, צמיחה ותנועה שלהם. ניתן לייצג את היווצרותו כשיטת תגובה פשוטה: ADP + F=ATP. ואז מולקולות חומצה טריפוספורית אדנוזין מצטברות בציטופלזמה. הם משמשים מקור אנרגיה לביצוע עבודה מכנית, למשל, במערכת השרירים ובתגובות חילופי פלסטיות. כתוצאה מכך, זרחן בגוף האדם ממלא תפקיד מוביל במטבוליזם האנרגיה.
קשרי פוספודיסטר של מולקולות תורשה
תכולה גבוהה של זרחן אטומי נרשמת בגרעין התא, מכיוון שהיסוד הוא חלק מחומצות גרעין. התגלו עוד במאה ה-19 על ידי המדען השוויצרי F. Miescher, הם ביו-פולימרים ומורכבים ממונומרים - נוקלאוטידים. זרחן נוכחהן בבסיסי הפורין והפירמידין עצמם, והן בקשרים היוצרים את שרשראות ה-RNA ואת סליל העל של ה-DNA. מונומרים של חומצת גרעין מסוגלים ליצור מבנים פולימריים עקב הופעת קשרים קוולנטיים בין שאריות הפנטוז והחומצה הזרחתית של נוקלאוטידים סמוכים. הם נקראים פוספודיסטרים. הרס מולקולות ה-DNA וה-RNA המתרחש בתאים אנושיים בהשפעת קרינת גמא קשה או כתוצאה מהרעלה בחומרים רעילים מתרחש עקב שבירת קשרי הפוספודיסטר. זה גורם לתאים למות.
ממברנות ביולוגיות
מבנים המגבילים את התוכן הפנימי של התא מכילים גם זרחן. בגוף האדם, עד 40% ממשקל הגוף היבש נופל על תרכובות המכילות פוספוליפידים ופוספופרוטאינים. הם המרכיבים העיקריים של שכבת הממברנה, המכילה גם חומרים כמו חלבונים ופחמימות. תכולה גבוהה של זרחן אופיינית לממברנות של נוירוציטים ולתהליכים שלהם - דנדריטים ואקסונים. פוספוליפידים נותנים לממברנות פלסטיות, ובשל נוכחות מולקולות כולסטרול, גם חוזק. הם גם ממלאים את התפקיד של שליחים שניים - מולקולות איתות שהן מפעילות של חלבוני אפקטור המעורבים בהולכה של דחף עצבי.
בלוטות הפרתירואיד ותפקידן במטבוליזם של זרחן
הדומה לאפונים, שוכבת על שתי האונות של בלוטת התריס ומשקלה 0.5-0.8 גרם כל אחת, בלוטות הפאראתירואיד מפרישות הורמון פארתירואיד. הוא מסדיר את חילופי האלמנטים כגוןסידן וזרחן בגוף האדם. תפקידם לפעול על אוסטאוציטים ואוסטאובלסטים - תאי מערכת השלד, אשר בהשפעת ההורמון מתחילים לשחרר מלחים של חומצה זרחתית לנוזל החוץ-תאי. עם תפקוד יתר של בלוטות הפאראתירואיד, עצמות האדם מאבדות כוח, מתרככות ומתמוטטות, תכולת הזרחן בהן יורדת בחדות. בשלב זה עולה הסיכון לשברים בעמוד השדרה, בעצמות האגן ובמותניים, המאיימים על חיי המטופל. במקביל, כמות הסידן עולה. זה מוביל להיפרקלצמיה עם תסמינים של נזק עצבי היקפי וירידה בטונוס שרירי השלד. הורמון הפרתירואיד פועל גם על הכליות, ומפחית את הספיגה החוזרת של מלחי זרחן מהשתן הראשוני. עלייה בפוספט ברקמות הכליות גורמת להיפרפוספאטוריה ולהיווצרות אבנים.
הרכב מינרל העצמות
הקשיות, החוזק והגמישות של מערכת התמיכה תלויים בהרכב הכימי של תאי רקמת העצם. אוסטאוציטים מכילים הן תרכובות אורגניות, כמו חלבון ossein, והן חומרים אנאורגניים המכילים מלחי סידן ומגנזיום פוספט. ככל שאדם מתבגר, כמות הרכיבים המינרלים, כגון הידרוקסיאפטיטים, באוסטאוציטים ובאוסטאובלסטים עולה. מינרליזציה לא תקינה של רקמת העצם, הצטברות מלחי סידן ועודף זרחן בגוף האדם מביאים לאובדן גמישות וחוזק של כל חלקי השלד, כך שאנשים מבוגרים נוטים יותר להיות בסיכון לפציעות ושברים.
טרנספורמציה של תרכובות זרחן בגוףאנושי
בלוטת העיכול הגדולה ביותר בגוף האדם - הכבד - ממלאת תפקיד מוביל בחילוף החומרים של חומרים המכילים זרחן. הורמוני פארתירואיד וויטמין D משפיעים אף הם על תהליכים אלו. הדרישה היומית של האלמנט למבוגרים היא 1.0-2.0 גרם, לילדים ובני נוער - עד 2.5 גרם. זרחן בצורת מלחים קלים לעיכול, כמו גם במתחמים עם חלבונים ופחמימות, נכנס לגוף האדם עם מזון.
חמניות, דלעת, זרעי קנבוס רוויים בה. יש הרבה זרחן במוצרים מן החי בכבד עוף, בקר, גבינות קשות ודגים. עודף של זרחן בגוף יכול להתרחש כתוצאה מהפרה של תפקוד הספיגה מחדש של הכליות, שימוש לא נכון בוויטמינים ומחסור בסידן במזון. ההשפעה השלילית של זרחן על גוף האדם מתבטאת בעיקר בפגיעה במערכת הלב וכלי הדם, בכליות ובמנגנון העצם ועלולה להעיד על הפרעות מטבוליות חמורות.
