Biokeemia on bioloogia haru, mis uurib nii üksikute rakkude kui ka kogu organismi keemilist koostist. On teada, et peaaegu 98% rakkude sisust sisaldab hapniku-, süsiniku-, lämmastiku- ja vesinikuaatomeid. Neid keemilisi elemente nimetatakse organogeenseteks. 1,8% langeb kaaliumile, naatriumile, magneesiumile, kloorile, fosforile. Inimkehas on nad osa mineraalsooladest ja on lihtsate või komplekssete ioonide kujul, tagades metaboolsete reaktsioonide normaalse kulgemise. Näiteks sisaldavad kõige olulisemad pärilike tunnuste edasikandumise eest vastutavad rakuühendid – nukleiinhapped – ortofosforhappe happejääkide anioone.
ATP molekulides sisalduvad ka fosforit sisaldavad ioonid, millest sõltub rakkude varustamine energiaga. Selles artiklis toome näiteid, mis kinnitavad olulistfosfori roll inimorganismis ja selle mõju ainevahetusele.
Kovalentsed polaarsed sidemed ja nende tähendus
Elusainet moodustavate orgaaniliste ainete struktuuri alus on nende molekulide võime moodustada teatud tüüpi keemilisi sidemeid. Seda nimetatakse kovalentseks polaarseks ja mittemetallide aatomite vahel tekkides määrab see ühendite peamised keemilised omadused. Biokeemia, uurides taimede, seente ja loomade rakkudesse sisenevate ainete molekulide koostist, määras kindlaks nende keemilise koostise. Selgus, et lisaks lämmastikule, süsinikule, hapnikule sisaldavad need ka fosforit. Inimorganismis ei esine seda vabas olekus, kuna tegemist on väga mürgise ainega. Seetõttu on elussüsteemides elemendil meta-, orto- või pürofosforhappe anioonid, millel on võime moodustada sidemeid metalli katioonidega. Millistes raku ainetes võib neid leida?
Fosfor keerulistes orgaanilistes molekulides
Skeletisüsteemi valgud, hormoonid, vitamiinid ja lipiidid moodustavad kompleksühendeid fosforit sisaldavate kompleksioonidega. Inimkehas on keerulised ühendid - fosfolipiidid ja fosfoproteiinid, mis on osa bioloogiliselt aktiivsete ainete - ensüümide ja steroidide - molekulidest. Kovalentsed polaarsed sidemed DNA ja RNA nukleotiidides tagavad fosfodiestersidemete moodustumise nukleiinhappeahelates. Miks on fosforit inimorganismile vaja ja millised on selle funktsioonid ainevahetuses? Mõelgem esm alt sellele küsimusele organisatsiooni rakutasandil.
Fosfori koht raku elementaarkoostises
Tsütoplasma ja organellide sisalduse järgi (0,2-1%) on mittemetall organogeensete elementide järel neljandal kohal. Fosforiühenditega enim küllastunud on luu- ja lihaskonna rakud - osteotsüüdid, hambakoe aine - dentiin. Nende sisaldus on kõrge närvisüsteemi moodustavate neuronite ja neurogliia sisaldusega. Fosfori aatomeid leidub membraanivalkudes, nukleiinhapetes ja energiamahukates ainetes – ATP adenosiintrifosforhappes ja nikotiinamiiddinukleotiidfosfaadi redutseeritud kujul – NADP×H2. Nagu näete, leidub fosforit inimkehas kõigis elutähtsates struktuurides: rakkudes, kudedes, füsioloogilistes süsteemides.
On teada, et raku, mis on avatud bioloogiline süsteem, homöostaasi tase sõltub erinevate ioonide kontsentratsioonist hüaloplasmas ja rakkudevahelises vedelikus. Mis ülesanne on fosforil inimkeha sisekeskkonna püsivuse säilitamisel?
Puhvrisüsteem
Välismembraani poolläbilaskvuse tõttu satuvad rakku pidev alt mitmesugused ained, mille kõrge kontsentratsioon võib kahjustada selle elutegevust. Mürgiste ioonide liigse neutraliseerimiseks sisaldab tsütoplasma koos naatriumi-, kaaliumi-, k altsiumi katioonidega karbonaadi-, sulfiti- ja fosforhapete happejääke. Nad on võimelised reageerima rakku sisenenud ioonide liiaga ja kontrollima rakusisese sisu püsivust. Puhversüsteem sisaldab lisaks nõrkade hapete ioonidele tingimata aniooneNRO42- ja N2RO4 -, mis sisaldavad fosforit. Inimkehas tagab see puhversüsteemi osana metaboolsete reaktsioonide füsioloogiliselt normaalse kulgemise rakutasandil.
Oksüdatiivne fosforüülimine
Orgaaniliste ühendite lagunemist rakus nimetatakse aeroobseks hingamiseks. Selle asukoht on mitokondrid. Ensüümikompleksid asuvad sisevoltidel – organellide kristallidel. Näiteks ATP-aasi süsteem sisaldab elektronide kandja molekule. Tänu ensüümide poolt katalüüsitavatele reaktsioonidele sünteesitakse ATP ADP-st ja fosforhappe vabadest molekulidest - rakkude universaalsest energiaainest, mida kulutatakse nende paljunemiseks, kasvuks ja liikumiseks. Selle moodustumist võib kujutada lihtsustatud reaktsiooniskeemina: ADP + F=ATP. Seejärel kogunevad tsütoplasmasse adenosiintrifosforhappe molekulid. Need toimivad energiaallikana mehaanilise töö tegemiseks, näiteks lihassüsteemis ja plastilistes vahetusreaktsioonides. Järelikult on fosforil inimkehas juhtiv roll energia metabolismis.
Pärilikkusmolekulide fosfodiestersidemed
Rakutuumas registreeritakse suur aatomfosfori sisaldus, kuna see element on osa nukleiinhapetest. Avastas 19. sajandil Šveitsi teadlane F. Miescher, need on biopolümeerid ja koosnevad monomeeridest – nukleotiididest. Fosfor olemasnii puriini- ja pürimidiinalustes endas kui ka sidemetes, mis moodustavad RNA ahelaid ja DNA superspiraali. Nukleiinhappe monomeerid on võimelised moodustama polümeerstruktuure, kuna külgnevate nukleotiidide pentoosi- ja fosforhappejääkide vahel tekivad kovalentsed sidemed. Neid nimetatakse fosfodiestriteks. Inimese rakkudes kõva gammakiirguse mõjul või mürgiste ainetega mürgituse tagajärjel tekkiv DNA ja RNA molekulide hävimine toimub fosfodiestersidemete katkemise tõttu. See põhjustab rakkude surma.
Bioloogilised membraanid
Struktuurid, mis piiravad raku sisemist sisu, sisaldavad ka fosforit. Inimorganismis langeb kuni 40% kuivkeha massist fosfolipiide ja fosfoproteiine sisaldavatele ühenditele. Need on membraanikihi põhikomponendid, mis sisaldavad ka selliseid aineid nagu valgud ja süsivesikud. Kõrge fosforisisaldus on iseloomulik neurootsüütide membraanidele ja nende protsessidele - dendriitidele ja aksonitele. Fosfolipiidid annavad membraanidele plastilisuse ja tänu kolesterooli molekulide olemasolule ka tugevuse. Nad mängivad ka teise sõnumitoojate rolli – signaalmolekule, mis on närviimpulsi juhtimises osalevate efektorvalkude aktivaatorid.
Paratüroidnäärmed ja nende roll fosfori metabolismis
Hernestega sarnanevad kõrvalkilpnäärmed, mis asuvad kilpnäärme mõlemal sagaral ja kaaluvad 0,5-0,8 g, eritavad parathormooni. See reguleerib selliste elementide vahetust naguk altsiumi ja fosfori sisaldus inimkehas. Nende ülesanne on toimida osteotsüütidele ja osteoblastidele – luusüsteemi rakkudele, mis hormooni mõjul hakkavad ekstratsellulaarsesse vedelikku eraldama fosforhappe sooli. Kõrvalkilpnäärmete hüperfunktsiooniga kaotavad inimese luud tugevuse, pehmenevad ja varisevad kokku, fosforisisaldus neis langeb järsult. Sel ajal suureneb lülisamba-, vaagnaluude ja puusaluumurdude oht, mis ohustavad patsiendi elu. Samal ajal suureneb k altsiumi kogus. See põhjustab hüperk altseemiat, millega kaasnevad perifeersete närvide kahjustuse sümptomid ja skeletilihaste toonuse langus. Paratüroidhormoon toimib ka neerudele, vähendades fosforisoolade reabsorptsiooni esmasest uriinist. Fosfaadisisalduse suurenemine neerukudedes põhjustab hüperfosfatuuriat ja kivide moodustumist.
Luu mineraalne koostis
Tugisüsteemi kõvadus, tugevus ja elastsus sõltuvad luukoe rakkude keemilisest koostisest. Osteotsüüdid sisaldavad nii orgaanilisi ühendeid, nagu valk osseiin, kui ka anorgaanilisi aineid, mis sisaldavad k altsiumi ja magneesiumfosfaadi sooli. Inimese vananedes suureneb mineraalsete komponentide, näiteks hüdroksüapatiitide hulk osteotsüütides ja osteoblastides. Luukoe ebanormaalne mineraliseerumine, k altsiumisoolade ja liigse fosfori akumuleerumine inimkehas põhjustab luustiku kõigi osade elastsuse ja tugevuse kaotust, mistõttu on vanematel inimestel suurem oht saada vigastusi ja luumurde.
Fosforiühendite muundumine organismisinimene
Inimkeha suurim seedenääre – maks – mängib juhtivat rolli fosforit sisaldavate ainete ainevahetuses. Neid protsesse mõjutavad ka parathormoonid ja D-vitamiin. Elemendi päevane vajadus täiskasvanutele on 1,0-2,0 grammi, lastele ja noorukitele - kuni 2,5 g Fosfor kergesti seeditavate soolade kujul, samuti kompleksides valkude ja süsivesikutega, siseneb inimkehasse koos toiduga.
Päevalille-, kõrvitsa- ja kanepiseemned on sellest küllastunud. Kanamaksas, veiselihas, kõvades juustudes ja kalas on loomsetes toodetes palju fosforit. Fosfori liig kehas võib tekkida neerude reabsorptsioonifunktsiooni rikkumise, vitamiinide ebaõige kasutamise ja k altsiumi puudumise tõttu toidus. Fosfori negatiivne mõju inimorganismile avaldub eelkõige kardiovaskulaarsüsteemi, neerude ja luuaparaadi kahjustuses ning võib viidata tõsistele ainevahetushäiretele.
