Metabolizam Iona

Na+

K+

Ca+2 Mg2+

Mn 2+

Zn2+Fe2+/3+Cu+/2+

Cl -

Se 2+

PO43-

SO42-

METABOLIZAMMETABOLIZAM

IONAIONA

Metabolizam Na+ i K+

iona

Distribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmu

• Na+

– Krv• Krv i vanstanične tekućine 140 mM (koncentracija vrlo

konstantna – ispod 135 mM nastupa hiponatremija, iznad 145 mM hipernatremija)

• Krvne stanice sadrže puno manje

– Tkiva• Unutar stanica vrlo malo (cca 12 mM)• Koštano tkivo – 40% ukupnog natrija (cca 40g)

• K+

– Unutar stanica 140 mM– Izvan stanica 4 mM

• Uloga u regulaciji ukupne količine vode u organizmu

• Uloga u transportnim mehanizmima u staničnim membranama

• Uloga u transportu električnog signala

• Uloge se ostvaruju radom Na+/K+ ATPaza

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Jednostavna difuzija(nepolarne molekule)

Olakšana difuzija(polarne ili nepolarnemolekule)

Transport iona putemionofora

Transport krozIonske kanale

Primarni aktivnitransport

Sekundarni aktivnitransport

TRANSPORT MOLEKULA KROZ MEMBRANU

• Transport niz gradijentkoncentracije• Transport suprotnogradijentu koncentracije

Transport natrija i kalijaTransport natrija i kalijaTransport natrija i kalijaTransport natrija i kalija

Četkasta membrana Bazolateralna membrana

Lumen

crijeva

Krv

Epitelne stanice

Na+ / glukoza

sinporter upravljan

visokom

koncentracijom Na+

Transport glukoze

olakšanom difuzijom

(Glu T2 protein)

Transport natrija iz hraneTransport natrija iz hraneTransport natrija iz hraneTransport natrija iz hrane

Vezanje Na+ iona

Fosforilacija proteina

i promjena konformacije

Otpuštanje

Na+ iona

Vezanje K+

Defosforilacija proteina

i promjena konformacije

Otpuštanje

K+ iona

Na+/K+ pumpa

(ATPaza)

Transport vode povezan je s Transport vode povezan je s Transport vode povezan je s Transport vode povezan je s

koncentracijom natrija i kalijakoncentracijom natrija i kalijakoncentracijom natrija i kalijakoncentracijom natrija i kalija

Akvaporini

Regulatori koncentracijevode u organizmu

• Natrijevi ioni sudjeluju u transportu različitih molekula i iona kroz membranu kao:

– H+

– Ca2+

– Šećera

– Kreatina

– aminokiselina

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke uloge Nake uloge Nake uloge Nake uloge Na++++ iona u iona u iona u iona u

transportutransportutransportutransportu

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke uloge Nake uloge Nake uloge Nake uloge Na++++ i Ki Ki Ki K + + + + iona u iona u iona u iona u

transportu elektritransportu elektritransportu elektritransportu električnog signala u nog signala u nog signala u nog signala u

živivivivčanim stanicamaanim stanicamaanim stanicamaanim stanicama

Stanična jezgraDendriti Akson Terminalni ogranci

aksona

Prijenos Prijenos Prijenos Prijenos

elektrielektrielektrielektričnog nog nog nog

signalasignalasignalasignala

Metabolizam Ca2+ iona

• Ukupna količina Ca2+ iona u organizmu – cca 1 kg

– Koštano tkivo – 99%

• Anorganski Ca2+ (gotovo čitav u formi hidroksiapatita) – cca 70%

• Organski Ca2+ (najvećim dijelom vezan uz kolagen) - cca 29%

– Serum, izvanstanične tekućine i intracelularno – 1%

• Serum cca 100mg/l– “difundirajući” (u formi citrata, bikarbonata i fosfata) – 65 mg/l

– “nedifundirajući” (vezan uz albumine i globuline) – 35 mg/l

• Koncentracija u serumu bliska je koncentraciji zasićenja

Distribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmu

Homeostaza CaHomeostaza CaHomeostaza CaHomeostaza Ca2+ 2+ 2+ 2+ iona u organizmuiona u organizmuiona u organizmuiona u organizmu

Tiroidna žlijezdaoslobađa kalcitonin

Pojačana ugradnjaCa2+ u kosti

Smanjena resorpcijaCa2+ iona

Smanjena resorpcija

Ca2+ iz urina

Homeostaza Ca2+ iona

paratiroidna žlijezdaoslobađa PTH

Pojačano oslobađanjeCa2+ iz kosti

Pojačanana resorpcijaCa2+ iona

Pojačanana resorpcija

Ca2+ iz urina

Previsoka koncentracija Ca2+

Preniska koncentracija Ca2+

koncentracija Ca2+

pada

koncentracija Ca2+

raste

Transport CaTransport CaTransport CaTransport Ca2+ 2+ 2+ 2+ ionaionaionaiona

kalmodulin

“brush border myosin I”TRPV6 – kanalni protein

Ca2+

Ca2+

CaM

BBM1

TRPV6

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+CaATPase

CaATPase

Ca2+

Transport CaTransport CaTransport CaTransport Ca2+ 2+ 2+ 2+ ionaionaionaiona

PRIMARNI AKTIVNI TRANSPORT

KANALI ZA KALCIJ

ORGANELE

CITOSOL

Visoka koncentracija kalcija

Niska koncentracija kalcija

SEKUNDARNI AKTIVNI TRANSPORT

visoka koncentracija kalcija

IZVANSTANIČNATEKUĆINA

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Prijenos staniPrijenos staniPrijenos staniPrijenos staničnog signalanog signalanog signalanog signala

Prijenos staniPrijenos staniPrijenos staniPrijenos staničnog signalanog signalanog signalanog signala

CaR – kalcij receptorAC – adenilat ciklazacPLA2 – citosolna fosfolipaza A2DAG – diacilglicerolG – G-proteiniIns – inositolInsP3 – inozitol – 3-fosfatInsP3R – inozitol-3-fosfat receptorPKC – protein kinaza CMAPK – mitogen aktivirana protein kinaza

Prijenos staniPrijenos staniPrijenos staniPrijenos staničnog signalanog signalanog signalanog signala

KALMODULIN

KALMODULIN

fosfataza

Primjer unutarstaničnog signala:Aktivacija T-limfocita

Prijenos staniPrijenos staniPrijenos staniPrijenos staničnog signalanog signalanog signalanog signala

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Prijenos Prijenos Prijenos Prijenos živivivivčanog impulsaanog impulsaanog impulsaanog impulsaKalcijevi kanali

Mitohondriji

Sinaptičke vezikuleSadrže neurotransmitere

Sinapsa (20 nm)

Akson presinaptičkog

neurona

Postsinaptičkamembrana dendrita

kanali pod kontrolomneurotransmitera

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Kontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miššššiiiićaaaa

Kontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miššššiiiićaaaa

Neurotransmiter difundira kroz sinapsu i veže se naAch receptore na sarkolemi

Električni potencijal se prenosi niz T-tubule

Ca2+ se izlučujeiz krajnjih cisterna SR

Ca2+ se veže na troponin,troponin mijenja konformacijui sprječava interakciju tropomiozina s aktinom

Kontrakcija. Miozin se veže za aktin i povlači aktinsko vlakno prema centrusarkoleme. Hidroliza ATPa omogućuje otpuštanje veze.

Uklanjanje Ca2+ aktivnim transportom u SR kad nestanepotencijala

Tropomiozin ponovno blokira interakcijumiozin - aktin

Kontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miKontrakcija miššššiiiićaaaa

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Uloga kalcija u prijenosu signala za zgrušavanje krvi

Oštećenje kožeTrauma

Aktivni Protein C

Umrežena fibrinska

vlakna

Antitrombin

Trombin

Proteini koji sadržeγγγγ-karboksiglutaminsku

kiselinu

Ca2+

Ca2+

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

• 1,4-laktonaza

• 3-ketovalidoksilamin C-N-liaza

• Fosfoinositid fosfolipaza C

• Polipeptid N-acetilgalaktosaminiltransferaza

• Protein-glutamin γ-glutamiltransferaza

Uloga kalcija kao kofaktora enzima

• Prijenos staničnih signala

• Prijenos živčanog impulsa

• Kontrakcija mišića

• Koagulacija krvi

• Ko-faktor enzima

• Funkcije membrana i citokostura

• Sekrecija proteina

• Biomineralizacija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Uloga kalcija u sekreciji proteina

Metabolizam Mg2+ iona

• Ukupna količina Mg2+ iona u organizmu – cca 25 g (dnevna potreba oko 0,5g)

– Koštano tkivo – 65%

– Serum, izvanstanične tekućine i intracelularno – 35%

Distribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmuDistribucija u organizmu

Homeostaza MgHomeostaza MgHomeostaza MgHomeostaza Mg2+ 2+ 2+ 2+ iona u iona u iona u iona u

organizmuorganizmuorganizmuorganizmu

Koncentracija Mg2+ ionau serumu

Gastrointestinalnaapsorpcija

Renalnaapsorpcija

Koštananaapsorpcija

Mg2+ ioni vezanina proteine

SlobodniMg2+ ioni

KompleksiraniMg2+ ioni

IntracelularniMg2+ ioni

Transport MgTransport MgTransport MgTransport Mg2+ 2+ 2+ 2+ iona kroz iona kroz iona kroz iona kroz

membranemembranemembranemembrane

Primarni aktivnitransport uzutrošak ATPa

Mg2+

Mg2+

Mg2+

• Ko-faktor mnogih enzima energetskog metabolizma (gotovo svi enzimi koji vežu fosfatne koenzime sadrže Mg2+ ione)– Enzimi koji provode reakcije aktivacije– Kinaze– Fosforilaze i fosfataze

• Sudjeluje u održavanju strukture nukleinskih kiselina (t-RNA) i ribosoma

• Sudjeluje u unutarstaničnom prijenosu signala, između ostalog u aktivnosti receptora za inzulin

• Kompetitor je Ca2+ iona • Ima fiziološke uloge u agregaciji trombocita,u

kontrakciji vaskularnih glatkih mišića, u homeostazi elektrolita i pokazuje povoljan učinak kod aritmija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

• Nedostatak Mg2+ iona kroz dulje vrijeme može dovesti do– Diabetesa

– Povišenog krvnog tlaka

– Povišenu koncentraciju kolesterola i triglicerida

– Srčanu aritmiju

– Aterosklerozu

• Toksičnost kod zdravih osoba nije zabilježena, ali može nastupiti kod pacijenata s težim bubrežnim oboljenjima

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Mg2+ ioni

Aminokiselinskiostaci koji vežuATP

ATP

MetaboliMetaboliMetaboliMetabolička uloga u vezanju ATPaka uloga u vezanju ATPaka uloga u vezanju ATPaka uloga u vezanju ATPa

The pathway of insulin and glucose metabolism correlated with intracellular magnesium.A low intracellular magnesium concentration, as found in type 2 DM and in hypertensive patients, may result in defective tyrosine-kinase activity at the insulin receptor level. Altered intracellular magnesium may also lead to decreased cellular glucose utilization and thus promote peripheral insulin resistance to a postreceptor mechanism.

Utjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije Mg2+ 2+ 2+ 2+ iona na iona na iona na iona na

koncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvi

st

STANIČNA MEMBRANA

Tirozin kinaza

glukoza

GLUT4

Inzulin

Inzulin receptorαααα-podjedinica

ββββ-podjedinica

Fosfoinozitid kinaza

P P

Inzulin receptorsupstrat

STANICA ADIPOZNOG TKIVA ILIPOPREČNO-PRUGASTOG MIŠIĆA

Transport olakšanomdifuzijom uz pomoćGLUT proteina

Aktivnost tirozin kinaze

Vazokonstrikcijauvjetovana kalcijem

Krvni tlak

Hipertenzija

Neosjetljivostna inzulin

Osjetljivostna inzulin

Diabetes mellitus

tip 2

Utjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije MgUtjecaj koncentracije Mg2+ 2+ 2+ 2+ iona na iona na iona na iona na koncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvikoncentraciju glukoze u krvi

Metabolizam Fe2+ iona

• Ioni željeza imaju vrlo malu topljivost

• Povećana koncentracija željeznih iona je toksična

• Čovjek ima relativno slabu sposobnost ekskrecije željeznih iona pa se homeostaza postiže regulacijom apsorpcije željeza u tankom crijevu

Metabolizam FeMetabolizam FeMetabolizam FeMetabolizam Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+ ionaionaionaiona

Transport FeTransport FeTransport FeTransport Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+ ionaionaionaiona

Transport FeTransport FeTransport FeTransport Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+ ionaionaionaiona

• Transport kisika

• Transport elektrona u različitim elektron-transportnim sustavima (na pr. respiratornom lancu

• Fentonova reakcija

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke uloge Feke uloge Feke uloge Feke uloge Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+ ionaionaionaiona

MetaboliMetaboliMetaboliMetabolička uloga Feka uloga Feka uloga Feka uloga Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+

iona u transportu kisikaiona u transportu kisikaiona u transportu kisikaiona u transportu kisika

hemoglobin

MetaboliMetaboliMetaboliMetabolička uloga Feka uloga Feka uloga Feka uloga Fe2+ 2+ 2+ 2+ / Fe/ Fe/ Fe/ Fe3+ 3+ 3+ 3+

iona u transportu elektronaiona u transportu elektronaiona u transportu elektronaiona u transportu elektrona

FeFeFeFe----S proteiniS proteiniS proteiniS proteini

Neki tipovi Fe-S centara u elektron-transportnim proteinima:

Metabolizam Mn2+ iona

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Mn2+ ion je ko-faktor više enzima

• Arginaza

• Glutamin sintetaza

• Fosfoenolpiruvat karboksikinaza

• Piruvat karboksilaza

Enzimi koji sadrEnzimi koji sadrEnzimi koji sadrEnzimi koji sadrže Mne Mne Mne Mn2+ 2+ 2+ 2+ ioneioneioneione

Metabolizam Cu+ /Cu2+ iona

• Ko-faktor više metaloproteina– Amine oxidase – Ammonia monooxygenase – Ascorbate oxidase – Cu,Zn-superoxide dismutase – Diamine oxidase – Dopamine ß-hydroxylase – Galactose oxidase – Laccase – Lysyl oxidase – N2O reductase – Nitrite reductase – Phenylalanine hydroxylase – Tyrosinase – Ubiquinone oxidase

• Transporter elektrona u elektron-transportnim sustavima (na pr. u respiratornom lancu)– Cytochrome c oxidase

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

MetaboliMetaboliMetaboliMetaboličke ulogeke ulogeke ulogeke uloge

Metabolizam Zn2+ iona

• Ljudski genom sadrži oko 2800 proteina koji potencijalno vežu Zn2+ ione

• Među proteinima koji vežu Zn2+ ione ima više različitih enzima, a najbrojnija je skupina “Zn-finger” proteina

Metabolizam Zn2+ iona

““““ZnZnZnZn----fingerfingerfingerfinger”””” motiv u proteinima motiv u proteinima motiv u proteinima motiv u proteinima

koji se vekoji se vekoji se vekoji se vežu na DNAu na DNAu na DNAu na DNA

““““ZnZnZnZn----fingerfingerfingerfinger”””” motiv u proteinima motiv u proteinima motiv u proteinima motiv u proteinima

koji se vekoji se vekoji se vekoji se vežu na DNAu na DNAu na DNAu na DNA

Metabolizam Ni2+ i Mo2+ iona

Metabolizam Ni2+ i Mo2+ iona

• Ni2+ ion je koenzim mnogih hidrogenaza, često u suradnji s Fe-S centrom

• Mo2+ ion je sastavni dio aktivnog mjesta nekih enzima

– Nitrogenaze sadrže Mo2+ / Fe2+ centar

Metabolizam Se2+ iona

Metabolizam Se2+ iona

• Selenoproteini – proteini koji sadrže selenocistein

– tioredoksin reduktaza

– glutatione peroksidaza

– fosfolipid hidroperoksid glutation peroksidaza

Sinteza selenoproteina

SECIS sekvencija

Selenocistein

Metabolizam Cl- i SO4

2- iona

Metabolizam Cl- iona

• Ljudsko tijelo sadrži oko 115 g klorida koji čine 70% negativnog naboja u organizmu

• Najveći dio klorida lociran je izvanstanično – u serumu i limfi

• Kloridi sudjeluju u:– stvaranju razlike potencijala na staničnim

membranama

– Stvaranju klorovodične kiseline u želucu u koji se transportiraju antiportom s bikarbonatima

– Transportu živčanog impulsa

Metabolizam SO42- iona

• Najveći dio metabolizma odvija se u acinarnim stanicama pankreasa, krvi i u hrskavičnom tkivu u sintezi sulfatiranih polisaharida

– U acinarnim stanicama – sinteza mukopolisaharida

– U hrskavičnom tkivu – kondroitin sulfat

– U krvi - heparin

Metabolizam SO42- iona

Heparin

Metabolizam J- iona

J- ioni sudjeluju u sintezi tiroidnih hormona

Tetrajod tironin (tiroksin) –T4 Trijod tironin –T3

jojodd

jod

jod

jod

jod

Metabolizam PO4

3- iona

Metabolizam PO43- iona

Nukleotidi(ATP)

Fosfoproteini

Aktiviranišećeri

Aktiviraneaminokiseline

Nukleinskekiseline

Aktiviranemasne kiseline

Pi

PPi

Pi

PPi Pi

Aktiviranimetaboliti