Funkcje cynku R.Borgacciego

Co

Co to jest cynk?

Cynk, który jest uważany za niezbędny składnik odżywczy dla ludzkiego zdrowia, pełni wiele funkcji w całym organizmie.

Cynk w ludzkim ciele

Ludzkie ciało zawiera około 2-4 g cynku. Większość z nich znajduje się w narządach, z większymi stężeniami w prostacie i oczach; obficie występuje również w mózgu, mięśniach, kościach, nerkach i wątrobie. Plemniki są szczególnie bogate w cynk, kluczowy czynnik w funkcjonowaniu gruczołu krokowego i rozwoju narządów rozrodczych.

Funkcje i rola biologiczna

Cynk wydaje się mieć bardzo ważne funkcje i role biologiczne, zwłaszcza w budowie i funkcjonowaniu różnego rodzaju enzymów, kwasów nukleinowych i białek. W obrębie peptydów jony cynku są często skoordynowane z łańcuchami bocznymi aminokwasów kwasu asparaginowego, kwasu glutaminowego, cysteiny i histydyny. Jednak teoretyczny i obliczeniowy opis tego wiązania cynku w białkach - podobnie jak innych metali przejściowych - jest trudny do wyjaśnienia.

U ludzi funkcje biologiczne i role cynku są wszechobecne. Oddziałuje z szeroką gamą ligandów organicznych i ma podstawowe funkcje w metabolizmie kwasów nukleinowych RNA i DNA, w transdukcji sygnału i ekspresji genów. Cynk reguluje również apoptozę - śmierć komórek. W badaniu z 2006 r. Oszacowano, że około 10% ludzkich białek jest związanych z biologiczną rolą cynku, nie wspominając o setkach innych czynników peptydowych zaangażowanych w transport minerałów; podobne badanie „in silico” - symulacja komputerowa - w roślinie Arabidopsis thaliana znaleziono 2367 białek związanych z cynkiem.

W mózgu cynk jest przechowywany w specyficznych pęcherzykach synaptycznych neuronów glutaminergicznych i może modulować pobudliwość neuronów. Odgrywa kluczową rolę w plastyczności synaptycznej, a zatem w złożonej funkcji uczenia się. Homeostaza cynku odgrywa również kluczową rolę w funkcjonalnej regulacji centralnego układu nerwowego. Uważa się, że brak równowagi w homeostazie cynku w ośrodkowym układzie nerwowym może powodować nadmierne stężenie cynku synaptycznego z potencjałem:

• Neurotoksyczność z powodu mitochondrialnego stresu oksydacyjnego - na przykład, przerywanie pewnych enzymów zaangażowanych w łańcuch transportu elektronów, takich jak kompleks I, kompleks III i dehydrogenaza α-ketoglutaranu
• Nierówność homeostazy wapnia
• Glutammatergiczna neuronalna ekscytotoksyczność
• Zakłócenia z transdukcją sygnału wewnątrzuronowego.

L- i D-histydyna - izomery tego samego aminokwasu - ułatwiają wchłanianie cynku w mózgu. SLC30A3 - rodzina nośników rozpuszczonych 30, element 3 lub transporter cynku 3 - jest głównym nośnikiem cynku zaangażowanym w homeostazę mineralną mózgu.

enzymy

Pośród wielu funkcji i biologicznych ról cynku, jak powiedzieliśmy, jest to, że chodzi o budowę enzymów.

Cynk (dokładniej jon Zn2 ​​+) jest bardzo skutecznym kwasem Lewisa, właściwością, która czyni go środkiem katalitycznym przydatnym do hydroksylacji i innych reakcji enzymatycznych. Ma również elastyczną geometrię koordynacyjną, która umożliwia białkom, które go używają, szybką zmianę konformacji w celu przeprowadzenia różnych reakcji biologicznych. Dwa przykłady enzymów zawierających cynk to: anhydraza węglanowa i karboksypeptydaza, niezbędne do procesów regulacji dwutlenku węgla (CO2) i trawienia białek.

Cynk i anhydraza węglanowa

We krwi kręgowców enzym anhydraza węglanowa przekształca CO2 w wodorowęglan, a ten sam enzym przekształca wodorowęglan w CO2, a następnie wydychany przez płuca. Bez tego enzymu, przy normalnym pH krwi, konwersja wystąpiłaby około miliona razy wolniej lub wymagałaby pH 10 lub więcej. Niezwiązana anhydraza β-węglanowa jest niezbędna dla roślin z powodu tworzenia się liści, syntezy kwasu indolowego octowego (auksyny) i fermentacji alkoholowej.

Cynk i karboksypeptydaza

Enzym karboksypeptydaza rozkłada wiązania peptydowe podczas trawienia białka; dokładniej, ułatwia atak nukleofilowy na grupę CO peptydu, generując wysoce reaktywny nukleofil lub aktywując karbonyl do ataku

przez polaryzację. Stabilizuje również pośredni - lub przejściowy stan czworościenny - który

powstaje z ataku nukleofilowego na węgiel karbonylowy. W końcu musi ustabilizować atom

amidowy azot, aby uczynić go odpowiednią grupą wychodzącą, gdy tylko wiązanie CN jest

został złamany.

sygnalizacji

Cynk ma funkcję komunikatora zdolnego do aktywacji ścieżek sygnalizacyjnych. Wiele z tych szlaków wzmacnia nieprawidłowy wzrost raka. Jedna z terapii przeciwnowotworowych obejmuje celowanie w transportery ZIP (białko podobne do irt - białko transportera cynku). Są to białka transportujące błonę rodziny transporterów substancji rozpuszczonych, które kontrolują dostarczanie cynku wewnątrz błony i regulują jego stężenia wewnątrzkomórkowe i cytoplazmatyczne.

Inne białka

Cynk odgrywa strukturalną rolę w tak zwanym „palcu cynkowym” - lub palcach cynkowych, specyficznych regionach białkowych zdolnych do wiązania DNA. Palec cynkowy jest częścią niektórych czynników transkrypcyjnych, białek, które rozpoznają sekwencje DNA podczas procesów replikacji i transkrypcji.

Jony cynku z palcem cynkowym pomagają utrzymać strukturę palca, wiążąc się w skoordynowany sposób z czterema aminokwasami w czynniku transkrypcyjnym. Czynnik transkrypcyjny owija helisę DNA i wykorzystuje różne części „palca” do dokładnego wiązania się z sekwencją docelową.

W osoczu krwi cynk jest związany i transportowany przez albuminę (60% - niskie powinowactwo) i transferynę (10%). Ten ostatni niesie także żelazo, które zmniejsza wchłanianie cynku i odwrotnie. Podobny antagonizm występuje również między cynkiem a miedzią. Stężenie cynku w osoczu krwi pozostaje względnie stałe, niezależnie od przyjmowania doustnego cynku z pokarmem lub suplementami. Komórki gruczołów ślinowych, gruczołu krokowego, układu odpornościowego i jelit wykorzystują sygnalizację cynkową do komunikowania się ze sobą.

W niektórych mikroorganizmach, w jelitach i wątrobie, cynk może być przechowywany w rezerwach metalotioneiny. Komórka jelitowa MT jest w stanie regulować wchłanianie cynku pokarmowego o 15-40%. Jednak nieodpowiednie lub nadmierne spożycie może być szkodliwe; w rzeczywistości, dzięki zasadzie antagonizmu, nadmiar cynku pogarsza absorpcję miedzi.

Ludzki transporter dopaminy zawiera miejsce wiązania o wysokim powinowactwie dla zewnątrzkomórkowego cynku, które po nasyceniu hamuje wychwyt zwrotny dopaminy i wzmacnia wypływ dopaminy indukowany amfetaminą - in vitro. Ludzkie transportery serotoniny i noradrenaliny nie zawierają miejsc wiązania dla cynku.

bibliografia

• Maret, Wolfgang (2013). „Rozdział 12. Cynk i choroba człowieka”. W Astrid Sigel; Helmut Sigel; Roland KO Sigel. Wzajemne relacje między niezbędnymi jonami metalu a chorobami ludzkimi. Metalowe jony w naukach przyrodniczych. 13. Springer. pp. 389-414.
• Prakash A, Bharti K, Majeed AB (kwiecień 2015). „Cynk: wskazania w zaburzeniach mózgu”. Fundam Clin Pharmacol. 29 (2): 131–149.
• Cherasse Y, Urade Y (listopad 2017). „Dietetyczny cynk działa jako modulator snu”. International Journal of Molecular Sciences. 18 (11): 2334. Cynk jest drugim najliczniejszym metalem śladowym w ludzkim ciele i jest niezbędny dla wielu procesów biologicznych. ... Metal śladowy jest niezbędnym kofaktorem dla ponad 300 enzymów i 1000 czynników transkrypcyjnych [16]. ... W centralnym układzie nerwowym cynk jest drugim najliczniejszym metalem śladowym i bierze udział w wielu procesach. Odgrywa również ważną rolę w sygnalizacji komórkowej i modulacji aktywności neuronalnej.
• Prasad AS (2008). „Cynk w ludzkim zdrowiu: wpływ cynku na komórki odpornościowe”. Mol. Med. 14 (5–6): 353–7
• Rola cynku w mikroorganizmach jest szczególnie oceniana w: Sugarman B (1983). „Cynk i infekcja”. Przegląd chorób zakaźnych. 5 (1): 137–47.
• Cotton 1999, s. 625-629
• Śliwka, Lauro; Lodowisko, Lothar; Haase, Hajo (2010). „Niezbędna toksyna: wpływ cynku na ludzkie zdrowie”. Int J Environ Res Public Health. 7 (4): 1342–1365.
• Brandt, Erik G.; Hellgren, Mikko; Brinck, Tore; Bergman, Tomas; Edholm, Olle (2009). „Badanie dynamiki molekularnej wiązania cynku z cysteinami w peptydzie naśladującym strukturalne miejsce cynku w dehydrogenazie alkoholowej”. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (6): 975–83
• Lodowisko, L; Gabriel P. (2000). „Cynk i układ odpornościowy”. Proc Nutr Soc. 59 (4): 541–52.
• Wapnir, Raul A. (1990). Odżywianie białek i wchłanianie minerałów. Boca Raton, Floryda: CRC Press.
• Berdanier, Carolyn D.; Dwyer, Johanna T.; Feldman, Elaine B. (2007). Podręcznik żywienia i żywności. Boca Raton, Floryda: CRC Press.
• Bitanihirwe BK, Cunningham MG (listopad 2009). „Cynk: ciemny koń mózgu”. Synapse. 63 (11): 1029–1049.
• Nakashima AS; Dyck RH (2009). „Cynk i plastyczność korowa”. Brain Res Rev. 59 (2): 347–73
• Tyszka-Czochara M, Grzywacz A, Gdula-Argasińska J, Librowski T, Wiliński B, Opoka W (maj 2014). „Rola cynku w patogenezie i leczeniu chorób ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Implikacje homeostazy cynku dla prawidłowego funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego” (PDF). Acta. Pol. Pharm. 71 (3): 369–377. Zarchiwizowane (PDF) z oryginału 29 sierpnia 2017 r.
• PMID 17119290
• NRC 2000, s. 443
• Stipanuk, Martha H. (2006). Biochemiczne, fizjologiczne i molekularne aspekty żywienia człowieka. WB Saunders Company. pp. 1043/67.
• Greenwood 1997, s. 1224-1225
• Kohen, Amnon; Limbach, Hans-Heinrich (2006). Efekty izotopowe w chemii i biologii. Boca Raton, Floryda: CRC Press. p. 850.
• Greenwood 1997, s. 1225
• Cotton 1999, s. 627
• Gadallah, MAA (2000). „Wpływ kwasu indolo-3-octowego i cynku na wzrost, potencjał osmotyczny i rozpuszczalne składniki węgla i azotu w roślinach soi rosnących pod niedoborem wody”. Journal of Arid Environments. 44 (4): 451–467.
• Ziliotto, Silvia; Ogle, Olivia; Yaylor, Kathryn M. (2018). „Rozdział 17. Kierowanie sygnału cynku (II) w celu zapobiegania rakowi”. W Sigel, Astrid; Sigel, Helmut; Freisinger, Eva; Sigel, Roland KO Metal-Drugs: Rozwój i działanie leków przeciwnowotworowych. 18. Berlin: de Gruyter GmbH. pp. 507-529.
• Cotton 1999, s. 628
• Whitney, Eleanor Noss; Rolfes, Sharon Rady (2005). Understanding Nutrition (10 wyd.). Thomson Learning. pp. 447-450
• NRC 2000, s. 447
• Hershfinkel, Michał; Silverman, William F.; Sekler, Izrael (2007). „Receptor cynkowy, połączenie między cynkiem a sygnalizacją komórkową”. Medycyna molekularna. 13 (7–8): 331–6.
• Cotton 1999, s. 629
• Blake, Steve (2007). Demistified witaminy i minerały. McGraw-Hill Professional. p. 242.
• Fosmire, GJ (1990). „Toksyczność cynku”. American Journal of Clinical Nutrition. 51 (2): 225–7.
• Krause J (kwiecień 2008). „SPECT i PET transportera dopaminy w zaburzeniach uwagi i nadpobudliwości”. Expert Rev. Neurother. 8 (4): 611–625.
• Sulzer D (luty 2011). „Jak uzależniające leki zakłócają presynaptyczną neurotransmisję dopaminy”. Neuron. 69 (4): 628–649.
• Scholze P, Nørregaard L, Singer EA, Freissmuth M, Gether U, Sitte HH (czerwiec 2002). „Rola jonu cynku w transporcie odwrotnym za pośrednictwem transporterów monoamin”. J. Biol. Chem. 277 (24): 21505–21513. Ludzki transporter dopaminy (hDAT) zawiera endogenne miejsce wiązania Zn2 + o wysokim powinowactwie z trzema koordynującymi resztami na jego powierzchni zewnątrzkomórkowej (His193, His375 i Glu396). ... Tak więc, gdy Zn2 + jest uwalniany razem z glutaminianem, może to znacznie zwiększyć wypływ dopaminy.