1.1
Biogenní prvky
Prvky, které jsou obsaženy v lidském těle a ve všech ostatních organismech, nazýváme biogenní prvky. Vyskytují se jak v anorganických, tak i v organických látkách. Mezi nejvíce zastoupené patří uhlík, kyslík, vodík a dusík. Jsou vázané ve sloučeninách. Jejich podíl na složení živých organismů je cca 99 %. [1]
Na základě procentuálního zastoupení v organismu rozdělujeme prvky do 3 skupin (obrázek 1). Makrobiogenní prvky C, O, H, N, P, S tvoří 0,1 – 50 % sušiny těla. Za sušinu je považován zbytek těla organismu po odstranění vody, zůstanou jen organické a anorganické látky. Naproti tomu popelovina je zbytek těla organismu po spálení, dojde tak k rozpadu organických látek a zůstanou jen látky anorganické. Mezi makrobiogenní prvky lze dále zařadit: Ca, Fe, K, Mg, Na, Cl. Mikrobiogenní prvky (0,001 – 0,01 % sušiny) jsou Zn, Mn, Cu, Mo, I, Co. Mezi prvky stopové (méně než 0,001 % sušiny) patří F, B, Br, Se, As, Si, Al, Li, Ti, V, Ni a Au. Pro správnou činnost organismu není preferována žádná skupina. Je důležité, aby byly zastoupeny všechny biogenní prvky. [2]
+
1. Prvkové a látkové zastoupení v organismu
Obr. 1. Prvkové a látkové zastoupení v organismu
1.1.1
Makrobiogenní prvky
  • Uhlík (C) tvoří uhlíkaté řetězce, které jsou základem všech organických látek. Živočichové jako heterotrofní organismy přijímají uhlík v potravě (je součástí bílkovin, sacharidů, lipidů). Rostliny by se neobešly bez CO2 (vstupuje do fotosyntézy, tvoří se z něj glukosa).
  • Kyslík (O) se dostává do organismu ve formě sloučenin (H2O, CO2) nebo jako dvouatomová molekula O2 ze vzduchu. Velké množství kyslíku je využito v aerobním metabolismu při výrobě ATP, které slouží k udržení iontových gradientů, ke svalové kontrakci a syntéze mnoha látek. V lidském těle vzniká také peroxid vodíku (H2O2) potřebný např. pro oxidaci jodidu na elementární jod (štítná žláza ho využívá při syntéze svých hormonů).
  • Vodík (H) se v organismu vyskytuje vázaný v H2O, NH3 a organických sloučeninách. Jeho molekula tvoří redukční činidlo v buněčném metabolismu (dýchání), ovlivňuje pH.
  • Dusík (N) je základní složka všech aminokyselin, které jsou stavebním materiálem pro bílkoviny. V organismu je také obsažen v amoniaku, jehož přeměnou vzniká močovina. Rostliny přijímají dusík v podobě NH4+ a NO3- . Nedostatek dusíku tlumí růst rostlin a syntézu chlorofylu.
  • Fosfor (P) je vázán v organismu v kyselině trihydrogenfosforečné (H3PO4), která je ve formě esterů součástí fosfolipidů, fosfoproteinů, nukleových kyselin a cukrů. Vápenaté a hořečnaté fosfáty jsou nedílnou složkou kostní tkáně. Fosfátové anionty (H2PO4-, HPO42-) se podílejí na pufračním systému krve a moči. Významnou sloučeninou v organismu je  makroergická sloučenina adenosintrifosfát (ATP).
  • Síra (S) je součástí molekuly acetylkoenzymu A (acetyl-CoA). V organismu má síra význam ve skupinách -SH aminokyselin, peptidů a bílkovin. Najdeme ji ve vlasech a nehtech (keratin). Síran barnatý se využívá jako kontrastní látka v rentgenologii. V kožním lékařství se uplatňuje elementární síra (baktericidní účinky).
  • Vápník (Ca) je v organismu uložen v kostech a v zubech ve formě hydroxyapatitu. Kostní tkáň slouží také jako pohotovostní zásoba vápníku. K významným nerozpustným vápenatým solím patří fosfát, uhličitan, fluorid, síran a šťavelan. Ca2+ ionty snižují nervosvalovou dráždivost a jsou nezbytné pro svalovou kontrakci a hemokoagulaci. Šťavelan vápenatý může být obsažen v ledvinových kamenech. Metabolismus vápníku úzce souvisí s metabolismem fosfátů.
  • Železo (Fe) je součástí molekul hemoglobinu a myoglobinu (Fe2+), vyskytuje se v cytochromech. Přenos železa v krvi zajišťuje bílkovina transferrin. Ve tkáních je Fe uloženo ve vazbě na bílkovinu ferritin.
  • Draslík (K) je hlavní kation v intracelulární tekutině. Draselné ionty (K+) se uplatňují při vedení nervového vzruchu, ovlivňují dráždivost svalů, zejména myokardu.
  • Hořčík (Mg) intracelulárně najdeme ve svalech. V plazmě jsou hořečnaté ionty (Mg2+) vázány na bílkoviny (zejména albumin). Jako kofaktor ovlivňuje hořčík velké množství enzymů, snižuje nervosvalovou dráždivost, účastní se fibrinolýzy. Nezastupitelnou roli jako centrální ion má hořčík v chlorofylu. Hořečnaté sloučeniny jsou využívány jako slabá projímadla (MgSO4) nebo antacida (Mg3(PO4)2, MgO2). V organismu je více než polovina hořčíku uložena v kostech.
  • Sodík (Na) je hlavní kation extracelulární tekutiny. Podílí se na regulaci acidobazické rovnováhy, udržování osmotického tlaku a svalové kontrakci.
  • Chlor (Cl) jako Cl- je hlavním aniontem extracelulární tekutiny. Do organismu se dostává jako NaCl. V žaludku se tvoří HCl, která je příčinou silně kyselého prostředí potřebného pro rozklad bílkovin. Vodný roztok NaCl o koncentraci 0,15 mol.l-1 je využíván jako fyziologický roztok. [3]
1.1.2
Mikrobiogenní prvky
  • Zinek (Zn) je potřebný pro buněčnou imunitu a dělení buněk. Bez něj by nedocházelo k tvorbě vaziva, hojení ran a vzniku spermií. Zinek je součástí hormonu inzulinu, který napomáhá glukose při vstupu do buněk, a tím snižuje v organismu glykémii. Zn2+ je součástí mnoha enzymů. Ke vstřebání zinku dochází v tenkém střevě. Jeho zvýšené množství v potravě vede ke snížené resorpci mědi (vznik deficitu Cu), platí to i obráceně.
  • Mangan (Mn) je složkou některých enzymů (peptidasa, arginasa), aktivuje fosfatasy a podílí se na syntéze všech druhů RNA a cholesterolu. Ke snížení resorpce Mn2+ iontů v tenkém střevě dochází působením Fe2+.
  • Měď (Cu) se dostává do tkání jako součást bílkoviny ceruloplasminu. Podílí se na syntéze hemoglobinu, tvorbě bílkovin kolagenu, elastinu a správné funkci nervové tkáně či výstavbě kostí.
  • Molybden (Mo) je součást enzymu xanthinoxidasy potřebného k syntéze kyseliny močové. Molybden se účastní mnoha biologických pochodů, např. uvolňování železa z ferritinu.
  • Jod (I) se vyskytuje v potravě. Jeho hlavním zdrojem je v našich podmínkách jodovaná kuchyňská sůl, z níž vzniklé jodidy jsou oxidací převedeny na jod potřebný k syntéze hormonů štítné žlázy. Nedostatek jodu má vliv na fyzický a mentální vývoj jedince.
  • Kobalt (Co) je centrální atom vitaminu B12 (kobalaminu). Kobalt se podílí na vzniku a vývoji erytrocytů, utilizaci glukosy a transportu aminokyselin do buněk. [3]
1.1.3
Stopové prvky
  • Fluor (F) je nezastupitelným prvkem při vývoji zubů, zajišťuje jejich ochranu před zubním kazem (fluorizace zubních past), podílí se na mineralizaci kostí (hydroxyapatit). Při nadbytku fluoridových aniontů hrozí nebezpečí vzniku kyseliny fluoroctové, ze které se následně tvoří kyselina fluorcitronová, která je příčinou inhibice citrátového cyklu.
  • Selen (Se) jako antioxidant chrání biomembrány před oxidačním poškozením.
  • Křemík (Si) ovlivňuje tvorbu kostí, podílí se na elasticitě svalů, cévní stěny, kůže, vlasů a nehtů. Křemík napomáhá při tvorbě mukopolysacharidů, které jsou součástí pojivové tkáně, chrupavek a kostí.
  • Vanad (V) je prvek, jehož nepatrné množství pravděpodobně snižuje hladinu cholesterolu.
  • Nikl (Ni) má význam v metabolismu glukosy. Jeho účast je nutná při aktivaci některých enzymů nezbytných pro biosyntézu aminokyselin. [3]
Pro celkový přehled je nezbytné zmínit i prvky, které jsou pro lidský organismus toxické. Jsou to Ba, Be, Cd, Pb, Hg, a ve větších koncentracích As a Li.
  • Baryum (Ba) v podobě Ba2+ rozpustných sloučenin způsobuje spazmy hladké svaloviny. Tyto ionty jsou velmi toxické. Nerozpustného síranu barnatého se využívá v rentgenologii.
  • Beryllium (Be) se do těla dostává při vdechnutí prachu beryllnatých sloučenin (vznikají při spalování uhlí). To může vyvolat rakovinu plic. Beryllium uvolněné z rozpustných beryllnatých solí se váže na bílkoviny, a transportuje se tak do celého organismu. Vytěsněním esenciálních prvků, např. Mg2+, inaktivuje beryllium některé enzymy. Má vliv na chromozomy dělících se buněk a narušuje syntézu RNA.
  • Kadmium (Cd) se dostává do ovzduší při spalování hnědého uhlí. Může být součástí půdy, vody, a tím i potravinového řetězce, kam se dostává díky hnojení polí severoafrickými fosfáty s vysokým obsahem kadmia. Významným zdrojem kadmia jsou i tabákové výrobky. Cd2+ je příčinou změn krevního obrazu, poruch činnosti jater a srdce, negativně ovlivňuje metabolismus železa, zinku a mědi. Kadmium má vliv na zpomalení růstu, mineralizaci kostí. K jeho hromadění dochází v ledvinách, játrech a slezině. Vyšší hladina Cd2+ ve varlatech vede k jejich dysfunkci. U žen může dojít ke spontánnímu potratu.
  • Olovo (Pb) je jeden z nejrozšířenějších těžkých kovů. Při kyselých deštích se uvolňuje ze sloučenin v půdě a dostává se do vody (koncentrace olova v pitné vodě se ještě navyšuje při jejím rozvodu olověnými trubkami). Dále olovo může znečišťovat ovzduší či potravu. Do těla se dostává plícemi a trávicím ústrojím. Vazbou na membránu červených krvinek způsobuje jejich rozpad. Důsledkem je anemie (Pb blokuje enzymy potřebné k syntéze hemu). Při dlouhodobém působení olovo poškozuje nervový systém, ledviny a srdeční činnost. Má schopnost ukládat se do kostí. Z organických sloučenin stojí za zmínku dříve používané tetraethylolovo, k jehož snížení došlo výrobou bezolovnatého benzínu.
  • Rtuť (Hg) je kapalina nerozpustná ve vodě (elementární rtuť), ale rozpustná v lipidech. Negativně ovlivňuje centrální nervový systém. Páry rtuti se do organismu dostávají plícemi nebo kůží. Reakcí rtuti s kovy vznikají amalgámy využívané ve stomatologii. Vznikají také při likvidaci kapalné rtuti posypáním práškovým zinkem. Více závažné jsou toxické rtuťnaté soli znečišťující půdu i vodu, odkud se dostávají do potravinového řetězce (vznikají jako odpad z továren a zemědělských podniků). V organismu poškozují ledviny a nervovou soustavu. Při otravě slouží k detoxikaci Hg2+ iontů mléko nebo vaječný bílek.
  • Lithium (Li) je prvek, jehož sloučeniny - uhličitany, sírany, octany, aspartamy - jsou využívány v psychiatrii při léčbě maniodepresivní psychózy. Onemocnění dnou se léčí salicylanem či citronanem lithným. Jako doplňková léčba se doporučuje pití minerálek s vyšším množstvím lithia např. Vincentka, Zaječická, Mlýnský pramen (nutná kontrola koncentrace Li v krvi). Li+ ionty poškozují štítnou žlázu, nervový a kardiovaskulární systém.
  • Arsen (As) se do organismu může dostat při vdechování jemného popílku, jehož součástí je oxid arsenitý vzniklý při nekvalitním spalování hnědého uhlí. Případná otrava se projevuje kašlem, dušností, celkovou ochablostí. Možná je kontaminace půdy a vody. Arseničné sloučeniny mají tendenci nahradit v organismu fosfáty, a tím inaktivují metabolické dráhy, např. metabolismus glukosy. Více toxické jsou sloučeniny arsenité obsažené v pesticidech, insekticidech, postřicích ve vinařství a návnadách pro hubení hlodavců. Po požití dochází k poškození trávicího ústrojí a funkcí centrálního nervového systému. Chronická otrava arsenem způsobuje změny na kůži, sliznicích, poruchy krvetvorby a neurologické problémy. Arsen je karcinogenní látka, která se hromadí v kůži, vlasech a nehtech. [3]