a réz és a cink orvosi geokémiai vonatkozásai és ...lrg.elte.hu/oktatas/halado geokemia...
TRANSCRIPT
A réz és a cink
orvosi geokémiai
vonatkozásai és
izotópjaik
használata a
gyógyászatban
HALADÓ GEOKÉMIA
SZABÓ PÉTER
2017.05.09.
Mivel foglalkozik az orvosi geokémia?
▪ Geokémia célja:Az elemek relatív és abszolút mennyiségének meghatározása a Földben és alkotórészeiben. Elemek és izotópjaik aránya, mozgása a Föld szféráiban és ezek törvényszerűségének feltárása.
Lépték változik. Központba az
ember és az élő környezet kerül!
Elemek és izotópjaik vándorlása az
emberi testben.
Mivel foglalkozik az orvosi geokémia?
▪ Szükség volt hozzá az analitika és a technológia fejlődésére
▪ Szükség van geológiai, ásványtani, kőzettani, kémiai és nem utolsó sorban biológiai ismeretekre
▪ Segítséget nyújt a gyógyászatban dolgozók számára
▪ Látható, hogy erősen interdiszciplináris tudományágtág tudásanyagot ötvöző szakembereket igényel
Réz (Cu)
Tulajdonság Cu
Rendszám 29
Relatív atomtömeg
(g/mol)
63,546(3)
Elektronegativitás 1,9
Elektronkonfiguráció [Ar] 3d10 4s1
Fématom sugár
(N=12, pm)
128
Ionizációs energia
(első) (kJ*mol-1)
745,3
Olvadáspont (°C) 1083
Forráspont (°C) 2570
Olvadáshő (kJ*mol-1) 13,0
Párolgáshő (kJ*mol-1) 307(±6)
Atomizációs hő
(kJ*mol-1)
337(±6)
Sűrűség (g*cm-3) 8,95
Fajlagos ellenállás
(20°C, μohm*cm)
1,673
Réz ásványai, felhasználása
▪ Fontosabb ásványai:
o kalkopirit, CuFeS2
o kalkozin, Cu2S
o kuprit, Cu2O
o kovellin, CuS
o malachit, Cu2CO3(OH)2
o azurit, Cu3(CO3)2(OH)2
Felhasználása: elektromos kábelek, elektromos felszerelés, építkezés,…
Előállítása: kalkopirit pörkölése, képződő CuO redukciója
Réz főbb vegyületei, ötvözetei
▪ Cu2(OH)2CO3: patina: réz és bronztárgyak felületén
képződik nedves levegőn
▪ CuSO4: réz(II)-szulfát, rézgálic: kék, oltott mésszel
keverve bordói lé: permetezőszer
▪ CuO és Cu2O: réz(II)-oxid és réz(I)-oxid
▪ Sárgaréz: 80% Cu + 20% Zn
▪ Bronz: Cu + Sn
▪ Alpakka: Cu + Ni
Réz egyéb geokémiai tulajdonságai
▪ Fő oxidációs állapotai: +1, +2
▪ Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben)
▪ Réz- és aranyércesedés indikátora + mafikus kőzeteké
▪ Oxidatív, savas környezetben, pH 5.0-6.0 közt a legmobilisabb
▪ Affinitás a szerves anyaghoz
▪ Talajban átlagosan 13-tól 24 mg/kg felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás
▪ Felszíni vizekben hozzávetőlegesen: 10 μg/l (kivétel AMD)
▪ Antropogén források: bányászat, kohosítás, elektromos ipar, mezőgazdaság, szennyvíz, acélipar
Réz gyakorisága folyóvizekben, talajokban
Réz határértéke, betegségek
▪ 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségihatárérték 75 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre
▪ Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 12 mg/nap a tolerálható mennyiség
▪ Szervezetben 50 mg-tól 150 mg-ig, szövetekben és vérben
▪ 35%-a vörösvérsejtekben
▪ Mikronutriens, katalitikus és szerkezeti szerep enzimeknél
▪ Nagy koncentrációban toxikus (pl.: gyerekeknél veseelégtelenség)
Cink (Zn)
Tulajdonság Zn
Rendszám 30
Relatív atomtömeg
(g/mol)
65,39(2)
Elektronegativitás 1,6
Elektronkonfiguráció [Ar] 3d10 4s2
Fématom sugár
(N=12, pm)
134
Ionizációs energia
(első) (kJ*mol-1)
906,1
Olvadáspont (°C) 419,5
Forráspont (°C) 907
Olvadáshő (kJ*mol-1) 7,28(±0,01)
Párolgáshő (kJ*mol-1) 114,2(±1,7)
Atomizációs hő
(kJ*mol-1)
129,3(±2,9)
Sűrűség (g*cm-3) 7,14
Elektromos ellenállás
(20°C, μohm*cm)
5,8
Cink ásványai, felhasználása
▪ Fontosabb ásványai:
o szfalerit, ZnS
o wurtzit, ZnS
o hemimorfit, Zn4Si2O7(OH)2·H2O
o cinkpát, smithsonit, ZnCO3
Felhasználása: horganyzott bádog, sárgaréz, festék, vegyszerek, galvánelem
Előállítása: ZnS pörkölése, képződő ZnO redukciója
Sárgaréz (80% Cu + 20% Zn), fehér festék (ZnO)
Cink egyéb geokémiai tulajdonságai
▪ Fő oxidációs állapota: +2
▪ Cd-hoz hasonló viselkedés
▪ Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben)
▪ Cinkércesedés indikátora, Cd-mal társul + mafikus kőzet, Fe/Mn-nal együttes kiválás
▪ Oxidatív, savas környezetben a legmobilisabb; magas pH-n komplexeket képez
▪ Talajban átlagosan 10-től 300 mg/kg
felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás
▪ Folyóvízben átlagosan: 10 – 50 μg/l
▪ Antropogén források: bányászat, széntüzelés, acélipar, fehér festék (ZnO), galvánelem
Cink gyakorisága vizekben, talajokban
Cink határértéke, betegségek
▪ 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségihatárérték 200 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre
▪ Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 11,4 mg/nap a tolerálható mennyiség
▪ Szervezetben 1,5 – 3 g
▪ 90%-a a vörösvérsejtekben
▪ Nagy koncentrációban toxikus: növekedési rendellenesség, sérülések lassú gyógyulása, immunrendszer-zavarok, születési rendellenesség kisebb koncentrációban: gyomorgörcs, bőrirritáció, émelygés, hasnyálmirigy-károsodás
▪ Bioakkumuláció halakban és növényekben
Izotópok
Mit nevezünk izotópnak?
▪ Adott kémiai elem azonos protonszámú (rendszám – Z), de eltérő neutronszámú formái
▪ Tömegszámban (A) megjelenő különbség
▪ Az izotópok magja lehet stabil vagy radioaktív
▪ Egy elem több izotópból épül fel, melyek különböző arányban lehetnek stabilak vagy radioaktívak
▪ Azonos kémiai tulajdonságok
Geológiai és geokémiai felhasználásuk
▪ Geológiai folyamatok megértése
▪ Geológiai képződmény genetikája (akár extraterresztrikus is)
▪ Képződmény kora Geokronológia
Izotóparányok és ezek változása
Radioaktív izotópok
▪ Radioaktív magok bomlása
▪ Nagy energiájú ionizáló sugárzás
▪ α-bomlás: atommagból He atommag válik ki
▪ β-bomlás: magban n0p+, e- kiválás
▪ γ-bomlás: energia távozik foton formájában
▪ Természetben előforduló radioaktív elemek rendszáma általában 80-nál nagyobb
o Kivéve: 40K, 87Rb, 138La, 147Sm, 176Lu, 187Re, 190Pt + kozmogén izotópok (3H, 10Be, 14C, 26Al, 32Si, 36Cl), mesterséges (antropogén) izotópok: 90Sr, 137Cs
▪ Jelenleg három földi eredetű bomlási sor
o 232Th 208Pb
o 235U 207Pb
o 238U 206Pb
Stabilizotóp geokémia
▪ Radioaktív bomlás nem figyelhető meg, vagy 15 mrd évnél nagyobb bomlási idő
▪ Izotópok elterjedése, mennyisége és aránya a geofázisokban
▪ Nagyobb rendszám ~ kisebb tömegkülönbség nehezebben mérhető tömegkülönbségek
▪ Hagyományosan: H (D/H [2H/1H], C (13C/12C), N (15N/14N), O (18O/16O), S (34S/32S)
o Mára kibővült
Izotóp frakcionáció
▪ Izotópok arányának változása fizikai, kémiai és biológiai folyamatok során
▪ Alapja az atomok és molekulák mozgásának módja, mely tömegfüggő
▪ Könnyebb és nehezebb izotópok elkülönülése
▪ Egyensúlyi (rotáció és vibráció, nehezebb izotópok stabilabb kötésben energiaminimum)
▪ Kinetikus (reakciósebesség izotóparány, egyirányú)
▪ Nem tömegfüggő (meteoritok, atmoszféra molekuláris szimmetria szerepe
▪ Standardokhoz viszonyítanak
Gyógyászat
Radioaktív izotópok
▪ Metabolikus folyamatok rövidtávú követése
▪ Radioterápia (Tc-99m, Co-60)
▪ Vizsgálatukat limitálja a felezési idő és az sugárzás káros hatásai
Stabil izotópok
▪ Metabolikus folyamatok hosszútávú követése, egy elem dúsított izotópjaival
▪ Táplálkozási vizsgálatok
Réz- és cinkizotópok
Réz 65Cu/63Cu
▪ 63Cu69,17%-os gyakorisággalatomtömeg: 62,929601 g/mol
▪ 65Cu 30,83%-os gyakorisággalatomtömeg: 64,927794 g/mol
Cink 66Zn/64Zn
▪ 64Zn48,63%atomtömeg: 63,929147 g/mol
▪ 66Zn 27,90%atomtömeg: 65,926037 g/mol
▪ 67Zn 4,10%atomtömeg: 66,927131 g/mol
▪ 68Zn18,75% atomtömeg: 67,924848 g/mol
▪ 70Zn0,62%atomtömeg: 69,925325 g/mol
Izotóparányok alkalmazása
▪ Az átmeneti fémek, így a Cu is biológiai folyamatokra jellemzők, tartózkodási idejük a szervezetben csekély
▪ Betegségek nagy része bizonyos biokémiai folyamatokat akadályoz, melyekben metalloproteinek is részt vesznek
▪ Azt várjuk, hogy valamely kór hatására az izotópösszetételben változás lép fel, melyet könnyen elérhető biológiai mintán lehet észlelni/mérni (pl.: vér) biomarkerként alkalmazható?
▪ Izotópok arányában változás, ha az input és az output mennyisége eltérő.
▪ Minden szerv izotópösszetétele szűk határok közt mozog
Megfigyelések
▪ Kutatások szerint a Cu, a nők vérében magas koncentrációban, mely erősen változó, még a férfiaknál a Cuegy szűk tartományra esik
▪ Prosztatarákosok vérsavójában megemelkedett Cu-tartalom, de a Zn-tartalmatnem befolyásolja
▪ Mellrákos nők vérsavójában emelkedett Zn-koncentráció, vastagbélrákosoknál nem
(Albaréde, 2017)
Vér izotópösszetétele
▪ Vörösvérsejtben: δ66Zn ~ +0.44±0.26‰ és δ65Cu ~ +0.66‰ értékek
▪ Vérsavóban: δ66Zn ~ +0.17‰ és δ65Cu ~ -0.26± 0.40‰
▪ 18-74 év közti Jakut önkéntesek vérén végrehajtott vizsgálat szerint:
o 66Zn/64Zn növekszik, a 65Cu/63Cu csökken a korral
▪ Egy másik vizsgálat szerint:
o 65Cu/63Cu nőtt a menopauza után, de a Zn változatlan maradt, a kor sem befolyásolta
Bizonytalan eredmények, az ok lehet: izotópok minél tovább a szervezetben vannak, annál jobban tudnak frakcionálni
▪ Etnikai faktor: δ66Zn a teljes vérben 0,15‰-kel magasabb a vegetáriánusoknál, mint a mindenevőknél
Zn és Cu izotópok eloszlása szervenként
(Albaréde, 2017)
Rákos megbetegedések
▪ Több krónikus és rákos megbetegedés esetében emelkedett Cuszintet vettek észre
▪ A legtöbb vizsgálatot a vér különböző részein végezték, és csak nagyon ritkán a szervek szövetén vagy a tumoron
▪ A tumor Cu és Zn izotópösszetétele eltér az egészséges szövettől (nehéz Cu a májban, könnyű Zn a mell szövetében)
▪ Eddigi vizsgálatok alapján: Cu izotóposan könnyebb a rákos emberek vérsavójában, de a Zn nem mutat hasonló tulajdonságokat. δ65Cu használható előrejelzésre a végstádiumban levő máj-, nyakcsigolya-, és mellrákos betegeknél, de nem önmagában, hanem az eddigi módszerek kiegészítéseként
Rákos megbetegedések
(Albaréde, 2015)
Kilátások
▪ Jelenlegi állás szerint ezen izotópok nem tudnak versenybe szállni, a már használt molekuláris biomarkerekkelviszont ígéretesnek tűnnek a betegségek biokémiai mechanizmusának kutatásában
▪ Cu izotópjai mutatják a legjobb eredményeket a betegségek (rák) véren végzett vizsgálatában, de a módszerek még erősen kiforratlanok
▪ További vizsgálatok szükségesek mind szerveken, mind sejteken
▪ Azonosítani kell, hogy a δ65Cu jel mely részéért felelős a rákos megbetegedés, és melyért egyéb faktorok (pl.:kor)
Források
Albarède, F., 2015, Metal stable isotopes in the human body: a tribute of geochemistry to
medicine: Elements, v. 11, no. 4, p. 265-269.
Albarède, F., Télouk, P., and Balter, V., 2017, Medical Applications of Isotope Metallomics:
Reviews in Mineralogy and Geochemistry, v. 82, no. 1, p. 851-885.
Albarède, F., Telouk, P., Lamboux, A., Jaouen, K., and Balter, V., 2011, Isotopic evidence of
unaccounted for Fe and Cu erythropoietic pathways: Metallomics, v. 3, no. 9, p. 926-933.
Bullen, T. D., and Walczyk, T., 2009, Environmental and biomedical applications of natural metal
stable isotope variations: Elements, v. 5, no. 6, p. 381-385.
Jaouen, K., Gibert, M., Lamboux, A., Telouk, P., Fourel, F., Albarède, F., Alekseev, A. N., Crubézy,
E., and Balter, V., 2013, Is aging recorded in blood Cu and Zn isotope compositions?:
Metallomics, v. 5, no. 8, p. 1016-1024.
Larner, F., Shousha, S., and Coombes, R. C., 2015, Zinc isotopes: a novel approach to biomarkers
of breast cancer?: Biomarkers, v. 9, no. 4, p. 379-382.
Lauwens, S., Costas-Rodríguez, M., Van Vlierberghe, H., and Vanhaecke, F., 2016, Cu isotopic
signature in blood serum of liver transplant patients: a follow-up study: Scientific Reports, v.
6, p. 1-9.
Moynier, F., Foriel, J., Shaw, A., and Le Borgne, M., 2017, Distribution of Zn isotopes during
Alzheimer’s disease: Geochemical Perspectives Letters, v. 3, p. 142-150.
Egyéb források
• https://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=A0900006.KVV
• http://weppi.gtk.fi/publ/foregsatlas/maps_table.php
• http://lrg.elte.hu/oktatas/Environmental%20isotope%20geochemistry/Table%20o
f%20isotopes.pdf
• Dr. Szabó Csaba – Geokémiai ciklusok kurzus segédanyaga
• Dr. Szabó Csaba – Környezeti izotópgeokémia kurzus segédanyaga
• Dr. Tarczay György – Szervetlen kémia kurzus segédanyaga
Internetről származó képek
forrásai
https://www.dakotamatrix.com/products/5848/chalcopyrite
https://www.dakotamatrix.com/products/751/cuprite
https://www.mineralicon.de/Regenwaldjaspis-Obelisk-Unikat
https://netkazan.hu/termekek/menetes-sargarez-konyok/390
http://www.ermeborze.hu/termekeink/magyar_penzermek/magyar_kiralysag_19
201944/egyeb_penzermek/termek/2_filler__1940
http://galeriasavaria.hu/termekek/reszletek/ezust-targy/1400809/0J720-Regi-
BERNDORF-alpakka-villa-keszlet-6-db/
https://www.mindat.org/photo-377257.html
http://www.geology.neab.net/minerals/smithson.htm
http://hamaoka.chuden.jp/english/radioactivity/aspect.html
Köszönöm a figyelmet!