Masarykova univerzita

2.2 Minerální látky

Z hlediska zastoupení jednotlivých prvků v potravinách a vodě lze definovat skupinu prvků, které jsou hlavními konstitučními prvky organických látek. Této skupině se říká organogenní prvky a patří sem uhlík, kyslík, vodík, dusík, fosfor a síra. Další prvky vyskytující se v potravinách a vodě jsou označovány jako minerální látky. Minerální látky se mohou dělit do jednotlivých skupin podle různých kritérií, například z hlediska fyziologického významu pro živý organismus. Nejdůležitější skupinu tvoří prvky esenciální (tj. nezbytné pro život) a patří sem sodík, hořčík, vápník, chlor, železo a mangan. Druhou skupinou jsou toxické prvky, které mají škodlivý vliv na organismus, například inhibují metabolicky významné enzymy. Toxickými prvky jsou arsen a olovo. Poslední skupinu tvoří neesenciální prvky, mezi něž se řadí hliník a beryllium (Be bylo zařazeno do této skupiny
na základě analogických účinků na organismus, které nejsou velmi významné, podobně
jako u Al). Tyto prvky jsou fyziologicky netečné, nemají žádnou známou biologickou funkci, ale zároveň výrazně neškodí [2].

2.2.1 Esenciální prvky

2.2.1.1 Vápník

Obsah vápníku v zemské kůře je 0,035 % a do vody se dostává rozkladem hlinitokřemičitanů vápenatých (anortit CaAl₂Si₂O₈) nebo rozpuštěním vápence či dolomitu. Mezi antropogenní zdroje vápníku patří některé průmyslové odpadní vody z míst,
kde se používá neutralizace kyselin vápnem nebo vápencem [3]. Vápník je také nejrozšířenějším minerálním prvkem v lidském těle, kde je obsažen z více jak 99 % v kostech a v zubech ve formě fosforečnanu vápenatého [2]. Obsah vápníku
u člověka se pohybuje od 1000 g až 1200 g, v závislosti na pohlaví jedince. Vápník je nezbytný pro řadu biochemických a fyziologických procesů v rostlinách i u živočichů. Podílí
se na fotosyntéze, srážení krve, kontrakci svalů, oxidační fosforylaci, enzymové aktivitě, funkci buněčné membrány, buněčném dělení, přenosu nervového signálu nebo sekreci hormonů. Pro děti je doporučená denní dávka vápníku 210 mg ∙ den^-1, pro dospělé a kojící ženy
1300 mg ∙ den^-1. V případě nedostatku vápníku může docházet k chronickým onemocněním, například k osteoporóze (řídnutí kostí), hypertenzi (vysoký krevní tlak v cévách) či k různým druhům rakoviny [4].

2.2.1.2 Hořčík

Hořčík je v zemské kůře zastoupen z 0,02 % a do vod se dostává rozložením hlinitokřemičitanů hořečnatých (chlorit Mg₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₈), ve větším množství
pak rozpuštěním magnezitu. Antropogenním zdrojem mohou být některé odpadní vody,
kde se používá neutralizační prostředek magnezit. V porovnání s vápníkem je hořčík ve vodách obvykle zastoupen méně, stejně jako draslík podléhá sorpci a iontové výměně při kontaktu vody s některými horninami [3]. Množství hořčíku v těle dospělého člověka je 25-40 g, přičemž asi 60 % je lokalizováno v kostech. Dále se vyskytuje v měkkých tkáních, nejvíce ve slinivce břišní, játrech nebo kosterním svalstvu. V těle je hořčík důležitým prvkem, protože se podílí na všech metabolických dějích, kdy se tvoří nebo hydrolyzuje ATP. Dále je aktivátorem pro některé enzymy (fosfotransferas, fosfokinas a fosfatas). V organismech, které jsou fotosynteticky aktivní, je esenciálním prvkem, díky své vazbě v chlorofylu¹). Optimální denní dávka hořčíku pro děti je 150-200 mg, pro dospělé
300-350 mg. Deficit hořčíku vede ke zvýšené dráždivosti nervových buněk, naopak nadbytek způsobuje nervový útlum [2].

2.2.1.3 Železo

Jedním z nejvíce rozšířeným prvkem v zemské půdě je železo, které je navíc biogenním prvkem, tzn. nezbytným pro život. V biologickém systému se vyskytuje ve formě chelátů s porfirinovými kruhy nebo ve formě proteinů. Průměrný obsah železa v lidském těle je 3,9-4,5 g. Z toho je 65 % Fe vázáno v hemoglobinu, 20-30 % v Fe proteinech ferritinu a hemosiderinu a zbylých 10 % je součástí myoglobinu, v cytochromech a enzymech obsahujících železo [5]. Železo hraje klíčovou roli při různých biochemických procesech, například zajišťuje transport kyslíku, dýchání, energii metabolismu (cytochromy) a na katalýze oxidačně-redukčních reakcí (flavinové a hemové proteiny).

¹) Chlorofyl je tvořen substituovaným porfyrinovým kruhem se čtyřmi dusíkovými atomy, které silně váží hořčík. [6]

Nejdůležitějšími proteiny hemu (tj. protoporfyrinový komplex Fe²⁺) jsou hemoglobin (barvivo erythrocytů) a myoglobin (červené barvivo svalových tkání), které mají schopnost vázat kyslík. Mezi proteiny zajišťující transport patří transferrin, obsažený v krevní plazmě. Růžově zbarvený transferrin je složen ze dvou stejných podjednotek, každá s jedním vazebním místem pro železo. Jako zásobní protein slouží ferritin, obsahující až 23 % železa a apoferritin, který obaluje jádro s hydratovaným hydroxidem železitým. Vstřebávání železa je ovlivněno biologickými (zdravotní stav, věk a pohlaví)

i chemickými faktory (v jaké formě je železo přijato do těla). Doporučenou denní dávkou železa pro děti je 10-12 mg ∙ den^-1 a pro dospělé je
10-15 mg ∙ den^-1. Při nedostatku železa může u jedince dojít k hypochromní mikrocytální anemii (chudokrevnosti) a snížení imunity. Anemie je způsobena nízkou hladinou hemoglobinu
a červených krvinek v krvi. Tím dochází k omezení transportu kyslíku ke tkáním a organismus se snadněji vyčerpává. V nejhorších případech anemie může dojít až k selhání srdce. Nadbytek železa může způsobit až těžké poškození jater, které je způsobeno akumulací hemosiderinu v játrech (hemosiderosa) [2].

2.2.1.5 Mangan

V přírodě se mangan vyskytuje ve formě manganových rud (burel nebo manganit MnO(OH)) nebo přechází z půd do sedimentů. Lidským zdrojem manganu jsou odpadní vody pocházející z úpravy vod, kde je potřebná oxidace manganistanem draselným [3].

Mangan je v lidském těle obsažen v 10-20 mg, nejvíce v kostech, játrech, slinivce břišní

a v ledvinách. V krvi je mangan obsažen ve struktuře erythrocytů ve formě porfyrinového komplexu. Mangan je součástí některých enzymů (hlavně oxidoreduktasy, kde dochází
ke změně mocenství manganu (Mn^II → Mn^III a Mn^III → Mn^IV)), mezi nejdůležitější patří pyruvátkarboxylasa a arginasa. Pyruvátkarboxylasa je klíčový enzym u glukoneogeneze a také se podílí na citrátovém cyklu²). Arginasa katalyzuje hydrolýzu argininu na močovinu a ornithin (terminální fáze močovinového cyklu).

Děti by měly denně přijmout 1-3 mg manganu, pro dospělé je doporučenný denní příjem 2-5 mg. V dlouhodobém měřítku je deficit manganu spojován se zpomaleným růstem,

²) Pyruvátkarboxylasa s kofaktorem biotinu katalyzuje reakci: pyrohroznová kyselina + CO₂ + ATP + H₂O → oxaloctová kyselina + ADP + H₃PO₄, která je předstupněm citrátového cyklu.

nenormálním vývojem kostí a problémy s reprodukcí. Novorozenci mohou být postihnuti poruchou hybnosti. Otrava manganem bývá způsobena hlavně inhalační expozicí, která

pak může zvýšit obsah vápníku, bilirubinu a cholesterolu v krevním séru nebo snížit hladinu hořčíku a bílkovin [2]. Nadměrná dávka manganu může vyvolat příznaky a symptomy CNS podobné Parkinsonově onemocnění [5].

2.2.2 Toxické prvky

Toxickým prvkem, neboli škodlivým pro živé organismy, může
být i esenciální prvek (např. železo), pokud je ve vysokých koncentracích [7]. Toxické prvky
se do přírody dostávají primárně vlivem antropogenní činnosti, například spalováním fosilních paliv, z průmyslové výroby kovů, využíváním toxických prvků v průmyslu a dopravě,
s čím souvisí produkce odpadu. Kontaminace životního prostředí těmito prvky spočívá
i v přirozených jevech (eroze hornin, lesní požáry nebo vulkanická aktivita) [2].

2.2.2.1 Olovo

Olovo se vyskytuje v přírodě v podobě několika sulfidických rud, jako jsou galenit, sfalerit nebo smithonit, přičemž v zemské půdě je zastoupen v 13 mg ∙ kg^-1. Galenit nepodléhá biochemickým či chemickým oxidacím, proto je akumulace olova v důlních vodách malá. V nekontaminovaných oblastech se koncentrace olova v jezerních a říčních vodách pohybuje 0,1-5 μg ∙ dm^-3. Některá automobilová vozidla stále používají olovnatý benzín, čímž je výrazně přispíváno ke znečišťování atmosféry a narůstání koncentrace olova ve vzduchu a vodních zdrojích [3]. Pro člověka (s tělesnou hmotností 70 kg) je tolerovaná denní dávka olova
250 μg [2]. Akutní toxicita olovem je způsobena hlavně orální expozicí, zřídka inhalací,
při které mohou nastat bolesti břicha, křeče nebo zácpa. Příznaky chronické otravy olova jsou pozorovány zvláště u dětí a dospívajících jedinců, například únava, svalová slabost nebo špatná koordinace pohybu. Dalším příznakem je šedo-modré zbarvení dásní, tzv. olověná linka
(„lead line“) [8]. V těžších případech otravy jsou postihnuty ledviny a játra, může dojít k poškození nervového a kardiovaskulárního systému. U dětí může docházet k pomalejšímu fyzickému a mentálnímu vývoji. Při vyšších dávkách se objevují záchvaty, kóma a dokonce
i smrt [4]. Olovo tvoří silnou vazbu s SH- skupinou v thiolech, které jsou obsaženy v některých enzymech a také způsobuje inhibici tvorby hemoglobinu a snižuje tím jeho množství v červených krvinkách [3]. Anorganické olovo je podle IARC³) klasifikováno jako pravděpodobně karcinogenní pro člověka (skupina 2A) [5].

2.2.2.2 Arsen

V zemské půdě je arsen zastoupen v průměrném množství 1,8 mg ∙ kg^-1, v podobě sulfidových minerálů např. arsenopyrit, realgar nebo kobaltit. V přírodních zdrojích vody jako jsou minerální prameny nebo termální vody je arsen zastoupen ve stopovém množství ve formě anorganických sloučenin. V mořské vodě se vyskytuje v podobě arsenitanu či arseničnanu. Arsen se může dostat do vody a atmosféry spalováním fosilních paliv (hlavně hnědého uhlí) nebo aplikací některých pesticidů [3]. Denní dávka pro člověka vážícího 70 kg, která je ještě v toleranci je 150 μg. Arsen
má vysokou afinitu ke keratinu, proto dochází k jeho akumulaci hlavně v nehtech, vlasech
a kůži [2]. Toxicita arsenu závisí na mnoha faktorech (chemická forma a oxidační stav), dále
na rychlosti absorpce do buněk a rychlosti vylučování. Pro otravu arsenem jsou typické kožní anomálie (otoky, ekzémy) či hematologické a neurologické změny. Chronická otrava (například z pitné vody s vysokým obsahem As) se projeví úbytkem hmotnosti, nadměrným sliněním nebo zrakovými obtížemi. Akutní otrava se projeví nevolnostmi, bolestmi břicha
a zvracením, při vysokých dávkách končí smrtí. Dalšími příznaky akutní otravy jsou tachykardie, kovová chuť v ústech a česnekový odér z úst [8].
³) IARC – International Agency for Research on Cancer – Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny, Tabulka 3 uvádí jednotlivé kategorie karcinogenů.

Tabulka 3 – Klasifikace karcinogenů podle IARC [9]

Skupina 1	Prokázaný karcinogen pro člověka
Skupina 2A	Pravděpodobně karcinogenní pro člověka
Skupina 2B	Možný karcinogen pro člověka
Skupina 3	Neklasifikovaný jako karcinogen pro člověka
Skupina 4	Není karcinogenem pro člověka

2.2.3 Neesenciální prvky

2.2.3.1 Hliník

Třetím nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře je hliník, a to ve formě hlinitokřemičitanů (některé slídovité minerály např. muskovit KAl₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ nebo jílovité materiály albit NaAlSi₃O₈). Antropogenním zdrojem hliníku jsou odpadní vody z podniků, které vyrábějí kůže, papír a barviva [3]. Dříve byl považován za netoxický prvek, proto se jeho soli dodnes hojně přidávají do mražených potravin k uchování barvy,
do opalovacích krémů i léků (např. aspirin). Hliník může způsobit neurotoxicitu, zvláště u pacientů, kteří jsou závislí
na hemodialýze. Příznaky např. poruchy řeči, demence, zmatenost, se projevují
už po 3-7 letech. Smrt většinou nastává jako náhlá zástava srdce nebo v důsledku plicního edému [10].

2.2.3.2 Beryllium

Beryllium je v zemské kůře zastoupen pouze ve stopovém množství (2 mg ∙ kg^-1). V přírodě se beryllium vyskytuje v některých minerálech společně s hliníkem a křemíkem (beryl Be₃Al₂(Si₆O₁₈)), avšak jeho zastoupení je malé (1-15 mg ∙ kg^-1). Beryllium je obsaženo
i ve fosilních palivech, hlavně v hnědém a černém uhlí. Antropogenním zdrojem jsou elektrotechnické a metalurgické závody nebo jaderné reaktory, kde se beryllium používá jako moderátor neutronů [3]. Toxicita beryllia je pravděpodobně způsobena tím, že Be je chemicky podobné hořčíku, a proto jej může vytěsnit z enzymů, které jsou hořčíkem aktivovány a způsobit tím jejich disfunkci [11]. Pro člověka je nejškodlivější inhalační expozice, která má za následek různé druhy dýchacích onemocnění. Beryllium je podle IARC³) hodnoceno jako karcinogenní (skupina 1), vykazuje i genotoxické účinky. Při požití beryllia ústy jsou škodlivé učinky
menší [3].