A réz és a cink orvosi geokémiai vonatkozásai és izotópjaik használata a gyógyászatban HALADÓ GEOKÉMIA SZABÓ PÉTER

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 tudományág tág tudásanyagot ötvöző szakembereket igényel

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 (Cu)

Réz ásványai, felhasználása ▪ Fontosabb ásványai: o o o o o o

kalkopirit, CuFeS2 kalkozin, Cu2S kuprit, Cu2O kovellin, CuS malachit, Cu2CO3(OH)2 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 szennyezettségi határérték  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)

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 (Zn)

Cink ásványai, felhasználása ▪ Fontosabb ásványai: o o o o

szfalerit, ZnS wurtzit, ZnS hemimorfit, Zn4Si2O7(OH)2·H2O 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 szennyezettségi határérték  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 n0p+, 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 o o

232Th

 208Pb 235U  207Pb 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

Stabil izotópok

▪ Metabolikus folyamatok rövidtávú követése

▪ Metabolikus folyamatok hosszútávú követése, egy elem dúsított izotópjaival

▪ Radioterápia (Tc-99m, Co-60) ▪ Vizsgálatukat limitálja a felezési idő és az sugárzás káros hatásai

▪ Táplálkozási vizsgálatok

Réz- és cinkizotópok Réz 65Cu/63Cu ▪

▪

63Cu

69,17%-os gyakorisággal atomtömeg: 62,929601 g/mol

Cink 66Zn/64Zn ▪

64Zn

▪

66Zn

▪

67Zn

▪

68Zn

▪

70Zn

65Cu

 30,83%-os gyakorisággal atomtömeg: 64,927794 g/mol

48,63% atomtömeg: 63,929147 g/mol 27,90% atomtömeg: 65,926037 g/mol 4,10% atomtömeg: 66,927131 g/mol 18,75% atomtömeg: 67,924848 g/mol 0,62% 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 Cu egy szűk tartományra esik ▪ Prosztatarákosok vérsavójában megemelkedett Cu-tartalom, de a Zn-tartalmat nem 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: 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 o

▪ 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 Cu szintet 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 biomarkerekkel viszont 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-RegiBERNDORF-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!