Nikelj kot pomemben v sledovih? Nickel as important trace element? Urban Košak, Aleš Obreza Povzetek: Nikelj je prehodni element, ki v biokemičnih procesih prehaja med stanji z oksidacijskimi števili 0, +1, +2 in +3. Ker nikelj vsebujočih encimov ali kofaktorjev, ki vsebujejo nikelj, pri ljudeh in živalih še niso odkrili, njegova vloga v teh organizmih še ni povsem znana. Pri mikroorganizmih je nikelj sestavni del osmih encimov, ki so ključni za preživetje ne zgolj mikroorganizmov, ki jih vsebujejo, ampak tudi ostalih organizmov. S farmacevtskega vidika je ureaza najbolj pomemben nikelj vsebujoči encim, ki je virulentni dejavnik pri nekaterih patoloških stanjih. Pri ljudeh v strokovni literaturi ni opisanih primerov pomanjkanja niklja, zato uživanje njegovih spojin v obliki prehranskih dopolnil nima racionalne osnove. Poleg tega so nikljeve spojine znani kožni alergeni, povzročajo fibrozo pljuč, zastrupitve ledvic in krvožilnega sistema ter so dokazano kancerogene. Ključne besed: nikelj, metaloencimi, esencialni element, toksičnost. Abstract: Nickel is a transition metal that cycles through redox states 0, +1, +2 and +3 in biochemical processes. The role of nickel in humans and animals is not completely understood due to the lack of knowledge of enzymes or cofactors that include nickel. In microorganisms eight nickel-containing enzymes are known. These enzymes are essential not only to the microorganisms but also to other organisms. From a pharmaceutical standpoint urease is the most important nickel-containing enzyme due to its role as a virulence factor in certain pathological conditions. In humans there is no case of nickel deficiency presented in professional literature, therefore the use of dietary supplements containing nickel has no rational base. Nickel compounds are known to cause skin allergies, lung fibrosis, kidney and cardiovascular system poisoning and stimulate the neoplastic transformation of cells. Key words: nickel, metalloenzymes, essential element, toxicity. element 1 Naravni viri in kemizem nikljevih spojin Pričujoči prispevek nadaljuje in zaključuje serijo člankov o esencialnih elementih, objavljenih v Farmacevtskem vestniku (1-4) in predstavljenih na podiplomskem izobraževanju za farmacevte na Fakulteti za farmacijo v letu 2009 (5). Kovinski nikelj je prvi izoliral Alexander Cronstedt leta 1751 iz nikljevega arzenida (NiAs), ki je po videzu podoben bakrovemu sulfidu (CuS), iz katerega so v osrednji Nemčiji pridobivali baker. Nikelj je dobil ime po zlih duhovih iz germanske mitologije, ker naj bi le-ti po mnenju rudarjev preprečili pridobivanje bakra iz omenjene rude. (6, 7). V zemeljski skorji ga je manj kot 0,01 masnih %. V naravi je največkrat v obliki sulfidov, arzenidov in arzenatov, zelo redki so nikljevi silikati (6). Nikelj se pojavlja tudi v obliki prašnih delcev v atmosferi, vodotopne nikljeve(II) soli pa so raztopljene v morjih in površinskih sladkih vodah. Elementni nikelj je kemično odporen na zrak, vodo, neoksidirajoče kisline, baze in številna organska topila. Reagira z razredčeno, ne pa tudi s koncentrirano dušikovo(V) kislino (8), saj pri uporabi koncentrirane kisline na površini nastane tanka zaščitna plast oksida in nitrata (6). Za nikelj je značilno, da adsorbira nekatere pline, npr. vodik in ogljikov monoksid. 100 g niklja lahko adsorbira 500-800 mL CO in pri tem nastane nikljev tetrakarbonil [Ni(CO)4] (8), ki šele pri 200 °C razpade nazaj na nikelj in CO (7). Ker lahko nikelj adsorbira vodik, ga uporabljajo kot katalizator (6, 8) pri reakcijah katalitičnega hidrogeniranja. Prisotnost niklja lahko dokažemo z reakcijo z raztopino dimetilglioksima (1) v etanolu. Pri tem nastane kelat škrlatne barve (2) (Slika 1) (8, 9). H 1 2 Slika 1: Strukturi dimetilglioksima (1) in nikljevega kelata z dimetilglioksimom (2). Figure 1: Structures of dimethylglyoxime (1) and of nickel chelate with dimethylglyoxime (2). Znane so spojine niklja z oksidacijskimi števili od -1 do +4, vendar v bioloških sistemih močno prevladujejo nikljeve spojine z oksidacijskim številom +2 (8). V nikelj vsebujočih encimih je nikelj lahko prisoten v Urban Košak, mag. farm., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Aškerčeva 7, 1000 Ljubljana Izr. prof. dr. Aleš Obreza, mag. farm., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Aškerčeva 7, 1000 Ljubljana stanjih z oksidacijskim številom 0, +1, +2 ali +3 (10). Za nikelj so značilne koordinacijske spojine, kjer je razporeditev ligandov okrog centralnega kationa lahko oktaedrična, kvadratna, kvadratno piramidalna ali tetraedrična (6). 2 Nikljeve spojine v človeškem organizmu Zdrava oseba, ki ni dodatno izpostavljena virom nikljevih spojin, ima približno 7,3 ng Ni/kg telesne mase. Nikelj vnesemo v organizem z vdihavanjem, zaužitjem in absorpcijo skozi kožo (8). Približno 25-30 % vdihanega niklja, ki ostane v pljučih, se absorbira v krvni obtok (7). Dnevni vnos nikljevih spojin znaša pri odraslem človeku ob raznovrstni prehrani 35-300 ng, kar tudi v primeru morebitne esencialnosti niklja pri ljudeh več kot zadošča za pokritje dnevnih potreb. Stopnja absorpcije (1-25 %) iz gastrointestinalnega trakta je odvisna od kemijske oblike niklja v hrani, celokupne vsebnosti nikljevih spojin in od posameznikove kapacitete absorpcije. Zanimivo je, da ženske absorbirajo 14 %, moški pa 26 % zaužitega niklja. Način vstopa niklja v celice je odvisen od kemijske oblike (8). V vodi netopni delci niklja vstopijo v celice s fagocitozo (7, 8). Nikljev tetrakarbonil je dovolj lipofilen, da lahko prehaja skozi celično membrano (8). V vodi topni NiCl2 se hitreje transportira skozi membrano celice kot NiO, ki je v vodi praktično netopen. Raztopljeni Ni2+ se iz tankega črevesa v krvni obtok absorbirajo z dvostopenjskim mehanizmom. V prvi stopnji, pride do prehoda Ni2+ skozi mukozno membrano. V drugi stopnji sledi pasivni transport Ni2+ v obliki kompleksov z aminokislinami ali drugim ligandi z nizko molekulsko maso iz mukozne celice v krvni obtok (11). Ni2+ se lahko iz črevesa absorbirajo tudi skozi kalcijeve ali železove kanalčke ali s transportnim proteinom 1 za dvovalentne katione (7). Eksogena kelatorja hidroksikinolin in kliokvinol (znana dezinficienta) povečata absorpcijo Ni2+ iz gastrointestinalnega trakta in vplivata na porazdelitev po organizmu (11). Glavni transportni proteini, na katere se veže nikelj v krvi, so albumini in a2-mikroglobulin (7, 8). Pogost način transporta po krvi je kompleks z L-histidinom, ki se lahko transportira tudi skozi membrano celic (8). Nikeljplazmin in nekateri metalotioneini prav tako vežejo in transportirajo nikelj (7). Nikelj se hitro porazdeli v ledvica, pljuča, kožo, nadledvični žleži, jajčnike pri ženskah in moda pri moških (7, 11). Razpolovni čas nikljevega sulfata NiSO4 v organizmu je 1-3 dni, nikljevega subsulfida Ni3S2 5 dni, nikljevega oksida pa več kot 100 dni (7). Absorbirani nikelj se izloči z urinom po kinetiki prvega reda (7, 8, 11). 3 Nikelj kot esencialni element? Nikelj vsebujočih encimov ali kofaktorjev, ki vsebujejo nikelj, pri ljudeh in živalih še niso odkrili. Patološka stanja povezana s pomanjkanjem niklja pri ljudeh niso znana (8, 11), zato niklja zaenkrat še ne moremo uvrstiti med esencialne elemente . Posledice pomanjkanja niklja v prehrani domačih živali (kravah, kozah, morskih prašičkih, podganah in ovcah) so domnevno upočasnjena rast in razvoj, znižana plazemska koncentracija glukoze, spremenjena porazdelitev železovih, bakrovih, kalcijevih, cinkovih ionov in vitamina B12 po organizmu, spremembe v pigmentaciji, zmanjšan hematokrit in spremembe v strukturi in funkciji jeter. Čeprav nikelj nima specifične fiziološke funkcije pri živalih, domnevajo, da je nikelj kofaktor za aktivacijo kalcinevrina. Kalcinevrin je multifunkcionalna, s kalmodulinom stimulirana fosfoprotein-fosfataza, ki je pomemben regulator encimov v možganih in mišicah. Nikelj naj bi imel pomembno vlogo pri strukturi in funkcijah celične membrane. Obstajala naj bi povezava med presnovo niklja in vitamina B12 (11). Nikelj je esencialni element za nekatere rastline in mikroorganizme (7, 8, 11,12). 3.1 Nikelj vsebujoči encimi Znanih je osem nikelj vsebujočih encimov pri mikroorganizmih. Vsi razen glioksilaze I katalizirajo reakcije pri katerih nastajajo za življenje pomembni plini ogljikov monoksid (CO), ogljikov dioksid (CO2), metan (CH4), vodik (H2), amoniak (NH3) ali kisik (O2) (Preglednica 1). Nikelj se v teh encimih verjetno pojavlja zato, ker lahko prehaja med stanji z oksidacijskimi števili 0, +1, +2 in +3 (10). Glioksalaza I Glioksalaza I (GlxI) in glioksalaza II (GlxII) katalizirata pretvorbo metilglioksala (3) v laktat (4) (Slika 2) (10, 13). Metilglioksal je stranski produkt številnih encimskih reakcij, ki kovalentno reagira z DNA in proteini v celici (13). Glioksalaza ščiti celico pred poškodbami, ki jih povzroča toksični metilglioksal (10, 13). Nikljev ion je v encimu v oktaedrskem koordinacijskem okolju in je med reakcijo v stanju z oksidacijskim številom +2 (10). Glioksalazo I z nikljem v aktivnem mestu najdemo v Escherichia coli in nekaterih patogenih mikroorganizmih (npr. Slika 2: Shema pretvorbe metilglioksala (3) v laktat (4), ki jo katalizirata GlxI in GlxII. Figure 2: Scheme of conversion of methylglyoxal (3) to lactate (4) catalysed by GlxI and GlxII. Yersinia pestis) (13). Pri kvasovkah in ljudeh je v aktivnem mestu glioksalaze I cinkov ion (10, 13). Aciredukton-dioksigenaza Številni mikroorganizmi (npr. E. coli in Klebsiella pneumoniae) regenerirajo metiltioadenozin, ki nastane pri biosintezi poliaminov, iz S-adenozil-metionina, nazaj v izhodni amin. Ključni intermediat te regeneracije je aciredukton (1,2-dihidroksi-3-okso-5-(metiltio)pent-1-en) (5) (Slika 3) (13). Aciredukton-dioksigenaza ima v aktivnem mestu Ni2+, ki je heksakoordiniran s tremi histidini, eno glutaminsko kislino in dvema molekulama vode. Med reakcijo se oksidacijsko število niklja ne spremeni (Slika 3). Kisik se ne veže na Ni2+, pri reakciji pa nastanejo 3-(metiltio)propanojska kislina (6), CO in metanojska kislina (7) (Slika 3) (10). sečnih kamnov zaradi bakterij (npr. Proteus mirabilis), encefalopatiji zaradi amoniaka in nekaterih drugih patoloških stanjih pri ljudeh in živalih (13). Ureaza ima dinikljev center. Nil je vgrajen v kvadratno piramidno, Ni2 pa v psevdooktaedrično okolje. Oba niklja sta pri reakciji v stanju z oksidacijskim številom +2 (Slika 5) (10). + co + HCOOH Slika 3: Shema pretvorbe acireduktona (5) v 3-(metiltio)propanojsko kislino (6), metanojsko kislino (7) in CO, ki jo katalizira aciredukton dioksigenaza. Figure 3: Scheme of conversion of acireductone (5) to 3- (methylthio)propanoic acid (6), formic acid (7) and CO, catalysed by acireductone dioxygenase. Nikljeva superoksid-dismutaza Superoksid-dismutaze so del celične obrambe pred reaktivnimi kisikovimi zvrstmi, ker katalizirajo pretvorbo superoksidnega radikala v kisik in vodikov peroksid (10, 13). Nikljevo superoksid-dismutazo (Ni-SOD) najdemo pri številnih sevih Streptomyces (npr. S. coelicolor in S. seoulensis) (18). Gen za Ni-SOD najdemo pri cianobakterijah, morskih gamaproteobakterijah in enostavnih morskih evkariontih. Med reakcijo prehaja nikelj v aktivnem mestu Ni-SOD med stanjema z oksidacijskima številoma +2 in +3 (Slika 4) (10). Ureaza Ureaza katalizira hidrolizo sečnine (8) v amoniak (NH3) in karbamsko kislino (9), ki se nato dekarboksilira do ogljikovega dioksida in še eno molekulo amoniaka (Slika 5). Številni mikroorganizmi uporabljajo nastali amoniak za sintezo arginina in purinov. Vse bakterije, alge, glive in rastline imajo ureazo, ki vsebuje nikljeva iona. V nekaterih primerih je ureaza virulentni dejavnik (13). Bakterija Helicobacterpylori, ki je povezana z nastankom peptičnega ulkusa in želodčnega raka, s pomočjo ureaze nevtralizira kislo okolje v želodcu in tako omogoča lastno preživetje (8, 10, 13). Zato je možna povezava med vnosom niklja, rastjo H. pylori in nastankom peptičnega ulkusa ter rakom želodca (10). Ureaza je virulentni dejavnik pri nastanku Slika 4: Shema pretvorbe superoksida v kisik (02) in vodikov peroksid (H202), ki jo katalizira Ni-SOD. Figure 4: Scheme of conversion of superoxide to oxygen (02) and hydrogen peroxide (H202) catalysed by Ni-SOD. Nikelj-železova-hidrogenaza Hidrogenaze katalizirajo reverzibilno oksidacijo vodika (H2) (13). Anaerobni mikroorganizmi odstranjujejo vodik iz okolja in sklapljajo njegovo oksidacijo z redukcijo različnih končnih akceptorjev elektronov (O2, NO3", SO42-, CO2 in fumarat) (10). Nekateri anaerobni mikroorganizmi uporabljajo tvorbo vodika za sproščanje odvečnega redukcijskega potenciala (13). Znani so trije razredi hidrogenaz: (i) železove hidrogenaze; (ii) nikelj-železove hidrogenaze (Ni-Fe hidrogenaze) in nikelj-železo-selenove hidrogenaze; in (iii) hidrogenaze, ki ne vsebujejo niklja ali železa (19). Najpogostejše so Ni-Fe hidrogenaze (13). Med reakcijo prehaja nikelj v teh encimih med stanji z oksidacijskimi števili +1, +2 in +3 (Slika 6) (10). Nikelj-železo-žveplova ogljikov monoksid-dehidrogenaza Ogljikov monoksid-dehidrogenaza (CO-dehidrogenaza) je encim, ki katalizira reverzibilno oksidacijo CO v CO2 (10, 13). Znana sta dva tipa CO-dehidrogenaz. Molibden-molibdopterin citozin dinukleotid-[2Fe-2S]-FAD vsebujoče CO-dehidrogenaze najdemo pri nekaterih aerobnih mikroorganizmih. Nikelj-železo-žveplo vsebujoče CO-dehidrogenaze (Ni-Fe-S CO-dehidrogenaze) pa najdemo pri različnih anaerobnih mikroorganizmih (npr. Rhodospirillum rubrum in Carboxythermus hydrogenoformans) (13). Z reakcijo, ki jo katalizira CO-dehidrogenaza, lahko mikroorganizmi uporabljajo CO ali CO2 kot edini vir ogljika in CO kot edini vir energije. Mikrobi vsako leto odstranijo in oksidirajo 108 ton CO iz nižjih plasti zemeljske atmosfere in tako prispevajo k zagotavljanju nizke koncentracije CO v ekosistemih. Mikrobi lahko uporabljajo CO kot intermediat v bioenergijskih ciklih in sklapljajo oksidacijo CO s tvorbo H2. V zgodnjih obdobjih razvoja Zemlje naj bi bilo v atmosferi veliko CO, zato domnevajo, da so bile reakcije, ki jih katalizirata CO-dehidrogenaza in "I ö H