NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Wstęp – kilka słów o manganie
Mangan jest pierwiastkiem, który naturalnie wys-tępuje w wodach, glebach oraz powietrzu. Chociaż zna-jduje się w nich tylko w śladowych ilościach, spełnia bardzo ważne role. Ze względu na niewielkie zapotrze-bowanie organizmu na ten pierwiastek, jest on zalicza-ny do mikroelementów. Stanowi niezbędzalicza-ny składnik do prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin, gromadzi się przede wszystkim w ich młodych liściach. Metal ten znajduje się praktycznie we wszystkich tkankach ludz-kich i zwierzęcych, gdzie pełni istotne funkcje z biolo-gicznego punktu widzenia, takie jak: obrona komórek przed reaktywnymi formami tlenu, regulacja szybko-ści cyklu mocznikowego czy prawidłowe wytwarzanie dopaminy. Nasuwa się pytanie: czy wysokie stężenie jonów tego pierwiastka może być niekorzystne dla na-szego organizmu? Dotychczas przeprowadzone badania pokazują, że mangan jest metalem o dwóch „twarzach”, z jednej strony stanowi „mini-lokomotywę” naszego organizmu, która napędza większość procesów fizjolo-gicznych, a z drugiej przy nadmiarze stanowi element toksyczny, z którym należy walczyć.
Mangan zaliczany jest do metali przejściowych, zajmuje on 25. miejsce w układzie okresowym, w pr-zyrodzie występuje jako twarde ciało stałe barwy sre-brzystej o różowym połysku. W środowisku przyrod-niczym metal ten najczęściej występuje na +II stopniu utlenienia, jednak może występować także na stopniach w przedziale od –III do +VII.
Wpływ manganu na organizmy roślinne
Zawartość manganu w suchej masie roślinnej znaj-duje się poniżej 0,01%, co pozwala na zaklasyfikowanie go do mikroelementów. Mangan należy do pierwiast-ków mobilnych, co oznacza, że rośliny mogą go pobierać, otrzymano: 12.04.2015; przyjęto: 3.11.2015; opublikowano: 31.12.2015
transportować i kumulować w swych częściach nad-ziemnych (Badora i Kozłowska-Strawska, 2011). Dzięki temu nadmiary lub niedobory tego metalu jako pierws-ze uwidaczniają się na łodygach lub liściach w postaci brunatnych i czarnych plam (Marschner, 1988). Rośliny pobierają ten metal przede wszystkim w postaci jonów Mn2+ znajdujących się w roztworze glebowym. W lite-raturze nie ma kompletnych informacji dotyczących wychwytu, transportu oraz redystrybucji manganu w organizmach roślinnych, wiadomo jedynie, że trans-porter żelaza IRT1 (ang. Iron Regulated Transtrans-porter 1) transportuje również mangan (Kwapuliński i wsp., 2010). Na przyswajalność związków manganu wpływa szereg różnych czynników, np. obecność innych jonów (w szczególności związków żelaza), minerałów ilastych, próchnicy oraz substancji organicznych. Odczyn gleby decyduje o ruchliwości jonów tego pierwiastka w glebie. Mangan najlepiej pobierany jest z podłoża o pH poniżej 5,5 oraz przy pH około 8. Szacuje się, że zwartość Mn w glebach wynosi od 240 do 525 mg/kg. Natomiast średnie zapotrzebowanie roślin na ten pierwiastek wy-nosi od 10 do 25 ppm (Lewak i Kopcewicz, 2009; Kitao i wsp., 2001).
Ze względu na kompleksotwórcze właściwości jony manganu pełnią funkcję utleniaczy bądź reduktorów w procesach metabolicznych zachodzących w organiz-mach roślinnych. Odgrywają ważną rolę w procesie fo-tosyntezy, gdzie wchodzą w skład centrum utleniania wody (ang. oxygen-evolving complex, OEC), które ka-talizuje reakcję rozkładu cząsteczek wody. Kluczowym elementem OEC jest kompleks manganowo-białkowy, który tworzą cztery jony manganu połączone za po-mocą tzw. mostków tlenowych. W najbliższym otocze-niu atomu centralnego znajdują się różne aminokwasy (ryc. 1).
Poza procesem fotosyntezy mangan jest zaangażo-wany w niemniej ważne procesy, takie jak oddychanie
Znaczenie jonów manganu
w procesach fizjologicznych
w organizmach żywych
Andrzej Michniowski, Dagmara Galas, Agnieszka Szyszkowskamgr Andrzej Michniowski: lekarz rezydent
w Klinicz-nym Oddziale Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu, ul. Lwowska 60, 35-301 Rzeszów
Streszczenie:
Celem niniejszej pracy było przedstawienie roli manga-nu w układach biologicznych. Mangan wchodzi w skład niemalże wszystkich organizmów żywych i pełni w nich istotne z biologicznego punktu widzenia funkcje, tj. obro-na komórek przed reaktywnymi formami tlenu, regulacja szybkości cyklu mocznikowego czy prawidłowe wytwa-rzanie dopaminy. Rola tego pierwiastka nie jest do końca poznana zwłaszcza w przypadku procesów zachodzących w komórkach nerwowych. Jest on elementem niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania wielu enzymów, takich jak np. katalaza manganowa czy dysmutaza ponadtlenkowa. Mangan jest niezbędnym mikroelementem, ale jego nadmiar może prowadzić do zaburzeń procesów fizjologicznych or-ganizmu. I nadmiar, i niedobór manganu mogą prowadzić do zaburzeń homeostazy.
Słowa kluczowe: mangan, enzymy, manganizm, metale ciężkie
zgodność z PP – zob. s. 18
mgr Dagmara Galas: absolwentka kierunków: biologia
i chemia, obecnie doktorantka w Zakładzie Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Wydziału Chemicznego Politechniki Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza
mgr Agnieszka Szyszkowska: absolwentka kierunków:
biologia i chemia, obecnie doktorantka w Zakładzie Chemii Organicznej Wydziału Chemicznego Politechniki
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
czy biosynteza białek. Mangan może współdziałać z in-nymi pierwiastkami (np. z żelazem), z którymi odpo-wiada za reakcję redukcji azotanów. Mangan bierze również udział w wytwarzaniu ochronnych elementów komórek roślinnych, a mianowicie odpowiada za proces wytwarzania lignin, które są elementem budulcowym ściany komórkowej. Zmniejszona ilość biodostępnego manganu w glebie lub utrudnienia w jego pobieraniu mogą skutkować występowaniem niedoborów tego pierwiastka u roślin. Ponieważ mangan jest aktywa-torem wielu dekarboksylaz i dehydrogenaz, jego nie-dobry mogą powodować zmiany w przebiegu reakcji metabolicznych. Zmniejszona ilość jonów tego metalu jest szczególnie niekorzystna dla przebiegu procesu fo-tosyntezy i oddychania komórkowego. Zaburzenia tych procesów prowadzą do zahamowania wzrostu rośliny, chlorozy liści, łamliwości pędów, pojawiania się brunat-nych plam pomiędzy nerwami oraz utraty turgoru. Sz-czególnie wrażliwe na zbyt niskie stężenie manganu są
młode części roślin. Podwyższona ilość biodostępnego manganu w glebie może również wpływać niekorzyst-nie na rośliny, które kumulują jego nadmiar w posta-ci MnO2. Najczęstszym objawem toksyczności wobec dojrzałych tkanek roślinnych są ciemne plamy na liś-ciach (Marschner, 1988). Innymi objawami nadmiaru są: chloroza wierzchołka blaszki, chloroza brzegowa, wysuszenie, a także defoliacja liści, zaś w przypadku młodych tkanek dodatkowo obserwuje się marszcze-nie lub fałdowamarszcze-nie blaszki liściowej. Nadmiar manganu zmniejsza biodostępność jonów żelaza, wapnia i ma-gnezu, co prowadzi do występowania objawów niedo-boru wymienionych pierwiastków (Kitao i wsp., 2001). Ze względu na kumulację manganu w ścianach komór-kowych jako jeden z pierwszych objawów zaobserwo-wać można pojawienie się brązowych plam na roślinach już przy koncentracji Mn 10 mg/dm3. Stężenie powyżej 50 mg/dm3 skutkuje chlorozą, a przekroczenie 200 mg/ dm3 powoduje składanie się liści (Erison i wsp., 2005).
Biologiczna rola manganu
Mangan odgrywa istotną rolę w wielu systemach biologicznych, jest niezbędny do prawidłowego roz-woju oraz funkcjonowania organizmów żywych. Nar-odowa Akademia Nauk Stanów Zjednoczonych (NAS, 2001) ustaliła, że wskazane spożycie Mn na dobę dla dorosłych mężczyzn wynosi ono 2,3 mg, natomiast dla kobiet 1,8 mg. Zaobserwowano dysproporcję związaną z wchłanianiem tego pierwiastka w zależności od płci. Przyczyną tej różnicy może być zmniejszona absorpcja tego pierwiastka przez przewód pokarmowy u mężczy-zn. Wynika to prawdopodobnie z zależności pomięd-zy wchłanianiem manganu i żelaza. Wielu autorów zauważa interakcję pomiędzy przyswajalnością tych pierwiastków, a mianowicie zwiększone stężenie żelaza ma działanie hamujące na absorpcję manganu, co zost-ało potwierdzone u zwierząt (Davis i wsp., 1992) i lu-dzi (Thomson i wsp., 1971). Finley i współpracownicy
stwierdzili, że wraz ze wzrostem stężenia ferryty we krwi zmniejsza się przyswajalność manganu (Finley i wsp., 1994). Zarówno u kobiet, jak i u mężczyzn tylko niewielka część spożywanego manganu ulega wchła-nianiu, szacuje się, że zaledwie 1–5% tego pierwiastka, który dociera do przewodu pokarmowego człowie-ka, jest absorbowane i wykorzystywane przez orga-nizm. Mangan znajduje się praktycznie we wszystkich narządach, tkankach, a także płynach ustrojowych. Do organów charakteryzujących się największą kon-centracją tego pierwiastka należą trzustka, wątroba, nerki, serce oraz tarczyca. Szczegółowe dane dotyczące zawartości Mn w różnych tkankach, narządach oraz płynach ustrojowych zostały przedstawione w tabeli 1. Najważniejszym miejscem kumulacji manganu jest mózg, który charakteryzuje się wysoką wrażliwością na wszelkie wahania ilości tego pierwiastka. Omawiany metal posiada skomplikowaną sieć dróg transportu do tego narządu.
Dotychczas przeprowadzone badania dostarczają niewiele informacji dotyczących mechanizmu absor-pcji, transportu oraz homeostazy manganu u ssaków (Culotta i Yang, 2005; Luk i wsp., 2003; Kehres i Ma-guire, 2003; Jakubovics i Jenkinson, 2001; Eide, 1998). Eksperymenty wykonywane na modelach zwierzęcych pokazują, że kluczowe role w wymienionych procesach odgrywają zarówno stopień utlenienia, jak i specjac-ja manganu (czyli występowanie danego pierwiastka w różnych postaciach), a także rodzaj drogi pierwiast-ka do miejsca docelowego (węchowy lub ustny) (Roels i wsp., 1997; Reaney i wsp., 2002; Reaney i wsp., 2006; Normandin i wsp., 2004). W przypadku człowieka stężenie manganu w mózgu jest wyższe u osób doro-słych niż u dzieci poniżej roku życia. Wskazuje to na ważną rolę metalu w prawidłowym rozwoju centralnej części układu nerwowego. W trakcie ciąży prawidłowy poziom tego pierwiastka jest niezbędny zwłaszcza
po-Ryc. 1. Proponowana struktura centrum katalitycznego COW
Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Photosystem_II#/media/ File:Manganese_cluster_in_the_oxygen-evolving_complex.svg (dostęp: 1.11.2015).
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
dczas I trymestru, gdzie warunkuje się m.in. popraw-ny rozwój narządu słuchu. W mózgu występują dwie bariery dla jonów manganu: (i) krew – płyn mózgo-wo-rdzeniowy oraz (ii) krew – mózg. Pełnią one ważną funkcję zarówno u zdrowych ludzi, jak i w przypadku pacjentów z chorobami neurologicznymi, ponieważ chronią przed szkodliwymi czynnikami oraz umożli-wiają selektywny transport substancji z krwi do płynu mózgowo-rdzeniowego i mózgu (Aschner, 1998). Oma-wiany metal gromadzi się głównie w rejonach dopami-nergicznych mózgu (jądrach podstawnych). Rejon ten u ssaków jest związany z kontrolą ruchu, procesami poznawczymi, emocjami, a także procesem uczenia się.
Do jąder podstawnych u naczelnych zaliczamy: ciało prążkowane, część zewnętrzną gałki bladej, część we-wnętrzną gałki bladej, jądro niskowzgórzowe oraz isto-tę czarną (ryc. 2).
Dotychczas nie ustalono, dlaczego mangan kumu-luje się w regionach dopaminergicznych mózgu. Jedna z hipotez zakłada, że pierwiastek jest transportowany w neuronach dopaminergicznych przez transporter dopaminy (DAT). Przeprowadzono badania (Ingersoll i wsp., 1999), podczas których grupie szczurów podawa-no kokainę, która jest inhibitorem DAT. W grupie bada-nej zaobserwowano znaczący spadek akumulacji man-ganu w gałce bladej. Sugeruje to, że transport dopaminy jest związany z transportem manganu (Ingersoll i wsp., 1999). Kokaina wpływa jednak również na inne neuro-przekaźniki, dlatego też trudno jednoznacznie stwierd-zić, czy niskie stężenie manganu w zwojach podstawy mózgowia jest bezpośrednio związane z zahamowa-niem DAT (Erikson i wsp., 2005).
Mangan jest kofaktorem dla syntetazy glutaminy, która jest wytwarzana w astrocytach (Quintanar, 2008),
największych komórkach gleju. Enzym ten uczestniczy między innymi w regulacji metabolizmu glutaminianu oraz detoksykacji amoniaku w mózgu. 80% manganu w centralnej części mózgowia znajduje się w postaci związanej z tym biokatalizatorem. Chociaż nie poznano do końca funkcji manganu w aktywności neuronalnej, wiadomo, że jest on konieczny do prawidłowego rozwo-ju i funkcjonowania mózgu (Prohaska, 1987; Markes-bery i wsp., 1984; Hurley i wsp., 1963).
Mangan może także wpływać na homeostazę hor-monów tarczycy poprzez bezpośrednie regulowanie pracy tego narządu, a także za pośrednictwem zmian w dopaminergicznej kontroli funkcji tego gruczołu. Dopamina stanowi modulator tyreotropiny oraz jej podjednostek. Nieprawidłowe stężenie manganu może stanowić przyczynę zaburzeń w syntezie hormonów tarczycy (Soldin i Aschner, 2007). Badania wskazują, że metal ten może mieć również negatywny wpływ na dejodynazę, pod której wpływem następuje konwersja tyroksyny do trójjodotyroniny (Courtin i wsp., 1986; Courtin i wsp., 1988; Crantz i wsp., 1982). Choć rola manganu w pracy tarczycy nadal nie została dokładnie wyjaśniona, warto zauważyć, że pierwiastek ma istotny wpływ na homeostazę omawianego gruczołu. Mangan w układzie krążenia wykazuje działanie antyoksyda-cyjne, broni go przed wolnymi rodnikami nadtlenko-wymi oraz hydroksylonadtlenko-wymi. Prawdopodobnie stanowi główny czynnik, który odpowiada za nabywanie przez mięsień sercowy tolerancji na niedokrwienie (Yamashi-ta i wsp., 1997). Omawiany pierwiastek wpływa rów-nież na przemianę cholesterolu i hormonów płciowych. W żeńskim układzie płciowym jest niezbędny do syn-tezy estrogenu, natomiast w męskim wpływa na ruchli-wość plemników (Ponnapakkam i wsp., 2003).
Liczne funkcje manganu w organizmie człowieka są związane z dużą liczbą enzymów, w których pełni rolę centrum katalitycznego. Enzymatyczna
działal-TKANKI,
PŁYNY ZAKRES [ppm w świeżej próbce]
Mózg 0,34 Serce 0,23 Nerki 0,93 – 3,52 Wątroba 1,68 – 4,7 Trzustka 1,21 Śledziona 0,22 Płuca 0,07 – 0,34 Mięśnie 0,09
Szkielet 3,5 – 4,5 (zawartość w powietrznie suchej masie Włosy 0,19 – 3,81 (zawartość w powietrznie
suchej masie)
Zęby 0,08 – 1,1
Krew 0,018
Mocz 0,0012
Mleko 0,007 – 0,4
Tabela 1. Zawartość manganu w narządach, tkankach oraz płynach ustrojowych człowieka (Kabata-Pendias i Pendias 1999)
Ryc. 2. Jądra podstawne mózgu
Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Basal_ganglia#/media/ File:Basal_Ganglia_and_Related_Structures.svg (dostęp: 1.11.2015).
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
zewodnictwie nerwowym, które mogą prowadzić do zachwiania stałego napięcia ścian organów wewnętrz-nych oraz do nieutrzymywania właściwej postawy ciała (Pierzchała i Kubicka, 2009). Nierzadko niedobór man-ganu występuje u cukrzyków. Zmiany w metabolizmie manganu mogą spowodować ograniczenie syntezy wę-glowodanów z pirogronianu, a tym samym nietoleran-cję glukozy. Taką zależność niejednokrotnie odnotowa-no w różnych badaniach na ludziach oraz zwierzętach (Zawadzki i wsp., 2008; Majak i wsp., 2015; Zabłocka--Słowińska i Grajeta, 2012). Niski poziom manganu wpływa negatywnie także na rozwój kośćca. Zespół naukowców z Uniwersytetu La Mancha w Realu stwier-dził, że brak manganu w diecie sprzyja utracie wapnia (Landete-Castillejos i wsp., 2012). Przypuszcza się, że mangan odgrywa ważną rolę w prawidłowej adsorpcji wapnia. W przypadku jego niedoboru zostają uwolnio-ność tego metalu jest związana z procesami utlenienia,
redukcji, fosforylacji, fermentacji, syntezy cholesterolu, a także z prawidłowym metabolizmem białek, węglo-wodanów oraz lipidów. W tabeli 2 zostały przedstawio-ne najważniejsze enzymy zwierzęce i roślinprzedstawio-ne zawiera-jące mangan.
Choroby spowodowane niedoborem manganu
Niedobór manganu jest bardzo niebezpieczny dla wszystkich organizmów żywych, ponieważ prowadzi do zahamowania wzrostu. U zwierząt wyższych nie-dobór tego pierwiastka wywołuje nieprawidłową mi-neralizację kości oraz zaburzenia neurologiczne takie jak np. nerwobóle, drgawki, drżenie. Pozostałe wybrane objawy zbyt niskiego poziomu tego pierwiastka zostały pokazane na ryc. 3.Ze zbyt niskim stężeniem manganu wiąże się wiele chorób. Akyol (Akyol i wsp., 2002) i Ranjekar (Ranjekar i wsp., 2003) przeprowadzili badania, podczas których określali aktywność dysmutazy ponadtlenkowej SOD (ang. Superoxide Dismutase, enzym katalizujący reak-cję dysmutacji rodnika ponadtlenkowego do
nadtlen-ku wodoru) u chorych w fazie przewlekłej schizofrenii w osoczu, gdzie stwierdzili jej zmniejszoną aktywność. Z kolei, Dietrich-Muszalska i wsp. (2005) dokona-li porównania aktywności tego enzymu w płytkach krwi pacjentów leczonych z powodu schizofrenii z da-nymi pochodzącymi od osób zdrowych. Zanotowano zmniejszoną aktywność SOD u chorych. Wyniki tych badań wskazują, że zmniejszenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych u pacjentów chorych na schizof-renię stanowi jedną z przyczyn występowania stresu oksydacyjnego w płytkach krwi, peroksydacji lipidów, a także uszkodzeń metabolizmu błon komórkowych.
Obecnie coraz częściej porusza się rolę manganu w kontekście rozwoju stwardnienia rozsianego. Oma-wiany metal może przyjmować taką samą wartościo-wość jak magnez, przez co może go wypierać z osłonek mielinowych. Skutkuje to nieprawidłowościami w
pr-NAZWA ENZYMU FUNKCJA
Dysmutaza ponadtlenkowa Obrona przed reaktywnymi formami tlenu
Mn-peroksydaza Rozkład ligniny Mn-katalaza Redukujący enzym oddziaływujący na H
2O2
Arginaza Tworzenie mocznika Fotosystem II Uwalnianie tlenu przez rośliny Karboksylaza pirogronianowa Przyłączenie dwutlenku węgla do pirogronianu
Tabela 2. Najważniejsze enzymy występujące u zwierząt i roślin zawierające mangan jako centrum katalityczne oraz ich funkcje
Ryc. 3. Wybrane objawy niedoboru manganu
Źródło: oprac. własne na podstawie Akyol i wsp., 2002; Ranjekar i wsp., 2003; Dietrich-Muszalska i wsp., 2005; Pierzchała i Kubicka, 2009. NIEDOBÓR MANGANU zaburzenia metabolizmu wypadanie włosów pogorszenie słuchu i szmery w uszach opóźnienie wzrostu ubytek masy ciała zaburzenia w
krzepnięciu krwi paznokci plamica
nieprawidłowa mineralizacja kości (OSTEOPOROZA) zaburzenia neurologiczne (SCHIZOFREMIA) ograniczenie syntezy glikoprotein (CUKRZYCA) hipercholesterolemia zmniejszenie płodności
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
obniżać płodność. Do mutagennych związków manga-nu Gerber zaklasyfikował m.in. nadmanganian pota-su (KMnO4), siarczan(VI) manganu(II) (MnSO4) oraz chlorek manganu(II) (MnCl2). Badania na limfocytach ludzkich krwi obwodowej wykazały, że zwiększone stężenie nadmanganianu potasu może powodować us-zkodzenie łańcucha DNA, natomiast nadmiar jonów Mn2+ modyfikuje aktywność polimerazy DNA, przez co obniża wydajność procesu replikacji kwasu deoksy-rybonukleinowego (Gerber i wsp., 2002). Siarczan(VI) manganu(II) wywołuje również mutacje mitochondri-alne, które utrudniają lub nawet uniemożliwiają syn-tezę mitochondrialnego DNA (Putrament i wsp., 1973; Prazmo i wsp., 1975; Putrament i wsp., 1977), a także indukuje mutacje u bakteriofaga T4 (Orgel i Orgel, 1965; Rossman i Molina, 1984). Nieliczne badania potwierd-ziły kancerogenne działanie jonów manganu, jednak w porównaniu z rakotwórczością chromu czy niklu ich wpływ był znikomy. Badania na szczurach dopro-wadziły do wniosków, że mangan ma właściwości mu-tagenne, które jednak nie przekładają się na działanie kancerogenne (Thomsen i wsp., 2004). Pierwiastek ten sklasyfikowano jako czynnik rakotwórczy D, czy-li niewywołujący chorób nowotworowych u człowieka (Gerber i wsp., 2002). Mottet i Ferm (1983) wskazali, że wpływ manganu na rozwój zarodka i płodu nie jest dokładnie poznany, ale niebawem ustalono jednoznacz-nie, iż niewielkie ilości manganu wpływają na płod-ność, działają toksycznie na organizm matki, a także mają działanie teratogenne. Przyczyną takiego stanu rzeczy może być fakt, że sole manganu, w przeciwieńst-wie do w przeciwieńst-wielu soli innych metali, bardzo łatwo przeni-kają przez łożysko, wpływając bezpośrednio na rozwój zarodka (Gilani i Alibhai, 1990). Niedobory manganu są szkodliwe dla prawidłowego rozwoju płodu. Powo-dują one przedwczesny poród, nieprawidłowości w wy-kształceniu szkieletu lub ataksję (Hurley, 1981).
Choroby spowodowane nadmiarem manganu
w organizmie
Mówiąc o toksyczności manganu najczęściej porus-za się kwestię jego neurotoksyczności, jednak objawy zatrucia tym pierwiastkiem określa się ogólnym poję-ciem „manganizm”. Zaliczyć tu można szereg objawów wywołanych nadmiarami manganu w organizmie czło-wieka co przedstawione zostało na ryc. 4 (Gać i wsp., 2009).
Nadmiar manganu zarówno w przypadku zwierząt, jak i ludzi działa szkodliwie na układ rozrodczy, za-burzając jego funkcjonowanie lub uszkadzając narządy rozrodcze (Ponnapakkam i wsp., 2003). Badania prze-prowadzone na grupie mężczyzn narażonych na pyły tego pierwiastka w miejscu pracy wskazują, że mangan obniża libido, a także wywołuje impotencję (Chandra i wsp., 1973; Lyznicki i wsp., 1999). Badania na samcach ne rezerwy wapnia z kości. Sugeruje to, że utrata wapnia
jest objawem, a nie przyczyną w zaburzeniach w budo-wie tkanki kostnej (Saltman i Strause, 1993; Odabasi i wsp., 2008).
Toksyczna rola jonów manganu
Przez wiele lat uważano, że mangan nie jest pier-wiastkiem szkodliwym, jednak jak powiedział Para-celsus „tylko dawka czyni, że dana substancja nie jest trucizną”. W ostatnich latach znacząco wzrosło wydo-bycie manganu co przyczyniło się do zwiększenia stę-żenia tego pierwiastka w glebie, wodach czy atmosferze. W XIX wieku opisano pierwsze zatrucia manganem, jednak dopiero w ostatnich latach zajęto się potencjalną toksycznością tego pierwiastka. Do grup narażonych na szkodliwe działanie manganu należą głównie górnicy rud manganowych oraz hutnicy zajmujący się rafinacją (Gać i wsp., 2009).
Mangan zaliczany jest do najmniej toksycznych pierwiastków, jednak wiele jego związków wywiera niekorzystny wpływ na organizmy żywe. Na toksycz-ność związków manganu wpływa ich rozpuszczaltoksycz-ność, zgodnie z regułą: im łatwiej rozpuszczalny związek, tym potencjalnie bardziej toksyczny ze względu na większą mobilność i lepszą możliwość wchłaniania. Gerber wraz z zespołem podzielili związki manganu na cztery grupy, w zależności od ich patologicznego wpływu. Są to związ-ki: toksyczne, mutagenne, rakotwórcze (później zak-westionowane) oraz teratogenne (Gerber i wsp., 2002). Do pierwszej grupy zaklasyfikować można m.in. trikar-bonylek cyklopentadienomanganowy (CMT) powodu-jący obrzęk płuc i drgawki czy trikarbonylek metylocy-klopentadienomanganowy (MMT) wywołujący zmiany w płucach nerkach i wątrobie. Badania wykazały, że niski poziom manganu przy długotrwałym narażeniu może powodować uszkodzenie układu nerwowego oraz
Ryc. 4. Wybrane objawy nadmiaru manganu
Źródło: oprac. własne na podstawie Gać i wsp., 2009. NADMIAR MANGANU objawy przypominające chorobę Parkinsona zaburzenia połykania, dysartria bezruch, sztywność, drżenie częściowe zmiany w strukturze DNA nudności, wymioty, bóle głowy dezorientacja, niepokój utrata pamięci
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
myszy wykazały obniżenie masy narządów płciowych, zmiany parametrów nasienia, takich jak zmniejszenie ruchliwości oraz zmniejszenie ilość nasienia (Ponna-pakkam i wsp., 2003).
Zwiększone stężenia manganu w organizmie czło-wieka wpływają także istotnie na układ sercowo-nac-zyniowy człowieka. Istotny w tym przypadku okazał się antagonizm jonów manganu (II) oraz jonów wapnia (II). Wyniki badań in vitro wskazują, że wychwyt jonów Ca2+ przez komórki jest ułatwiony w środowisku zawi-erającym mangan w stężeniu nieprzekraczającym 0,3 mM, natomiast w przypadku stężeń przekraczających 4 mM następuje hamowanie wychwytu jonów wapnia (Low i wsp., 1991). Seman i współpracownicy (1995), próbując wyjaśnić to zjawisko, przedstawili hipotezę, że mangan może przejawiać aktywność charakterystyczną dla blokerów kanału wapniowego w komórkach serca. Badania innych autorów pokazują, że nadmierne stę-żenia tego metalu oddziałują niekorzystnie na wszyst-kie elementy tego układu: mięsień sercowy, śródbłonek naczyniowy oraz mięśniówkę naczyń krwionośnych (Zawadzki i wsp., 2008). Ostatnie badania wskazują także na związek manganu z powstawaniem miażdżycy jednak wpływ ten nie został jeszcze dokładnie pozna-ny. Podwyższony poziom manganu może powodować zmiany w profilu lipidowym surowicy krwi (Zawadzki i wsp., 2008), co powoduje hipercholesterolemię.
Udowodniono, że mangan wywiera istotny wpływ na układ nerwowy. Metal ten ma fundamentalne znac-zenie dla rozwoju neuronów i dla ich prawidłowego funkcjonowania. Pierwszymi objawami są zaburzenia metaboliczne, osłabienie, apatia oraz objawy anoreksji. Następnie organizm wkracza w tzw. fazę maniakalną, która objawia się bezsennością, omamami, urojeniami, depresją; odnotowano także przypadki występowania kompulsywnego śmiechu lub płaczu. W ostateczności organizm przechodzi w zaawansowane stadium
choro-by, w którym występują objawy podobne do pojawia-jących się w chorobie Parkinsona (Erikson i Aschner, 2003). Najczęstsze objawy ostatniej fazy manganizmu podobne do choroby Parkinsona zostały zilustrowane na ryc. 5.
Ze względu na duże podobieństwo symptomów choroby Parkinsona oraz manganizmu może dochod-zić do postawienia mylnej diagnozy. Identyczne objawy wyżej wspomnianych jednostek chorobowych obejmu-ją wystąpienie ogólnego spowolnienia ruchowego oraz sztywności mięśni, natomiast różnice polegają na rzad-szym drżeniu spoczynkowym, częstszej dystonii oraz skłonności do upadku w tył w przypadku manganizmu. Analizując wpływ manganu na organizm człowieka, stwierdzono, że jest on pierwiastkiem neurotoksycz-nym, który uszkadza szlaki dopaminergiczne, a co za tym idzie, wywołuje objawy parkinsonopodobne (Erik-son i Aschner, 2003). Badania na szczurach wykazały, że najbardziej szkodliwe dla mózgu jest dostawanie się manganu do organizmu poprzez układ oddechowy (Er-ikson i wsp., 2004).
Podsumowanie
Mangan jest mikroelementem niezbędnym do pra-widłowego rozwoju organizmów zarówno zwierzęcych, jak i roślinnych. Zrównoważona dieta pozwala dostar-czyć odpowiednie dla organizmu ilości tego pierwiast-ka, dlatego tylko w nielicznych przypadkach pojawiają się jego niedobory lub nadmiary. Stanowi on ważny element składowy układów biologicznych. W przypad-ku człowieka jest on niezbędny w okresie ciąży, gdyż wpływa na prawidłowy rozwój płodu. Nadmiary tego pierwiastka są trudne do rozpoznania ze względu na podobieństwo objawów, jakie występują w chorobie Par-kinsona. Niedobór manganu może upośledzać funkcjo-nowanie układu rozrodczego, sercowo-naczyniowego czy nerwowego. W skrajnych przypadkach niedobór manganu może być przyczyną takich schorzeń jak cukrzyca czy stwardnienie rozsiane. Należy pamiętać o tym, że jak każdy pierwiastek, musi on być dostarcny do organizmu w odpowiednich ilościach, gdyż za-równo nadmiary jak i niedobory mogą być szkodliwe.
Literatura
Akyol O, Herken H, Uz E (2002). Prog. Neuro-psychopharmacol. Biol. Psychiatry. 26: 995-1005.
Aschner M. (1998). Handbook of Developmental Neurotoxicology 18: 339-351.
Badora A, Kozłowska-Strawska J (2011). Wybrane wskaźniki roślin uprawnych, ochrona środowiska i zasobów naturalnych, 48. Chandra SV, Ara R, Nagar N, Seth P.K (1973). Acta Biol. Med.
Ge-riatr. 30: 62-857.
Courtin F, Chantoux F, Francon J (1986). Mol. Cell Endocrinol. 48: 78-167.
Courtin F, Chantoux F, Pierre M, Francon J (1988). Endocrinology 123: 81-1577.
Crantz FR, Silva J.E, Larsen P.R (1982). Endocrinology 110: 75-367.
Culotta VC, Yang M, Hall M.D (2005). Eukar. Cell 4: 1159. Davis C, Wolf T, Greger J (1992). J Nutr. 122:1300-1308.
Ryc. 5. Objawy wspólne dla manganizmu i choroby Parkinsona
Źródło: oprac. własne na podstawie: Sławek i wsp., 2006. OBJAWY WSPÓLNE DLA MANGANIZMU I CHOROBY PARKINSONA drżenie końćzyn pochylenie sylwetki spowolnienie ruchowe zaburzenia równowagi problemy z przełykaniem, pisaniem, mówieniem sztywność mięśni
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Dietrich-Matuszalska A, Olas B, Rebe-Jabłońska J (2005). Plate-lets.16(7): 386-391.
Eide DJ (1998). Ann. Rev. Nutr. 18: 441.
Erikson KM, Aschner M (2003). Neurochem. Internat. 43: 475–480. Erikson KM, Dobson AW, Dorman DC, Aschner M (2004). Sci. Tot.
Environ. 234-235: 409-416.
Erikson KM, John CE, Jones SR, Aschner M (2005). Envirom. Toxi-col. PharmaToxi-col. 20: 390-394.
Erison KM, Syversen T, AschnerJL, Aschner M (2005). Environ. Toxicol. Pharmacol. 19, 415–421.
Finley JW, Johnson PE, Johnson LK (1994). Am J Clin Nutr 60: 949-955.
Gać P, Waliszewska M, Zawadzki M, Poręba R, Andrzejak R (2009). Odczynniki chemiczne 6: 19-22.
Gerber GB, Leonard A, Hanston Ph (2002), Crit. Rev. in Oncol./He-matol. 42: 25-34.
Gilani SH, Alibhai Y (1990). J. Toxicol. Environ. Health. 30: 23-31. Hurley LS (1981). Physiol. Rev. 61: 95-249.
Hurley LS., Woolley DE., Rosenthal F, Timiras PS. (1963). Am. J. Physiol. 204: 493-496.
Ingersoll RT, Mongomery J., Aposhian HV. (1999). Neurotoxicology 20: 467-476.
Jakubovics NS., Jenkinson HF. (2001). Microbiol. 147: 1709.
Kabata-Pendias A, Pendias H (1999). Biogeochemia pierwiastków śladowych; PWN Warszawa.
Kehres DG, Maguire M. E (2003). FEMS Microbiol. 27: 263. Kitao M, Lei TT, Nakamura T, Koike T (2001). Manganese Toxicity
as Indicated by Visible symptoms of Japanese, White Birch Envi-ron. Poll., 111: 89-94.
Kwapuliński J, Michalewska A, Rochel R, Dunat J (2010). Problemy Ekologii 14: 66-71.
Landete-Castillejos T, Molina-Quilez I, Estevez J, Ceacero F, García A, Gallego L (2012). Frontiers in Bioscience 4: 1385-1390. Lewak S, Kopcewicz J ( 2009). Fizjologia roślin; PWN Warszawa. Low W, Brawarnick N, Rahamimoff H (1991). Biochem. Pharmacol.
42: 1537-1543.
Luk E, Jensen LT, Culotta VC (2003). J. Biol. Inorg. Chem. 8: 803. Lyznicki JM, Karlan MS, Khan MK (1999). J. Occup. Environ. Med.
41: 3-140.
Majak I, Szczodrowska A, Bartos A, Leszczyńska J (2015). Bromat. Chem. Toksykol. XLVIII 1: 32-39.
Marschner K (1988). Mechanism of Manganese Acqusition by Roots from Soil. In: Grahan RP. Hannam RJ. Manganese in Soil nad Plant. Kluver, Dordrecht.
Markesbery WR, Ehmann WD, Alauddin M, Hossain TI (1984). Neurobiol. Aging 5: 18-28.
Mottet NK, Ferm VH, The congenital teratogenecity and perinatal toxicity of metals. In: Clarskon TW, Nordberg GF, Sager PR,
edi-tors (1983). Reproductive Toxicivity of Metals, New York, London: Plenum Press 93-126.
NAS (2001). Dietary reference intakes for vitamin a, vitamin k, ar-senic, boron, chromium, copper, iodine, iron, manganese, mo-lybdenum, nickel, silicon, vanadium, and zinc. Panel on micro-nutrients, subcommittees on upper reference levels of nutrients and of interpretation and use of dietary reference intakes, and the standing committee on the scientific evaluation of dietary refer-ence intakes. Dostęp: www.nap.edu/books/0309072794/html/. Normandin L, Beaupre LA, Salehi F, St.-Pierre A, Kenedy G, Mergler
D, Butterworth RF, Philippe S, Zayed J (2004). Neurotoxicology 25: 433.
Odabasi E, Turan M, Aydin A, Akay C, Kutlu M (2008). Ann Acad Med Singapore 37: 564-567.
Orgel A, Orgel Le, Mol J (1965). Biol., 14: 453-457.
Pierzchała K, Kubicka K (2009). Wiadomości lekarskie LXII: 37-41. Ponnapakkam TP, Bailey KS, Graves KA, Iszard MB (2003). Reprod.
Toxicol. 17: 547-551.
Prazmo W, Balbin E, Baranowska H, Ejchart A, Putrament (1975). Genet. Res. 26: 9-21.
Prohaska JR. (1987). Physiol. Rev. 67: 858-901.
Putrament A, Baranowska H, Prazmo W (1973). Molec. Gen. Genet. 126: 66-357.
Putrament A, Baranowska H, Ejchart A, Jachymezyk W (1977). Genet. Res. 18: 69-76.
Quintanar L (2008). Inorg. Chim. Acta 361: 875-884.
Ranjekar P, Hinge A, Hegde M. (2003). Psychiatry Res. 121: 109-122. Reaney SH, Bench G, Smith DR. (2006). Toxicol. Sci. 93: 114. Reaney SH, Kwik-Uribe LC., Smith DR. (2002). Chem. Res. Toxicol.
15:1119.
Ritz MC, Boja JW, Grigoriadis D, Zaczek R, Carroll FI, Lewis AH, Kuhar MJ (1990). J. Neurochem. 55: 1556-1562.
Roels H, Meier G, Delos M, Ortega I, Lauwerys JP, Buchet D (1997). Arch. Toxicol. 71: 223.
Rossman TG, Molina M (1984). Environ. Mutagen. 6: 59-69. Saltman PD, Strause LG (1993). J Am Coll Nutr. 12: 384-389. Semana D, Heumann C, Guignard JP (1995). Life Sci. 56: 231-239. Sławek J, Jasińska-Myga B,,Wieczorek D (2006). Polski Przegląd
Neurologiczny 2: 203-209.
Soldin OP, Aschner M (2007). NeuroToxicology 951-956.
Thomson ABR, Olatunbosun D, Valberg LS, Ludwig J. (1971). J Lab Clin Med. 78: 642-55.
Thomsen H, Svendsen O, Klastrup S (2004). Acad. Radiol 11: 38-44. Yamashita N, Hoshida S, Nishida M, Igarashi J, Taniguchi N, Tada M
(1997). Mol. Cell. Cardiol 29: 1805-1813.
www:https://en.wikipedia.org/wiki/Basal_ganglia#/media/ File:Basal_Ganglia_and_Related_Structures.svg, dostęp 01.11.2015 www:https://en.wikipedia.org/wiki/Photosystem_II#/media/ File:Manganese_cluster_in_the_oxygen-evolving_complex.svg, dostęp 01.11.2015
Zabłocka-Słowińska K, Grajeta H (2012). Postepy Hig. Med. Dosw. 66: 543-553.
Zawadzki M, Gać P, Poręba R, Andrzejak R (2008). Med. Pr. 59(5): 387-393.
The significance of the manganese ions in the physiological processes in living organism
Andrzej Michniowski, Dagmara Galas, Agnieszka Szyszkowska
This article deals with the role of manganese in biological systems. Manganese constitutes of an important element of most of all living organisms and plays a crucial role in biological systems. The biological function of this ele-ment is not completely understood, especially in the case of processes of the nerve cells. It is indispensable for the proper functioning of many enzymes such as manganese catalase and superoxide dismutase. Manganese is an ele-ment of the “two faces”, because on the one hand, it is an essential trace element for the proper functioning of the body, but its excess and deficiency can lead to disorders of homeostasis.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej
Biologia – IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony
Cele kształcenia:
IV. Poszukiwanie, wykorzystanie i tworzenie informacji. Uczeń: - odczytuje, selekcjonuje, porównuje i przetwarza informacje
pozyskane z różnorodnych źródeł, w tym za pomocą technologii informacyjno-komunikacyjnych.
V. Rozumowanie i argumentacja. Uczeń: - objaśnia i komentuje informacje,
- odnosi się krytycznie do przedstawionych informacji, - dostrzega związki między biologią a innymi dziedzinami nauk
przyrodniczych i społecznych. Treści:
1.1.2. Budowa chemiczna organizmów. Zagadnienia ogólne. Uczeń wy-mienia pierwiastki biogenne (C, H, O, N, P, S) i omawia ich znaczenie; wyróżnia makro- i mikroelementy i omawia znaczenie makroele-mentów i wybranych mikroelemakroele-mentów.
5.2.2. Budowa i funkcjonowanie organizmu człowieka. Homeostaza organizmu człowieka. Uczeń określa czynniki wpływające na zabu-rzenie homeostazy organizmu.
