domingo, 30 de março de 2014

T80. What is the chemical structure and the role of calcium in bones? by Haidi Fiedler, INCT-Catalysis, UFSC, Brazil

Inglês
Calcium is the most abundant mineral element in the human body, representing between 1.4 and 2% by weight thereof. The effects described previously, in the essay "T73. Calcium Ion: A chemical messenger with high impact" are due to just 1% of the calcium present in the human body. Most calcium (99%) is found in bones and teeth. Bone is a living tissue, but are not renewed very efficiently as we age and we loose mineral density. When the density decreases below the normal level, it is known as osteopenia and is a strong alert signal of future osteoporosis. So, over time, bones weaken. This happens to all humans, and probably to all mammals. Bones are made of minerals, and are composed of inorganic material, close in structure to hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, which is deposited along collagen fibers (bundles of protein).

Scientists such as chemists, physicists and biochemists use X-ray fluorescence spectrometry (XRFS) to quantify the elemental composition of a bone in solid form. With this technique it is also possible to analyze liquid samples, dissolving the bone with acids (Check the video below), according to the equation shown below.


As an example of analysis of solids, we show the analysis of a whalebone found on the beach of Ponta das Canas (located in Florianópolis, Brazil; see essay T.53: ‘Bones and Whales’ in the complete list of posts in this blog). The chemical composition determined by X-ray fluorescence for this bone, buried for many years, was 31% Ca to 13% P (of the dry weight). The mass ratio Ca / P of 2.4 is very close to the expected value of 2.2. Ca and P are, of course, not the only elements present. Modern technology and analysis offer information of amazing quality and the example illustrated below allowed us to investigate and evaluate the past, in terms of a simple bone: that was once part of a magnificent, living whale.


The figure shows the fluorescence X-ray spectrum of a whalebone sample in pellet form.


If you would like to watch a video about the preparation of XRFS samples, check the video below.


video


Your bones are alive and constantly growing – not static, like you see them drawn in books. Bones continually change throughout your life, with some bone cells dissolving and new bone cells growing back in a process called remodeling. With this lifelong turnover of bone cells, you replace most of your skeleton every 10 years.

Doctors and dentists often perform X-ray analysis of our bones or our teeth. The result is a film sheet that displays mineral matter in a whiter color. This analysis tells us the amount of calcium in bones and teeth, and detects the loss of calcium (porosity) and other changes. Similarly, machines are used to detect metals inside suitcases in airports.

Three important diseases are associated with a lack of calcium in the body: osteoporosis, osteomalacia and rickets, and all three are related to deficiencies in calcium (Ca), phosphorus (P) and Vitamin D. Rickets became known as "the English disease" and around 1880 significantly affected the population of England and other countries of Europe. Today this disease is associated with developing countries and with people living in poverty, lacking adequate housing, education, health, hygiene and of course food. Osteomalacia similarly causes bone pain, weakness and muscle spasms. This disease is also associated with poor diet, so it is very rare in developed countries. Osteoporosis, which is related to the presence of very brittle bones, is very common in the elderly. The term "osteoporosis" means porous bone (spongiosum). For people with osteoporosis, a thinning of the bones is detected, which is the result of the simple fact that bone loss outpaces the growth of new bone. Bones become porous, brittle, and prone to fracture.

Scientists interested in understanding and describing the functioning of living organisms use all the different methods and techniques available. In most cases, the chemical nature of the constituents provides the basic information required to explain the modes of operation of cellular organisms. The results are of interest to professionals in disciplines ranging from medicine to archaeology and help us to prevent and cure diseases such as those described above.

References
1) If you would like to know more about phosphates, see T22. Organic Phosphates: Agents of Good and Evil, in the full posting list of this Blog.
2) Simultaneous Nondestructive Analysis of Palladium, Rhodium, Platinum, and Gold Nanoparticles Using Energy Dispersive X-ray Fluorescence. H. D. Fiedler, E. E. Drinkel, B. Orzechovicz, E. C. Leopoldino, F. D. Souza, G. I. Almerindo, C. Perdona, and F. Nome. Anal. Chem.,2013, 85 (21), pp 10142–10148.
3) Degradation of Methyl Paraoxon in the Presence of Mg2+-Al3+ Mixed Oxides, L.M. Zimmermann, G.I. Almerindo, J.R. Mora, I.H. Bechtold, H. D. Fiedler, and F. Nome. J. Phys. Chem.C, 2013, 117 (49), pp 26097–26105

Acknowledgements: To the present and past students of the Lab XRFS / LACFI: Priscila Bueno, Beatriz Orzechovicz e Lucas Nicolazi e ex- students: Natalia Bueno, Lucas Debatin e Leandro Nascimento.


Português
QUAL É A ESTRUTURA QUÍMICA E O PAPEL DO CÁLCIO NOS OSSOS? por Haidi Fiedler, INCT- Catálise, UFSC, Brasil
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil

O cálcio é o elemento mineral mais abundante no corpo humano, representando de 1,4 a 2% do peso corporal. Os efeitos descritos no ensaio "T73. Íon Cálcio: Um mensageiro químico com alto impacto" devem a apenas 1% do cálcio presente no organismo humano. A maior parte do cálcio (99%) encontra-se nos ossos e nos dentes. O osso é um tecido vivo, mas não se renova de forma muito eficiente à medida que envelhecemos e perdemos densidade mineral. Quando a densidade diminui para abaixo do nível normal, ocorre o que se conhece como osteopenia, e é também um forte sinal de alerta para uma futura osteoporose. Podemos ver, então, que os ossos se enfraquecem ao longo do tempo. Isto acontece com todos os seres humanos e, provavelmente, com todos os mamíferos. Os ossos são compostos de minerais e de material inorgânico, com estrutura próxima à da hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2, a qual é depositada ao longo das fibras de colágeno (feixes de proteína).

Muitos cientistas, como químicos, físicos e bioquímicos, usam a Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (XRFS) para quantificar a composição elementar de um osso em forma sólida. Com esta técnica, também é possível analisar amostras de líquidos, dissolvendo o osso com ácidos (veja o vídeo mais abaixo), de acordo com a seguinte equação:


Como exemplo de análise de sólidos, mostramos a análise de um osso de baleia encontrado na praia de Ponta das Canas (em Florianópolis, Brasil; veja o ensaio T.53: “Ossos, Baleias: uma Química Orgânica, Natural e Fascinante” na lista completa de postagens neste blog). A composição química determinada por meio de fluorescência de raios-X para este osso, enterrado há muitos anos, foi de 31% de Ca por 13% de P (em peso seco). A relação entre a massa de Ca / P de 2,4 é muito próxima do valor esperado de 2,2. Ca e P não são, é claro, os únicos elementos presentes. Análises e tecnologias modernas oferecem informações de ótima qualidade, e o exemplo ilustrado abaixo nos permitiu investigar e avaliar o passado, a partir de um simples osso: que uma vez fez parte de uma magnífica baleia em vida.


A figura acima mostra o espectro de fluorescência de raios-X de uma amostra de osso de baleia em forma de pastilha.


Se desejar assistir a um vídeo sobre a preparação de amostras XRFS, confira o vídeo abaixo.


video


Nossos ossos estão vivos e em constante crescimento – não estáticos, como vemos nos livros. Os ossos estão em constante mudança ao longo da vida, com algumas células ósseas se dissolvendo e novas células ósseas voltando a crescer em um processo chamado de remodelação. Com este rodízio vitalício de células ósseas, a maior parte do nosso esqueleto se repõe a cada 10 anos.

Médicos e dentistas frequentemente realizam análises de raios-X dos nossos ossos ou dentes. O resultado é uma chapa escura mostrando a matéria mineral em uma cor mais clara. Esta análise nos diz a quantidade de cálcio nos ossos e nos dentes, e detecta a perda de cálcio (porosidade) e outras alterações. De modo semelhante, nos aeroportos, máquinas são usadas para detectar metais dentro das malas.

Três doenças importantes estão associadas com a falta de cálcio no corpo: a osteoporose, a osteomalácia e o raquitismo – as três relacionadas com deficiência de cálcio (Ca), fósforo (P) e vitamina D. O raquitismo ficou conhecido como "doença dos ingleses" e por volta de 1880 afetou de forma expressiva a população da Inglaterra e de outros países da Europa. Hoje, a doença está associada com os países em desenvolvimento e com pessoas que vivem na pobreza, sem moradia adequada, educação, saúde, higiene e, claro, sem alimento. A osteomalácia causa dores nos ossos, fraqueza e espasmos musculares. Está também associada à má alimentação, por isso é muito rara em países desenvolvidos. A osteoporose está relacionada com a presença de ossos muito frágeis, e é muito comum em idosos. O termo "osteoporose" significa osso poroso (esponjoso). Em pessoas com essa doença, detecta-se um enfraquecimento dos ossos, como o resultado do simples fato de que a perda de células ósseas é maior que o crescimento de novas células ósseas. Os ossos se tornam porosos, quebradiços e propensos a fraturas.

Cientistas interessados em compreender e descrever o funcionamento dos organismos vivos utilizam todos os diferentes métodos e técnicas disponíveis. Na maioria dos casos, a natureza química dos componentes fornece a informação básica necessária para explicar os modos de funcionamento dos organismos celulares. Os resultados são de interesse para profissionais em áreas que vão desde a medicina à arqueologia, e nos ajudam a prevenir e curar doenças como as descritas acima.

Referências
1) Para saber mais sobre fosfatos, leia o ensaio T22. Os fosfatos orgânicos: Agentes do Bem e do Mal, na lista completa de postagens deste blog.
2) Simultaneous Nondestructive Analysis of Palladium, Rhodium, Platinum, and Gold Nanoparticles Using Energy Dispersive X-ray Fluorescence. H. D. Fiedler, E. E. Drinkel, B. Orzechovicz, E. C. Leopoldino, F. D. Souza, G. I. Almerindo, C. Perdona, and F. Nome. Anal. Chem.,2013, 85 (21), pp 10142–10148.
3) Degradation of Methyl Paraoxon in the Presence of Mg2+-Al3+ Mixed Oxides, L.M. Zimmermann, G.I. Almerindo, J.R. Mora, I.H. Bechtold, H. D. Fiedler, and F. Nome. J. Phys. Chem.C, 2013, 117 (49), pp 26097–26105

Agradecimentos: Aos alunos de ontem e hoje do Laboratório XRFS / LACFI: Priscila Bueno, Beatriz Orzechovicz e Lucas Nicolazi, e aos ex-alunos: Natalia Bueno, Lucas Debatin e Leandro Nascimento.


Espanhol
¿CUÁL ES LA ESTRUCTURA QUÍMICA Y EL PAPEL DEL CALCIO EN LOS HUESOS? por Haidi Fiedler, INCT-Catalysis, UFSC, Brasil
Traducción de Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil y revisión de Carlos Bravo, Universidad de Vigo, España

El calcio es el elemento mineral más abundante en el cuerpo humano, que representa desde 1,4 hasta 2% del peso corporal. Los efectos descritos anteriormente en el ensayo "T73. El ion calcio: Un mensajero químico de alto impacto" se deben tan sólo al 1 % del calcio presente en el cuerpo humano. La mayor parte del calcio (99%) se encuentra en los huesos y dientes. El hueso es un tejido vivo, pero no se renueva de manera muy eficiente a medida que envejecemos y perdemos la densidad mineral. Cuando la densidad mineral disminuye por debajo del nivel normal, ocurre lo que se conoce como “osteopenia”, que es una fuerte señal de alerta de la posibilidad de tener osteoporosis en el futuro. Vemos, entonces, que los huesos se debilitan con el tiempo. Esto le sucede a todos los humanos, y probablemente a todos los mamíferos. Los huesos son compuestos de minerales y material inorgánico, con estructura muy próxima a la de la hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2, la cual se deposita a lo largo de las fibras de colágeno (haces de proteína).

Muchos científicos como químicos, físicos y bioquímicos utilizan la Espectrometría de Fluorescencia de Rayos-X (XRFS) para cuantificar la composición elemental de un hueso en forma sólida. Con esta técnica también es posible analizar muestras líquidas, disolviendo el hueso con ácidos (vea el vídeo de abajo), de acuerdo con esta ecuación:


Como ejemplo de análisis de sólidos, mostramos el análisis de un hueso de ballena descubierto en la playa de Ponta das Canas (en Florianópolis, Brasil, vea el ensayo T53. “Huesos, Ballenas: Una Química Orgánica Natural y Fascinante” en la lista completa en este blog). La composición química determinada por fluorescencia de rayos-X de este hueso, enterrado desde hace muchos años, fue 31% de Ca por 13% de P (en peso seco). La relación de masa de Ca / P de 2,4 es muy próxima al valor esperado de 2,2. Ca y P no son, por supuesto, los únicos elementos presentes. Análisis y tecnologías modernas ofrecen información de calidad increíble, y el ejemplo que se ilustra a continuación nos permitió investigar y evaluar el pasado, a partir de un simple un hueso: que una vez fue parte de una magnífica ballena viva.


La figura muestra el espectro de fluorescencia de rayos-X de una muestra de hueso de ballena en forma de gránulos.


Si desea ver un video sobre la preparación de muestras XRFS, vea el vídeo de abajo.


video


Nuestros huesos están vivos y en constante crecimiento – no estáticos, como los vemos en los libros. Los huesos cambian continuamente a lo largo de nuestra vida, con algunas células óseas desapareciendo y nuevas células óseas volviendo a crecer de nuevo en un proceso llamado remodelación. Con esta rotación de células óseas durante toda la vida, la mayor parte de nuestro esqueleto se reemplaza cada 10 años.

Los médicos y los dentistas suelen realizar análisis de rayos-X de los huesos o dientes. El resultado es una película oscura que muestra la materia mineral en un color más claro. Este análisis nos dice la cantidad de calcio en los huesos y dientes, y detecta la pérdida de calcio (porosidad) y otros cambios. Del mismo modo, en los aeropuertos se utilizan máquinas para detectar el metal dentro de las bolsas.

Tres enfermedades importantes están asociadas con la falta de calcio en el cuerpo: la osteoporosis, la osteomalacia y el raquitismo, y las tres están relacionadas con deficiencias de calcio (Ca), fósforo (P) y vitamina D. El raquitismo se conocía como "la enfermedad de los Ingleses" y alrededor de 1880 afectó de manera significativa la población de Inglaterra y otros países europeos. Hoy en día esta enfermedad se asocia con los países en desarrollo y las personas que viven en la pobreza, sin una vivienda adecuada, educación, salud, higiene y, por supuesto, comida. La osteomalacia causa dolor de huesos, debilidad y espasmos musculares. También se asocia con la mala alimentación, por lo que es muy poco frecuente en los países desarrollados. La osteoporosis está relacionada con la presencia de huesos muy frágiles, y es muy común en los ancianos. El término "osteoporosis" significa hueso poroso (esponjoso). En personas con esta enfermad, se detecta un debilitamiento de los huesos, como el resultado del simple hecho de que la pérdida de células óseas es mayor que el crecimiento de nuevas células óseas. Los huesos se quedan porosos, frágiles y propensos a fracturas.

Los científicos interesados en comprender y describir el funcionamiento de los organismos vivos utilizan todos los diferentes métodos y técnicas disponibles. En la mayoría de los casos, la naturaleza química de los componentes proporciona la información básica necesaria para explicar los modos de funcionamiento de los organismos celulares. Los resultados son de interés para profesionales en disciplinas que van desde la medicina a la arqueología, y nos ayudan a prevenir y curar enfermedades como las descritas anteriormente.

Referencias
1) Para obtener más información sobre los fosfatos, lea T22. Fosfatos Orgánicos: Agentes del Bien y del Mal, en la lista completa en este blog.
2) Simultaneous Nondestructive Analysis of Palladium, Rhodium, Platinum, and Gold Nanoparticles Using Energy Dispersive X-ray Fluorescence. H. D. Fiedler, E. E. Drinkel, B. Orzechovicz, E. C. Leopoldino, F. D. Souza, G. I. Almerindo, C. Perdona, and F. Nome. Anal. Chem.,2013, 85 (21), pp 10142–10148.
3) Degradation of Methyl Paraoxon in the Presence of Mg2+-Al3+ Mixed Oxides, L.M. Zimmermann, G.I. Almerindo, J.R. Mora, I.H. Bechtold, H. D. Fiedler, and F. Nome. J. Phys. Chem.C, 2013, 117 (49), pp 26097–26105

Agradecimientos: A los estudiantes de ayer y de hoy del Laboratorio XRFS/ LACFI: Priscila Bueno, Beatriz Orzechovicz e Lucas Nicolazi, y a los ex-alumnos: Natalia Bueno, Lucas Debatin y Leandro Nascimento.


Russia
Какова химическая структура и роль кальция в костях? Хайди Фидлер (Haidi Fiedler), INCT- Catálise, UFSC, Бразилия
Перевод Алексея Кузнецова, Рио де Жанейро , Бразилия

Кальций является наиболее распространенным минералом в теле человека, составляющего от 1,4 до 2 % массы тела. Эффекты, описанные в очерке "T73. Ион кальция: Химический посыльный с высоким уровнем воздействия" вовлекают только 1 % кальция присутствующего в организме человека. Большинство же кальция (99%) находится в костях и зубах. Кость – это живая ткань которая обновляется, однако, не очень эффективно по мере того как мы стареем и теряем плотность минералов. Когда эта плотность падает ниже нормального уровня, возникает то, что известно как остеопения, и что является сильным предупредительным сигналом будущего остеопороза. Таким образом, кости ослабивают с течением времени. Это происходит у всех людей и, вероятно, у всех млекопитающих. Кости построены из минералов и состоят из неорганического материала близкого по структуре к гидроксиапатиту (Ca10(PO4)6(OH)2, который нанесен вдоль коллагеновых волокон (протеиновых связок).

Ученые разных областей наук, химических, физических и биохимических, используют рентгенофлуоресцентный анализ ( РФА ) для количественного определения элементного состава твердой формы кости. С помощью этого метода можно также анализировать жидкие образцы, путем растворения кости в кислотах (см. видео ниже) , согласно следующему уравнению:


В качестве примера анализа твердых веществ, мы показываем анализ китового уса найденного на пляже Понта-дас-Канас (расположенного в городе Флорианополис, Бразилия; см. очерк T53. “Кости и киты” в полном списке постов этого блога). Определенный с помощью рентгеновской флуоресценции, химический состав этой кости, погребенной в течение многих лет, был 31% Ca и 13% P (сухого веса). Массовое отношение Са / Р равное 2,4 - очень близко к ожидаемому значению 2,2. Конечно же, Ca и P не единственные присутствующие элементы. Современные технологии и анализы позволяют получить информацию удивительного качества, и ниже приведенный пример позволил нам исследовать и оценить прошлое на основе простой кости которая когда-то была частью великолепного живого кита.


На рисунке показан спектр рентгенофлуоресценции образца китового уса в виде таблетки.


Если вы хотите посмотреть видео о подготовке образцов РФА, задержитесь на следующем видео.


video


Наши кости живые и постоянно растут, а не статические, как можно увидеть их нарисованными в книгах. Кости постоянно меняются в течение жизни, с некоторыми костными клетками растворяющимися и новыми костными клетками начинающими расти в процессе называемом ремоделирование. С этим пожизненным оборотом костных клеток, большая часть скелета заменяется каждые 10 лет.

Врачи и стоматологи часто выполняют рентгеновский анализ наших костей или зубов. Результатом является снимок на тёмной плёнке отображающий минеральное вещество более ярким цветом. Этот анализ говорит нам о количестве кальция в костях и зубах, и обнаруживает потерю кальция (пористость) и другие изменения. Точно так же, рентгеновские аппараты используются для обнаружения металлов внутри чемоданов в аэропортах.

Три серьёзных заболевания связаны с недостатком кальция в организме: остеопороз, остеомаляция и рахит, и все три связаны с недостатком кальция (Ca), фосфора (P) и витамина D. Рахит с давних времён известен как "английская болезнь" от которой около 1880-х годов значительно пострадало население Англии и других стран Европы. Сегодня это заболевание распространено в развивающихся странах и среди людей, живущих в нищете, не имеющих надлежащего жилья, образования, здравоохранения , гигиены и, конечно же, еды. Остеомаляция вызывает боль в костях, слабость и мышечные спазмы. Это заболевание также связано с плохим питанием, и поэтому очень редко встречается в развитых странах. Остеопороз связан с наличием очень хрупких костей, и очень часто встречается у пожилых людей. Термин "остеопороз" означает пористые кости (губчатые). У людей с остеопорозом обнаруживается истончение костей, что является результатом простого обстоятельства: потеря костной массы опережает рост новой костной ткани. Кости становятся пористыми, хрупкими и склонными к переломам.

Ученые, заинтересованные в понимании и описании функционирования живых организмов, используют всевозможные доступные приёмы и методы. В большинстве случаев, химическая природа составляющих веществ предоставляет базовую информацию, необходимую для объяснения режима работы клеточных организмов. Результаты представляют интерес для специалистов в областях, начиная от медицины до археологии, и помогают предотвращать и лечить описанные выше заболевания.

References
1) If you would like to know more about phosphates, see T22. T22. Organic Phosphates: Agents of Good and Evil, in the full posting list of this Blog.
2) Simultaneous Nondestructive Analysis of Palladium, Rhodium, Platinum, and Gold Nanoparticles Using Energy Dispersive X-ray Fluorescence. H. D. Fiedler, E. E. Drinkel, B. Orzechovicz, E. C. Leopoldino, F. D. Souza, G. I. Almerindo, C. Perdona, and F. Nome. Anal. Chem.,2013, 85 (21), pp 10142–10148.
3) Degradation of Methyl Paraoxon in the Presence of Mg2+-Al3+ Mixed Oxides, L.M. Zimmermann, G.I. Almerindo, J.R. Mora, I.H. Bechtold, H. D. Fiedler, and F. Nome. J. Phys. Chem.C, 2013, 117 (49), pp 26097–26105

Acknowledgements: To the present and past students of the Lab XRFS / LACFI: Priscila Bueno, Beatriz Orzechovicz e Lucas Nicolazi e ex- students: Natalia Bueno, Lucas Debatin e Leandro Nascimento.

3 comentários:

  1. Haidi, as an expert in the biology of calcium, you might be just the one to answer this question: Is it useful to avert osteoporosis to take a calcium supplement? TUMS, the anti-acid, has been recommended. Is vitamin D also useful? I am just wondering. Fred

    ResponderExcluir
    Respostas
    1. Dear Fred,
      I talk with a friend that it is an MD expert in osteoporosis, (and treats me as a family doctor) and he told me that to treat osteoporosis the best is to use Actonel in a dose of 150 mg/month. This compound is the best in this moment to treat bone diseases such as osteoporosis and is a bisphosphonate, which helps a lot in the treatment. The same name is used in the USA.
      Besides that, he recommends that I should take Vitamin D and Calcium.
      After all the treatment, I am much better and the X-ray analysis shows improvement in my bones.
      All the best,
      Haidi

      Excluir
    2. Dear Haidi,

      I think I should tell you that we have a friend who took for several years Boniva which, like Actonel, is a bis-phosophate. She suffered from jaw necrosis and esophagus problems. These, along with femur fracture, are well know side-effects of bis-phosphonates (and the subject of law suits in U.S.). Her symptoms went away once she stopped taking the drug. I do not know how much drug she took, and I do not want to “play doctor” with you, but as a friend I do want to suggest that you exercise caution.

      Fred

      Excluir