Co wiemy i gdzie w ciele można to znaleźć?

Co wiemy o siarce i jakie są jej właściwości?

Siarka jest ważnym pierwiastkiem nieorganicznym. Występuje powszechnie w naszym środowisku, czy to w atmosferze, wodzie czy glebie. Jest również ważnym składnikiem systemów biologicznych - roślin, zwierząt i ludzi.

Znana jest pod symbolem chemicznym S, który pochodzi od łacińskiej nazwy siarki.

Siarka jest pierwiastkiem z grupy 16 układu okresowego pierwiastków chemicznych i znajduje się w okresie 3.

Nazwa pochodzi od greckich słów chalkos (ruda) i gennaó (tworzyć).

Ich nazwa wskazuje zatem, że są one rudotwórcze i występują głównie w postaci rud.

Siarka elementarna jest kruchym krystalicznym ciałem stałym w temperaturze pokojowej. Ma bladożółty kolor, jest bezwonna i pozbawiona smaku.

Nie jest zdolna do przewodzenia prądu elektrycznego, jest nierozpuszczalna w wodzie, ale rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych.

Jest dość reaktywna i łączy się z wieloma pierwiastkami. Spala się charakterystycznym niebieskim płomieniem, tworząc dwutlenek siarki, który ma już drażniący i duszący zapach.

Siarka jest zdolna do tworzenia wielu cząsteczek wieloatomowych w stanie stałym, ciekłym i gazowym, tj. ma wiele form.

Tabelaryczne podsumowanie podstawowych informacji chemicznych i fizycznych na temat siarki

Jest dziesiątym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie.

Występuje w mniejszym stopniu w swojej naturalnej postaci pierwiastkowej. Jest znacznie bardziej powszechny w związkach, w których występuje głównie jako siarczki (S2-) lub siarczany (SO42-).

Jest składnikiem złóż podziemnych - jako ruda siarczkowa (czysta forma), jako różne minerały, jako część gorących źródeł i gejzerów oraz w paliwach kopalnych (ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel).

Bardzo często występuje również w obszarach wulkanicznych w postaci pierwiastkowej.

Najbardziej znane minerały siarczkowe to piryt (FeS2), cynober (HgS), galena (PbS), sfaleryt (ZnS) lub antymonit (Sb2S3). Najbardziej znane minerały siarczanowe to gips (CaSO4), celestyn (SrSO4) lub baryt (BaSO4).

Ze względu na występowanie w czystej postaci, siarka jest znana od czasów prehistorycznych. Prehistoryczni ludzie używali siarki jako pigmentu do malowideł jaskiniowych i była używana w ceremoniach w religiach egipskich. Jest również wspomniana w Biblii - w związku z ogniem piekielnym, który podsycała siarka.

Praktyczne zastosowanie siarki rozpoczęło się w Egipcie, gdzie używano jej do wybielania bawełny, lub w Chinach, gdzie była częścią materiałów wybuchowych.

Siarka została odkryta jako pierwiastek w 1777 roku przez francuskiego chemika Antoine'a Lavoisiera i dopiero w 1809 roku udowodniono, że jest pierwiastkiem chemicznym.

Obecnie siarka jest wykorzystywana głównie (do 85% całkowitej ilości) do produkcji kwasu siarkowego, który jest następnie wykorzystywany na przykład do produkcji nawozów, pigmentów, materiałów wybuchowych, produktów ropopochodnych, baterii i akumulatorów.

Siarka jest również wykorzystywana w produkcji papieru, barwników, zapałek, środków owadobójczych i pleśniobójczych, jako środek wybielający, konserwujący, przeciwutleniający lub jako składnik leków (np. antybiotyków, środków znieczulających, przeciwbólowych, przeciwwymiotnych, emetyków lub w leczeniu chorób serca).

Jaka jest rola siarki w organizmie?

Siarka jest prawie zawsze obecna w ludzkim organizmie jako część bardziej złożonych cząsteczek. Nie występuje w postaci wolnej.

Cząsteczki te, których siarka jest niezastąpioną częścią, odgrywają ważną rolę w wielu procesach fizjologicznych. Są one niezbędne dla zdrowia i prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Większość siarki znajduje się w złożonych związkach organicznych, takich jak aminokwasy, białka, enzymy czy witaminy. Siarka występuje w tych związkach w wielu konfiguracjach.

Najczęstszymi aminokwasami zawierającymi siarkę w swojej strukturze są metionina, cysteina, homocysteina i tauryna. Inne obejmują cystynę, cystation lub kwas cysteinowy.

Największa ilość siarki w organizmie znajduje się w białkach, których budulcem są aminokwasy zawierające siarkę.

Spośród witamin najważniejsze są tiamina (witamina B1) i biotyna (witamina B7). Siarka występuje także w innych związkach organicznych, takich jak kwas liponowy, koenzym A, glutation, siarczan chondroityny, heparyna, estrogeny czy fibrynogen.

Podstawowe funkcje biologiczne siarki, zarówno w jej własnej postaci, jak i jako część bardziej złożonych cząsteczek, obejmują:

• Jest budulcem aminokwasów, witamin i innych ważnych związków organicznych.
• Bierze udział w budowie i funkcjonowaniu białek (poprzez aminokwasy jako podstawowy budulec białek).
• Wpływa na funkcjonowanie enzymów i procesy metaboliczne.
• Wspomaga wytrzymałość i odporność włosów, paznokci, skóry i chrząstek.
• Ma działanie przeciwutleniające.
• Działa przeciwbakteryjnie i przeciwgrzybiczo.
• Ma korzystny wpływ na rozwój i funkcjonowanie mózgu i nerwów.
• Ma wpływ na funkcjonowanie hormonów.
• Stosowana zewnętrznie spowalnia powstawanie i namnażanie się komórek skóry (efekt ten jest wykorzystywany w leczeniu różnych chorób skóry).

Najważniejsze źródła siarki dla organizmu

Najważniejszym źródłem siarki dla człowieka jest żywność. Poprzez żywność siarka jest pobierana w postaci bardziej złożonych związków (głównie aminokwasów i witamin) lub w prostszych formach - jako siarczyny lub siarczany.

Wiele związków siarki jest toksycznych dla ludzi (np. siarkowodór), nie tylko po podaniu doustnym, ale także po wdychaniu.

Istnieje zatem tylko ograniczona liczba związków siarki, które są bezpieczne i niezbędne dla ludzkiego organizmu.

Największa część siarki w diecie pochodzi z dwóch aminokwasów - metioniny i cysteiny. Aminokwasy te znajdują się w białkach pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

Metionina jest niezbędnym aminokwasem, którego organizm nie jest w stanie sam wytworzyć, dlatego też jesteśmy uzależnieni od jej spożycia w diecie.

W przypadku cysteiny sytuacja jest nieco inna. Nie jest to aminokwas niezbędny, ponieważ cysteina powstaje w organizmie w procesie metabolizmu metioniny.

Fizjologiczne zapotrzebowanie na cysteinę jest zaspokajane nie tylko przez spożycie cysteiny w diecie, ale także przez zwiększone spożycie metioniny, która jest następnie metabolizowana do cysteiny.

Dzienne zapotrzebowanie na siarkę u człowieka jest odpowiednio zaspokojone, jeśli w diecie spożywa się około 13 mg/kg tych aminokwasów.

Z żywieniowego punktu widzenia, sama metionina może również dostarczyć organizmowi całą potrzebną siarkę.

Siarka dostaje się również do organizmu poprzez jej nieorganiczne związki obecne w diecie - tj. siarczany lub siarczyny. Są one jednak tylko znikomym źródłem siarki dla organizmu.

Ich wchłanianie w przewodzie pokarmowym jest niskie i dlatego rzadko są one uwzględniane w wymaganym dziennym spożyciu siarki.

Pokarmy pochodzenia zwierzęcego bogate w siarkę to białka zwierzęce, jaja, produkty mleczne, mięso, ryby i owoce morza.

Spośród pokarmów roślinnych najważniejsze są warzywa (cebula, czosnek, pory, szczypiorek, kapusta, jarmuż, kalafior, brokuły, rukiew wodna, gorczyca, chrzan, rzodkiewka), owoce (maliny), orzechy i kiełki pszenicy.

Siarka znajduje się również w wodach mineralnych lub w niewielkich ilościach w wodzie z kranu.

Siarka może mieć charakterystyczny zapach w niektórych pokarmach białkowych, który przypomina zgniłe jaja.

Nie ma określonych zaleceń dotyczących siarki i jej optymalnego dziennego spożycia. Spożywanie wystarczających ilości aminokwasów zawierających siarkę zapewnia wystarczające i niezbędne ilości siarki do prawidłowego funkcjonowania organizmu.

W przemyśle spożywczym możemy również zaobserwować celowe dodawanie siarki do żywności podczas jej przetwarzania.

Jest to dodawanie siarczynów, które działają jako konserwanty, przeciwutleniacze lub środki wybielające w żywności.

Zazwyczaj siarczyny są dodawane do żywności takiej jak:

• Owoce i warzywa w postaci surowej, przetworzonej, mrożonej, suszonej lub w puszkach, w sokach, dżemach, marmoladach lub pastach do smarowania
• Wyroby cukiernicze, syropy i substancje słodzące
• Zboża i produkty zbożowe, orzechy
• Produkty mięsne
• Ryby i owoce morza
• Zioła i przyprawy
• Piwo, wino, alkohol i napoje aromatyzowane

Tabelaryczny wykaz dozwolonych dodatków do żywności

Siarczyny są również zawarte w wielu lekach lub suplementach diety.

Siarka - od spożycia do wydalenia

Wchłanianie

Jak już wspomniano, prawie cała siarka dostaje się do organizmu za pośrednictwem dwóch aminokwasów - metioniny lub cysteiny.

W przypadku metioniny głównym miejscem wchłaniania jest jelito cienkie, gdzie metionina jest wchłaniana przez specyficzne transportery.

Metionina jest jednym z aminokwasów o najwyższym tempie wchłaniania w przewodzie pokarmowym.

Odsetek wchłoniętej metioniny jest stosunkowo wysoki, jednak około 20-30% tej ilości jest metabolizowane bezpośrednio podczas wchłaniania, tworząc siarczany.

Cysteina jest wchłaniana w środowisku jelita cienkiego, a także za pośrednictwem określonych transporterów zależnych od energii.

Wchłanianie nieorganicznych związków siarki w przewodzie pokarmowym, tj. siarczanów lub siarczynów pobranych w diecie lub powstałych w wyniku metabolizmu aminokwasów, jest niskie.

Większość siarczanów o masie do 1 grama jest wchłaniana w jelicie cienkim i grubym. Wchłanianie odbywa się za pośrednictwem transportera siarczanu sodu.

Dystrybucja

Siarczany zajmują czwarte miejsce na liście najobficiej występujących anionów w ludzkiej krwi.

Ich stężenie w moczu wynosi około 300 µmol/l. Spożycie siarczanów lub aminokwasów zawierających siarkę w diecie zwiększa ich poziom czasami dwukrotnie.

Zwykłe stężenie siarczynów we krwi wynosi 5 µmol/l, ale może znajdować się w zakresie referencyjnym 0-10 µmol/l.

W standardowych badaniach krwi poziom siarki lub jej związków nie jest określany.

Siarka jest transportowana z krwi z powrotem do tkanek i komórek organizmu za pośrednictwem kilku rodzajów nośników.

Siarczany lub aminokwasy zawierające siarkę są również w stanie przechodzić przez łożysko w obu kierunkach. Ta zdolność do przechodzenia w obie strony jest niezbędna zarówno do utrzymania odpowiedniej podaży siarki dla płodu, jak i do zapobiegania szkodliwym nadmiarom.

Siarka przechodzi również przez barierę krew-mózg w postaci cystyny, która jest następnie degradowana do siarczanu w środowisku mózgu.

Metabolizm i magazynowanie siarki

Ponieważ siarka jest zwykle spożywana w diecie w postaci bardziej złożonych cząsteczek, jest ona metabolizowana lub rozkładana na prostsze cząsteczki w organizmie.

Ogólnie rzecz biorąc, siarka jest metabolizowana poprzez utlenianie siarki w postaci siarczków S2- (w tej formie występuje w bardziej złożonych związkach organicznych) do siarczynów SO32- i dalej do siarczanów SO42-.

Siarczany mogą być przechowywane w tkankach związanych z askorbinianem, tworząc w ten sposób zapasy siarki. Jednak te zapasy siarki są bardzo małe. Następnie siarka jest uwalniana z wiązania z askorbinianem przez enzymy zgodnie z potrzebami organizmu.

Metabolizm metioniny zachodzi poprzez szereg procesów kontrolowanych przez enzymy. Końcowym rezultatem jej metabolizmu jest powstanie siarczanu.

Jednak oprócz siarczanu, podczas jego metabolizmu powstają homocysteina, cystation, cystyna, tauryna, a także cysteina. Są to produkty metabolizmu metioniny.

Cysteina nie jest niezbędnym aminokwasem, dlatego jej źródłem jest nie tylko sama żywność, ale może również powstawać w organizmie pod wpływem metioniny.

Same cząsteczki cysteiny i metioniny nie są przechowywane w organizmie, a ich przeznaczeniem jest utlenianie do nieorganicznych siarczanów lub wiązanie z glutationem (trójpeptydem złożonym z trzech aminokwasów, który ma silne właściwości przeciwutleniające).

Wydalanie

Siarka i jej związki są wydalane z organizmu głównie w moczu.

Każdego dnia ludzie wydalają z moczem około 1,3 g siarki. Jeśli spożycie siarki w diecie jest wyższe, proporcja wydalanej siarki wzrasta.

Siarka jest wydalana z moczem w postaci estrów organicznych (około 15%), a pozostała część wydalana jest w postaci siarczanów.

Na szybkość wydalania siarki przez płuca wpływa również poziom witaminy D w organizmie.

Inne drogi wydalania siarki, np. kał, są nieistotne (< 0,5 mmol/dzień).

Jakie są konsekwencje odchylenia od fizjologicznego poziomu siarki?

Podobnie jak w przypadku innych minerałów lub pierwiastków śladowych, ważne jest utrzymanie siarki na poziomach, które są korzystne i bezpieczne dla organizmu.

Patologiczne konsekwencje niedoboru siarki w organizmie człowieka nie zostały zdefiniowane i dlatego nie są znane.

Niektóre źródła donoszą, że zaburzenia mózgu i uszkodzenia tkanki łącznej wystąpiły u pacjentów z defektem specyficznych nośników siarki.

Zbyt wysoki poziom siarki w organizmie może powodować utratę minerałów z kości, a następnie zwiększać ryzyko osteoporozy.

Narażenie na wysokie dawki siarki może wywoływać ataki astmy i reakcje alergiczne skóry, takie jak pokrzywka.

Siarka zawiera również wiele związków, które są toksyczne dla ludzi, na przykład dwutlenek siarki.

Narażenie organizmu na te związki, na przykład w postaci zanieczyszczenia powietrza, powoduje zapalenie górnych dróg oddechowych, zwężenie dróg oddechowych i choroby płuc.

Głównym i największym źródłem siarki jest dieta w postaci aminokwasów zawierających siarkę - metioniny i cysteiny.

Dlatego objawy ich niedoboru lub nadmiaru można częściowo przypisać siarce.

Główną przyczyną niedoboru metioniny i cysteiny w organizmie jest znacznie niskie spożycie białka w diecie. O ile nie występuje powiązany problem z wchłanianiem lub metabolizmem tych dwóch aminokwasów, niedobór można uzupełnić poprzez zwiększenie ich spożycia.

Znane są jednak również wrodzone wady wchłaniania lub metabolizmu tych aminokwasów, a zatem ich nadmierny lub niewystarczający poziom w organizmie nie zależy bezpośrednio od spożycia w diecie.

Wrodzone wady wchłaniania obejmują na przykład różne zaburzenia wchłaniania.

Zaburzenia metaboliczne obejmują zaburzenia funkcji różnych enzymów biorących udział w metabolizmie metioniny i cysteiny, co ostatecznie prowadzi do akumulacji lub braku ich metabolitów w organizmie.

Ogólnie rzecz biorąc, zaburzenia te objawiają się przede wszystkim przez

• upośledzenie funkcji umysłowych
• opóźniony rozwój jednostki
• zaburzeniami napadowymi
• zaburzenia ruchowe
• zaburzenia krwi, takie jak niedobór czerwonych krwinek i płytek krwi
• nadmierne gromadzenie się niektórych metabolitów w moczu
• tworzenie się kamieni nerkowych i moczowych

Ważnym zaburzeniem związanym z upośledzonym metabolizmem aminokwasów zawierających siarkę jest zaburzenie zwane homocystynurią.

Powstaje ona w wyniku upośledzenia funkcji enzymu syntazy cystationiny, który ułatwia przekształcanie homocysteiny w siarkę.

Homocysteina gromadzi się zatem we krwi w dużych ilościach i powoduje problemy zdrowotne. Jest również wydalana w dużych ilościach z moczem.

Ponieważ homocysteina jest prekursorem do tworzenia cysteiny, jej produkcja jest zmniejszona w tej chorobie.

Homocystynuria powoduje uszkodzenie oczu (krótkowzroczność, zmętnienie i przemieszczenie soczewki), uszkodzenie kości (osteoporoza, skolioza, złamania) lub zaburzenia układu nerwowego (opóźniony rozwój, niepełnosprawność intelektualna, zaburzenia psychiczne).

Homocysteina jest również ważnym czynnikiem przyczyniającym się do chorób układu krążenia, w szczególności zakrzepicy żył głębokich, zatorowości płucnej lub udaru mózgu.

Niektóre badania wiążą również metioninę z rozwojem niektórych nowotworów, ponieważ wzrost niektórych komórek nowotworowych wykazuje zależność od tego aminokwasu.