BIOELEMENTY: KLASIFIKÁCIA (PRIMÁRNA A SEKUNDÁRNA) - BIOLÓGIE

„ Bioelement “ je termín, ktorý sa používa na označenie hlavných chemických prvkov, ktoré tvoria živé bytosti. V niektorých klasifikáciách sa tieto delia na primárne a sekundárne prvky.

Z 87 známych chemických prvkov tvorí iba 34 organických látok a 17 z nich je známych ako nevyhnutných pre život. Päť z týchto 17 základných prvkov navyše predstavuje viac ako 90% látky, ktorá tvorí živé organizmy.

Uvedená je tiež periodická tabuľka prvkov, primárnych a sekundárnych bioelementov (Zdroj: Alejandro Porto prostredníctvom Wikimedia Commons).

Šesť hlavných prvkov v organickej hmote je vodík (H, 59%), kyslík (O, 24%), uhlík (C, 11%), dusík (N, 4%), fosfor (P, 1%) a síry (S, 0,1 až 1%).

Tieto percentá odrážajú počet atómov každého prvku vzhľadom na celkový počet atómov, ktoré tvoria živé bunky, a tieto sú známe ako „primárne bioelementy“.

Sekundárne bioelementy sa nachádzajú v oveľa menšom pomere a sú draslík (K), horčík (Mg), železo (Fe), vápnik (Ca), molybdén (Mo), fluór (F), chlór ( Cl), sodík (Na), jód (I), meď (Cu) a zinok (Zn).

Sekundárne prvky sú zvyčajne kofaktormi pri katalytických reakciách a podieľajú sa na mnohých biochemických a fyziologických procesoch, ktoré sú vlastné bunkám organizmov.

Primárne bioelementy

Atómy uhlíka, vodíka a kyslíka sú štruktúrnou základňou molekúl, ktoré tvoria organickú hmotu, zatiaľ čo dusík, fosfor a síra interagujú s rôznymi biomolekulami, aby vyvolali chemické reakcie.

vodík

Vodík je chemický prvok, ktorý existuje v plynnej forme pri izbovej teplote (25 ° C), môže existovať iba v pevnom alebo kvapalnom stave pri izbovej teplote, keď je spojený s inými molekulami.

Atómy vodíka sú považované za jeden z prvých atómov tvoriacich raný vesmír. Teórie, s ktorými sa zaobchádza, naznačujú, že protóny obsiahnuté v jadre atómov vodíka sa začali spájať s elektrónmi iných prvkov a vytvárať komplexnejšie molekuly.

Vodík sa môže chemicky kombinovať s takmer akýmkoľvek iným prvkom za vzniku molekúl, medzi ktoré patrí voda, uhľohydráty, uhľovodíky atď.

Tento prvok je zodpovedný za vytváranie väzieb známych ako „vodíkové väzby“, jedna z najdôležitejších slabých interakcií pre biomolekuly a hlavná sila zodpovedná za udržiavanie trojrozmerných štruktúr proteínov a nukleových kyselín.

uhlík

Uhlík tvorí jadro mnohých biomolekúl. Jeho atómy sa môžu kovalentne kombinovať so štyrmi ďalšími atómami rôznych chemických prvkov a spolu so sebou môžu tvoriť štruktúru vysoko komplexných molekúl.

Uhlík je spolu s vodíkom jedným z chemických prvkov, ktoré môžu tvoriť najväčší počet rôznych chemických zlúčenín. Toľko, že všetky látky a zlúčeniny klasifikované ako „organické“ obsahujú atómy uhlíka vo svojej hlavnej štruktúre.

Všeobecná štruktúra aminokyseliny (Zdroj: Používateľ: Ppfk cez Wikimedia Commons)

Medzi hlavné uhlíkové molekuly živých bytostí patria okrem iného uhľovodíky (cukry alebo sacharidy), proteíny a ich aminokyseliny, nukleové kyseliny (DNA a RNA), lipidy a mastné kyseliny.

kyslík

Kyslík je plynným prvkom a je najhojnejším v celej zemskej kôre. Je prítomný v mnohých organických a anorganických zložkách a tvorí zlúčeniny s takmer všetkými chemickými prvkami.

Je zodpovedný za oxidáciu chemických zlúčenín a spaľovanie, ktoré sú tiež rôznymi formami oxidácie. Kyslík je veľmi elektronegatívny prvok, je súčasťou molekuly vody a podieľa sa na respiračnom procese veľkej časti živých bytostí.

Reaktívne formy kyslíka sú zodpovedné za oxidačný stres vo vnútri buniek. Je veľmi bežné pozorovať poškodenie makromolekúl vo vnútri bunky spôsobené oxidačnými zlúčeninami, pretože nevyvážujú redukujúci vnútro buniek.

dusík

Dusík je tiež prevažne plynný a tvorí asi 78% zemskej atmosféry. Je dôležitým prvkom výživy rastlín a zvierat.

U zvierat je dusík zásadnou súčasťou aminokyselín, ktoré sú zase stavebnými kameňmi proteínov. Tkanivá štruktúrnej bielkoviny a mnohé z nich majú potrebnú enzymatickú aktivitu na urýchlenie mnohých životne dôležitých reakcií pre bunky.

Dusík je základnou súčasťou dusíkatých zásad, ktoré tvoria nukleové kyseliny, ako sú DNA a RNA (Zdroj: Súbor: Rozdiel DNA RNA-DE.svg: Sponk / * preklad: Sponk prostredníctvom Wikimedia Commons)

Dusík je prítomný v dusíkatých bázach DNA a RNA, nevyhnutných molekúl na prenos genetických informácií od rodičov k potomkom a na správne fungovanie živých organizmov ako bunkových systémov.

Zápas

Najhojnejšou formou tohto prvku v prírode sú pevné fosforečnany v úrodných pôdach, riekach a jazerách. Je dôležitým prvkom pre fungovanie zvierat a rastlín, ale aj baktérií, húb, prvokov a všetkých živých bytostí.

U zvierat sa fosfor nachádza vo všetkých kostiach vo forme fosforečnanu vápenatého.

Fosfor je nevyhnutný pre život, pretože je tiež prvkom, ktorý je súčasťou DNA, RNA, ATP a fosfolipidov (základné zložky bunkových membrán).

Tento bioelement sa vždy podieľa na reakciách na prenos energie, pretože vytvára zlúčeniny s veľmi energetickými väzbami, ktorých hydrolýza sa používa na pohyb rôznych bunkových systémov.

síra

Síra sa bežne vyskytuje vo forme sulfidov a síranov. Je obzvlášť hojný v sopečných oblastiach a je prítomný v aminokyselinových zvyškoch cysteínu a metionínu.

V proteínoch atómy síry cysteínu vytvárajú veľmi silnú intra- alebo intermolekulárnu interakciu známu ako „disulfidový mostík“, ktorý je nevyhnutný na tvorbu sekundárnej, terciárnej a kvartérnej štruktúry bunkových proteínov.

Koenzým A, metabolický medziprodukt so širokou škálou funkcií, má vo svojej štruktúre atóm síry.

Tento prvok je tiež zásadný v štruktúre mnohých enzymatických kofaktorov, ktoré sa zúčastňujú rôznych dôležitých metabolických ciest.

Sekundárne bioelementy

Ako je uvedené vyššie, sekundárne bioelementy sú tie, ktoré sa nachádzajú v nižšom pomere ako primárne a najdôležitejšie sú draslík, horčík, železo, vápnik, sodík a zinok.

Sekundárne bioelementy alebo stopové prvky sa podieľajú na mnohých fyziologických procesoch rastlín, na fotosyntéze, respirácii, na bunkovej iónovej rovnováhe vakuoly a chloroplastov, na transporte uhľohydrátov do plameňa atď.

Platí to aj pre zvieratá a iné organizmy, kde tieto prvky, viac či menej rozprašovateľné a menej hojné, sú súčasťou mnohých kofaktorov potrebných na fungovanie celého bunkového mechanizmu.

železo

Železo je jedným z najdôležitejších sekundárnych bioelementov, pretože má funkcie vo viacerých energetických javoch. Pri reakciách na redukciu prírodného oxidu je veľmi dôležitý.

Napríklad u cicavcov je železo podstatnou súčasťou hemoglobínu, proteínu, ktorý je zodpovedný za transport kyslíka v krvi v erytrocytoch alebo červených krvinkách.

V rastlinných bunkách je tento prvok tiež súčasťou niektorých pigmentov, ako je chlorofyl, nevyhnutný pre fotosyntetické procesy. Je súčasťou molekúl cytochrómu, tiež nevyhnutných na dýchanie.

zinok

Vedci sa domnievajú, že zinok bol jedným z kľúčových prvkov vo vzhľade eukaryotických organizmov pred miliónmi rokov, pretože mnohé z proteínov viažucich DNA na replikáciu, ktoré tvorili „primitívne eukaryoty“, používali zinok ako motív Únie.

Príkladom tohto typu proteínu sú zinkové prsty, ktoré sa podieľajú na transkripcii génov, translácii proteínov, metabolizme a zostavovaní proteínov atď.

vápnik

Vápnik je jedným z najhojnejších minerálov na planéte Zem; u väčšiny zvierat vytvára zuby a kosti vo forme hydroxyfosforečnanu vápenatého. Tento prvok je nevyhnutný pre svalovú kontrakciu, prenos nervových impulzov a zrážanie krvi.

magnézium

Najvyšší podiel horčíka v prírode sa vyskytuje v tuhej forme kombinovanej s ostatnými prvkami, vyskytuje sa nielen vo voľnom stave. Horčík je kofaktorom viac ako 300 rôznych enzýmových systémov u cicavcov.

Reakcie, na ktorých sa zúčastňuje, sa pohybujú od syntézy bielkovín, pohyblivosti svalov a funkcie nervov až po reguláciu hladiny glukózy v krvi a krvného tlaku. Horčík je potrebný na výrobu energie v živých organizmoch, na oxidačnú fosforyláciu a glykolýzu.

Prispieva tiež k rozvoju kostí a je potrebný okrem iného na syntézu DNA, RNA, glutatiónu.

Sodík a draslík

Sú to dva veľmi bohaté ióny vo vnútri bunky a zmeny v ich vnútorných a vonkajších koncentráciách, ako aj ich transport, sú rozhodujúce pre mnoho fyziologických procesov.

Draslík je najhojnejším intracelulárnym katiónom, udržuje objem tekutiny vo vnútri bunky a transmembránové elektrochemické gradienty.

Sodík aj draslík sa aktívne podieľajú na prenose nervových impulzov, pretože sú transportované pomocou sodík-draselnej pumpy. Sodík sa tiež podieľa na sťahovaní svalov a absorpcii živín cez bunkovú membránu.

Zvyšok sekundárnych bioelementov: molybdén (Mo), fluór (F), chlór (Cl), jód (I) a meď (Cu) zohrávajú dôležitú úlohu pri mnohých fyziologických reakciách. Potrebné sú však v oveľa menšom pomere, ako je šesť vyššie uvedených prvkov.

Referencie

Egami, F. (1974). Drobné prvky a vývoj. Journal of molekulárnej evolúcie, 4 (2), 113-120.
Hackh, IW (1919). Bioelements; Chemické prvky živej hmoty. The Journal of General Physiology, 1 (4), 429
Kaim, W., & Rall, J. (1996). Meď - „moderný“ bioelement. Angewandte Chemie International Edition v angličtine, 35 (1), 43-60.
Národné zdravotné ústavy. (2016). Horčík: informačný leták pre zdravotníckych pracovníkov. Aktuálna verzia, 27.
Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). Bioelementy, elementóm a biogeochemická medzera. Ecology, 100 (5), e02652
Skalny, AV (2014). Bioelementy a bioelementológia vo farmakológii a výžive: základné a praktické aspekty. Vo farmakológii a výžive pri liečení chorôb. IntechOpen.
Solioz, M. (2018). Meď-moderný bioelement. In Copper and Bacteria (str. 1-9). Springer, Cham.
Svetová zdravotnícka organizácia. (2015). Informačný prehľad: Salt.

BIOELEMENTY: KLASIFIKÁCIA (PRIMÁRNA A SEKUNDÁRNA) - BIOLÓGIE - 2026