Bioelementy: Klasyfikacja (pierwotna i wtórna)

Bioelementy lub pierwiastki biogenne (bio = życie, genetyka = początek) to te pierwiastki chemiczne, które tworzą materię istot żywych.

Istnieje około 70 tych elementów, które różnią się w różnych proporcjach i nie wszystkie są obecne we wszystkich żywych istotach (Bioelements, 2009).

Cała materia we Wszechświecie występuje w postaci atomów małej liczby elementów. W Wszechświecie jest 92 naturalnych pierwiastków chemicznych.

Z naszej ziemskiej perspektywy trudno jest wyobrazić sobie formy życia, w których pierwiastki wodór, węgiel, tlen, azot, siarka i fosfor nie odgrywają dominującej roli (CHEMISTRY BIOGENIC ELEMENTS., SF).

Fakt, że naprawdę odgrywają tę rolę w całym wszechświecie, wydaje się bardzo prawdopodobny, częściowo dlatego, że (poza fosforem), są to najbardziej obfite pierwiastki w całym kosmosie, a także są produkowane w znacznych ilościach między blokami planet ziemskich,

Ponadto jego chemia jest szczególnie dobrze dostosowana do rozwoju złożonych struktur i funkcji charakterystycznych dla systemów żywych.

Ponieważ Słońce i planety powstały zaledwie 4, 6 miliarda lat temu we wszechświecie, którego wiek ma może 15 miliardów lat, oczywiste jest, że te „pierwiastki biogeniczne” doświadczyły długiej i złożonej historii chemicznej przed wejściem do wszechświata. ziemska biochemia.

Obecnie nie wiadomo, czy ta poprzednia historia odegrała bezpośrednią rolę w powstaniu życia na Ziemi.

Jasne jest, że astrochemia to w dużej mierze chemia pierwiastków biogenicznych i że zrozumienie natury i ewolucji złożoności chemicznej w całym wszechświecie ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zarówno wczesnego stanu chemicznego naszego własnego układu słonecznego, jak i częstotliwość, z jaką powiązane warunki istnieją w innych częściach naszej galaktyki i innych galaktyk (Komitet Badań Planetarnych i Ewolucji Chemicznej (National Research Council - USA), 1990).

Klasyfikacja biopierwiastków

W zależności od ich ilości w składzie biocząsteczek, biopierwiastki są klasyfikowane jako pierwszorzędowe, drugorzędowe i śladowe (Rastogi, 2003).

1- Pierwotne biopierwiastki

Pierwszymi biopierwiastkami są te, które są w większej ilości (około 96% żywej materii) i są to te, które składają się na większość organicznych biocząsteczek (węglowodany, lipidy, białka i kwasy nukleinowe).

Elementy te charakteryzują się lekkością (niska masa atomowa) i obfitością. Podstawowymi biopierwiastkami są węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor i siarka.

Węgiel (C)

Jest to główny biopierwiastek, który stanowi biomolekuły. Ma zdolność do tworzenia dużych łańcuchów węgiel-węgiel za pomocą pojedynczych, podwójnych lub potrójnych wiązań, a także struktur cyklicznych.

Może zawierać różne grupy funkcyjne, takie jak tlen, wodorotlenek, fosforan, amino, nitro itp., W wyniku czego powstaje ogromna różnorodność różnych cząsteczek.

Atom węgla jest prawdopodobnie jednym z najważniejszych biopierwiastków, ponieważ wszystkie biocząsteczki zawierają węgiel. Można znaleźć na przykład lipidy bez fosforu lub azotu (na przykład cholesterolu), ale nie ma biocząsteczek bez węgla.

Wodór (H)

Jest to jeden ze składników cząsteczki wody, który jest niezbędny do życia i jest częścią szkieletów węglowych cząsteczek organicznych.

Im większa liczba cząsteczek wodoru w biocząsteczce, tym bardziej będzie zmniejszona i tym większa będzie zdolność utleniania, wytwarzając więcej energii.

Na przykład kwasy tłuszczowe mają więcej elektronów niż węglowodany, więc mają zdolność produkowania większej ilości energii po degradacji.

Tlen (O)

Jest to drugi element, który tworzy cząsteczkę wody. Jest to bardzo elektroujemny element, który pozwala na większą produkcję energii poprzez oddychanie tlenowe.

Ponadto, polarne wiązania z wodorem, powodujące rozpuszczalne w wodzie rodniki polarne.

Azot (N)

Element obecny we wszystkich aminokwasach. Poprzez azot aminokwasy mają zdolność tworzenia wiązania peptydowego w celu wytwarzania białek.

Ten biopierwiastek występuje również w azotowych zasadach kwasów nukleinowych. Jest eliminowany przez organizm w postaci mocznika.

Jedną z pierwszych biomolekuł, które powstały, był ATP, ze względu na obfitość azotu w atmosferze ziemskiej. Azot jest częścią adenozyny ATP.

Fosfor (P)

Grupa występuje głównie jako fosforan (PO ₄ 3-), który jest częścią nukleotydów. Tworzą linki bogate w energię, które umożliwiają łatwe udostępnianie (ATP).

Jest również ważna w strukturze DNA, ponieważ tworzy wiązanie fofodiestrowe z nukleotydami, tworząc tę ​​cząsteczkę.

Siarka (S)

Bioelement, który występuje głównie jako grupa sulfhydrylowa (-SH), która jest częścią aminokwasów, takich jak cysteina, w której wiązania disiarczkowe są niezbędne do stworzenia stabilności w trzeciorzędowej i czwartorzędowej strukturze białek.

Występuje również w koenzymie A, niezbędnym dla różnych uniwersalnych szlaków metabolicznych, takich jak cykl Krebsa (Llull, SF). Jest to najcięższy pierwotny biopierwiastek, ponieważ jego masa atomowa wynosi 36 g / mol.

2- Wtórne biopierwiastki

Te rodzaje pierwiastków są również obecne we wszystkich żywych istotach, ale nie w tych samych ilościach, co pierwiastki pierwotne.

Nie odpowiadają biomolekułom, ale są używane w gradientach stężenia komórkowego, sygnalizacji dielektrycznej neuronów i neuroprzekaźników, stabilizują naładowane biomolekuły, takie jak ATP i są częścią tkanki kostnej.

Biopierwiastkami są wapń (Ca), sód (Na), potas (K), magnez (Mg) i chlor (Cl). Najliczniejsze są sód, potas, magnez i wapń.

Wapń (Ca)

Wapń jest niezbędny dla żywych istot, ponieważ rośliny potrzebują wapnia do budowy ścian komórkowych.

Tworzy część tkanki kostnej kręgowców w postaci hydroksyapatytu (Ca3 (PO4) 2) 2, Ca (OH) 2, a jego utrwalenie jest związane ze spożywaniem witaminy D i światła słonecznego. Wapń obecny w formie jonowej służy jako ważny regulator procesów w cytoplazmie komórkowej.

Wapń wpływa na pobudliwość nerwowo-mięśniową mięśnia (wraz z jonami K, Na i Mg i uczestniczy w skurczu mięśni). Hipokalcemia prowadzi do kolki-tężyczki. Bierze również udział w regulacji syntezy glikogenu w nerkach, wątrobie i mięśniach szkieletowych.

Wapń zmniejsza przepuszczalność błony komórkowej i ściany naczyń włosowatych, co powoduje jego działanie przeciwzapalne, przeciwzapalne i przeciwalergiczne. Konieczne jest również krzepnięcie krwi.

Jony wapnia są ważnymi przekaźnikami wewnątrzkomórkowymi, które wpływają na wydzielanie insuliny w krążeniu i wydzielanie enzymów trawiennych w jelicie cienkim.

Na reabsorpcję wapnia wpływa wzajemna zależność wapnia od fosforanu w treści jelitowej oraz obecność cholekalcyferolu, który reguluje czynną reabsorpcję wapnia i fosforu.

Wymiana wapnia i fosforanów jest regulowana hormonalnie hormonem paratoidowym i kalcytoniną. Parathormon uwalnia wapń z kości we krwi.

Kalcytonina wspomaga odkładanie się wapnia w kościach, co obniża jego stężenie we krwi.

Magnez (Mg)

Magnez jest wtórnym biopierwiastkiem, który jest częścią biomolekuł, ponieważ jest kofaktorem chlorofilu. Magnez jest typowym kationem wewnątrzkomórkowym i stanowi istotną część tkanek i płynów ustrojowych.

Występuje w szkielecie (70%) iw mięśniach zwierząt, a jego funkcją jest stabilizowanie ładunku ujemnego fosforanów cząsteczki ATP.

Sód (Na)

Jest ważnym kationem zewnątrzkomórkowym, bierze udział w homeostazie organizmu. Chroni organizm przed nadmiernymi stratami wody przez kanały sodowe i uczestniczy w propagacji podniecenia nerwowego.

Potas (K)

Bierze udział w homeostazie organizmu i propagacji podniecenia nerwowego przez kanały potasowe. Niedobór potasu może prowadzić do zatrzymania akcji serca.

Chlor (Cl)

Halogen z grupy VII układu okresowego pierwiastków. Występuje w organizmie istot żywych głównie jako jon chlorkowy, który stabilizuje ładunek dodatni jonów metali (pierwiastki biogenne, SF).

3- Elementy w śladach

Są obecne w niektórych żywych istotach. Wiele z tych pierwiastków śladowych działa jako kofaktory w enzymach.

Pierwiastkami śladowymi są bor (B), brom (Br), miedź (Cu), fluor (F), mangan (Mn), krzem (Si), żelazo (Fe), jod (I) itd.

Udział biopierwiastków

Istnieje różnica w proporcji biopierwiastków w organizmach iw atmosferze, hydrosferze lub skorupie ziemskiej, co wskazuje na wybór bardziej odpowiednich elementów do tworzenia struktur i wykonywania określonych funkcji powyżej obfitości.

Na przykład węgiel stanowi około 20% masy organizmów, ale jego stężenie w atmosferze w postaci dwutlenku węgla jest niskie. Z drugiej strony azot stanowi prawie 80% ziemskiej atmosfery, ale tylko 3, 3% azotu tworzy ludzkie ciało.

Poniższa tabela pokazuje proporcję niektórych biopierwiastków w organizmach żywych w porównaniu z resztą Ziemi (Bioelements, nd):

Tabela 1: obfitość biopierwiastków we wszechświecie, w ziemi iw ludzkim ciele.

Biomolekuły

Biopierwiastki łączą się ze sobą i mogą tworzyć tysiące różnych cząsteczek. Biomolekuły biorą udział w budowie komórek.

Można je podzielić na nieorganiczne (woda i minerały) i organiczne (węglowodany, lipidy, aminokwasy i kwasy nukleinowe).

Biomolekuły są znane jako strukturalne elementy życia, ponieważ są podstawowymi cegłami lub formami, w których tworzą się bardziej złożone cząsteczki.

Na przykład aminokwasy są strukturalnymi ahlarami białek. Sekwencja aminokwasów określa pierwotną strukturę białka.

Cząsteczki, takie jak lipidy, tworzą błonę komórkową i lobiomole, węglowodany proste, tworzą złożone węglowodany, tak jak w przypadku cząsteczki glikogenu.

Istnieje również przypadek zasad azotowych, które, gdy wiążą się z węglowodanem rybozy lub dezoksyrybozą, tworzą cząsteczki RNA i DNA, których sekwencja będzie pocałunkiem z kodu genetycznego.