БИОЭЛЕМЕНТЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ (ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ) - БИОЛОГИЯ

« Биоэлемент » - это термин, используемый для обозначения основных химических элементов, из которых состоят живые существа. В некоторых классификациях они делятся на первичные элементы и вторичные элементы.

Из 87 известных химических элементов только 34 составляют органическое вещество, а 17 из этих 34, как известно, действительно необходимы для жизни. Кроме того, из этих 17 основных элементов пять составляют более 90% вещества, из которого состоят живые организмы.

Также указаны периодическая таблица элементов, первичные и вторичные биоэлементы (Источник: Алехандро Порто через Wikimedia Commons).

Шесть основных элементов в органическом веществе: водород (H, 59%), кислород (O, 24%), углерод (C, 11%), азот (N, 4%), фосфор (P, 1%) и серы (S от 0,1 до 1%).

Эти проценты отражают количество атомов каждого элемента по отношению к общему количеству атомов, составляющих живые клетки, и это так называемые «первичные биоэлементы».

Вторичные биоэлементы встречаются в гораздо меньшей пропорции и включают калий (K), магний (Mg), железо (Fe), кальций (Ca), молибден (Mo), фтор (F), хлор ( Cl), натрий (Na), йод (I), медь (Cu) и цинк (Zn).

Вторичные элементы обычно являются кофакторами в каталитических реакциях и участвуют во многих биохимических и физиологических процессах, присущих клеткам организмов.

Первичные биоэлементы

Атомы углерода, водорода и кислорода являются структурной основой молекул, из которых состоит органическое вещество, в то время как азот, фосфор и сера взаимодействуют с различными биомолекулами, вызывая химические реакции.

водород

Водород - это химический элемент, который существует в газообразной форме при комнатной температуре (25 º C), он может существовать только в твердом или жидком состоянии при комнатной температуре, когда он связан с другими молекулами.

Считается, что атомы водорода были одними из первых атомов, сформировавших раннюю Вселенную. Рассматриваемые теории предполагают, что протоны, содержащиеся в ядрах атомов водорода, начали связываться с электронами других элементов с образованием более сложных молекул.

Водород может химически соединяться практически с любым другим элементом с образованием молекул, среди которых вода, углеводы, углеводороды и т. Д.

Этот элемент отвечает за образование связей, известных как «водородные связи», одного из самых важных слабых взаимодействий для биомолекул и главной силы, ответственной за поддержание трехмерных структур белков и нуклеиновых кислот.

углерод

Углерод образует ядра многих биомолекул. Его атомы могут ковалентно соединяться с четырьмя другими атомами различных химических элементов, а также сами с собой, образуя структуру очень сложных молекул.

Углерод, наряду с водородом, является одним из химических элементов, способных образовывать наибольшее количество различных химических соединений. Настолько, что все вещества и соединения, классифицируемые как «органические», содержат атомы углерода в своей основной структуре.

Общая структура аминокислоты (Источник: Пользователь: Ppfk через Wikimedia Commons)

Среди основных углеродных молекул живых существ - углеводы (сахара или сахариды), белки и их аминокислоты, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), липиды и жирные кислоты, среди прочего.

кислород

Кислород - это газообразный элемент, которого больше всего в земной коре. Он присутствует во многих органических и неорганических компонентах и образует соединения практически со всеми химическими элементами.

Он отвечает за окисление химических соединений и горение, которые также являются разными формами окисления. Кислород - очень электроотрицательный элемент, он входит в состав молекулы воды и участвует в процессе дыхания значительной части живых существ.

Активные формы кислорода ответственны за окислительный стресс внутри клеток. Очень часто наблюдается повреждение макромолекул внутри клетки окислительными соединениями, так как они нарушают баланс восстановительной внутренней части клеток.

азот

Азот также преимущественно газообразный, составляя около 78% атмосферы Земли. Это важный элемент питания растений и животных.

У животных азот является основной частью аминокислот, которые, в свою очередь, являются строительными блоками для белков. Белки структурируют ткани, и многие из них обладают необходимой ферментативной активностью для ускорения многих жизненно важных реакций клеток.

Азот является фундаментальной частью азотистых оснований, составляющих нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК (Источник: File: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * перевод: Sponk через Wikimedia Commons)

Азот присутствует в азотистых основаниях ДНК и РНК, необходимых молекулах для передачи генетической информации от родителей к потомству и для правильного функционирования живых организмов как клеточных систем.

Соответствие

Наиболее распространенная форма этого элемента в природе - это твердые фосфаты в плодородных почвах, реках и озерах. Это важный элемент для функционирования животных и растений, а также бактерий, грибов, простейших и всех живых существ.

У животных фосфор в изобилии содержится во всех костях в форме фосфата кальция.

Фосфор необходим для жизни, так как он также является элементом, входящим в состав ДНК, РНК, АТФ и фосфолипидов (основных компонентов клеточных мембран).

Этот биоэлемент всегда участвует в реакциях передачи энергии, поскольку он образует соединения с очень энергетическими связями, гидролиз которых используется для перемещения различных клеточных систем.

сера

Сера обычно находится в форме сульфидов и сульфатов. Его особенно много в вулканических районах, и он присутствует в аминокислотных остатках цистеина и метионина.

В белках атомы серы цистеина образуют очень сильное внутри- или межмолекулярное взаимодействие, известное как «дисульфидный мостик», которое необходимо для образования вторичной, третичной и четвертичной структуры клеточных белков.

Коэнзим А, промежуточный продукт метаболизма с широким спектром функций, имеет в своей структуре атом серы.

Этот элемент также является фундаментальным в структуре многих ферментативных кофакторов, которые участвуют в различных важных метаболических путях.

Вторичные биоэлементы

Как упоминалось выше, вторичные биоэлементы - это те, которые встречаются в меньшем количестве, чем первичные, и наиболее важными из них являются калий, магний, железо, кальций, натрий и цинк.

Вторичные биоэлементы или микроэлементы участвуют во многих физиологических процессах растений, в фотосинтезе, дыхании, в клеточном ионном балансе вакуоли и хлоропластов, в переносе углеводов во флоэму и т. Д.

Это также верно для животных и других организмов, где эти элементы, более или менее незаменимые и менее распространенные, являются частью многих кофакторов, необходимых для функционирования всего клеточного аппарата.

Железо

Железо является одним из важнейших вторичных биоэлементов, поскольку оно участвует во многих энергетических явлениях. Это очень важно в естественных реакциях восстановления оксидов.

Например, у млекопитающих железо является неотъемлемой частью гемоглобина, белка, который отвечает за перенос кислорода в крови внутри эритроцитов или красных кровяных телец.

В клетках растений этот элемент также входит в состав некоторых пигментов, таких как хлорофилл, необходимых для фотосинтетических процессов. Он входит в состав молекул цитохрома, также необходим для дыхания.

цинк

Ученые считают, что цинк был одним из ключевых элементов в появлении эукариотических организмов миллионы лет назад, поскольку многие ДНК-связывающие белки для репликации, составляющие «примитивные эукариоты», использовали цинк в качестве мотива. Союза.

Примером этого типа белка являются цинковые пальцы, которые участвуют в транскрипции генов, трансляции белков, метаболизме и сборке белка и т. Д.

кальций

Кальций - один из самых распространенных минералов на планете Земля; у большинства животных он составляет зубы и кости в форме гидроксифосфата кальция. Этот элемент необходим для сокращения мышц, передачи нервных импульсов и свертывания крови.

магниевый

Наибольшая доля магния в природе содержится в твердой форме в сочетании с другими элементами, а не только в свободном состоянии. Магний является кофактором более чем 300 различных ферментных систем у млекопитающих.

Реакции, в которых он участвует, варьируются от синтеза белка, подвижности мышц и нервной функции до регулирования уровня глюкозы в крови и артериального давления. Магний необходим для производства энергии в живых организмах, для окислительного фосфорилирования и гликолиза.

Он также способствует развитию костей и необходим для синтеза ДНК, РНК, глутатиона и других.

Натрий и калий

Это два очень распространенных иона внутри клетки, и вариации их внутренней и внешней концентраций, а также их транспорта являются определяющими факторами для многих физиологических процессов.

Калий является наиболее распространенным внутриклеточным катионом, он поддерживает объем жидкости внутри клетки и трансмембранные электрохимические градиенты.

И натрий, и калий активно участвуют в передаче нервных импульсов, поскольку они транспортируются натриево-калиевым насосом. Натрий также участвует в сокращении мышц и всасывании питательных веществ через клеточную мембрану.

Остальные вторичные биоэлементы: молибден (Mo), фтор (F), хлор (Cl), йод (I) и медь (Cu) играют важную роль во многих физиологических реакциях. Однако они необходимы в гораздо меньшей пропорции, чем шесть элементов, описанных выше.

Ссылки

Эгами, Ф. (1974). Незначительные элементы и эволюция. Журнал молекулярной эволюции, 4 (2), 113-120.
Хак, И. В. (1919). Биоэлементы; Химические элементы живого вещества. Журнал общей физиологии, 1 (4), 429
Kaim, W., & Rall, J. (1996). Медь - это «современный» биоэлемент. Angewandte Chemie International Edition на английском языке, 35 (1), 43-60.
Национальные институты здоровья. (2016). Магний: информационный бюллетень для специалистов в области здравоохранения. Версия текущая, 27.
Пеньуэлас, Дж., Фернандес-Мартинес, М., Сиайс, П., Джоу, Д., Пиао, С., Оберштайнер, М.,… и Сарданс, Дж. (2019). Биоэлементы, элементом и биогеохимическая ниша. Экология, 100 (5), e02652
Скальный, А.В. (2014). Биоэлементы и биоэлементология в фармакологии и питании: фундаментальные и практические аспекты. В фармакологии и диетическом вмешательстве при лечении заболеваний. IntechOpen.
Солиоз, М. (2018). Медь - современный биоэлемент. В меди и бактериях (стр. 1-9). Спрингер, Чам.
Всемирная организация здравоохранения. (2015). Информационный бюллетень: соль.

БИОЭЛЕМЕНТЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ (ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ) - БИОЛОГИЯ - 2025