БІОЕЛЕМЕНТИ: КЛАСИФІКАЦІЯ (ПЕРВИННА ТА ВТОРИННА) - БІОЛОГІЯ

" Біоелемент " - термін, що використовується для позначення основних хімічних елементів, що складають живих істот. У деяких класифікаціях вони поділяються на первинні та вторинні елементи.

З 87 відомих хімічних елементів лише 34 складають органічні речовини, а 17 з цих 34, як відомо, є справді незамінними для життя. Крім того, з цих 17 найважливіших елементів п'ять становлять понад 90% речовини, що становить живі організми.

Указується також періодична таблиця елементів, первинних та вторинних біоелементів (Джерело: Alejandro Porto через Wikimedia Commons)

Шість основних елементів в органічній речовині - водень (H, 59%), кисень (O, 24%), вуглець (C, 11%), азот (N, 4%), фосфор (P, 1%) та сірки (S, 0,1-1%).

Ці відсотки відображають кількість атомів кожного елемента відносно загальної кількості атомів, що складають живі клітини, і це ті, що відомі як "первинні біоелементи".

Вторинні біоелементи містяться в значно меншій пропорції і це калій (K), магній (Mg), залізо (Fe), кальцій (Ca), молібден (Mo), фтор (F), хлор ( Cl), натрій (Na), йод (I), мідь (Cu) і цинк (Zn).

Вторинні елементи зазвичай є кофакторами в каталітичних реакціях і беруть участь у багатьох біохімічних та фізіологічних процесах, властивих клітинам організмів.

Первинні біоелементи

Атоми вуглецю, водню та кисню є структурною основою молекул, що складають органічні речовини, а азот, фосфор та сірка взаємодіють з різними біомолекулами, щоб спровокувати хімічні реакції.

Водень

Водень - хімічний елемент, який існує в газоподібному вигляді при кімнатній температурі (25ºC), він може існувати лише в твердому або рідкому стані при кімнатній температурі, коли він пов'язаний з іншими молекулами.

Вважається, що атоми водню є одними з перших атомів, що складають ранній Всесвіт. Теоріями, які обробляються, передбачається, що протони, що містяться в ядрі атомів водню, почали зв'язуватися з електронами інших елементів, утворюючи більш складні молекули.

Водень може хімічно поєднуватися практично з будь-яким іншим елементом, утворюючи молекули, серед яких вода, вуглеводи, вуглеводні тощо.

Цей елемент відповідає за утворення зв’язків, відомих як «водневі зв’язки», одну з найважливіших слабких взаємодій біомолекул та основну силу, відповідальну за підтримку тривимірної структури білків та нуклеїнових кислот.

Вуглець

Вуглець утворює ядро багатьох біомолекул. Його атоми можуть ковалентно поєднуватися з чотирма іншими атомами різних хімічних елементів, а також з собою утворювати структуру високо складних молекул.

Вуглець, разом з воднем, є одним із хімічних елементів, здатних утворювати найбільшу кількість різних хімічних сполук. Настільки, що всі речовини та сполуки, класифіковані як "органічні", містять атоми вуглецю в своїй основній структурі.

Загальна структура амінокислоти (Джерело: Користувач: Ppfk через Wikimedia Commons)

Серед основних молекул вуглецю живих істот - вуглеводи (цукри або сахариди), білки та їх амінокислоти, нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК), ліпіди та жирні кислоти, серед інших.

Кисень

Кисень є газоподібним елементом і є найбагатшим у всій земній корі. Він присутній у багатьох органічних та неорганічних компонентах і утворює сполуки практично з усіма хімічними елементами.

Він відповідає за окислення хімічних сполук і горіння, які також є різними формами окислення. Кисень - дуже електронегативний елемент, він входить до складу молекули води і бере участь у процесі дихання значної частини живих істот.

Реактивні види кисню відповідають за окислювальний стрес всередині клітин. Дуже часто спостерігати ушкодження, спричинені окислювальними сполуками макромолекул всередині клітини, оскільки вони врівноважують скорочувальну внутрішню клітину.

Азот

Азот також є переважно газоподібним, що становить близько 78% земної атмосфери. Він є важливим елементом в харчуванні рослин і тварин.

У тварин азот - це основна частина амінокислот, які, в свою чергу, є будівельними елементами для білків. Білки структурують тканини, і багато з них мають необхідну ферментативну активність для прискорення багатьох життєво важливих реакцій для клітин.

Азот - це основна частина азотистих основ, які складають нуклеїнові кислоти, такі як ДНК та РНК (Джерело: Файл: Різниця ДНК РНК-DE.svg: Спон / * переклад: Спонком через Вікімедію)

Азот присутній у азотистих основах ДНК та РНК, необхідних молекулах для передачі генетичної інформації від батьків до потомства та для належного функціонування живих організмів як клітинних систем.

Матч

Найбільш поширеною формою цього елемента в природі є тверді фосфати в родючих ґрунтах, річках та озерах. Це важливий елемент для функціонування тварин і рослин, але також бактерій, грибів, найпростіших та всіх живих істот.

У тварин фосфор міститься в достатку у всіх кістках у вигляді фосфату кальцію.

Фосфор важливий для життя, оскільки він також є елементом, що входить до складу ДНК, РНК, АТФ та фосфоліпідів (основних компонентів клітинних мембран).

Цей біоелемент завжди бере участь у реакціях передачі енергії, оскільки утворює сполуки з дуже енергетичними зв’язками, гідроліз яких використовується для переміщення різних клітинних систем.

Сірка

Сірка зазвичай зустрічається у вигляді сульфідів та сульфатів. Він особливо багатий у вулканічних районах і присутній в амінокислотних залишках цистеїну та метіоніну.

У білках атоми сірки цистеїну утворюють дуже сильну внутрішньо- або міжмолекулярну взаємодію, відому як "дисульфідний міст", що має важливе значення для формування вторинної, третинної та четвертинної структури клітинних білків.

Коензим А, метаболічний проміжний продукт із найрізноманітнішими функціями, має у своїй структурі атом сірки.

Цей елемент також є основним у структурі багатьох ферментативних кофакторів, які беруть участь у різних важливих обмінних шляхах.

Вторинні біоелементи

Як було сказано вище, вторинні біоелементи - це ті, які містяться в меншій пропорції, ніж первинні, а найважливіші - калій, магній, залізо, кальцій, натрій і цинк.

Вторинні біоелементи або мікроелементи беруть участь у багатьох фізіологічних процесах рослин, у фотосинтезі, диханні, у клітинному іонному балансі вакуолі та хлоропластів, у транспортуванні вуглеводів до флоеми тощо.

Це стосується також тварин та інших організмів, де ці елементи, більш-менш придатні для використання та менш багаті, є частиною багатьох кофакторів, необхідних для функціонування всієї клітинної машини.

Залізо

Залізо є одним з найважливіших вторинних біоелементів, оскільки воно функціонує в багатьох енергетичних явищах. Це дуже важливо в реакціях відновлення природних оксидів.

Наприклад, у ссавців залізо - важлива частина гемоглобіну, білка, який відповідає за транспортування кисню в крові всередині еритроцитів або еритроцитів.

У рослинних клітинах цей елемент також входить до складу деяких пігментів, таких як хлорофіл, необхідний для фотосинтетичних процесів. Він входить до складу молекул цитохрому, також необхідних для дихання.

Цинк

Вчені вважають, що цинк був одним із ключових елементів у появі еукаріотичних організмів мільйони років тому, оскільки багато ДНК-зв'язуючих білків для реплікації, які складали "примітивні еукаріоти", використовували цинк як мотив Союзу.

Прикладом цього типу білка є цинкові пальці, які беруть участь у транскрипції генів, трансляції білка, метаболізмі та складанні білка тощо.

Кальцій

Кальцій - один з найпоширеніших мінералів на планеті Земля; у більшості тварин він складає зуби та кістки у вигляді гідроксифосфату кальцію. Цей елемент необхідний для скорочення м’язів, передачі нервових імпульсів та згортання крові.

Магній

Найвища частка природи магнію в природі міститься в твердому вигляді в поєднанні з іншими елементами, він знаходиться не тільки у вільному стані. Магній є кофактором для більш ніж 300 різних ферментних систем у ссавців.

Реакції, в яких він бере участь, варіюються від синтезу білка, рухливості м’язів та нервової функції, до регулювання рівня глюкози в крові та артеріального тиску. Магній необхідний для виробництва енергії в живих організмах, для окислювального фосфорилювання та гліколізу.

Він також сприяє розвитку кісток і необхідний для синтезу ДНК, РНК, глутатіону, серед інших.

Натрій і калій

Вони є двома дуже рясними іонами у внутрішній клітині, а зміни їх внутрішньої та зовнішньої концентрацій, а також їх транспорт є визначальними факторами багатьох фізіологічних процесів.

Калій - найпоширеніший внутрішньоклітинний катіон, він підтримує об'єм рідини всередині клітини та трансмембранні електрохімічні градієнти.

І натрій, і калій беруть активну участь у передачі нервових імпульсів, оскільки вони транспортуються натрієво-калієвою насосом. Натрій також бере участь у скороченні м’язів і в поглинанні поживних речовин через клітинну мембрану.

Решта вторинних біоелементів: молібден (Mo), фтор (F), хлор (Cl), йод (I) та мідь (Cu) відіграють важливу роль у багатьох фізіологічних реакціях. Однак він займає набагато меншу частку, ніж шість елементів, пояснених вище.

Список літератури

Егамі, Ф. (1974). Незначні елементи та еволюція. Журнал молекулярної еволюції, 4 (2), 113-120.
Хак, IW (1919). Біоелементи; Хімічні елементи живої матерії. Журнал загальної фізіології, 1 (4), 429
Kaim, W., & Rall, J. (1996). Мідь - "сучасний" біоелемент. Angewandte Chemie International Edition англійською мовою, 35 (1), 43-60.
Національні інститути охорони здоров'я. (2016). Магній: довідник для медичних працівників. Версія поточна, 27.
Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). Біоелементи, стихія та біогеохімічна ніша. Екологія, 100 (5), e02652
Скальний, А. В. (2014). Біоелементи та біоелементологія у фармакології та харчуванні: фундаментальні та практичні аспекти. У галузі фармакології та харчових втручань у лікуванні хвороб. IntechOpen.
Соліоз, М. (2018). Мідь - сучасний біоелемент. У міді та бактеріях (с. 1-9). Спрингер, Чам.
Всесвітня організація охорони здоров'я. (2015). Лист фактів: Сіль.

БІОЕЛЕМЕНТИ: КЛАСИФІКАЦІЯ (ПЕРВИННА ТА ВТОРИННА) - БІОЛОГІЯ - 2025