Primære bioelementer i levende materie: hva de er, typer og nøkkelfunksjoner

Livet på planeten er bestemt av et sett med forhold som demonstrerer en ekstraordinær flyt av informasjon og en kontinuerlig utveksling av materie og energi. saken Materie er alt som har masse og opptar rom; det er bygd opp av atomer, som er de minste enhetene som utgjør det. Levende vesener, vann, stjerner og alt rundt oss er bygd opp av atomer.

Mangfoldet av kjemiske elementer er gitt av mangfoldet av typer atomerHver atomtype utgjør et annet kjemisk element. For tiden er mer enn hundre kjemiske elementer kjent, og tradisjonelt har 105 elementer blitt nevnt, hvorav 84 forekommer naturlig og resten har blitt syntetisert i laboratorier. Fra et biologisk synspunkt er det viktigste poenget at bare noen få elementer De deltar massivt i dannelsen av levende vesener.

I den levende materie sin konstitusjon kan vi også finne, minst 70 stabile kjemiske elementerDet vil si at de fleste elementene som finnes i naturen deltar i større eller mindre grad i biologiske prosesser (unntatt generelt edelgassene). Imidlertid ikke alle deltar i samme andel.

Som vi allerede har sagt, er naturen bygd opp av materie, og all levende materie er derfor også bygd opp av atomer, som igjen er organisert i grunnstoffer. Grunnstoffene som utgjør levende materie er kjent som bioelementerDisse klassifiseres igjen etter om de er essensielle for liv eller ikke: primære bioelementer, sekundære bioelementer og sporelementer. I dette innholdet vil vi fokusere spesielt på primære bioelementer i levende materieuten å overse viktigheten av resten.

Viktige elementer for livet

den primære bioelementer Dette er de essensielle kjemiske elementene som finnes i levende materie, i cellene, vevene, organene og systemene som utgjør organismer, fra de enkleste til de mest komplekse. De representerer den kjemiske kjernen i livet fordi de danner organiske biomolekyler grunnleggende: karbohydrater, lipider, proteiner og nukleinsyrer.

Omtrent nittini prosent av alt levende materiale består for det meste av celler dannet av seks grunnleggende elementer: Karbon (C), hydrogen (H), oksygen (O), nitrogen (N), fosfor (P) og svovel (S)Dette er de mest forekommende grunnstoffene i levende materie som finnes på jordoverflaten. De kalles primære bioelementer fordi de utgjør en essensiell del av den grunnleggende eller primære konstitusjonen til levende vesener.

Grunnen til at disse seks elementene dominerer i levende materie ligger i deres spesielle kjemiske egenskaperDe har relativt små atommasser, noe som favoriserer dannelsen av svært stabile kovalente bindingermen allsidige nok til å brytes ned og omformes i biokjemiske reaksjoner. Dessuten er elementer som oksygen og nitrogen svært elektronegative og tillater dannelsen av polare molekyler, løselig i vann, noe som er essensielt for livets kjemi.

Typer bioelementer

Avhengig av om de er en del av den essensielle sammensetningen av biomolekylene i levende materie, kan bioelementer klassifiseres i tre hovedgrupper: primære bioelementer, sekundære bioelementer og sporelementer.

Denne klassifiseringen er basert på andelen de finnes i i levende vesener og i funksjonene de utfører:

• Primære bioelementerDisse elementene utgjør omtrent 95 % til 96 % av levende materie. De er karbon (C), hydrogen (H), oksygen (O), nitrogen (N), fosfor (P) og svovel (S). De danner ryggraden i organiske molekyler.
• Sekundære bioelementerDisse finnes i mindre mengder, rundt 3 % til 4 %, men er tilstede i alle levende ting. De forekommer vanligvis i ionisk form eller som mineralsalter. Disse inkluderer blant annet kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), kalium (K) og klor (Cl).
• SporstofferDisse elementene finnes i prosenter under 0,1 %, men er essensielle for at kroppen skal fungere ordentlig. Noen eksempler er jern (Fe), mangan (Mn), kobber (Cu), sink (Zn), fluor (F), jod (I), bor (B), silisium (Si), kobolt (Co), selen (Se) og molybden (Mo).

Bioelementer, når de kombineres med hverandre gjennom kjemiske bindinger, gir opphav til biomolekylerDette er de sanne strukturelle og funksjonelle byggesteinene i livet. Dermed oppstår vann, mineralsalter, karbohydrater, lipider, proteiner og nukleinsyrer fra samspillet mellom disse atomene.

Primære bioelementer

Dette er alle bioelementene som er en del av essensiell konstitusjon av levende materieDisse elementene er essensielle for dannelsen av organiske biomolekyler: proteiner, karbohydrater, lipider og nukleinsyrer. De utgjør netto levende materie og er: karbon (C), hydrogen (H), oksygen (O), nitrogen (N), fosfor (P) og svovel (S).

Dens viktigste egenskaper, samlet sett, forklarer dens sentrale rolle i biologien:

• de har lav atommasse, som favoriserer dannelsen av sterke og stabile kovalente bindinger.
• De kan sette flere samtidige kovalente bindinger, noe som letter dannelsen av kjeder og komplekse tredimensjonale strukturer.
• Oksygen og nitrogen har høye nivåer av oksygen og nitrogen. elektronegativitetslik at det oppstår dipolare molekyler og polare bindinger som løses opp i vann.
• Kombinasjonen deres resulterer i en enormt mangfold av molekyler med energi-, struktur-, regulatoriske og reservefunksjoner.

Rollen til hvert av disse primære bioelementene i levende materie er beskrevet i detalj nedenfor.

Karbon (C)

Karbon er essensiell grunnleggende komponent av alle organiske molekyler. Den opptrer i alle kjeder som skjelettet som gir form og funksjon til organiske biomolekyler. Alle organiske forbindelser dannes av karbonkjeder som danner bindinger med andre elementer eller forbindelser.

Den har fire elektroner i sitt ytterste skall og kan danne fire kovalente bindinger med andre karbonatomer eller med andre elementer. Denne egenskapen gjør at den kan danne lange kjeder av atomer (makromolekyler) og svært stabile sykliske strukturer. Disse bindingene kan være enkle, doble eller trippel, noe som ytterligere øker mangfoldet av mulige strukturer.

Karbon kan også binde seg til forskjellige funksjonelle grupper eller radikaler dannet av andre elementer (-H, =O, -OH, -NH2, -SH, H2PO4osv.), som muliggjør dannelsen av et stort antall forskjellige molekyler som deltar i en rekke kjemiske reaksjoner. Takket være dette kan levende vesener dra nytte av det enorme mangfoldet av kjemiske ressurser som finnes i miljøet.

I rommet danner de fire kovalente bindingene til karbon hjørnene til en tetraeder imaginær. Denne geometriske ordningen tillater dannelsen av komplekse tredimensjonale strukturer, slik som de som finnes i plasmamembraner, mange proteiner og andre celleorganeller.

Karbon er en essensiell komponent for dyr og planter. Det er en uunnværlig del av molekylet til glukose, et karbohydrat som er essensielt for cellulær respirasjon; det spiller også en rolle i fotosyntese, i form av karbondioksid (CO2)2Videre er karbon tilstede i et annet makromolekyl som er essensielt for liv: DNA, som inneholder den genetiske informasjonen som gir hvert individ sine egne egenskaper, og som organismen bruker til å replikere og overføre denne informasjonen til sine avkom.

Hydrogen (H)

Hydrogen, sammen med oksygen, er en essensiell komponent i organisk materiale. Faktisk er organisk materiale i stor grad definert som materiale som hovedsakelig består av hydrogen. karbon og hydrogenI noen lipider observeres for eksempel bare karbon- og hydrogenatomer i deres sammensetning, som i mange hydrokarboner som petroleum og dets derivater.

Det eneste elektronet som har hydrogenatom Det ytterste skallet gjør at den enkelt kan binde seg til alle de primære bioelementene. Den kovalente bindingen som dannes mellom karbon og hydrogen er sterk nok til å være stabil, men ikke så sterk at den hindrer at den brytes når det er nødvendig, og dermed tillater syntese av andre molekyler.

Molekyler som kun består av hydrogen og karbon er kovalente upolar (uløselig i vann), en egenskap som forklarer den hydrofobe oppførselen til mange lipider og energireservestoffer. Denne uløseligheten er nøkkelen til dannelsen av lipid-dobbeltlag i cellemembraner, hvor hydrokarbondelen hindrer fri passasje av polare stoffer.

I tillegg deltar hydrogen i dannelsen av hydrogenbindinger når den binder seg til elektronegative elementer som oksygen eller nitrogen. Disse hydrogenbindingene har mindre energi enn en kovalent binding, men de er grunnleggende for å opprettholde den tredimensjonale strukturen til DNA, mange proteiner og en rekke biologiske molekyler.

Oksygen (O)

Oksygen er, av alle de primære bioelementene, det viktigste elektronegativNår den binder seg kovalent med hydrogen, tiltrekker den seg sterkt sitt enkeltelektron, noe som resulterer i elektriske stolperDerfor er -OH-, -CHO- og -COOH-radikalene polare radikaler. Når disse radikalene erstatter noen hydrogenatomer i karbon-hydrogenkjeden, som i tilfellet med glukose (C6H12O6), gir opphav til molekyler som er løselige i polare væsker som vann.

På grunn av sin høye elektronegativitet har oksygen evnen til å tiltrekker elektroner av andre atomer. Denne prosessen innebærer brudd på bindinger og frigjøring av store mengder energi. Reaksjonen mellom karbonforbindelser og oksygen, kjent som aerobisk respirasjonDette er den vanligste og mest effektive måten for de fleste levende ting å skaffe energi på. I denne generelle reaksjonen oksideres glukose fullstendig:

C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6 t2O + energi

Den andre måten å få energi på er gjæringDette er en mindre effektiv prosess som ikke krever molekylært oksygen. Denne prosessen har mistet økologisk relevans siden alger og planter, gjennom fotosyntese, begynte å berike den primitive atmosfæren med oksygen, noe som gjorde ekspansjonen av aerobe organismer mulig.

Prosessene til oksidasjon av biologiske forbindelser Disse prosessene utføres i stor grad ved fjerning av hydrogenatomer fra karbonatomer. Oksygen, som er mer elektronegativt, utøver en større tiltrekningskraft på hydrogenelektronet enn på karbonelektronet, og klarer å fjerne det. Dette danner vann (hydrogen pluss oksygen) og frigjør en stor mengde energi som levende organismer utnytter.

Når karbonatomet slutter å dele et elektron med hydrogen og begynner å dele færre elektroner med oksygen, gjennomgår det en tap av elektronerDet vil si at det oksideres. Denne redoksdynamikken er grunnlaget for mange metabolske veier og for ATP-produksjon i mitokondriene.

Nitrogen (N)

Nitrogen er et grunnstoff som utgjør en svært høy andel av atmosfæren (omtrent 10 %). 78% av tørr luft). Videre er det en viktig del av proteiner og av nukleinsyrer som DNA og RNA, som er ansvarlige for å overføre arvelige egenskaper fra foreldre til avkom. DNA finnes i alle kroppens celler, noe som understreker den enorme betydningen av nitrogen for levende vesener.

Vanligvis gassformig nitrogen (N2Nitrogen kan ikke absorberes direkte av de fleste organismer, men snarere som en del av andre forbindelser som nitrater, nitritter eller ammoniumforbindelser. Før det kan brukes av levende vesener, må atmosfærisk nitrogen gå gjennom flere stadier innenfor den såkalte syklus av nitrogen:

• Ammonifisering, prosess der organisk nitrogen (rester av levende vesener eller ekskrementer) omdannes til ammoniakk (NH₃)3) som i vandig løsning er i likevekt med ammoniumionet (NH₄⁺)4⁺).
• Nitrifikasjon, som består av oksidasjon av ammonium (NH₄⁺)4⁺) til nitritt (NO2^-) og deretter til nitrat (NO₃)3^-) gjennom nitrifiserende bakterier i jorden.
• Nitrogenfiksering, prosess der atmosfærisk nitrogen (N2Det omdannes til nitrogenforbindelser som ammonium eller organiske forbindelser som kan brukes av levende organismer. Denne fikseringen utføres hovedsakelig av frittlevende jordbakterier eller symbiotiske bakterier assosiert med røttene til belgfrukter, og kan også skje gjennom elektriske utladninger (lyn).

Nesten alt nitrogenet som innlemmes i levende stoffer av alger og planter absorberes i form av nitration (NO₃⁻)3^-) eller i form av ammoniumion (NH₄⁺)4⁺)Dette nitrogenet går deretter over i næringskjeden når dyr spiser plantevev eller vev fra andre dyr.

Nitrogen finnes i aminosyrerDet vil si at i molekylene som utgjør proteiner, dannes aminogrupper (-NH2Den er også tilstede i nitrogenholdige baser av nukleinsyrer (adenin, guanin, cytosin, tymin og uracil). Selv om nitrogen er den mest forekommende gassen i atmosfæren, er det svært få organismer som kan bruke den direkte, så rollen til nitrogenfikserende bakterier er avgjørende.

Nitrogen har en utmerket evne til å danne forbindelser med hydrogen (NH₄⁺).3, N.H.4⁺) som med oksygen (NO2^-, NEI3^-), som gjør at den kan endre seg fra en form til en annen, frigjøre energi og delta i metabolske prosesser av energi og elektronoverføring i cellene.

Svovel (S)

Svovel er et grunnstoff som, som en bestanddel av visse proteiner, essensielle aminosyrer, vitaminer og viktige hormoner, er viktig for både mennesker og dyrDet finnes for eksempel i aminosyrene cystein og metionin. I form av et sulfhydrylradikal (-SH) kan disse aminosyrene danne sterke kovalente bindinger med hverandre, kalt disulfidbroer (-SS-)som bidrar avgjørende til å opprettholde den tredimensjonale strukturen til mange strukturelle proteiner, som kollagen og keratin.

Svovel representerer omtrent 0,25 % av kroppsvektenDette betyr at en gjennomsnittlig voksen kropp inneholder rundt 170 g svovelMye av dette finnes i aminosyrer og proteiner. Svovel er en komponent i gallesyrer, essensielt for fordøyelsen og absorpsjonen av fett, og deltar i reaksjoner av avgiftning i leveren.

Videre bidrar dette bioelementet til å opprettholde hud, hår og negler Svovel er viktig for sunt vev og spiller en viktig rolle i vevsdannelse og -reparasjon. Det finnes ofte i grønnsaker som reddiker og gulrøtter, og i animalske produkter som melk, ost, sjømat og kjøtt. Et balansert kosthold sikrer et tilstrekkelig inntak av svovel for å støtte disse biologiske funksjonene.

Fosfor (P)

Mengden fosfor som finnes i atmosfæren er ubetydelig. Det største fosforreservoaret finnes i marine sedimenter og i fosfatbergartene i jordskorpen. Jordsmonn utgjør, i viktighetsrekkefølge, det nest største reservoaret av fosfor i naturen. På grunn av effekten av kjemisk forvitringFosfater frigjøres fra mineralet, løses opp og transporteres av overflatevann og grunnvann.

Noe av fosfatet faller ut, hovedsakelig som kalsiumfosfat, og noe når havet, hvor store mengder fosfor akkumuleres og danner det som kalles fosforfellerFosforsyklusen er derfor relativt langsom, men grunnleggende for økosystemer, siden dette elementet ikke har noen relevant gassfase.

Fosfor, i form av organisk fosfatDette er ekstremt viktig for levende materie, fordi:

• Det er en av komponentene i nukleinsyrer (RNA og DNA), som utgjør organismenes genetiske materiale.
• Den finnes som en komponent av adenosintrifosfat (ATP)som er en nesten universell kilde til cellulær energi i levende materie. Energien som frigjøres i andre reaksjoner, som oksidasjoner ved respirasjon, lagres i bindingene mellom fosfatgruppene.
• Det er en av komponentene i fosfolipideressensielle molekyler som danner cellemembraner, og skjelettstrukturer som bein og tenner hos virveldyr.

I tillegg til sin strukturelle og energetiske funksjon, deltar fosfor i reguleringen av syre-base balanse i kroppen, og fungerer som et buffersystem for å opprettholde en stabil pH i det indre miljøet. Et typisk kosthold gir vanligvis de nødvendige mengdene fosfor gjennom meieriprodukter, kjøtt, egg, fisk, nøtter og frokostblandinger.

Sekundære bioelementer og sporelementer

Selv om hovedfokuset i dette innholdet er på de primære bioelementene i levende materie, er det viktig å forstå at uten dem sekundære bioelementer og sporstoffer Livet kunne heller ikke opprettholdes. Disse elementene, selv om de finnes i mindre mengder, er essensielle for en rekke biologiske prosesser.

Sekundære bioelementer

Sekundære bioelementer finnes i mindre mengder enn primære bioelementer, men de er tilstede i alle levende ting, og i mange tilfeller i ionisk form. Noen av de viktigste er:

• Kalsium (Ca)svært rikelig i form av kalsiumkarbonat (CaCO₃)3) som en komponent i skjelettstrukturer, som bein hos virveldyr eller skallene til mange virvelløse dyr. I form av Ca-ioner2+ griper inn i prosesser som muskelsammentrekningden blodpropp og reguleringen av cellemembranens permeabilitet.
• Magnesium (Mg): finnes i mange enzymer og, spesielt, i klorofyll, det essensielle pigmentet for fotosyntese i planter og alger.
• Natrium (Na) og kalium (K)grunnleggende for vedlikehold av elektrisk polaritet på begge sider av cellemembranen og for overføring av nerveimpulser. De regulerer vann- og osmotisk balanse i cellene.
• Klor (Cl)finnes vanligvis i form av kloridioner (Cl-) og deltar i osmotisk balanse og i dannelsen av saltsyre av magesaft, som er viktig for fordøyelsen.

Sporstoffer

Sporstoffer finnes i ørsmå mengder (mindre enn 0,1 %), men fravær eller ubalanse kan forårsake alvorlige lidelser. Noen av de mest bemerkelsesverdige er:

• Jern (Fe)Det er en del av oksygenbærende proteiner som hemoglobin og myoglobin, samt flere cytokromer involvert i cellulær respirasjon.
• Kobber (Cu)komponent av hemocyanin, et respirasjonspigment hos mange virvelløse dyr, og av redoksenzymer.
• Jod (I): essensielt for syntesen av tyroksin, skjoldbruskkjertelhormon som regulerer energimetabolismen.
• Fluor (F): grunnleggende for dannelsen av tannkremMangelen på den fremmer forekomsten av hull.
• Sink (Zn), mangan (Mn), kobolt (Co), selen (Se), molybden (Mo) og andre: de deltar som enzymatiske kofaktorer, og regulerer flere metabolske veier og antioksidantprosesser.

Fra bioelementer til biomolekyler

Når bioelementer kombineres med hverandre gjennom forskjellige typer kjemiske bindingerDisse prosessene gir opphav til biomolekyler, som er de grunnleggende byggesteinene i celler og dermed i alle levende ting. Disse biomolekylene kan organiseres fra svært enkle nivåer til komplekse tredimensjonale strukturer, hvis folding bestemmer deres biologiske funksjon.

I celler er de viktigste kjemiske bindingene:

• Kovalente bindingerSterke bindinger som hovedsakelig holder sammen karbonatomer i organiske molekyler. De tillater dannelse av stabile kjeder og ringer.
• Joniske bindingerDe dannes mellom atomer med motsatte ladninger (ioner). I vandige medier, som for eksempel det indre av celler, er de svakere enn i faste stoffer, men de er avgjørende i molekylære gjenkjenningsfenomener.
• Hydrogenbindinger og svake krefterDe opprettholder den sekundære og tertiære strukturen til proteiner og nukleinsyrer og bestemmer egenskaper som løselighet og smeltepunkt for stoffer.

Biomolekyler er vanligvis delt inn i uorganisk (som vann og mineralsalter) og organisk (karbohydrater, lipider, proteiner og nukleinsyrer). Sistnevnte består hovedsakelig av primære bioelementer og er ansvarlige for de essensielle funksjonene til levende vesener.

Karbohydrater

Karbohydrater er svært rikelig forekommende biomolekyler, hvis grunnleggende enhet er monosakkarider (som glukose og fruktose). De har en søt smak og er vanligvis løselige i vann. Når to monosakkarider bindes sammen, danner de disakkarider slik som laktose eller sukrose; hvis mange monosakkarider kobles sammen, danner de polysakkarider som for eksempel glykogen, stivelse eller cellulose.

De utfører primært visse funksjoner energisk (glykogen hos dyr og stivelse hos planter) og strukturell (cellulose i planteveggen, polysakkarider i cellemembranen og ryggraden i nukleinsyrer i form av deoksyribose og ribosesukker).

Lipider

Lipider utgjør en svært heterogen gruppe biomolekyler, fundamentalt av kjemisk natur. hydrofobDe kan bestå av lange, enkle hydrokarbonkjeder, som fettsyrer, eller ha mer komplekse strukturer som voks, triglyserider, fosfolipider eller steroider (inkludert kolesterol).

Generelt er de uløselige i vann og utfører funksjonene til energireserve, av termisk isolasjon, av mekanisk beskyttelse og, fremfor alt, strukturell, siden fosfolipider er essensielle komponenter i cellemembraner (lipid-dobbeltlag).

protein

Proteiner er bygd opp av monomerer som kalles aminosyrersom er ordnet i lange kjeder. Det finnes tjue forskjellige aminosyrer som, kombinert i varierende lengder og sekvenser, gir opphav til et enormt mangfold av proteiner. Aminosyrekjeden får en spesifikk tredimensjonal struktur som gir den en spesifikk funksjon.

Proteiner utfører strukturelle (keratin, kollagen, tubulin), transport (hemoglobin), hormonelle (insulin), kontraktile (aktin, myosin), immunologiske (immunoglobuliner), lagrings- (albumin) og katalytiske (enzymer) funksjoner, blant mange andre. Plutselige endringer i temperatur eller pH kan denaturere strukturen deres, noe som fører til at de mister funksjonen sin.

Nukleinsyrer

Nukleinsyrer er organiske biomolekyler som dannes ved forening av nukleotiderHvert nukleotid er sammensatt av et sukker, en fosfatgruppe (som involverer fosfor) og en nitrogenholdig base (som involverer karbon og nitrogen).

Det finnes to hovedtyper av nukleinsyrer:

• DNA (deoksyribonukleinsyre), ansvarlig for å lagre arvelig informasjon som overføres fra generasjon til generasjon.
• RNA (ribonukleinsyre), hvorav det finnes flere typer med funksjoner relatert til proteinsyntese og regulering av genuttrykk.

I begge tilfeller er de primære bioelementene (C, H, O, N, P) grunnlaget for strukturen deres, noe som igjen fremhever viktigheten av disse elementene i levende materie.

Livet er derfor avhengig av et lite sett med kjemiske elementer som er i stand til å danne stabile, allsidige og funksjonelle bindinger. Det er avgjørende å forstå egenskapene til disse elementene. primære bioelementer i levende materie Det lar oss forstå hvorfor celler er organisert som de er, hvordan genetisk informasjon lagres og overføres, og hvordan energien som trengs for å opprettholde vitale prosesser innhentes og brukes.