Примарни биоелементи у живој материји: шта су, врсте и кључне функције

Живот на планети је одређен скупом односа који показују изванредан проток информација и континуирану размену материје и енергије. материа Материја је све што има масу и заузима простор; састоји се од атома, који су најмање јединице које је чине. Жива бића, вода, звезде и све око нас састоје се од атома.

Разноликост хемијских елемената дат је разноврсношћу врста атомаСвака врста атома представља другачији хемијски елемент. Тренутно је познато више од стотину хемијских елемената, а традиционално је наведено 105 елемената, од којих се 84 јављају природно, а остали су синтетизовани у лабораторијама. Са биолошке тачке гледишта, суштина је да само неколико елемената Они масовно учествују у конституцији живих бића.

У саставу живе материје такође можемо пронаћи, најмање 70 стабилних хемијских елеменатаТо јест, већина елемената присутних у природи учествује у већој или мањој мери у биолошким процесима (осим, генерално, племенитих гасова). Међутим, не учествују сви у истој пропорцији.

Као што смо већ рекли, природа је састављена од материје, и сва жива материја је стога такође састављена од атома, који су заузврат организовани у елементе. Елементи који чине живу материју познати су као биоелементиОни се, пак, класификују према томе да ли су неопходни за живот: примарни биоелементи, секундарни биоелементи и елементи у траговима. У овом садржају ћемо се посебно фокусирати на примарни биоелементи у живој материјине занемарујући важност осталог.

Битни елементи за живот

Л примарни биоелементи То су есенцијални хемијски елементи присутни у живој материји, у ћелијама, ткивима, органима и системима који чине организме, од најједноставнијих до најсложенијих. Они представљају хемијско језгро живота јер чине органски биомолекули основни: угљени хидрати, липиди, протеини и нуклеинске киселине.

Приближно деведесет девет процената целокупне живе материје састоји се, углавном, од ћелија формираних од шест основних елемената: Угљеник (C), водоник (H), кисеоник (O), азот (N), фосфор (P) и сумпор (S)То су најзаступљенији елементи у живој материји који се налазе на површини Земље. Називају се примарним биоелементима јер чине суштински део основне или примарне конституције живих бића.

Разлог зашто ових шест елемената доминирају у живој материји лежи у њиховом посебна хемијска својстваИмају релативно мале атомске масе, што погодује формирању веома стабилне ковалентне везеали довољно свестран да се разгради и поново разложи у биохемијским реакцијама. Штавише, елементи попут кисеоника и азота су веома електронегативни и омогућавају формирање поларни молекули, растворљив у води, нешто што је неопходно за хемију живота.

Врсте биоелемената

У зависности од тога да ли чине део есенцијалног састава биомолекула живе материје, биоелементи се могу класификовати у три главне групе: примарни биоелементи, секундарни биоелементи и елементи у траговима.

Ова класификација је заснована на пропорцији у којој се налазе у живим бићима и у функцијама које обављају:

Примарни биоелементиОви елементи чине приближно 95% до 96% живе материје. То су угљеник (C), водоник (H), кисеоник (O), азот (N), фосфор (P) и сумпор (S). Они чине окосницу органских молекула.
Секундарни биоелементиНалазе се у мањим количинама, око 3% до 4%, али су присутни у свим живим бићима. Обично се јављају у јонском облику или као минералне соли. То укључује калцијум (Ca), магнезијум (Mg), натријум (Na), калијум (K) и хлор (Cl), између осталих.
Елементи у траговимаОви елементи се налазе у процентима испод 0,1%, али су неопходни за правилно функционисање тела. Неки примери су гвожђе (Fe), манган (Mn), бакар (Cu), цинк (Zn), флуор (F), јод (I), бор (B), силицијум (Si), кобалт (Co), селен (Se) и молибден (Mo).

Биоелементи, када се међусобно комбинују путем хемијских веза, доводе до биомолекулеТо су прави структурни и функционални градивни блокови живота. Дакле, из интеракције између ових атома настају вода, минералне соли, угљени хидрати, липиди, протеини и нуклеинске киселине.

Примарни биоелементи

То су сви биоелементи који су део суштински конститутив живе материјеОви елементи су неопходни за формирање органских биомолекула: протеина, угљених хидрата, липида и нуклеинских киселина. Они чине нето живу материју и то су: угљеник (C), водоник (H), кисеоник (O), азот (N), фосфор (P) и сумпор (S).

Његова најважнија својства, узета заједно, објашњавају његову централну улогу у биологији:

Јесте ниска атомска маса, што фаворизује формирање јаких и стабилних ковалентних веза.
Они могу поставити неколико истовремене ковалентне везе, олакшавајући формирање ланаца и сложених тродимензионалних структура.
Кисеоник и азот имају висок ниво кисеоника и азота. електронегативностомогућавајући појаву диполарних молекула и поларних веза које се растварају у води.
Њихова комбинација резултира огромна разноликост молекула са енергетским, структурним, регулаторним и резервним функцијама.

Улога сваког од ових примарних биоелемената у живој материји детаљно је описана у наставку.

угљеник (Ц)

Угљеник је неопходна основна компонента свих органских молекула. Појављује се у свим ланцима као скелет који даје облик и функцију органским биомолекулима. Сва органска једињења су формирана од угљеникових ланаца који формирају везе са другим елементима или једињењима.

Има четири електрона у својој најудаљенијој љусци и може да формира четири ковалентне везе са другим атомима угљеника или са другим елементима. Ова карактеристика му омогућава да формира дуге ланце атома (макромолекуле) и веома стабилне цикличне структуре. Ове везе могу бити једноструке, двоструке или троструке, што додатно повећава разноликост могућих структура.

Угљеник се такође може везати за различите функционалне групе или радикале формиране од других елемената (-H, =O, -OH, -NH2, -Ш, Х2PO4итд.), што омогућава формирање великог броја различитих молекула који учествују у мноштву хемијских реакција. Захваљујући томе, жива бића могу искористити огромну разноликост хемијских ресурса присутних у окружењу.

У простору, четири ковалентне везе угљеника формирају врхове тетраедар имагинарно. Овај геометријски распоред омогућава формирање сложених тродимензионалних структура, као што су оне које се налазе у плазма мембранама, многим протеинима и другим ћелијским органелама.

Угљеник је есенцијална компонента за животиње и биљке. Он је неопходан део молекула глукоза, угљени хидрат неопходан за ћелијско дисање; такође игра улогу у фотосинтеза, у облику угљен-диоксида (CO2)2Штавише, угљеник је присутан у још једном макромолекулу неопходном за живот: ДНК, која садржи генетске информације које свакој јединки дају њене карактеристике и које организам користи за репликацију и преношење тих информација на своје потомство.

Водоник (H)

Водоник, заједно са кисеоником, је есенцијална компонента органске материје. У ствари, органска материја се углавном дефинише као материја која се састоји првенствено од водоника. угљеник и водоникНа пример, у неким липидима се у њиховом саставу примећују само атоми угљеника и водоника, као што је случај са многим угљоводоницима попут нафте и њених деривата.

Једини електрон који има атом водоника Његова најспољашња љуска му омогућава да се лако веже са било којим од примарних биоелемената. Ковалентна веза која се формира између угљеника и водоника је довољно јака да буде стабилна, али не толико јака да спречи њено прекидање када је то потребно, што омогућава синтезу других молекула.

Молекули састављени само од водоника и угљеника су ковалентни неполарни (нерастворљив у води), својство које објашњава хидрофобно понашање многих липида и супстанци које резервишу енергију. Ова нерастворљивост је кључна за формирање липидни двослојеви у ћелијским мембранама, где угљоводонични део спречава слободан пролаз поларних супстанци.

Поред тога, водоник учествује у формирању водоничне везе када се везује за електронегативне елементе као што су кисеоник или азот. Ове водоничне везе имају мању енергију од ковалентне везе, али су фундаменталне за одржавање тродимензионалне структуре ДНК, многих протеина и мноштва биолошких молекула.

Кисеоник (O)

Кисеоник је, од свих примарних биоелемената, најзаступљенији електронегативанКада се ковалентно веже са водоником, снажно привлачи његов једини електрон, што резултира електрични стубовиСтога су радикали -OH, -CHO и -COOH поларни радикали. Када ови радикали замене неке водонике у ланцу угљеник-водоник, као у случају глукозе (C6H12O6), доводе до молекула растворљивих у поларним течностима као што је вода.

Због своје високе електронегативности, кисеоник има способност да привлаче електроне других атома. Овај процес укључује кидање веза и ослобађање великих количина енергије. Реакција угљеникових једињења са кисеоником, позната као аеробик дисањеОво је најчешћи и најефикаснији начин за већину живих бића да добију енергију. У овој општој реакцији, глукоза се потпуно оксидује:

C6H12O6 + 6О2 → 6ЦО2 + 6Х2O + енергија

Други начин за добијање енергије је ферментацијаОво је мање ефикасан процес који не захтева молекуларни кисеоник. Овај пут губи еколошки значај откако су алге и биљке, путем фотосинтезе, почеле да обогаћују примитивну атмосферу кисеоником, омогућавајући ширење аеробних организама.

Процеси оксидација биолошких једињења Ови процеси се углавном одвијају уклањањем атома водоника од атома угљеника. Кисеоник, будући да је електронегативнији, делује већом привлачном силом на електрон водоника него на електрон угљеника и успева да га уклони. Ово формира воду (водоник плус кисеоник) и ослобађа велику количину енергије коју живи организми користе.

Када атом угљеника престане да дели електрон са водоником и почне да дели мање електрона са кисеоником, он пролази кроз губитак електронаТо јест, оксидује се. Ова редокс динамика је основа многих метаболичких путева и производње АТП-а у митохондријама.

Азот (N)

Азот је елемент који чини веома висок проценат атмосфере (приближно 10%). КСНУМКС% сувог ваздуха). Штавише, то је суштинска компонента протеини и од нуклеинске киселине као што су ДНК и РНК, које су одговорне за преношење наследних особина са родитеља на потомство. ДНК је присутна у свим ћелијама тела, што подвлачи огроман значај азота за жива бића.

Генерално, гасовити азот (N2Већина организама не може директно да апсорбује азот, већ као део других једињења као што су нитрати, нитрити или амонијумова једињења. Пре него што га жива бића користе, атмосферски азот мора да прође кроз неколико фаза у оквиру тзв. циклус азота:

Амонификација, процес којим се органски азот (остаци живих бића или излучевине) трансформише у амонијак (NH₃)3) који је у воденом раствору у равнотежи са амонијум јоном (NH₄⁺)4⁺).
Нитрификација, који се састоји од оксидације амонијума (NH₄⁺)4⁺) до нитрита (NO2^-) а потом и до нитрата (NO₃)3^-) путем нитрификационих бактерија у земљишту.
Фиксација азота, процес кроз који атмосферски азот (N2Претвара се у азотна једињења као што је амонијум или органска једињења која могу да користе живи организми. Ова фиксација се углавном врши слободноживућим земљишним бактеријама или симбиотским бактеријама повезаним са кореном махунарки, а може се десити и путем електричних пражњења (муња).

Готово сав азот који алге и биљке уносе у живу материју апсорбује се у облику нитратни јон (NO₃⁻)3^-) или у облику амонијум јон (NH₄⁺)4⁺)Овај азот затим прелази у ланац исхране када животиње конзумирају биљна ткива или ткива других животиња.

Азот се налази у амино киселинеТо јест, у молекулима који чине протеине, формирајући амино групе (-NH2Такође је присутан у азотне базе нуклеинских киселина (аденин, гванин, цитозин, тимин и урацил). Иако је азот најзаступљенији гас у атмосфери, веома мало организама је у стању да га директно користи, тако да је улога бактерија које фиксирају азот кључна.

Азот има одличну способност за формирање једињења са водоником (NH₄⁺).3, НХ4⁺) као са кисеоником (NO2^-, НЕ3^-), што му омогућава да прелази из једног облика у други, ослобађајући енергију и учествујући у метаболичким процесима пренос енергије и електрона у ћелијама.

Сумпор (S)

Сумпор је елемент који је, као компонента одређених протеина, есенцијалних аминокиселина, витамина и важних хормона, неопходан и за људе и за животињеНалази се, на пример, у аминокиселинама цистеину и метионину. У облику сулфхидрил радикала (-SH), ове аминокиселине могу формирати јаке ковалентне везе једна са другом, назване дисулфидни мостови (-СС-)који одлучно доприносе одржавању тродимензионалне структуре многих структурних протеина, као што су колаген и кератин.

Сумпор представља приближно 0,25% телесне тежинеТо значи да просечно тело одрасле особе садржи око 170 г сумпораВећи део тога се налази у аминокиселинама и протеинима. Сумпор је компонента жучних киселина, неопходна за варење и апсорпцију масти и учествује у реакцијама детоксикацију у јетри.

Штавише, овај биоелемент помаже у одржавању коже, косе и ноктију Сумпор је неопходан за здрава ткива и игра виталну улогу у формирању и обнављању ткива. Обично се налази у поврћу као што су роткве и шаргарепа, и у животињским производима попут млека, сира, морских плодова и меса. Уравнотежена исхрана обезбеђује адекватан унос сумпора за подршку овим биолошким функцијама.

Фосфор (П)

Количина фосфора присутна у атмосфери је занемарљива. Највећи резервоар фосфора налази се у морски седименти и у фосфатним стенама Земљине коре. Земљиште представља, по редоследу важности, други највећи резервоар фосфора у природи. Због утицаја хемијско трошењеФосфати се ослобађају из минерала, растварају и транспортују површинским и подземним водама.

Део фосфата се таложи, углавном као калцијум-фосфат, а део доспева у мора, где се акумулирају велике количине фосфора, формирајући оно што се назива замке за фосфорЦиклус фосфора је стога релативно спор, али фундаменталан за екосистеме, јер овај елемент нема релевантну гасовиту фазу.

Фосфор, у облику органски фосфатОво је изузетно важно за живу материју, јер:

То је једна од компоненти нуклеинске киселине (РНК и ДНК), које чине генетски материјал организама.
Налази се као компонента аденозин трифосфат (АТП)што је готово универзални извор ћелијске енергије у живој материји. Енергија ослобођена у другим реакцијама, као што су оксидације при дисању, складишти се у везама између његових фосфатних група.
То је једна од компоненти фосфолипидиесенцијалне молекуле који формирају ћелијске мембране и скелетне структуре као што су кости и зуби код кичмењака.

Поред своје структурне и енергетске функције, фосфор учествује у регулацији ацидо-базна равнотежа тела, делујући као пуферски систем за одржавање стабилне pH вредности у унутрашњем окружењу. Типична исхрана обично обезбеђује потребне количине фосфора кроз млечне производе, месо, јаја, рибу, орашасте плодове и житарице.

Секундарни биоелементи и елементи у траговима

Иако је главни фокус овог садржаја на примарним биоелементима у живој материји, важно је разумети да без њих секундарни биоелементи и микроелементи Живот се такође не би могао одржати. Ови елементи, иако присутни у мањим количинама, неопходни су за широк спектар биолошких процеса.

Секундарни биоелементи

Секундарни биоелементи се налазе у мањим размерама од примарних биоелемента, али су присутни у свим живим бићима и, у многим случајевима, у јонском облику. Неки од најважнијих су:

Калцијум (Ца): веома заступљен у облику калцијум карбоната (CaCO₃)3) као компонента скелетних структура, као што су кости код кичмењака или љуштуре многих бескичмењака. У облику Ca јона2+ интервенише у процесима као што су контракције мишићау згрушавања крви и регулацију пропустљивости ћелијских мембрана.
Магнезијум (Мг)присутан у многим ензими и, посебно, у хлорофил, есенцијални пигмент фотосинтезе код биљака и алги.
Натријум (Na) и калијум (K)фундаментално за одржавање електрични поларитет са обе стране ћелијске мембране и за пренос нервних импулса. Регулишу равнотежу воде и осмотски баланс у ћелијама.
хлор (Цл)обично се налази у облику хлоридног јона (Cl-) и учествује у осмотској равнотежи и у формирању хлороводонична киселина желудачног сока, неопходног за варење.

Елементи у траговима

Елементи у траговима се налазе у малим количинама (мање од 0,1%), али њихово одсуство или неравнотежа могу изазвати озбиљне поремећаје. Неки од најзначајнијих су:

гвожђе (Фе)Део је протеина који преносе кисеоник, као што су хемоглобин и миоглобин, као и више цитохрома укључених у ћелијско дисање.
Бакар (Цу): компонента хемоцијанина, респираторног пигмента многих бескичмењака, и редокс ензима.
Јод (I)неопходан за синтезу тироксин, хормон штитне жлезде који регулише енергетски метаболизам.
Флуор (F): фундаментално за формирање Паста за зубеЊегов недостатак подстиче појаву каријеса.
Цинк (Zn), манган (Mn), кобалт (Co), селен (Se), молибден (Mo) и други: учествују као ензимски кофактори, регулишући више метаболичких путева и антиоксидативних процеса.

Од биоелемената до биомолекула

Када се биоелементи комбинују једни са другима кроз различите врсте хемијске везеОви процеси доводе до настанка биомолекула, који су основни градивни блокови ћелија и, самим тим, свих живих бића. Ови биомолекули могу бити организовани од веома једноставних нивоа до сложених тродимензионалних структура, чије савијање одређује њихову биолошку функцију.

У ћелијама, најважније хемијске везе су:

Ковалентне везеЈаке везе које првенствено држе заједно атоме угљеника у органским молекулима. Оне омогућавају формирање стабилних ланаца и прстенова.
Јонске везеОни се формирају између атома са супротним наелектрисањем (јона). У воденим срединама, као што је унутрашњост ћелија, слабији су него у чврстим супстанцама, али су кључни у феноменима молекуларног препознавања.
Водоничне везе и слабе силеОни одржавају секундарну и терцијарну структуру протеина и нуклеинских киселина и одређују својства као што су растворљивост и тачка топљења супстанци.

Биомолекули се генерално деле на неоргански (као што су вода и минералне соли) и органска (угљени хидрати, липиди, протеини и нуклеинске киселине). Потоње су углавном састављене од примарних биоелемената и одговорне су за основне функције живих бића.

Угљени хидрати

Угљени хидрати су веома распрострањени биомолекули, чија је основна јединица моносахариди (као што су глукоза и фруктоза). Имају сладак укус и обично су растворљиви у води. Када се два моносахарида споје, формирају се дисахариди као што су лактоза или сахароза; ако се много моносахарида споји, они формирају полисахариди као што су гликоген, скроб или целулоза.

Они првенствено испуњавају одређене функције енергична (гликоген код животиња и скроб код биљака) и структурне (целулоза у биљном зиду, полисахариди у ћелијској мембрани и окосница нуклеинских киселина у облику дезоксирибозе и рибозе шећера).

Липиди

Липиди чине веома хетерогену групу биомолекула, у основи хемијске природе. хидрофобниМогу бити састављени од дугих, једноставних угљоводоничних ланаца, као што су масне киселине, или имати сложеније структуре као што су воскови, триглицериди, фосфолипиди или стероиди (укључујући холестерол).

Генерално, они су нерастворљиви у води и обављају функције резерве енергије, оф топлотна изолација, механичке заштите и, пре свега, структурне, пошто су фосфолипиди есенцијалне компоненте ћелијских мембрана (липидни двослојеви).

Протеин

Протеини су састављени од мономера који се називају амино киселинекоји су распоређени у дугим ланцима. Постоји двадесет различитих аминокиселина које, комбиноване у различитим дужинама и секвенцама, дају огромну разноликост протеина. Ланац аминокиселина добија специфичну тродимензионалну структуру која му даје специфична функција.

Протеини обављају структурне (кератин, колаген, тубулин), транспортне (хемоглобин), хормонске (инсулин), контрактилне (актин, миозин), имунолошке (имуноглобулини), функције складиштења (албумин) и каталитичке (ензими), између осталог. Нагле промене температуре или pH вредности могу денатурисати њихову структуру, узрокујући да изгубе своју функцију.

Нуклеинске киселине

Нуклеинске киселине су органски биомолекули настали спајањем нуклеотидиСваки нуклеотид се састоји од шећера, фосфатне групе (која укључује фосфор) и азотне базе (која укључује угљеник и азот).

Постоје две главне врсте нуклеинских киселина:

ДНК (дезоксирибонуклеинска киселина), одговоран за чување наследних информација које се преносе с генерације на генерацију.
РНК (рибонуклеинска киселина), којих постоји неколико врста са функцијама везаним за синтезу протеина и регулацију експресије гена.

У оба случаја, примарни биоелементи (C, H, O, N, P) су основа њихове структуре, што поново истиче важност ових елемената у живој материји.

Живот се, дакле, ослања на мали скуп хемијских елемената способних да формирају стабилне, разноврсне и функционалне везе. Разумевање карактеристика ових елемената је кључно. примарни биоелементи у живој материји Омогућава нам да разумемо зашто су ћелије организоване онако како јесу, како се генетске информације чувају и преносе и како се добија и користи енергија потребна за одржавање виталних процеса.