BIOPIERWIASTKI: KLASYFIKACJA (PIERWOTNE I WTÓRNE) - BIOLOGIA - 2026

„ Bioelement ” to termin odnoszący się do głównych pierwiastków chemicznych, z których składają się istoty żywe. W niektórych klasyfikacjach są one podzielone na elementy podstawowe i drugorzędne.

Spośród 87 znanych pierwiastków chemicznych tylko 34 tworzą materię organiczną, a 17 z tych 34 jest naprawdę niezbędnych do życia. Ponadto z tych 17 podstawowych elementów pięć stanowi ponad 90% materii, z której składają się organizmy żywe.

Wskazano również układ okresowy pierwiastków, pierwotne i wtórne biopierwiastki (źródło: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

Sześć głównych pierwiastków w materii organicznej to wodór (H, 59%), tlen (O, 24%), węgiel (C, 11%), azot (N, 4%), fosfor (P, 1%) i siarki (S, 0,1 do 1%).

Te wartości procentowe odzwierciedlają liczbę atomów każdego pierwiastka w stosunku do całkowitej liczby atomów tworzących żywe komórki i są to tak zwane „pierwotne biopierwiastki”.

Biopierwiastki wtórne występują w znacznie mniejszej ilości i są to potas (K), magnez (Mg), żelazo (Fe), wapń (Ca), molibden (Mo), fluor (F), chlor ( Cl), sód (Na), jod (I), miedź (Cu) i cynk (Zn).

Elementy drugorzędne są zwykle kofaktorami w reakcjach katalitycznych i uczestniczą w wielu procesach biochemicznych i fizjologicznych właściwych komórkom organizmów.

Pierwotne biopierwiastki

Atomy węgla, wodoru i tlenu stanowią podstawę strukturalną cząsteczek tworzących materię organiczną, a azot, fosfor i siarka oddziałują z różnymi biomolekułami, wywołując reakcje chemiczne.

Wodór

Wodór jest pierwiastkiem chemicznym występującym w postaci gazowej w temperaturze pokojowej (25ºC), może występować w stanie stałym lub ciekłym w temperaturze pokojowej tylko wtedy, gdy jest związany z innymi cząsteczkami.

Uważa się, że atomy wodoru były jednymi z pierwszych atomów tworzących wczesny wszechświat. Rozważane teorie sugerują, że protony zawarte w jądrze atomów wodoru zaczęły łączyć się z elektronami innych pierwiastków, tworząc bardziej złożone cząsteczki.

Wodór może łączyć się chemicznie z prawie każdym innym pierwiastkiem, tworząc cząsteczki, wśród których są woda, węglowodany, węglowodory itp.

Pierwiastek ten jest odpowiedzialny za tworzenie wiązań zwanych „wiązaniami wodorowymi”, jednego z najważniejszych oddziaływań słabych dla biocząsteczek i głównej siły odpowiedzialnej za utrzymanie trójwymiarowej struktury białek i kwasów nukleinowych.

Węgiel

Węgiel tworzy jądro wielu biomolekuł. Jego atomy mogą łączyć się kowalencyjnie z czterema innymi atomami różnych pierwiastków chemicznych, a także ze sobą, tworząc strukturę wysoce złożonych cząsteczek.

Węgiel, wraz z wodorem, jest jednym z pierwiastków chemicznych, które mogą tworzyć największą liczbę różnych związków chemicznych. Do tego stopnia, że ​​wszystkie substancje i związki sklasyfikowane jako „organiczne” zawierają atomy węgla w swojej głównej strukturze.

Ogólna struktura aminokwasu (źródło: User: Ppfk via Wikimedia Commons)

Do głównych cząsteczek węgla istot żywych należą między innymi węglowodany (cukry lub sacharydy), białka i ich aminokwasy, kwasy nukleinowe (DNA i RNA), lipidy i kwasy tłuszczowe.

Tlen

Tlen jest pierwiastkiem gazowym i występuje w największej ilości w całej skorupie ziemskiej. Występuje w wielu składnikach organicznych i nieorganicznych oraz tworzy związki z prawie wszystkimi pierwiastkami chemicznymi.

Odpowiada za utlenianie związków chemicznych i spalanie, które są jednocześnie różnymi formami utleniania. Tlen jest pierwiastkiem bardzo elektroujemnym, wchodzi w skład cząsteczki wody i bierze udział w procesie oddychania dużej części istot żywych.

Reaktywne formy tlenu są odpowiedzialne za stres oksydacyjny wewnątrz komórek. Bardzo często obserwuje się uszkodzenia powodowane przez związki utleniające makrocząsteczki wewnątrz komórki, ponieważ zaburzają one równowagę redukującego wnętrza komórek.

Azot

Azot jest również głównie gazowy i stanowi około 78% atmosfery ziemskiej. Jest ważnym elementem w żywieniu roślin i zwierząt.

U zwierząt azot jest podstawową częścią aminokwasów, które z kolei są budulcem białek. Białka budują tkanki, a wiele z nich ma niezbędną aktywność enzymatyczną, aby przyspieszyć wiele ważnych reakcji komórek.

Azot jest podstawową częścią zasad azotowych, które tworzą kwasy nukleinowe, takie jak DNA i RNA (źródło: File: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * translation: Sponk via Wikimedia Commons)

Azot występuje w azotowych zasadach DNA i RNA, cząsteczkach niezbędnych do przekazywania informacji genetycznej z rodziców na potomstwo oraz do prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych jako układów komórkowych.

Mecz

Najbardziej rozpowszechnioną w przyrodzie formą tego pierwiastka są stałe fosforany w żyznych glebach, rzekach i jeziorach. Jest ważnym pierwiastkiem dla funkcjonowania zwierząt i roślin, ale także bakterii, grzybów, pierwotniaków i wszystkich istot żywych.

U zwierząt fosfor występuje w dużych ilościach we wszystkich kościach w postaci fosforanu wapnia.

Fosfor jest niezbędny do życia, ponieważ jest także pierwiastkiem wchodzącym w skład DNA, RNA, ATP i fosfolipidów (podstawowych składników błon komórkowych).

Ten biopierwiastek zawsze bierze udział w reakcjach przenoszenia energii, ponieważ tworzy związki o bardzo energetycznych wiązaniach, których hydroliza służy do poruszania różnych układów komórkowych.

Siarka

Siarka występuje powszechnie w postaci siarczków i siarczanów. Występuje szczególnie w obszarach wulkanicznych i występuje w resztach aminokwasowych cysteiny i metioniny.

W białkach atomy siarki cysteiny tworzą bardzo silne oddziaływanie wewnątrz- lub międzycząsteczkowe, znane jako „mostek dwusiarczkowy”, który jest niezbędny do tworzenia drugorzędowej, trzeciorzędowej i czwartorzędowej struktury białek komórkowych.

Koenzym A, metaboliczny półprodukt o różnorodnych funkcjach, ma w swojej strukturze atom siarki.

Pierwiastek ten ma również fundamentalne znaczenie w strukturze wielu kofaktorów enzymatycznych, które uczestniczą w różnych ważnych szlakach metabolicznych.

Biopierwiastki wtórne

Jak wspomniano powyżej, biopierwiastkami wtórnymi są te, które występują w mniejszej proporcji niż pierwotne, a najważniejsze to potas, magnez, żelazo, wapń, sód i cynk.

Wtórne biopierwiastki lub pierwiastki śladowe biorą udział w wielu procesach fizjologicznych roślin, w fotosyntezie, oddychaniu, w komórkowej równowadze jonowej wakuoli i chloroplastów, w transporcie węglowodanów do łyka itp.

Odnosi się to również do zwierząt i innych organizmów, w których te pierwiastki, mniej lub bardziej zbędne i występujące w mniejszych ilościach, są częścią wielu kofaktorów niezbędnych do funkcjonowania całej maszynerii komórkowej.

Żelazo

Żelazo jest jednym z najważniejszych biopierwiastków wtórnych, ponieważ bierze udział w wielu zjawiskach energetycznych. Jest to bardzo ważne w naturalnych reakcjach redukcji tlenków.

Na przykład u ssaków żelazo jest istotną częścią hemoglobiny, białka odpowiedzialnego za transport tlenu we krwi w erytrocytach lub krwinkach czerwonych.

W komórkach roślinnych pierwiastek ten jest również częścią niektórych pigmentów, takich jak chlorofil, niezbędny w procesach fotosyntezy. Wchodzi w skład cząsteczek cytochromu, niezbędnych również do oddychania.

Cynk

Naukowcy uważają, że cynk był jednym z kluczowych elementów pojawiania się organizmów eukariotycznych miliony lat temu, ponieważ wiele białek wiążących DNA do replikacji, które tworzyły „prymitywne eukarioty”, wykorzystywało cynk jako motyw Unii.

Przykładem tego typu białka są palce cynkowe, które biorą udział w transkrypcji genów, translacji białek, metabolizmie i składaniu białek itp.

Wapń

Wapń jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych minerałów na Ziemi; u większości zwierząt tworzy zęby i kości w postaci hydroksyfosforanu wapnia. Pierwiastek ten jest niezbędny do skurczu mięśni, przekazywania impulsów nerwowych i krzepnięcia krwi.

Magnez

Najwięcej magnezu w przyrodzie występuje w postaci stałej w połączeniu z innymi pierwiastkami, nie tylko w stanie wolnym. Magnez jest kofaktorem dla ponad 300 różnych układów enzymatycznych u ssaków.

Reakcje, w których bierze udział, obejmują syntezę białek, ruchliwość mięśni i funkcję nerwów, aż po regulację poziomu glukozy we krwi i ciśnienia krwi. Magnez jest niezbędny do produkcji energii w organizmach żywych, do fosforylacji oksydacyjnej i glikolizy.

Przyczynia się również do rozwoju kości i jest niezbędny do syntezy między innymi DNA, RNA, glutationu.

Sód i potas

Są to dwa bardzo obfite jony we wnętrzu komórki, a zmiany ich wewnętrznego i zewnętrznego stężenia, a także ich transport, są czynnikami determinującymi wiele procesów fizjologicznych.

Potas jest najbardziej rozpowszechnionym wewnątrzkomórkowym kationem, utrzymuje objętość cieczy wewnątrz komórki i transbłonowe gradienty elektrochemiczne.

Zarówno sód, jak i potas aktywnie uczestniczą w przekazywaniu impulsów nerwowych, ponieważ są transportowane przez pompę sodowo-potasową. Sód bierze również udział w skurczach mięśni i wchłanianiu składników odżywczych przez błonę komórkową.

Pozostałe biopierwiastki wtórne: molibden (Mo), fluor (F), chlor (Cl), jod (I) i miedź (Cu) odgrywają ważną rolę w wielu reakcjach fizjologicznych. Jednak są one potrzebne w znacznie mniejszej proporcji niż sześć elementów opisanych powyżej.

Bibliografia

1. Egami, F. (1974). Drobne elementy i ewolucja. Journal of Molecular evolution, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). Biopierwiastki; Pierwiastki chemiczne materii żywej. The Journal of general physiology, 1 (4), 429
3. Kaim, W. i Rall, J. (1996). Miedź - „nowoczesny” biopierwiastek. Angewandte Chemie International Edition w języku angielskim, 35 (1), 43-60.
4. Narodowy Instytut Zdrowia. (2016). Magnez: zestawienie informacji dla pracowników służby zdrowia. Wersja aktualna, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). Biopierwiastki, elementom i nisza biogeochemiczna. Ekologia, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bioelementy i bioelementology in Pharmacology and Nutrition: Fundamental and Practical Aspects. W farmakologii i interwencji żywieniowej w leczeniu chorób. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Miedź - nowoczesny biopierwiastek. W Copper and Bacteria (str. 1-9). Springer, Cham.
8. Światowa Organizacja Zdrowia. (2015). Arkusz informacyjny: Sól.