Основни биоелементи в живата материя: какво представляват, видове и ключови функции

Животът на Земята се определя от набор от взаимовръзки, които демонстрират изключителен поток от информация и непрекъснат обмен на материя и енергия. Материята е всичко, което има маса и заема пространство; тя е съставена от атоми, които са нейните най-малки съставни единици. Живите същества, водата, звездите и всичко около нас са съставени от атоми.

Разнообразието от химични елементи произтича от разнообразието от атомни типове . Всеки тип атом представлява различен химичен елемент. В момента са известни повече от сто химични елемента, въпреки че традиционно се посочват 105 елемента, от които 84 се срещат естествено, а останалите са синтезирани в лаборатории. От биологична гледна точка, същественото е, че само няколко елемента участват масово в състава на живите същества.

В състава на живата материя можем да открием и поне 70 стабилни химични елемента ; т.е. повечето от елементите, присъстващи в природата, участват в по-голяма или по-малка степен в биологичните процеси (с изключение, като цяло, на благородните газове). Не всички от тях обаче участват в еднакво съотношение.

Както вече казахме, природата е съставена от материя и следователно цялата жива материя е съставена и от атоми, които от своя страна са организирани в елементи. Елементите, които изграждат живата материя, са известни като биоелементи . Те от своя страна се класифицират според това дали са от съществено значение за живота на: първични биоелементи, вторични биоелементи и микроелементи. В това съдържание ще се съсредоточим специално върху първичните биоелементи в живата материя , без да пренебрегваме значението на останалите.

Основни елементи за живота

Първичните биоелементи са основните химични елементи, присъстващи в живата материя, в клетките, тъканите, органите и системите, които изграждат организмите от най-простите до най-сложните. Те представляват химическото ядро на живота, защото формират фундаменталните органични биомолекули : въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини.

Приблизително 99 процента от цялата жива материя е съставена предимно от клетки, съставени от шест основни елемента: въглерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сяра (S) . Това са най-разпространените елементи в живата материя, открити на земната повърхност. Те се наричат първични биоелементи, защото формират съществена част от основната или първична конституция на живите същества.

Причината тези шест елемента да доминират в живата материя се крие в техните специфични химични свойства . Те имат относително малки атомни маси, което благоприятства образуването на много стабилни ковалентни връзки , но същевременно достатъчно гъвкави, за да се разкъсват и преобразуват в биохимични реакции. Освен това, елементи като кислород и азот са силно електроотрицателни, което позволява образуването на полярни молекули, разтворими във вода – от съществено значение за химията на живота.

Видове биоелементи

В зависимост от това дали са част от основната съставка на биомолекулите на живата материя, биоелементите могат да бъдат класифицирани в три основни групи: първични биоелементи, вторични биоелементи и микроелементи.

Тази класификация се основава на съотношението, в което се срещат в живите същества, и на функциите, които изпълняват:

Първични биоелементиТези елементи съставляват приблизително 95% до 96% от живата материя. Те са въглерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сяра (S). Те формират гръбнака на органичните молекули.
Вторични биоелементиТе се срещат в по-малки количества, около 3% до 4%, но присъстват във всички живи същества. Обикновено се появяват в йонна форма или като минерални соли. Те включват калций (Ca), магнезий (Mg), натрий (Na), калий (K) и хлор (Cl), наред с други.
МикроелементиТези елементи се срещат в проценти под 0,1%, но са от съществено значение за правилното функциониране на организма. Някои примери са желязо (Fe), манган (Mn), мед (Cu), цинк (Zn), флуор (F), йод (I), бор (B), силиций (Si), кобалт (Co), селен (Se) и молибден (Mo).

Биоелементите, когато се комбинират чрез химични връзки, дават началото на биомолекули , истинските структурни и функционални градивни елементи на живота. По този начин, от взаимодействието между тези атоми възникват вода, минерални соли, въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини.

Първични биоелементи

Това са всички биоелементи, които са част от основната съставка на живата материя , тъй като са незаменими за образуването на органични биомолекули: протеини, въглехидрати, липиди и нуклеинови киселини. Те съставляват нетната жива материя и са: въглерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сяра (S).

Най-важните му свойства, взети заедно, обясняват централната му роля в биологията:

те имат ниска атомна маса, което благоприятства образуването на силни и стабилни ковалентни връзки.
Те могат да зададат няколко едновременни ковалентни връзки, улеснявайки образуването на вериги и сложни триизмерни структури.
Кислородът и азотът имат високи нива на кислород и азот. електроотрицателностпозволявайки появата на диполярни молекули и полярни връзки, които се разтварят във вода.
Тяхната комбинация води до огромно разнообразие от молекули с енергийни, структурни, регулаторни и резервни функции.

Ролята на всеки от тези основни биоелементи в живата материя е описана подробно по-долу.

Въглерод (C)

Въглеродът е основният градивен елемент на всички органични молекули. Той се появява във всички вериги като гръбнак, който придава форма и функция на органичните биомолекули. Всички органични съединения са изградени от въглеродни вериги, които образуват връзки с други елементи или съединения.

Той има четири електрона в най-външната си обвивка и може да образува четири ковалентни връзки с други въглеродни атоми или с други елементи. Тази характеристика му позволява да образува дълги вериги от атоми (макромолекули) и много стабилни циклични структури. Тези връзки могат да бъдат единични, двойни или тройни, което допълнително увеличава разнообразието от възможни структури.

Въглеродът може също да се свързва с различни функционални групи или радикали, образувани от други елементи (-H, =O, -OH, -NH₂ , -SH, H₂PO₄ и др. ) , което позволява образуването на голям брой различни молекули, които участват в множество химични реакции. Благодарение на това живите организми могат да използват огромното разнообразие от химични ресурси, присъстващи в тяхната среда.

В пространството четирите ковалентни връзки на въглерода образуват върховете на въображаем тетраедър . Тази геометрична подредба позволява образуването на сложни триизмерни структури, като тези, открити в плазмените мембрани, много протеини и други клетъчни органели.

Въглеродът е съществен компонент за животните и растенията. Той е незаменима част от молекулата на глюкозата , основен въглехидрат за клетъчното дишане; той също така играе роля във фотосинтезата под формата на въглероден диоксид (CO2 ) . Освен това, въглеродът присъства в друга макромолекула, важна за живота: ДНК , която съдържа генетичната информация, придаваща на всеки индивид неговите уникални характеристики и която организмът използва, за да репликира и предаде тази информация на своето потомство.

Водород (H)

Водородът, заедно с кислорода, е съществен компонент на органичната материя. Всъщност, органичната материя се определя до голяма степен като материя, съставена предимно от въглерод и водород . Някои липиди, например, са съставени само от въглеродни и водородни атоми, какъвто е случаят с много въглеводороди, като например петрола и неговите производни.

Единственият електрон в най-външната обвивка на водородния атом му позволява лесно да се свърже с всеки от основните биоелементи. Ковалентната връзка, образувана между въглерод и водород, е достатъчно силна, за да бъде стабилна, но не толкова силна, че да предотврати разкъсването ѝ, когато е необходимо, като по този начин се даде възможност за синтез на други молекули.

Молекулите, съставени единствено от водород и въглерод, са с неполярни ковалентни връзки (неразтворими във вода), свойство, което обяснява хидрофобното поведение на много липиди и вещества, запасяващи енергия. Тази неразтворимост е ключова за образуването на липидни бислоеве в клетъчните мембрани, където въглеводородният компонент предотвратява свободното преминаване на полярни вещества.

Освен това, водородът участва в образуването на водородни връзки, когато се свързва с електроотрицателни елементи като кислород или азот. Тези водородни връзки имат по-ниска енергия от ковалентната връзка, но са от съществено значение за поддържането на триизмерната структура на ДНК, много протеини и множество други биологични молекули.

Кислород (O)

От всички първични биоелементи, кислородът е най- електроотрицателният . Когато се свързва ковалентно с водород, той силно привлича единствения си електрон, създавайки електрически полюси . Следователно, радикалите -OH, -CHO и -COOH са полярни радикали. Когато тези радикали заместват някои водородни атоми във въглерод- водородната верига, както в случая с глюкозата (C6H12O6 ) , те образуват молекули, разтворими в полярни течности като вода.

Поради високата си електроотрицателност, кислородът има способността да привлича електрони от други атоми. Този процес води до разкъсване на връзки и освобождаване на големи количества енергия. Реакцията на въглеродните съединения с кислорода, известна като аеробно дишане , е най-разпространеният и ефикасен начин за повечето живи организми да получават енергия. В тази обща реакция глюкозата се окислява напълно:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + енергия

Другият начин за получаване на енергия е чрез ферментация , по-малко ефективен процес, който не изисква молекулярен кислород. Този път губи екологично значение, откакто водораслите и растенията, чрез фотосинтеза, започнаха да обогатяват примитивната атмосфера с кислород, което направи възможно разширяването на аеробните организми.

Процесите на окисление на биологичните съединения се осъществяват до голяма степен чрез отстраняване на водородни атоми от въглеродните атоми. Кислородът, бидейки по-електроотрицателен, упражнява по-голяма привличаща сила върху водородния електрон, отколкото върху въглеродния електрон, като по този начин го отстранява. Това образува вода (водород плюс кислород) и освобождава голямо количество енергия, която живите организми използват.

Когато въглеродният атом спре да споделя електрон с водорода и започне да споделя по-малко електрони с кислорода, той губи електрони ; тоест, той се окислява. Тази редокс динамика е в основата на много метаболитни пътища и производството на АТФ в митохондриите.

Азот (N)

Азотът е елемент, който съставлява много висок процент от атмосферата (приблизително 78% от сухия въздух). Освен това, той е съществен компонент на протеини и нуклеинови киселини като ДНК и РНК, които са отговорни за предаването на наследствени черти от родителите на потомството. ДНК присъства във всички клетки на тялото, което подчертава огромното значение на азота за живите организми.

Обикновено газообразният азот (N₂ ) не може да се абсорбира директно от повечето организми, а по-скоро като част от други съединения, като нитрати, нитрити или амониеви съединения. Преди да бъде използван от живите същества, атмосферният азот трябва да премине през няколко етапа в рамките на така наречения азотен цикъл :

Амонификация, процес, чрез който органичният азот (останки от живи същества или екскременти) се трансформира в амоняк (NH₃)3), който във воден разтвор е в равновесие с амониевия йон (NH₄⁺)4⁺).
Нитрификация, който се състои от окислението на амоний (NH₄⁺)4⁺) до нитрити (NO2^-) и впоследствие до нитрат (NO₃)3^-) чрез нитрифициращи бактерии в почвата.
Фиксация на азот, процес, чрез който атмосферният азот (N2Той се преобразува в азотни съединения като амоний или органични съединения, използваеми от живите организми. Това фиксиране се осъществява главно от свободноживеещи почвени бактерии или симбиотични бактерии, свързани с корените на бобовите растения, и може да се случи и чрез електрически разряди (мълнии).

Почти целият азот, въведен в живата материя от водораслите и растенията, се абсорбира под формата на ^{нитратни} йони (NO3- ) или амониеви йони (NH4 + ⁾ . Този азот след това преминава в хранителната верига, когато животните консумират растителни или други животински тъкани.

Азотът се съдържа в аминокиселините , молекулите, които изграждат протеините, образувайки аминогрупи (-NH₂ ) . Той присъства и в азотните бази на нуклеиновите киселини (аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил). Въпреки че азотът е най-разпространеният газ в атмосферата, много малко организми са способни да го използват директно, което прави ролята на азотфиксиращите бактерии решаваща.

Азотът има голяма способност да образува съединения както с водород (NH3 , NH4 + ⁾ , така и с кислород (NO2- , NO3- ) ^, което му позволява да преминава от една форма в друга, освобождавайки енергия и участвайки в метаболитните процеси на ^{енергия}и електронен трансфер в клетките.

Сяра (S)

Сярата е елемент, който като компонент на някои протеини, есенциални аминокиселини, витамини и важни хормони е от съществено значение както за хората, така и за животните . Тя се среща например в аминокиселините цистеин и метионин. Под формата на сулфхидрилна група (-SH), тези аминокиселини могат да образуват силни ковалентни връзки помежду си, наречени дисулфидни мостове (-SS-) , които играят решаваща роля в поддържането на триизмерната структура на много структурни протеини, като колаген и кератин.

Сярата съставлява приблизително 0,25% от телесното тегло ; това означава, че средностатистическият възрастен човек съдържа около 170 г сяра , голяма част от която се намира в аминокиселините и протеините. Сярата е компонент на жлъчните киселини, от съществено значение за храносмилането и усвояването на мазнините, и участва в реакциите на детоксикация в черния дроб.

Освен това, този биоелемент помага за поддържането на здрава кожа, коса и нокти и играе основна роля във формирането и възстановяването на тъканите. Сярата обикновено се среща в зеленчуци като репички и моркови, както и в животински продукти като мляко, сирене, морски дарове и месо. Балансираната диета осигурява адекватен прием на сяра за подпомагане на тези биологични функции.

Фосфор (P)

Количеството фосфор, присъстващо в атмосферата, е незначително. Най-големият резервоар на фосфор се намира в морските седименти и фосфатните скали в земната кора. Почвите представляват, по ред на важност, втория по големина естествен резервоар на фосфор. Чрез химическо изветряне фосфатите се освобождават от минерала, разтварят се и се транспортират чрез повърхностните и подземните води.

Част от фосфата се утаява, предимно като калциев фосфат, докато друга част достига океаните, където се натрупват големи количества фосфор, образувайки така наречените фосфорни капани . Следователно цикълът на фосфора е сравнително бавен, но е от съществено значение за екосистемите, тъй като този елемент няма значителна газообразна фаза.

Фосфорът, под формата на органичен фосфат , е изключително важен за живата материя, защото:

Това е един от компонентите на нуклеинови киселини (РНК и ДНК), които съставляват генетичния материал на организмите.
Намира се като компонент на аденозин трифосфат (АТФ)който е почти универсален източник на клетъчна енергия в живата материя. Енергията, освободена при други реакции, като окисленията при дишане, се съхранява във връзките между неговите фосфатни групи.
Това е един от компонентите на фосфолипидиосновни молекули, които образуват клетъчните мембрани, и скелетни структури като кости и зъби при гръбначните животни.

В допълнение към структурните и енергоосигуряващите си функции, фосфорът играе роля в регулирането на киселинно-алкалния баланс на организма , действайки като буферна система за поддържане на стабилно pH във вътрешната среда. Типичната диета обикновено осигурява необходимите количества фосфор чрез млечни продукти, месо, яйца, риба, ядки и зърнени храни.

Вторични биоелементи и микроелементи

Въпреки че основният фокус на това съдържание е върху първичните биоелементи в живата материя, важно е да се разбере, че животът не би могъл да се поддържа без вторични биоелементи и микроелементи . Тези елементи, макар и присъстващи в по-малки количества, са от съществено значение за широк спектър от биологични процеси.

Вторични биоелементи

Вторичните биоелементи се срещат в по-малки пропорции от първичните биоелементи, но те присъстват във всички живи същества и в много случаи в йонна форма. Някои от най-важните са:

Калций (Ca): много изобилен под формата на калциев карбонат (CaCO₃)3) като компонент на скелетните структури, като костите при гръбначните или черупките на много безгръбначни. Под формата на калциев йон2+ намесва се в процеси като мускулна контракция, The съсирване на кръвта и регулирането на пропускливостта на клетъчната мембрана.
Магнезий (Mg): присъства в много ензими и, по-специално, в хлорофил, основният пигмент на фотосинтезата в растенията и водораслите.
Натрий (Na) и калий (K)фундаментални за поддържането на електрическа полярност от двете страни на клетъчната мембрана и за предаване на нервните импулси. Те регулират водния и осмотичния баланс в клетките.
Хлор (Cl)обикновено се среща под формата на хлориден йон (Cl-) и участва в осмотичния баланс и във формирането на солна киселина на стомашен сок, необходим за храносмилането.

Микроелементи

Микроелементите се срещат в минимални количества (по-малко от 0,1%), но тяхната липса или дисбаланс може да причини сериозни нарушения. Някои от най-забележителните са:

желязо (Fe)Той е част от кислородопренасящите протеини, като хемоглобин и миоглобин, както и от множество цитохроми, участващи в клетъчното дишане.
Мед (Cu)компонент на хемоцианина, дихателен пигмент на много безгръбначни, и на редокс ензими.
Йод (I): от съществено значение за синтеза на тироксин, тироиден хормон, който регулира енергийния метаболизъм.
Флуор (F): фундаментално за формирането на зъбен емайлНеговият дефицит насърчава появата на кариеси.
Цинк (Zn), манган (Mn), кобалт (Co), селен (Se), молибден (Mo) и други: те участват като ензимни кофактори, регулирайки множество метаболитни пътища и антиоксидантни процеси.

От биоелементи до биомолекули

Когато биоелементите се комбинират помежду си чрез различни видове химични връзки , те пораждат биомолекули, които са основните съставки на клетките и следователно на всички живи същества. Тези биомолекули могат да бъдат организирани от много прости нива до сложни триизмерни структури, чието сгъване определя тяхната биологична функция.

В клетките най-важните химични връзки са:

Ковалентни връзкиСилни връзки, които държат заедно предимно въглеродните атоми в органичните молекули. Те позволяват образуването на стабилни вериги и пръстени.
Йонни връзкиТе се образуват между атоми с противоположни заряди (йони). Във водни среди, като например вътрешността на клетките, те са по-слаби, отколкото в твърди вещества, но са от решаващо значение за явленията на молекулярно разпознаване.
Водородни връзки и слаби силиТе поддържат вторичната и третичната структура на протеините и нуклеиновите киселини и определят свойства като разтворимостта и точката на топене на веществата.

Биомолекулите обикновено се разделят на неорганични (като вода и минерални соли) и органични (въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини). Последните са съставени главно от първични биоелементи и са отговорни за основните функции на живите организми.

Въглехидрати

Въглехидратите са много разпространени биомолекули, чиято основна единица е монозахаридът (като глюкоза и фруктоза). Те имат сладък вкус и обикновено са разтворими във вода. Когато два монозахарида се съединят, те образуват дизахариди като лактоза или захароза; ако се съединят много монозахариди, те образуват полизахариди като гликоген, нишесте или целулоза.

Те изпълняват главно енергийни функции (гликоген при животните и нишесте при растенията) и структурни функции (целулоза в растителната стена, полизахариди в клетъчната мембрана и скелета на нуклеиновите киселини под формата на дезоксирибоза и рибоза).

Липиди

Липидите представляват много хетерогенна група биомолекули, фундаментално хидрофобни по природа . Те могат да бъдат образувани от дълги, прости въглеводородни вериги, като мастни киселини, или да имат по-сложни структури като восъци, триглицериди, фосфолипиди или стероиди (включително холестерол).

Като цяло, те са неразтворими във вода и изпълняват функции на енергиен резерв , топлоизолация , механична защита и най-вече структурни функции , тъй като фосфолипидите са основни компоненти на клетъчните мембрани (липидни бислоеве).

протеин

Протеините са изградени от мономери, наречени аминокиселини , които са подредени в дълги вериги. Има двадесет различни аминокиселини, които, комбинирани с различна дължина и последователност, водят до огромно разнообразие от протеини. Веригата на аминокиселините придобива специфична триизмерна структура, която ѝ придава специфична функция.

Протеините изпълняват структурни (кератин, колаген, тубулин), транспортни (хемоглобин), хормонални (инсулин), контрактилни (актин, миозин), имунологични (имуноглобулини), складиращи (албумин) и каталитични (ензими) функции, наред с много други. Внезапните промени в температурата или pH могат да денатурират структурата им, което води до загуба на функцията им.

Нуклеинова киселина

Нуклеиновите киселини са органични биомолекули, образувани от съединението на нуклеотиди . Всеки нуклеотид е съставен от захар, фосфатна група (включваща фосфор) и азотна основа (включваща въглерод и азот).

Има два основни вида нуклеинови киселини:

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина), отговорен за съхраняването на наследствената информация, която се предава от поколение на поколение.
РНК (рибонуклеинова киселина), от които има няколко вида с функции, свързани със синтеза на протеини и регулирането на генната експресия.

И в двата случая, основните биоелементи (C, H, O, N, P) са основата на тяхната структура, което отново подчертава значението на тези елементи в живата материя.

Следователно животът разчита на малък набор от химични елементи, способни да образуват стабилни, гъвкави и функционални връзки. Разбирането на характеристиките на основните биоелементи в живата материя ни позволява да разберем защо клетките са организирани по начина, по който са, как се съхранява и предава генетичната информация и как се получава и използва енергията, необходима за поддържане на жизненоважни процеси.