אלמנטים ביולוגיים: סיווג (ראשוני ומשני) - ביולוגיה - 2025

" ביואלמנט " הוא מונח המשמש להתייחס ליסודות הכימיים העיקריים המרכיבים יצורים חיים. בכמה סיווגים, אלה מחולקים ליסודות ראשוניים ואלמנטים משניים.

מבין 87 היסודות הכימיים הידועים, רק 34 מרכיבים חומר אורגני, ו -17 מתוך 34 אלה ידועים כחיוניים באמת לכל החיים. בנוסף, מתוך 17 יסודות חיוניים אלה, חמישה מהווים יותר מ- 90% מהחומר המרכיב אורגניזמים חיים.

הטבלה המחזורית של האלמנטים, האלמנטים הביולוגיים הראשוניים והמשניים מצויינים גם הם (מקור: Alejandro Porto דרך Wikimedia Commons)

ששת היסודות העיקריים בחומר אורגני הם מימן (H, 59%), חמצן (O, 24%), פחמן (C, 11%), חנקן (N, 4%), זרחן (P, 1%) וגופרית (S, 0.1 עד 1%).

אחוזים אלה משקפים את מספר האטומים של כל אחד מהיסודות ביחס למספר האטומים הכולל תאים חיים וזה מה שמכונה "ביו-יסודות ראשוניים".

האלמנטים הביולוגיים המשניים נמצאים בשיעור קטן בהרבה והם אשלגן (K), מגנזיום (מג), ברזל (Fe), סידן (Ca), מוליבדן (Mo), פלואור (F), כלור ( Cl), נתרן (Na), יוד (I), נחושת (Cu) ואבץ (Zn).

אלמנטים משניים הם בדרך כלל קופקטורים בתגובות קטליטיות ומשתתפים ברבים מתהליכים ביוכימיים ופיזיולוגיים הטמונים בתאי האורגניזמים.

אלמנטים ביולוגיים ראשוניים

אטומי פחמן, מימן וחמצן הם הבסיס המבני של המולקולות המרכיבות חומר אורגני, בינתיים חנקן, זרחן וגופרית מתקשרים עם ביומולקולות שונות כדי לעורר תגובות כימיות.

מֵימָן

מימן הוא יסוד כימי הקיים בצורת גזים בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס), הוא יכול להתקיים רק במצב מוצק או נוזלי בטמפרטורת החדר כאשר הוא קשור למולקולות אחרות.

אטומי מימן נחשבים בין האטומים הראשונים המרכיבים את היקום המוקדם. התיאוריות המטופלות מציעות כי הפרוטונים הכלולים בגרעין אטומי מימן החלו להתחבר לאלקטרונים של יסודות אחרים ליצירת מולקולות מורכבות יותר.

מימן יכול להשתלב כימית כמעט עם כל מרכיב אחר ליצירת מולקולות, ביניהן מים, פחמימות, פחמימנים וכו '.

אלמנט זה אחראי להיווצרותם של קשרים המכונים "קשרי מימן", אחד האינטראקציות החלשות החשובות ביותר עבור ביומולקולות והכוח העיקרי האחראי לשמירה על המבנים התלת מימדיים של חלבונים וחומצות גרעין.

פַּחמָן

הפחמן מהווה את הגרעין של ביו-מולקולות רבות. האטומים שלו יכולים להשתלב בצורה קוולנטית עם ארבעה אטומים אחרים של אלמנטים כימיים שונים וגם עם עצמם ליצירת מבנה של מולקולות מורכבות ביותר.

פחמן, יחד עם מימן, הם אחד היסודות הכימיים שיכולים ליצור את המספר הגדול ביותר של תרכובות כימיות שונות. עד כדי כך שכל החומרים והתרכובות המסווגים כ"אורגניים "מכילים אטומי פחמן במבנה העיקרי שלהם.

מבנה כללי של חומצת אמינו (מקור: משתמש: Ppfk דרך ויקימדיה Commons)

בין מולקולות הפחמן העיקריות של יצורים חיים ניתן למצוא פחמימות (סוכרים או סכרידים), חלבונים וחומצות האמינו שלהם, חומצות גרעין (DNA ו- RNA), ליפידים וחומצות שומן, בין היתר.

חַמצָן

חמצן הוא יסוד גזי והוא השכיח ביותר בקרום כדור הארץ כולו. זה קיים ברכיבים אורגניים ואורגניים רבים ויוצר תרכובות עם כמעט כל היסודות הכימיים.

זה אחראי על חמצון של תרכובות כימיות ובעירה, שהן גם צורות שונות של חמצון. חמצן הוא מרכיב מאוד אלקטרוני, הוא חלק ממולקולת המים ומשתתף בתהליך הנשימה של חלק גדול מהיצורים החיים.

מיני חמצן תגוביים אחראים ללחץ חמצוני בתאים. מקובל מאוד לראות את הנזק שנגרם על ידי תרכובות חמצוניות למקרומולקולות שבתא, מכיוון שהן אינן מאזנות את פנים התאים המצמצמים.

חַנקָן

החנקן הוא גם בעיקר גזי, ומהווה כ 78% מהאטמוספרה של כדור הארץ. זהו מרכיב חשוב בתזונה של צמחים ובעלי חיים.

אצל בעלי חיים, חנקן הוא חלק מהותי מחומצות האמינו, אשר בתורו הן אבני הבניין לחלבונים. חלבונים מבנים רקמות ולרבים מהם יש את הפעילות האנזימטית הנחוצה כדי להאיץ רבים מהתגובות החיוניות לתאים.

חנקן הוא חלק מהיסוד בבסיסים החנקניים המרכיבים חומצות גרעין כמו DNA ו- RNA (מקור: קובץ: Difference DNA RNA-DE.svg: תרגום ספונק / *: Sponk באמצעות Wikimedia Commons)

חנקן קיים בבסיסים החנקניים של DNA ו- RNA, מולקולות חיוניות להעברת מידע גנטי מהורים לצאצאים ולתפקוד תקין של אורגניזמים חיים כמערכות סלולריות.

התאמה

הצורה השופעת ביותר של יסוד זה בטבע היא כמו פוספטים מוצקים בקרקעות פוריות, נהרות ואגמים. זהו מרכיב חשוב לתפקודם של בעלי חיים וצמחים, אך גם של חיידקים, פטריות, פרוטוזואה וכל היצורים החיים.

אצל בעלי חיים, זרחן נמצא בשפע בכל העצמות בצורה של סידן פוספט.

זרחן חיוני לכל החיים, מכיוון שהוא גם יסוד שהוא חלק מ- DNA, RNA, ATP ופוספוליפידים (רכיבים בסיסיים של קרומי התא).

ביאלמנט זה מעורב תמיד בתגובות העברת אנרגיה, מכיוון שהוא יוצר תרכובות בעלות קשרים אנרגטיים מאוד, שההידרוליזה שלהן משמשת להזזת מערכות סלולריות שונות.

גוֹפרִית

גופרית נפוצה בדרך כלל בצורה של סולפידים וגופרים. הוא נפוץ במיוחד באזורים געשיים ונמצא בשאריות חומצות האמינו ציסטאין ומתיונין.

בחלבונים, אטומי הגופרית של ציסטאין יוצרים אינטראקציה בין-מולקולרית חזקה מאוד המכונה "גשר הדיסולפיד", החיוני ליצירת המבנה המשני, השלילי והרבעוני של חלבונים תאיים.

לקו-אנזים A, חומר ביניים מטבולי עם מגוון רחב של פונקציות, יש אטום גופרית במבנהו.

אלמנט זה הוא גם בסיסי במבנה של קופקטורים אנזימטיים רבים המשתתפים במסלולי מטבוליות חשובים שונים.

ביאלמנטים משניים

כאמור לעיל, הבי-אלמנטים המשניים הם אלו שנמצאים בשיעור נמוך יותר מהראשונים והחשובים שבהם הם אשלגן, מגנזיום, ברזל, סידן, נתרן ואבץ.

אלמנטים ביולוגיים משניים או יסודות קורט מעורבים ברבים מהתהליכים הפיזיולוגיים של צמחים, בפוטוסינתזה, בהנשמה, באיזון היוני הסלולרי של הוווואול והכלורופלסטים, בהובלת פחמימות לפלואם וכו '.

זה נכון גם לגבי בעלי חיים ואורגניזמים אחרים, שבהם אלמנטים אלה, פחות או יותר הניתנים לחלוקה ופחות בשפע, הם חלק מסופקטורים רבים הנחוצים לתפקוד כל המכונות הסלולריות.

בַּרזֶל

ברזל הוא אחד הבי-אלמנטים המשניים החשובים ביותר מכיוון שיש לו פונקציות בתופעות אנרגיה מרובות. זה חשוב מאוד בתגובות להפחתת תחמוצות טבעיות.

אצל יונקים, למשל, ברזל הוא חלק חיוני מההמוגלובין, החלבון האחראי להובלת חמצן בדם בתוך אריתרוציטים או כדוריות דם אדומות.

בתאי צמחים אלמנט זה הוא גם חלק מכמה פיגמנטים כמו כלורופיל, החיוניים לתהליכים פוטוסינתטיים. זהו חלק ממולקולות הציטוכרום, חיוני גם לנשימה.

אָבָץ

מדענים חושבים שאבץ היה אחד המרכיבים העיקריים בהופעתם של אורגניזמים אוקריוטים לפני מיליוני שנים, מכיוון שרבים מהחלבונים הקשורים ל- DNA לשכפול שהרכיבו את "האוקריוטים הפרימיטיביים" השתמשו באבץ כמוטיב של האיחוד.

דוגמא לסוג חלבון זה הם אצבעות אבץ, המעורבות בתמלול גנים, תרגום חלבונים, חילוף חומרים והרכבת חלבונים וכו '.

סִידָן

סידן הוא אחד המינרלים השכיחים ביותר בכדור הארץ. ברוב בעלי החיים זה מהווה שיניים ועצמות בצורה של סידן הידרוקסי-פוספט. אלמנט זה חיוני להתכווצות שרירים, העברת דחפים עצביים וקרישת דם.

מגנזיום

החלק הגבוה ביותר של מגנזיום בטבע נמצא בצורה מוצקה בשילוב עם אלמנטים אחרים, הוא לא נמצא רק במצב החופשי. מגנזיום הוא קופקטור ליותר מ- 300 מערכות אנזימים שונים ביונקים.

התגובות בהן הוא משתתף נע בין סינתזת חלבון, ניידות שרירים ותפקוד העצבים, ועד לוויסות רמות הגלוקוז בדם ולחץ הדם. מגנזיום נחוץ לייצור אנרגיה באורגניזמים חיים, לזרחן חמצוני וגליקוליזה.

זה גם תורם להתפתחות העצמות והכרחי לסינתזה של DNA, RNA, גלוטתיון, בין היתר.

נתרן ואשלגן

הם שני יונים בשפע מאוד בפנים התא ושונות בריכוז הפנימי והחיצוני שלהם, כמו גם התעבורה שלהם, הם הקובעים גורמים לתהליכים פיזיולוגיים רבים.

אשלגן הוא הקטיון התוך-תאי הנפוץ ביותר, הוא שומר על נפח הנוזל בתוך התא ועל הדרגתיות האלקטרוכימיות הטרנסמברוניות.

גם נתרן וגם אשלגן מעורבים באופן פעיל בהעברת דחפים עצביים, מכיוון שהם מועברים על ידי משאבת האשלגן. נתרן משתתף גם בהתכווצות שרירים ובספיגת חומרים מזינים דרך קרום התא.

שאר האלמנטים הביולוגיים המשניים: מוליבדן (מו), פלואור (F), כלור (Cl), יוד (I) ונחושת (Cu) ממלאים תפקידים חשובים בתגובות פיזיולוגיות רבות. עם זאת, הם נדרשים בפרופורציה קטנה בהרבה מששת האלמנטים שהוסברו לעיל.

הפניות

1. Egami, F. (1974). אלמנטים קלים ואבולוציה. כתב העת להתפתחות מולקולרית, 4 (2), 113-120.
2. האך, אי.יו. (1919). אלמנטים ביולוגיים; המרכיבים הכימיים של החומר החי. כתב העת לפיזיולוגיה כללית, 1 (4), 429
3. Kaim, W., & Rall, J. (1996). נחושת - ביואלמנט "מודרני". המהדורה הבינלאומית Angewandte Chemie באנגלית, 35 (1), 43-60.
4. המכונים הלאומיים לבריאות. (2016). מגנזיום: גיליון עובדות לאנשי מקצוע בתחום הבריאות. הגרסה הנוכחית, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M., … & Sardans, J. (2019). האלמנטים הביולוגיים, האלמנטום והנישה הביוגיוכימית. אקולוגיה, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). אלמנטים ביולוגיים וביואלמנטולוגיה בפרמקולוגיה ותזונה: היבטים בסיסיים ומעשיים. בפרמקולוגיה ובהתערבות תזונתית בטיפול במחלות. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). נחושת - ביואלמנט מודרני. בנחושת ובקטריה (עמ '1-9). שפרינגר, צ'אם.
8. ארגון הבריאות העולמי. (2015). גיליון עובדות: מלח.