Biologiczne znaczenie pierwiastków

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Makroelementy[edytuj]

 Osobny artykuł: Makroelementy.

Mianem makroelementów (makrominerałów, makroskładników, pierwiastków głównych, makropierwiastków) określa się pierwiastki, których zawartość w danym środowisku (także organizmie) jest stosunkowo duża. Ponieważ między różnymi typami środowisk i grupami organizmów występują pod tym względem różnice, różnie określane są wartości graniczne wyróżniania makroelementów. Różna jest też ich lista. Szczególnie duże różnice występują między przyrodą nieożywioną a organizmami. W wodach podziemnych makroelementami są: wodór, węgiel, azot, tlen, sód, magnez, siarka, chlor, potas, wapń, mangan, brom, żelazo i jod, a według niektórych ujęć również glin, fluor, krzem i fosfor[1]. Niektóre z tych pierwiastków nie mają większego znaczenia biologicznego i nie są uznawane za makroelementy w biologii. W hydrochemii pojęcie makroskładników może odnosić się ponadto nie do samych pierwiastków, ale tworzonych prze nie jonów. Wówczas makroskładnikami wód podziemnych są: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- i HCO3- oraz NH4+, NO2-, NO3-, Fe2+, Al3+ i substancje organiczne[1].

U roślin za makroskładniki uważa się: węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, siarkę, wapń i magnez[2], przy czym pierwsze trzy ze względu na specyfikę występowania i asymilacji czasem są omijane w spisach. C, H, O i N tworzą grupę makronutrientów strukturalnych[3]. Za graniczną zawartość oddzielającą makroelementy od mikroelementów zwykle przyjmuje się 0,1% masy[3]. Ponieważ pojęcia makroskładników czy makronutrientów nie zawsze są ostro zdefiniowane (oprócz zawartości może być brane pod uwagę również biologiczne wykorzystanie), do roślinnych makroskładników czasem zaliczane są ponadto żelazo, chlor, sód i krzem, włączane w innych systemach do mikroskładników[2].

W przypadku człowieka makroelementami bywają nazywane pierwiastki, których dobowe zapotrzebowanie w diecie przekracza 100 mg na dobę. Niezbędne są one do prawidłowego rozwoju jego organizmu. Zalicza się do nich: fosfor, wapń, magnez, chlor, potas, sód, siarka, azot, wodór, tlen, węgiel[4].

Mikroelementy[edytuj]

 Osobny artykuł: Mikroelementy.

Mikroelementy, mikroskładniki, pierwiastki śladowe – pierwiastki chemiczne występujące w bardzo małych (śladowych) ilościach w organizmach roślinnych i zwierzęcych. U ludzi zapotrzebowanie na te pierwiastki wynosi poniżej 100 mg na dobę[4].

Pojęcia mikroskładników lub mikronutrientów i pierwiastków śladowych nierzadko są rozróżniane ze względu na rozpiętość zawartości lub znaczenie biologiczne. Mikronutrienty wówczas oznaczają pierwiastki występujące w roślinach w niewielkich ilościach, ale niezbędne dla ich rozwoju, a pierwiastki śladowe wszystkie pierwiastki występujące w małych stężeniach, także nieaktywne biologicznie[2]. Z kolei w chemii wód podziemnych mikroelementy (pierwiastki rzadkie) to takie, które występują zwykle w ilości 0,01–10 mg/l (np. F, Al, Si, Li, Bo, P, Cu, Zn, Ti, V, As, Cr, Co, Ni, Ag, Sr, Ba, Pb), podczas gdy pierwiastki śladowe to pierwiastki występujące jeszcze rzadziej (np. Rb, Au, Hg)[1].

Niedobór lub nadmiar tych pierwiastków może prowadzić do zaburzeń fizjologicznych. Składniki mineralne są niezbędne w ustroju do celów budulcowych (szczególnie w tkance kostnej), wchodzą w skład: płynów ustrojowych, niektórych enzymów, związków wysokoenergetycznych itp. Wywierają również wpływ na regulację czynności narządowych i ogólnoustrojowych.

Do mikroelementów w diecie człowieka zalicza się: jod, żelazo, fluor, bor, kobalt, miedź, chrom, cynk, mangan, molibden, selen[4]. Lista mikroelementów u roślin może zależeć od ujęcia, ale zasadniczo obejmuje miedź, bor, mangan, cynk i molibden. Zazwyczaj obejmuje również żelazo (które często występuje w ilościach większych niż pozostałe mikroelementy, co zbliża je do makroelementów), a czasem też chlor, sód, krzem, kobalt i wanad. Czasem natomiast za mikroelementy uznaje się wszystkie znajdowane w roślinach pierwiastki (poza makroelementami). W zależności od czułości pomiaru taka lista objąć może praktycznie wszystkie występujące w naturze pierwiastki, które mogą mniej lub bardziej przypadkowo znaleźć się w organizmie, przez co zwykle ogranicza się ją do pierwiastków istotnych dla roślin, nawet jeśli ich rola jest słabo poznana[3]. Mikroelementy, zarówno niezbędne do rozwoju (mikronutrienty), jak i pozostałe, występując w nadmiernych stężeniach mogą wywoływać skutki niepożądane[2][3]. Niektóre pierwiastki są wyłącznie toksyczne (srebro, bizmut, kadm, rtęć, ołów, tal, tor, uran), inne są niezbędne, ale toksyczne w nadmiarze (np. chrom, kobalt, miedź, żelazo, molibden, nikiel, cyna, wolfram, cynk), a jeszcze inne są uznawane za w zasadzie nietoksyczne (np. mangan i wanad)[3].

Ultraelementy[edytuj]

Trzecią grupą pierwiastków są ultraelementy, są to pierwiastki występujące w ilościach kilku μg na gram masy ciała. Zaliczamy do nich: rad, srebro, złoto, platyna. Są to aktywatory enzymów procesów metabolicznych.

Biochemiczna funkcja pierwiastków[edytuj]

Obok podziału na makro- i mikroelementy, stosowany jest również podział pod kątem funkcji biochemicznych. U roślin wyróżniane są następujące grupy[5]:

  • nutrienty wchodzące w skład związków węgla (azot, siarka)
  • nutrienty biorące udział w magazynowaniu energii lub utrzymaniu integralności strukturalnej (fosfor, krzem, bor)
  • nutrienty występujące głównie w postaci jonów, biorące udział w utrzymaniu potencjału osmotycznego lub wchodzące w skład enzymów (potas, wapń, magnez, chlor, mangan, sód)
  • nutrienty biorące udział w reakcjach redoks (żelazo, cynk, miedź, nikiel, molibden).

Podział ten nie jest sztywny, gdyż wszystkie pierwiastki wewnątrz organizmu mogą wchodzić w skład związków węgla, a wiele pierwiastków zaliczonych tu do ostatniej grupy wchodzi w skład enzymów.

Według niektórych autorów dla roślin nutrientami, czyli pierwiastkami odżywczymi, można nazywać tylko pierwiastki spełniające następujące kryteria: pierwiastek jest niezbędny roślinie do wypełnienia jej cyklu życiowego (bez objawów nienormalnego rozwoju), nie może być w pełni zastąpiony przez inny pierwiastek i wszystkie rośliny wymagają tego pierwiastka. Przy tak rygorystycznych kryteriach za nutrienty nie są uważane pierwiastki wymagane wyłącznie przez niektóre gatunki roślin (np. sód), a samo gromadzenie przez roślinę danego pierwiastka bez dowodu na jego niezbędność, nie jest dowodem na jego odżywczy charakter[6]. W połowie XIX w. za dziesięć niezbędnych do rozwoju roślin pierwiastków uznano: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg i Fe[2]. Do początku XXI w. takie kryteria spełniało 17 pierwiastków (C, H, O pobierane bezpośrednio z wody i powietrza oraz 14 pobieranych z roztworów, zgodnie z tabelą w dalszej części)[6]. Niemniej pozostali badacze używają tych terminów mniej rygorystycznie[2].


W tabeli przedstawiono spis pierwiastków chemicznych o znaczeniu biologicznym (uszeregowano je malejąco pod względem przeciętnej zawartości w organizmie ludzkim):

Nazwa
(dobowe zapotrzebowanie)[a]
Znaczenie biologiczne Niektóre skutki niedoboru
Pierwiastki biogenne (biogeny)
Tlen, O
(~ 2 kg)[b]
Podstawowe składniki związków organicznych, wchodzących w skład wszystkich organizmów żywych: cukrów, tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych (DNA i RNA)[7][8][9][10][11][12]. Tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego[10][11], wraz z wodorem tworzy wodę[10][11], zaś wraz z węglem dwutlenek węgla[10], który jest substratem do fotosyntezy. Śmierć organizmu[9] (np. z głodu, odwodnienia lub uduszenia)[8].
Węgiel, C
(~ 200 g)[c]
Wodór, H
(~ 200 g)[b]
Azot, N
(~ 10 g)[d]

Składnik wszystkich białek, zasad azotowych (wchodzących w skład kwasów nukleinowych)[7][9][10][11][12], związków przenoszących energię (np. ATP, ADP)[7][10] oraz wielu innych związków chemicznych[8] (np. witamin)[9].

Fosfor, P
(700 – 900 mg)

Pierwiastek o największej ilości funkcji w organizmie[13]. Składnik m.in.: kwasów nukleinowych[7][8][9][10][11][12][13][14][15], związków przenoszących energię[7][8][9][10][12][13][14][15], fosfolipidów (budujących błony komórkowe)[7][8][10][11][12][13][14] oraz niektórych białek[7]. Odpowiada za utrzymanie odpowiedniego pH[15].

Siarka, S
(~ 2 g)
Składnik dwóch aminokwasów[9]: metioniny i cysteiny[8] (która poprzez mostki dwusiarczkowe tworzy strukturę trzeciorzędową białka)[10] oraz enzymów i koenzymów (np. koenzym A)[7][8][14]. Bierze udział w procesach oddechowych w komórce. Wchodzi w skład niektórych wielocukrów (w postaci siarczanów)[8].
Makroelementy
Wapń, Ca
(800 mg – 1 g)

Zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych[10][15], obniża stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zwiększa jej lepkość)[10].

Potas, K
(1,5 – 3,5 g)
Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][9][12][14][15] (zwiększa wydalanie wody z organizmu[15]), zwiększa przepuszczalność błon komórkowych[10], podwyższa stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zmniejsza jej lepkość)[10].

Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej[15].

Sód, Na
(550 mg – 2 g)

Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][11][12][13][15][16][17].

Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej[15].

Chlor, Cl
(750 – 800 mg)

Wraz z jonami sodu i potasu reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][11][12][13][15][16].

Zaburzenia oddychania komórkowego[7][8][9] i równowagi wodno-elektrolitowej[15].

Magnez, Mg
(250 – 400 mg)

Wraz z wapniem zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych. Obniża stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zwiększa jej lepkość)[10]. Odpowiada za biosyntezę i utrzymanie właściwej struktury kwasów nukleinowych[15]. Utrzymuje właściwą strukturę[17] i koordynuje współpracę obu podjednostek rybosomów. Jest składnikiem enzymów oddechowych[10].

Mikroelementy
Żelazo, Fe
(15 – 19 mg)[i]

Składnik enzymów oddechowych[7][10][12][13][18] (cytochromów[7][13] (np. cytochrom P450 odpowiedzialny za detoksykację[18]), peroksydaz, katalazy)[8].

Zaburzenia oddychania komórkowego[7].

Fluor, F
(1 – 4 mg)
Cynk, Zn
(10 – 20 mg)

Uczestniczy w różnych etapach biosyntezy białek[8][13][18] (wchodzi w skład polimeraz, uczestniczy w replikacji DNA i ekspresji genów)[18], składnik enzymów oddechowych[8][12].

Zaburzenia biosyntezy białek i kwasów nukleinowych[18].

Krzem, Si
(10 mg)[k]
Jod, I
(160 µg)
Miedź, Cu
(2 – 3 mg)

Wchodzi w skład enzymów oddechowych (np. oksydaza cytochromowa i oksydaza askorbinowa)[8].

Zaburzenia oddychania komórkowego[17].

Mangan, Mn
(2 – 5 mg)

Aktywator i składnik grup prostetycznych niektórych enzymów, np. enzymów oddechowych[12][17] (dehydrogenaza izocytrynianowa, karboksylaza pirogronianowa)[8].

Zaburzenia oddychania komórkowego[17].

Chrom, Cr
(100 – 150 µg)
Selen, Se
(60 – 70 µg)
Bor, B
(500 µg)[k]
Molibden, Mo
(3 – 250 µg)
Nikiel, Ni
(30 µg)

Składnik ureazyenzymu rozkładającego mocznik na amoniak i dwutlenek węgla (u zwierząt)[8] oraz biorącego udział w reakcjach enzymatycznych u motylkowych (u roślin)[8].

Wanad, V
(10 µg)
Cyna, Sn
(?)
  • U zwierząt: Prawdopodobnie wpływa na działanie witaminy B2 (ryboflawiny)[8].
Arsen, As
(20 µg)
Kobalt, Co
(50 µg)[m]
Stront, Sr
(?)
  • U zwierząt: Prawdopodobnie jest potrzebny do prawidłowej mineralizacji kości (gromadzi się w nich w niewielkich ilościach), jego właściwości są podobne do właściwości wapnia[8].

Zobacz też[edytuj]

Uwagi

  1. Podano średnie dobowe zapotrzebowanie dla dorosłego człowieka. Z powodu dużych rozbieżności w źródłach, w tabeli podano przedział z kilku źródeł.
  2. a b Głównie w postaci wody.
  3. W postaci różnych pokarmów.
  4. Wynika to z dobowego zapotrzebowania na białko, które wynosi 1 g/kg masy ciała (białko zawiera przeciętnie 16% wagowych azotu).
  5. a b c d Objawy pojawiają się najpierw na starszych liściach.
  6. a b Dotyczy to zazwyczaj osób nadużywających alkoholu.
  7. a b c d e f g Objawy pojawiają się najpierw na młodych liściach.
  8. Najwięcej chloru potrzebują halofity (słonorośla), u innych roślin jego nadmiar powoduje pogorszenie jakości plonu.
  9. Zapotrzebowanie dla kobiet jest niższe, niż dla mężczyzn.
  10. Niedobór występuje najczęściej u drzew owocowych.
  11. a b Prawdopodobnie.
  12. Niedobór występuje rzadko.
  13. W postaci witaminy B12.

Przypisy

  1. a b c Aleksandra Macioszczyk: Hydrogeochemia. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1987, s. 97-99. ISBN 832200298.
  2. a b c d e f Tadeusz Lityński, Halina Jurkowska: Żyzność gleby i odżywianie się roślin. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1982, s. 146, 279. ISBN 8301028874.
  3. a b c d e Plants and the Chemical Elements Biochemistry : Uptake, Tolerance and Toxicity. Margaret E. Farago (red.). Weinheim, Nowy Jork: VCH, 1994, s. 4. ISBN 3-527-28269-6.
  4. a b c Murray Robert, Granner Daryl, Mayes Peter, Rodwell Victor: Biochemia Harpera. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 1995 (wydanie III). ISBN 83-200-1798-X
  5. Mineral nutrition. W: Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Plant Physiology. Sinauer Associates, 2002, s. 67-86. ISBN 0878938230. (ang.)
  6. a b Allen V. Barker, David J. Pilbeam: Introduction. W: Handbook of Plant Nutrition. Allen V. Barker, David J. Pilbeam (red.). Boca Raton, Londyn, Nowy Jork: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2007, s. 3-18. ISBN 978-0-8247-5904-9. (ang.)
  7. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk bl bm bn bo bp bq br bs bt bu bv bw bx by bz ca cb cc cd ce cf cg ch ci cj ck cl cm cn co cp cq cr cs ct Vademecum, s. 6-8
  8. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk bl bm bn bo bp bq br bs bt bu bv bw bx by bz ca cb cc cd ce cf cg ch ci cj ck cl cm cn co cp cq cr cs ct cu cv cw cx cy cz da db dc dd de df dg dh di dj dk dl dm dn do dp dq dr ds dt du dv dw dx dy dz ea eb ec ed ee ef eg eh ei ej ek el em en eo ep eq er es et eu ev ew ex ey ez fa fb fc fd fe ff fg fh fi fj fk fl fm fn fo fp fq fr fs ft fu Tablice biologiczne, s. 12-16
  9. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk Vademecum, s. 222-223
  10. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Barbara Bukała – Komórka, s. 17-18
  11. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Biologia MULTICO, s. 23
  12. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah Biologia MULTICO, s. 663
  13. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj Biologia MULTICO, s. 890
  14. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w Barbara Bukała – Fizjologia zwierząt, s. 143-144
  15. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as Encyklopedia Biologia, s. 311-312
  16. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Świat Wiedzy, Ciało człowieka 55, s. 170
  17. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk Biologia 2, s. 12-13
  18. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba Encyklopedia Biologia, s. 328-329

Bibliografia[edytuj]

  • Tablice biologiczne. Witold Mizerski (red.). Wyd. IV. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan, 2004. ISBN 83-7350-059-6.
  • BIOLOGIA, Vademecum maturalne 2011. Monika Balcerowicz (red.). Gdynia: Operon, 2010. ISBN 978-83-7680-166-7.
  • Biologia. Czesław Jura, Jacek Godula (redaktorzy). Wyd. VII (przekład). Warszawa: MULTICO Oficyna Wydawnicza, 2007. ISBN 978-83-7073-412-1.
  • Encyklopedia Biologia. Agnieszka Nawrot (red.). Kraków: Wydawnictwo GREG. ISBN 978-83-7327-756-4.
  • Ewa Holak, Waldemar Lewiński, Małgorzata Łaszczyca, Grażyna Skirmuntt, Jolanta Walkiewicz: Biologia 2 (zakres rozszerzony). Operon.
  • Barbara Bukała: BIOLOGIA - Komórka, skład chemiczny i struktura. Wyd. II (poprawione). Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2007. ISBN 83-7267-125-7.
  • Barbara Bukała: BIOLOGIA - Fizjologia zwierząt z elementami fizjologii człowieka. Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2005. ISBN 83-7267-192-3.
  • Witaminy i mikroelementy. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 55. Marshall Cavendish. 

Star of life.svg Zapoznaj się z zastrzeżeniami dotyczącymi pojęć medycznych i pokrewnych w Wikipedii.