BIO-ELEMENTEN: CLASSIFICATIE (PRIMAIR EN SECUNDAIR) - BIOLOGIE - 2025

" Bioelement " is een term die wordt gebruikt om te verwijzen naar de belangrijkste chemische elementen waaruit levende wezens bestaan. In sommige classificaties zijn deze onderverdeeld in primaire elementen en secundaire elementen.

Van de 87 bekende chemische elementen vormen er slechts 34 organisch materiaal, en van 17 van deze 34 is bekend dat ze echt onmisbaar zijn voor het leven. Bovendien vormen van deze 17 essentiële elementen er vijf meer dan 90% van de materie waaruit levende organismen bestaan.

Het periodiek systeem van de elementen, de primaire en secundaire bio-elementen worden ook aangegeven (Bron: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

De zes belangrijkste elementen in organisch materiaal zijn waterstof (H, 59%), zuurstof (O, 24%), koolstof (C, 11%), stikstof (N, 4%), fosfor (P, 1%) en zwavel (S, 0,1 tot 1%).

Deze percentages weerspiegelen het aantal atomen van elk element ten opzichte van het totale aantal atomen waaruit levende cellen bestaan ​​en dit zijn de zogenaamde "primaire bio-elementen".

De secundaire bio-elementen worden in een veel kleinere hoeveelheid aangetroffen en zijn kalium (K), magnesium (Mg), ijzer (Fe), calcium (Ca), molybdeen (Mo), fluor (F), chloor ( Cl), natrium (Na), jodium (I), koper (Cu) en zink (Zn).

Secundaire elementen zijn gewoonlijk co-factoren bij katalytische reacties en nemen deel aan veel van de biochemische en fysiologische processen die inherent zijn aan de cellen van organismen.

Primaire bio-elementen

Koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen vormen de structurele basis van de moleculen die organische materie vormen, terwijl stikstof, fosfor en zwavel een wisselwerking hebben met verschillende biomoleculen om chemische reacties uit te lokken.

Waterstof

Waterstof is een chemisch element dat bij kamertemperatuur (25ºC) in gasvorm voorkomt, het kan alleen in vaste of vloeibare toestand bij kamertemperatuur bestaan ​​als het gebonden is aan andere moleculen.

Men denkt dat waterstofatomen tot de eerste atomen behoren die het vroege universum vormen. De theorieën die worden behandeld, stellen voor dat de protonen in de kern van waterstofatomen zich begonnen te associëren met de elektronen van andere elementen om meer complexe moleculen te vormen.

Waterstof kan chemisch combineren met bijna elk ander element om moleculen te vormen, waaronder water, koolhydraten, koolwaterstoffen, enz.

Dit element is verantwoordelijk voor de vorming van bindingen die bekend staan ​​als "waterstofbruggen", een van de belangrijkste zwakke interacties voor biomoleculen en de belangrijkste kracht die verantwoordelijk is voor het behoud van de driedimensionale structuren van eiwitten en nucleïnezuren.

Koolstof

Koolstof vormt de kern van veel biomoleculen. Zijn atomen kunnen covalent combineren met vier andere atomen van verschillende chemische elementen en ook met zichzelf om de structuur van zeer complexe moleculen te vormen.

Koolstof is, samen met waterstof, een van de chemische elementen die het grootste aantal verschillende chemische verbindingen kunnen vormen. Zozeer zelfs dat alle stoffen en verbindingen die als "organisch" zijn geclassificeerd, koolstofatomen in hun hoofdstructuur bevatten.

Algemene structuur van een aminozuur (Bron: Gebruiker: Ppfk via Wikimedia Commons)

Tot de belangrijkste koolstofmoleculen van levende wezens behoren koolhydraten (suikers of sacchariden), eiwitten en hun aminozuren, nucleïnezuren (DNA en RNA), lipiden en vetzuren, onder andere.

Zuurstof

Zuurstof is een gasvormig element en komt het meest voor in de hele aardkorst. Het is aanwezig in veel organische en anorganische componenten en vormt verbindingen met bijna alle chemische elementen.

Het is verantwoordelijk voor de oxidatie van chemische verbindingen en verbranding, wat ook verschillende vormen van oxidatie zijn. Zuurstof is een zeer elektronegatief element, het maakt deel uit van het watermolecuul en neemt deel aan het ademhalingsproces van een groot deel van levende wezens.

Reactieve zuurstofsoorten zijn verantwoordelijk voor oxidatieve stress in cellen. Het is heel gebruikelijk om de schade te observeren die wordt veroorzaakt door oxidatieve verbindingen aan de macromoleculen in de cel, omdat ze het reducerende inwendige van de cellen uit balans brengen.

Stikstof

Stikstof is ook overwegend gasvormig en vormt ongeveer 78% van de atmosfeer van de aarde. Het is een belangrijk element in de voeding van planten en dieren.

Bij dieren is stikstof een fundamenteel onderdeel van aminozuren, die op hun beurt de bouwstenen zijn voor eiwitten. Eiwitten structureren weefsels en veel ervan hebben de noodzakelijke enzymatische activiteit om veel van de vitale reacties voor cellen te versnellen.

Stikstof is een fundamenteel onderdeel van de stikstofhoudende basen waaruit nucleïnezuren bestaan, zoals DNA en RNA (Bron: File: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * vertaling: Sponk via Wikimedia Commons)

Stikstof is aanwezig in de stikstofbasen van DNA en RNA, essentiële moleculen voor de overdracht van genetische informatie van ouders op nakomelingen en voor het goed functioneren van levende organismen als cellulaire systemen.

Bij elkaar passen

De meest voorkomende vorm van dit element in de natuur is als vaste fosfaten in vruchtbare bodems, rivieren en meren. Het is een belangrijk element voor het functioneren van dieren en planten, maar ook van bacteriën, schimmels, protozoa en alle levende wezens.

Bij dieren wordt fosfor in alle botten in overvloed aangetroffen in de vorm van calciumfosfaat.

Fosfor is essentieel voor het leven, omdat het ook een element is dat deel uitmaakt van DNA, RNA, ATP en fosfolipiden (fundamentele componenten van celmembranen).

Dit bio-element is altijd betrokken bij energieoverdrachtsreacties, omdat het verbindingen vormt met zeer energetische bindingen, waarvan de hydrolyse wordt gebruikt om verschillende cellulaire systemen te verplaatsen.

Zwavel

Zwavel wordt vaak aangetroffen in de vorm van sulfiden en sulfaten. Het is vooral overvloedig aanwezig in vulkanische gebieden en is aanwezig in de aminozuurresiduen cysteïne en methionine.

In eiwitten vormen de zwavelatomen van cysteïne een zeer sterke intra- of intermoleculaire interactie die bekend staat als een "disulfidebrug", die essentieel is voor de vorming van de secundaire, tertiaire en quaternaire structuur van cellulaire eiwitten.

Co-enzym A, een metabolisch tussenproduct met een breed scala aan functies, heeft een zwavelatoom in zijn structuur.

Dit element is ook fundamenteel in de structuur van veel enzymatische cofactoren die deelnemen aan verschillende belangrijke metabolische routes.

Secundaire bio-elementen

Zoals hierboven vermeld, zijn de secundaire bio-elementen degene die in een lagere verhouding worden aangetroffen dan de primaire en de belangrijkste zijn kalium, magnesium, ijzer, calcium, natrium en zink.

Secundaire bio-elementen of sporenelementen zijn betrokken bij veel van de fysiologische processen van planten, bij fotosynthese, bij ademhaling, bij de cellulaire ionenbalans van de vacuole en chloroplasten, bij het transport van koolhydraten naar het floëem, enz.

Dit geldt ook voor dieren en andere organismen, waar deze elementen, min of meer overbodig en minder overvloedig, deel uitmaken van vele cofactoren die nodig zijn voor het functioneren van de gehele cellulaire machinerie.

Ijzer

IJzer is een van de belangrijkste secundaire bio-elementen omdat het functies heeft bij meerdere energieverschijnselen. Het is erg belangrijk bij reacties op natuurlijke oxidevermindering.

Bij zoogdieren is ijzer bijvoorbeeld een essentieel onderdeel van hemoglobine, het eiwit dat verantwoordelijk is voor het transport van zuurstof in het bloed in erytrocyten of rode bloedcellen.

In plantencellen maakt dit element ook deel uit van sommige pigmenten zoals chlorofyl, essentieel voor fotosynthetische processen. Het maakt deel uit van de cytochroommoleculen, ook essentieel voor de ademhaling.

Zink

Wetenschappers denken dat zink miljoenen jaren geleden een van de belangrijkste elementen was bij het verschijnen van eukaryote organismen, aangezien veel van de DNA-bindende eiwitten voor replicatie waaruit de 'primitieve eukaryoten' bestaan, zink als motief gebruikten. van Union.

Een voorbeeld van dit type eiwit zijn zinkvingers, die betrokken zijn bij gentranscriptie, eiwittranslatie, metabolisme en eiwitsamenstelling, enz.

Calcium

Calcium is een van de meest voorkomende mineralen op aarde; bij de meeste dieren vormt het tanden en botten in de vorm van calciumhydroxyfosfaat. Dit element is essentieel voor spiercontractie, overdracht van zenuwimpulsen en bloedstolling.

Magnesium

Het hoogste aandeel magnesium in de natuur wordt gevonden in vaste vorm in combinatie met andere elementen, het wordt niet alleen in de vrije staat aangetroffen. Magnesium is een cofactor voor meer dan 300 verschillende enzymsystemen bij zoogdieren.

De reacties waaraan het deelneemt, variëren van eiwitsynthese, spiermobiliteit en zenuwfunctie tot regulering van bloedglucosespiegels en bloeddruk. Magnesium is nodig voor de energieproductie in levende organismen, voor oxidatieve fosforylering en glycolyse.

Het draagt ​​ook bij aan de ontwikkeling van botten en is nodig voor de synthese van onder meer DNA, RNA, glutathion.

Natrium en kalium

Het zijn twee zeer overvloedige ionen in het binnenste van de cel en variaties in hun interne en externe concentraties, evenals hun transport, zijn bepalende factoren voor veel fysiologische processen.

Kalium is het meest voorkomende intracellulaire kation, het handhaaft het vloeistofvolume in de cel en de transmembraan elektrochemische gradiënten.

Zowel natrium als kalium zijn actief betrokken bij de overdracht van zenuwimpulsen, aangezien deze worden getransporteerd door de natrium-kaliumpomp. Natrium neemt ook deel aan spiercontractie en aan de opname van voedingsstoffen door het celmembraan.

De rest van de secundaire bio-elementen: molybdeen (Mo), fluor (F), chloor (Cl), jodium (I) en koper (Cu) spelen een belangrijke rol in veel fysiologische reacties. Ze zijn echter in veel kleinere hoeveelheden nodig dan de zes hierboven uiteengezette elementen.

Referenties

1. Egami, F. (1974). Kleine elementen en evolutie. Journal of moleculaire evolutie, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). Bio-elementen; De chemische elementen van de levende materie. The Journal of general fysiologie, 1 (4), 429
3. Kaim, W., & Rall, J. (1996). Koper - een "modern" bio-element. Angewandte Chemie International Edition in het Engels, 35 (1), 43-60.
4. National Institutes of Health. (2016). Magnesium: informatieblad voor gezondheidswerkers. Versie huidig, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). De bio-elementen, het elementoom en de biogeochemische niche. Ecologie, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bio-elementen en bio-elementologie in farmacologie en voeding: fundamentele en praktische aspecten. In farmacologie en voedingsinterventie bij de behandeling van ziekten. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Koper-een modern bio-element. In Copper and Bacteria (pp. 1-9). Springer, Cham.
8. Wereldgezondheidsorganisatie. (2015). Factsheet: Zout.