BIOELEMENTE: KLASSIFIKATION (PRIMÄR UND SEKUNDÄR) - BIOLOGIE - 2025

" Bioelement " ist ein Begriff, der verwendet wird, um die wichtigsten chemischen Elemente zu bezeichnen, aus denen Lebewesen bestehen. In einigen Klassifikationen werden diese in primäre und sekundäre Elemente unterteilt.

Von den 87 bekannten chemischen Elementen bilden nur 34 organische Stoffe, von denen 17 bekanntermaßen für das Leben wirklich unverzichtbar sind. Darüber hinaus machen fünf dieser 17 wesentlichen Elemente mehr als 90% der Materie aus, aus der lebende Organismen bestehen.

Das Periodensystem der Elemente, die primären und sekundären Bioelemente sind ebenfalls angegeben (Quelle: Alejandro Porto über Wikimedia Commons)

Die sechs Hauptelemente in organischer Substanz sind Wasserstoff (H, 59%), Sauerstoff (O, 24%), Kohlenstoff (C, 11%), Stickstoff (N, 4%), Phosphor (P, 1%) und Schwefel (S, 0,1 bis 1%).

Diese Prozentsätze spiegeln die Anzahl der Atome jedes Elements in Bezug auf die Gesamtzahl der Atome wider, aus denen lebende Zellen bestehen, und dies sind sogenannte "primäre Bioelemente".

Die sekundären Bioelemente kommen in einem viel geringeren Anteil vor und sind Kalium (K), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Calcium (Ca), Molybdän (Mo), Fluor (F), Chlor ( Cl), Natrium (Na), Iod (I), Kupfer (Cu) und Zink (Zn).

Sekundärelemente sind normalerweise Cofaktoren bei katalytischen Reaktionen und nehmen an vielen der biochemischen und physiologischen Prozesse teil, die den Zellen von Organismen innewohnen.

Primäre Bioelemente

Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome sind die strukturelle Basis der Moleküle, aus denen organische Stoffe bestehen. Währenddessen interagieren Stickstoff, Phosphor und Schwefel mit verschiedenen Biomolekülen und verursachen chemische Reaktionen.

Wasserstoff

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das bei Raumtemperatur (25 ° C) in gasförmiger Form vorliegt. Bei Raumtemperatur kann er nur dann in festem oder flüssigem Zustand vorliegen, wenn er an andere Moleküle gebunden ist.

Es wird angenommen, dass Wasserstoffatome zu den ersten Atomen gehören, aus denen das frühe Universum besteht. Die Theorien, die behandelt werden, legen nahe, dass die im Kern der Wasserstoffatome enthaltenen Protonen begannen, sich mit den Elektronen anderer Elemente zu verbinden, um komplexere Moleküle zu bilden.

Wasserstoff kann sich chemisch mit fast jedem anderen Element zu Molekülen verbinden, darunter Wasser, Kohlenhydrate, Kohlenwasserstoffe usw.

Dieses Element ist verantwortlich für die Bildung von Bindungen, die als „Wasserstoffbrücken“ bekannt sind, eine der wichtigsten schwachen Wechselwirkungen für Biomoleküle und die Hauptkraft, die für die Aufrechterhaltung der dreidimensionalen Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren verantwortlich ist.

Kohlenstoff

Kohlenstoff bildet den Kern vieler Biomoleküle. Seine Atome können sich kovalent mit vier anderen Atomen verschiedener chemischer Elemente und auch mit sich selbst verbinden, um die Struktur hochkomplexer Moleküle zu bilden.

Kohlenstoff ist neben Wasserstoff eines der chemischen Elemente, die die größte Anzahl verschiedener chemischer Verbindungen bilden können. So sehr, dass alle als "organisch" eingestuften Substanzen und Verbindungen Kohlenstoffatome in ihrer Hauptstruktur enthalten.

Allgemeine Struktur einer Aminosäure (Quelle: Benutzer: Ppfk via Wikimedia Commons)

Zu den Hauptkohlenstoffmolekülen von Lebewesen zählen unter anderem Kohlenhydrate (Zucker oder Saccharide), Proteine ​​und deren Aminosäuren, Nukleinsäuren (DNA und RNA), Lipide und Fettsäuren.

Sauerstoff

Sauerstoff ist ein gasförmiges Element und kommt am häufigsten in der gesamten Erdkruste vor. Es ist in vielen organischen und anorganischen Bestandteilen enthalten und bildet mit fast allen chemischen Elementen Verbindungen.

Es ist verantwortlich für die Oxidation chemischer Verbindungen und die Verbrennung, die auch verschiedene Formen der Oxidation sind. Sauerstoff ist ein sehr elektronegatives Element, er ist Teil des Wassermoleküls und am Atmungsprozess eines großen Teils der Lebewesen beteiligt.

Reaktive Sauerstoffspezies sind für oxidativen Stress in Zellen verantwortlich. Es ist sehr häufig, die durch oxidative Verbindungen verursachten Schäden an den Makromolekülen in der Zelle zu beobachten, da sie das reduzierende Innere der Zellen aus dem Gleichgewicht bringen.

Stickstoff

Stickstoff ist ebenfalls überwiegend gasförmig und macht etwa 78% der Erdatmosphäre aus. Es ist ein wichtiges Element bei der Ernährung von Pflanzen und Tieren.

Bei Tieren ist Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil von Aminosäuren, die wiederum die Bausteine ​​für Proteine ​​sind. Proteine ​​strukturieren Gewebe und viele von ihnen haben die notwendige enzymatische Aktivität, um viele der lebenswichtigen Reaktionen für Zellen zu beschleunigen.

Stickstoff ist ein wesentlicher Bestandteil der stickstoffhaltigen Basen, aus denen Nukleinsäuren wie DNA und RNA bestehen (Quelle: Datei: Differenz DNA RNA-DE.svg: Sponk / * Übersetzung: Sponk via Wikimedia Commons)

Stickstoff ist in den stickstoffhaltigen Basen von DNA und RNA vorhanden, essentiellen Molekülen für den Transfer genetischer Informationen von den Eltern zu den Nachkommen und für das ordnungsgemäße Funktionieren lebender Organismen als zelluläre Systeme.

Spiel

Die am häufigsten vorkommende Form dieses Elements in der Natur sind feste Phosphate in fruchtbaren Böden, Flüssen und Seen. Es ist ein wichtiges Element für das Funktionieren von Tieren und Pflanzen, aber auch von Bakterien, Pilzen, Protozoen und allen Lebewesen.

Bei Tieren kommt Phosphor in allen Knochen in Form von Calciumphosphat im Überfluss vor.

Phosphor ist lebenswichtig, da es auch Bestandteil von DNA, RNA, ATP und Phospholipiden (Grundbestandteile von Zellmembranen) ist.

Dieses Bioelement ist immer an Energietransferreaktionen beteiligt, da es Verbindungen mit sehr energetischen Bindungen bildet, deren Hydrolyse zur Bewegung verschiedener Zellsysteme verwendet wird.

Schwefel

Schwefel wird üblicherweise in Form von Sulfiden und Sulfaten gefunden. Es kommt besonders häufig in vulkanischen Gebieten vor und ist in den Aminosäureresten Cystein und Methionin enthalten.

In Proteinen bilden die Schwefelatome von Cystein eine sehr starke intra- oder intermolekulare Wechselwirkung, die als "Disulfidbrücke" bekannt ist und für die Bildung der Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von zellulären Proteinen wesentlich ist.

Coenzym A, ein metabolisches Zwischenprodukt mit einer Vielzahl von Funktionen, hat ein Schwefelatom in seiner Struktur.

Dieses Element ist auch grundlegend für die Struktur vieler enzymatischer Cofaktoren, die an verschiedenen wichtigen Stoffwechselwegen beteiligt sind.

Sekundäre Bioelemente

Wie oben erwähnt, sind die sekundären Bioelemente diejenigen, die in einem geringeren Anteil als die primären gefunden werden, und die wichtigsten sind Kalium, Magnesium, Eisen, Calcium, Natrium und Zink.

Sekundäre Bioelemente oder Spurenelemente sind an vielen physiologischen Prozessen von Pflanzen, an der Photosynthese, an der Atmung, am zellulären Ionengleichgewicht der Vakuole und der Chloroplasten, am Transport von Kohlenhydraten zum Phloem usw. beteiligt.

Dies gilt auch für Tiere und andere Organismen, bei denen diese mehr oder weniger entbehrlichen und weniger häufig vorkommenden Elemente Teil vieler Cofaktoren sind, die für das Funktionieren der gesamten zellulären Maschinerie erforderlich sind.

Eisen

Eisen ist eines der wichtigsten sekundären Bioelemente, da es Funktionen in mehreren Energiephänomenen hat. Es ist sehr wichtig bei natürlichen Oxidreduktionsreaktionen.

Beispielsweise ist Eisen bei Säugetieren ein wesentlicher Bestandteil von Hämoglobin, dem Protein, das für den Sauerstofftransport im Blut innerhalb von Erythrozyten oder roten Blutkörperchen verantwortlich ist.

In Pflanzenzellen ist dieses Element auch Teil einiger Pigmente wie Chlorophyll, die für Photosyntheseprozesse essentiell sind. Es ist Teil der Cytochrom-Moleküle, die auch für die Atmung wichtig sind.

Zink

Wissenschaftler glauben, dass Zink vor Millionen von Jahren eines der Schlüsselelemente für das Auftreten eukaryotischer Organismen war, da viele der DNA-bindenden Proteine ​​zur Replikation, aus denen die "primitiven Eukaryoten" bestanden, Zink als Motiv verwendeten der Union.

Ein Beispiel für diese Art von Protein sind Zinkfinger, die an der Gentranskription, Proteintranslation, dem Metabolismus und der Proteinassemblierung usw. beteiligt sind.

Kalzium

Calcium ist eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien auf dem Planeten Erde. Bei den meisten Tieren besteht es aus Zähnen und Knochen in Form von Calciumhydroxyphosphat. Dieses Element ist wichtig für die Muskelkontraktion, die Übertragung von Nervenimpulsen und die Blutgerinnung.

Magnesium

Der höchste Anteil an Magnesium in der Natur liegt in fester Form in Kombination mit anderen Elementen vor, nicht nur im freien Zustand. Magnesium ist ein Cofaktor für mehr als 300 verschiedene Enzymsysteme bei Säugetieren.

Die Reaktionen, an denen es beteiligt ist, reichen von Proteinsynthese, Muskelmobilität und Nervenfunktion bis hin zur Regulierung des Blutzuckerspiegels und des Blutdrucks. Magnesium ist notwendig für die Energieerzeugung in lebenden Organismen, für die oxidative Phosphorylierung und Glykolyse.

Es trägt auch zur Entwicklung von Knochen bei und ist unter anderem für die Synthese von DNA, RNA, Glutathion notwendig.

Natrium und Kalium

Es handelt sich um zwei sehr häufig vorkommende Ionen im Zellinneren, und Variationen in ihren internen und externen Konzentrationen sowie in ihrem Transport sind bestimmende Faktoren für viele physiologische Prozesse.

Kalium ist das am häufigsten vorkommende intrazelluläre Kation, es hält das Flüssigkeitsvolumen in der Zelle und die elektrochemischen Transmembrangradienten aufrecht.

Sowohl Natrium als auch Kalium sind aktiv an der Übertragung von Nervenimpulsen beteiligt, da sie von der Natrium-Kalium-Pumpe transportiert werden. Natrium ist auch an der Muskelkontraktion und an der Aufnahme von Nährstoffen durch die Zellmembran beteiligt.

Die übrigen sekundären Bioelemente: Molybdän (Mo), Fluor (F), Chlor (Cl), Jod (I) und Kupfer (Cu) spielen bei vielen physiologischen Reaktionen eine wichtige Rolle. Sie werden jedoch in einem viel geringeren Anteil als die oben erläuterten sechs Elemente benötigt.

Verweise

1. Egami, F. (1974). Kleinere Elemente und Entwicklung. Journal of Molecular Evolution, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). Bioelemente; Die chemischen Elemente der lebenden Materie. The Journal of General Physiology, 1 (4), 429
3. Kaim, W. & Rall, J. (1996). Kupfer - ein "modernes" Bioelement. Angewandte Chemie International Edition in englischer Sprache, 35 (1), 43-60.
4. Nationales Gesundheitsinstitut. (2016). Magnesium: Informationsblatt für Angehörige der Gesundheitsberufe. Version aktuell, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández - Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M., … & Sardans, J. (2019). Die Bioelemente, das Elementom und die biogeochemische Nische. Ecology, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bioelemente und Bioelementologie in Pharmakologie und Ernährung: Grundlegende und praktische Aspekte. In Pharmakologie und Ernährungsintervention bei der Behandlung von Krankheiten. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Kupfer - ein modernes Bioelement. In Kupfer und Bakterien (S. 1-9). Springer, Cham.
8. Weltgesundheitsorganisation. (2015). Fact Sheet: Salz.