BIOELEMENTY: KLASIFIKACE (PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ) - BIOLOGIE - 2025

„ Bioelement “ je termín používaný k označení hlavních chemických prvků, které tvoří živé bytosti. V některých klasifikacích se dělí na primární a sekundární prvky.

Z 87 známých chemických prvků tvoří pouze 34 organických látek a 17 z nich je známo, že jsou pro život skutečně nepostradatelné. Kromě toho z těchto 17 základních prvků tvoří pět více než 90% hmoty tvořící živé organismy.

Rovněž je uvedena periodická tabulka prvků, primárních a sekundárních bioelementů (Zdroj: Alejandro Porto prostřednictvím Wikimedia Commons).

Šest hlavních prvků v organické hmotě je vodík (H, 59%), kyslík (O, 24%), uhlík (C, 11%), dusík (N, 4%), fosfor (P, 1%) a síry (S, 0,1 až 1%).

Tato procenta odrážejí počet atomů každého prvku s ohledem na celkový počet atomů, které tvoří živé buňky, a to jsou tzv. Primární bioelementy.

Sekundární bioelementy se nacházejí v mnohem menším poměru a jsou draslík (K), hořčík (Mg), železo (Fe), vápník (Ca), molybden (Mo), fluor (F), Chlor (Cl), sodík (Na), jod (I), měď (Cu) a zinek (Zn).

Sekundární prvky jsou obvykle kofaktory v katalytických reakcích a podílejí se na mnoha biochemických a fyziologických procesech vlastních buňkám organismů.

Primární bioelementy

Atomy uhlíku, vodíku a kyslíku jsou strukturální základnou molekul, které tvoří organickou hmotu, zatímco dusík, fosfor a síra interagují s různými biomolekuly, aby vyvolaly chemické reakce.

Vodík

Vodík je chemický prvek, který existuje v plynné formě při pokojové teplotě (25 ° C), může existovat pouze v pevném nebo kapalném stavu při pokojové teplotě, pokud je vázán na jiné molekuly.

Atomy vodíku jsou považovány za první atomy, které vytvářejí časný vesmír. Teorie, se kterými se pracuje, navrhují, že protony obsažené v jádru atomů vodíku se začaly spojovat s elektrony jiných prvků a vytvářet složitější molekuly.

Vodík se může chemicky kombinovat s téměř jakýmkoli jiným prvkem za vzniku molekul, mezi něž patří voda, uhlovodany, uhlovodíky atd.

Tento prvek je zodpovědný za tvorbu vazeb známých jako „vodíkové vazby“, jednu z nejdůležitějších slabých interakcí pro biomolekuly a hlavní sílu zodpovědnou za udržování trojrozměrné struktury proteinů a nukleových kyselin.

Uhlík

Uhlík tvoří jádro mnoha biomolekul. Jeho atomy se mohou kovalentně kombinovat se čtyřmi dalšími atomy různých chemických prvků a také se sebou samy tvoří strukturu vysoce komplexních molekul.

Uhlík, spolu s vodíkem, je jedním z chemických prvků, které mohou tvořit největší počet různých chemických sloučenin. Tolik, že všechny látky a sloučeniny klasifikované jako „organické“ obsahují atomy uhlíku ve své hlavní struktuře.

Obecná struktura aminokyseliny (Zdroj: Uživatel: Ppfk přes Wikimedia Commons)

Mezi hlavní uhlíkové molekuly živých bytostí patří mimo jiné uhlohydráty (cukry nebo sacharidy), proteiny a jejich aminokyseliny, nukleové kyseliny (DNA a RNA), lipidy a mastné kyseliny.

Kyslík

Kyslík je plynný prvek a je nejhojnějším v celé zemské kůře. Je přítomen v mnoha organických a anorganických složkách a tvoří sloučeniny s téměř všemi chemickými prvky.

Je zodpovědný za oxidaci chemických sloučenin a spalování, což jsou také různé formy oxidace. Kyslík je velmi elektronegativní prvek, je součástí molekuly vody a podílí se na dýchacím procesu velké části živých bytostí.

Reaktivní druhy kyslíku jsou zodpovědné za oxidační stres uvnitř buněk. Je velmi běžné pozorovat poškození způsobené oxidačními sloučeninami makromolekulám uvnitř buňky, protože nevyvažují redukující vnitřek buněk.

Dusík

Dusík je také převážně plynný a tvoří asi 78% zemské atmosféry. Je důležitým prvkem výživy rostlin a zvířat.

U zvířat je dusík základní součástí aminokyselin, které jsou zase stavebními kameny bílkovin. Tkaniny strukturní bílkoviny a mnoho z nich má nezbytnou enzymatickou aktivitu k urychlení mnoha životně důležitých reakcí pro buňky.

Dusík je základní součástí dusíkatých bází, které tvoří nukleové kyseliny, jako jsou DNA a RNA (Zdroj: Soubor: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * překlad: Sponk prostřednictvím Wikimedia Commons)

Dusík je přítomen v dusíkatých bázích DNA a RNA, nezbytných molekul pro přenos genetické informace od rodičů k potomkům a pro správné fungování živých organismů jako buněčných systémů.

Zápas

Nejhojnější formou tohoto prvku v přírodě jsou pevné fosfáty v úrodných půdách, řekách a jezerech. Je důležitým prvkem pro fungování zvířat a rostlin, ale také bakterií, hub, prvoků a všech živých bytostí.

U zvířat se fosfor nachází ve všech kostech hojně ve formě fosforečnanu vápenatého.

Fosfor je nezbytný pro život, protože je také prvkem, který je součástí DNA, RNA, ATP a fosfolipidů (základní složky buněčných membrán).

Tento bioelement se vždy podílí na reakcích přenosu energie, protože vytváří sloučeniny s velmi energetickými vazbami, jejichž hydrolýza se používá k pohybu různých buněčných systémů.

Síra

Síra se běžně vyskytuje ve formě sulfidů a síranů. Je zvláště hojný v sopečných oblastech a je přítomen v aminokyselinových zbytcích cysteinu a methioninu.

V proteinech tvoří atomy síry cysteinu velmi silnou intra- nebo intermolekulární interakci známou jako „disulfidový můstek“, který je nezbytný pro tvorbu sekundární, terciární a kvartérní struktury buněčných proteinů.

Koenzym A, metabolický meziprodukt se širokou škálou funkcí, má ve své struktuře atom síry.

Tento prvek je také zásadní ve struktuře mnoha enzymatických kofaktorů, které se účastní různých důležitých metabolických drah.

Sekundární bioelementy

Jak bylo uvedeno výše, sekundární bioelementy jsou ty, které se nacházejí v nižším poměru než primární a nejdůležitější jsou draslík, hořčík, železo, vápník, sodík a zinek.

Sekundární bioelementy nebo stopové prvky se účastní mnoha fyziologických procesů rostlin, fotosyntézy, dýchání, buněčné iontové rovnováhy vakuoly a chloroplastů, transportu uhlohydrátů do plamene atd.

To platí také pro zvířata a jiné organismy, kde tyto prvky, více či méně rozptýlené a méně hojné, jsou součástí mnoha kofaktorů nezbytných pro fungování celého buněčného aparátu.

Žehlička

Železo je jedním z nejdůležitějších sekundárních bioelementů, protože má funkce ve více energetických jevech. Je velmi důležitý v reakcích redukce přírodních oxidů.

Například u savců je železo nezbytnou součástí hemoglobinu, proteinu, který je zodpovědný za transport kyslíku v krvi uvnitř erytrocytů nebo červených krvinek.

V rostlinných buňkách je tento prvek také součástí některých pigmentů, jako je chlorofyl, nezbytný pro fotosyntetické procesy. Je součástí molekul cytochromu, také nezbytného pro dýchání.

Zinek

Vědci se domnívají, že zinek byl jedním z klíčových prvků ve vzhledu eukaryotických organismů před miliony let, protože mnoho z DNA-vazebných proteinů pro replikaci, které tvořily „primitivní eukaryoty“, používalo zinek jako motiv unie.

Příkladem tohoto typu proteinu jsou zinkové prsty, které se podílejí na transkripci genu, translaci proteinu, metabolismu a sestavování proteinu atd.

Vápník

Vápník je jedním z nejhojnějších minerálů na planetě Zemi; u většiny zvířat tvoří zuby a kosti ve formě hydroxyfosfátu vápenatého. Tento prvek je nezbytný pro svalovou kontrakci, přenos nervových impulzů a srážení krve.

Hořčík

Nejvyšší podíl hořčíku v přírodě se vyskytuje v pevné formě kombinované s jinými prvky, nachází se nejen ve volném stavu. Hořčík je kofaktorem více než 300 různých enzymových systémů u savců.

Reakce, kterých se účastní, sahají od syntézy bílkovin, pohyblivosti svalů a funkce nervů až po regulaci hladiny glukózy v krvi a krevního tlaku. Hořčík je nezbytný pro produkci energie v živých organismech, pro oxidační fosforylaci a glykolýzu.

Přispívá také k rozvoji kostí a je nezbytný mimo jiné pro syntézu DNA, RNA, glutathionu.

Sodík a draslík

Jsou to dva velmi hojné ionty uvnitř buňky a změny jejich vnitřní a vnější koncentrace, jakož i jejich transport, jsou rozhodující pro mnoho fyziologických procesů.

Draslík je nejhojnějším intracelulárním kationtem, udržuje objem tekutiny uvnitř buňky a transmembránové elektrochemické gradienty.

Sodík i draslík se aktivně podílejí na přenosu nervových impulsů, protože jsou transportovány pomocí sodík-draselné pumpy. Sodík se také podílí na svalové kontrakci a absorpci živin buněčnou membránou.

Zbytek sekundárních bioelementů: molybden (Mo), fluor (F), chlor (Cl), jód (I) a měď (Cu) hrají důležitou roli v mnoha fyziologických reakcích. Jsou však zapotřebí v mnohem menším poměru, než je výše uvedených šest prvků.

Reference

1. Egami, F. (1974). Drobné prvky a vývoj. Journal of molekulární evoluce, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). Bioelementy; Chemické prvky živé hmoty. Žurnál obecné fyziologie, 1 (4), 429
3. Kaim, W., & Rall, J. (1996). Měď - „moderní“ bioelement. Angewandte Chemie International Edition v angličtině, 35 (1), 43-60.
4. Národní institut zdraví. (2016). Hořčík: informační přehled pro zdravotnické pracovníky. Aktuální verze, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). Bioelementy, elementom a biogeochemická nika. Ecology, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bioelementy a bioelementologie ve farmakologii a výživě: základní a praktické aspekty. Ve farmakologii a nutričních intervencích v léčbě nemocí. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Měď-moderní bioelement. In Copper and Bacteria (str. 1-9). Springer, Cham.
8. Světová zdravotnická organizace. (2015). Informační list: Salt.