PIERWIASTKI MATERIA SUBSTANCJE CHEMICZNE PIERWIASTKI MIKROELEMENTY < 0.01% Żelazo Fe, jod , miedź, kobalt, fluor, cynk selen ZWIĄZKI CHEMICZNE MAKRO-ELEMENTY > 0.01% Biogenne: Węgiel C, wodór H, azot N, tlen O, siarka S, fosfor P MIESZANINY SUBSTANCJI Wapń Ca, potas K, sód Na, magnez Mg, chlor Cl NIEORGANIC ZNE ORGA-NICZNE woda sole mineralne Tłuszcze, węglowodany, białka, kwasy nukleinowe, inne (barwniki, garbniki, alkaloidy, witaminy) GŁÓWNIE CIEKŁE ROZTWORY Pierwiastki to składowe elementy materii, które ze względu na ilość w komórkach dzielimy na makroelementy (więcej niż 0.01% suchej masy organizmu), mikroelementy (mniej niż 0.01% suchej masy organizmu), a nawet czasami wspominamy o ultraelementach (jest ich bardzo mało). PIERWIASTKI BIOGENNE Prześledźmy zawartość niektórych pierwiastków w organizmie człowieka. Przeciętnie kilogram jego ciała zawiera 650 g tlenu, 180 g węgla, 100 g wodoru, 30 g azotu. Te cztery pierwiastki to podstawowe składniki budujące żywą materię. Gdy dodamy do nich jeszcze kolejne pierwiastki: fosfor (10 g) i siarkę (3 g) – otrzymamy grupę tzw. pierwiastków biogennych. Bez nich nie istniałoby życie na Ziemi. Pierwiastki biogenne to grupa makroelementów, do których możemy zaliczyć: • • • • • • węgiel (6C) wodór (2H) azot (7N) tlen (8O) siarkę (16S) fosfor (15P) Jak to zapamiętać? Czy próbowałeś kiedyś mnemotechnik? Są to metody uczenia się na wierszykach i głupich skojarzeniach, dzięki którym można w prosty sposób zapamiętać trudne zagadnienia. Dla przykładu w zdaniu CHodź NO Super Panie – zauważ, że w tym zdaniu w każdym wyrazie jest symbol poszczególnego pierwiastka biogennego. Łatwe nie? Węgiel C - podstawowy element wszystkich związków organicznych. Atomy tego pierwiastka mają zdolność do łatwego i silnego wiązania się między sobą, w porównaniu z atomami innych pierwiastków. To dzięki tej cesze, obserwuje się ogromną różnorodność związkach chemicznych tworzonych przez ten pierwiastek. Powstają długie łańcuchy węglowe, proste lub rozgałęzione, w formie pierścieniowej, a także, jako kombinacje łańcuchów i form aromatycznych. Można, więc uznać, że węgiel tworzy „szkielety” wszystkich związków organicznych. Węgiel zawarty jest również w dwutlenku węgla (CO 2), który podczas wymiany gazowej wydalany jest z organizmu do atmosfery. Następnie przyswajany jest przez rośliny stając się kluczowym substratem fotosyntezy. Wodór H - pierwiastek, który obok węgla i tlenu, jest składnikiem związków organicznych. Wiąże się z atomami węgla, dołączając się tym samym do szkieletów tych związków. Atomy wodoru są również elementem grup funkcyjnych wraz z atomami węgla. Bierze udział w reakcjach oksydo-redukcyjnych (redoks) wraz z tlenem, polegających na wymianie elektronów i atomów wodoru między substancjami, dzięki czemu będą one przekształcały się w zupełnie inne substancje. Takie procesy mają miejsce np. w oddychaniu tlenowym. Buduje cząsteczkę wody (H20). Azot N - jest pierwiastkiem składowym ostatecznych produktów metabolizmu, które są wydalane z organizmu ze względu na swoją mniej lub większą toksyczność. Przykładem jest amoniak przekształcany w nisko toksyczny dla komórek mocznik usuwany poprzez mocz z organizmu. Jest składnikiem białek, kwasów nukleinowych wielu związków barwnikowych (np. hemoglobina), lipidów budujących błony komórkowe, związków cyklicznych biorących udział w wielu przemianach chemicznych i energetycznych (ATP i ADP). Jest składnikiem powietrza atmosferycznego (78%). Niedobory tego pierwiastka u roślin przynoszą wiele negatywnych skutków. Przyczyniają się do zahamowania wzrostu i kwitnienia, powodują żółknięcie liści, gdyż zaburzona jest synteza chlorofilu. Azot wchodzi w skład alkaloidów – związków chemicznych, wykazujących silnie pobudzające działanie fizjologiczne na organizm zwierząt i ludzi, już przy niskich stężeniach. Przy wysokich stężeniach powodują zatrucia, a nawet śmierć. Są to: kofeina, teina, teobromina, nikotyna, chinina, kurara, morfina). Tlen O - to element naszej atmosfery (21%). Buduje, wraz z wodorem, cząsteczkę wody. W stanie wolnym występuje w formie dwuatomowej (O2) i trójatomowej (O3). Dodatkowo bez udziału tlenu nie mógłby zajść proces oddychania tlenowego. W warunkach tlenowych aeroby mogą utleniać cukry (głównie glukozę) do prostszej postaci i także wyzwalać duże porcje energii niezbędnej do życia. Bierze udział w ważnych procesach oksydoredukcyjnych. Stanowi uboczny produkt fotosyntezy. Jest również niezbędny do zajścia fosforylacji oksydacyjnej, będącej najistotniejszym etapem utleniania komórkowego. Siarka S - większości może kojarzyć z cuchnącym siarkowodorem, lecz to bardzo mylne skojarzenie, gdyż siarka występuje w niektórych białkach i ma zdolność tworzenia bardzo wytrzymałych wiązań, zwanych mostkami disiarczkowymi (lub dwusiarczkowe), które podtrzymują przestrzenną strukturę białek, a ta decyduje o ich aktywności biologicznej. Te siły są w stanie utrzymać strukturę III-rzędową np. immunoglobulin. Jest to pierwiastek będący składnikiem enzymów, przede wszystkim regulujących proces utleniania komórkowego. Buduje aminokwasy siarkowe (metionina, cystyna, cysteina). Siarka, będąc składnikiem białka keratyny, buduje twory u zwierząt takie jak: rogi, kopyta, pazury, paznokcie, włosy, zapewniając im mechaniczną wytrzymałość. U roślin niedostatek siarki wpływa hamująco na biosyntezę chlorofilu, a więc ogranicza fotosyntezę. Jest składnikiem wielu olejków eterycznych u takich roślin jak czosnek, cebula czy papryka, przyczyniając się tym samym do ulepszenia walorów smakowych potraw. Fosfor P - pierwiastek będący składnikiem kwasów nukleinowych, uniwersalnego przenośnika energii, jakim jest ATP oraz transporterów wodoru (NAD, NADP). Ilość tego pierwiastka w organizmach nie jest wysoka, ale rola bardzo istotna. Niedostatek fosforu powoduje, bowiem ograniczenie w syntezie ATP, a związek ten jest niezbędny do zajścia ważnych przemian energetycznych w komórce. U zwierząt fosfor jest składnikiem mineralnym kości, obok wapnia i magnezu. Zapewnia elementom kostnym twardość i wytrzymałość. Fosfor wpływa korzystnie na stan zębów i dziąseł. Bierze udział w procesach wzrostowych i regeneracyjnych komórek. Uczestniczy w metabolizmie tłuszczów i skrobi. U roślin jego niedobór powoduje ograniczenie fotosyntezy oraz zaburzenie przebiegu oddychania komórkowego. Jest to czynnik ograniczający wzrost i rozwój części nadziemnych roślin oraz korzeni. Inne skutki niedoboru to żółknięcie brzegów liści, karłowacenie oraz pojawianie się ciemnych przebarwień na powierzchni liści. INNE MAKROELEMENTY Wapń ( Ca ) – pierwiastek będący ważnym składnikiem mineralnym kości. Warunkuje ich prawidłowy wzrost i wytrzymałość. Jest niezbędnym elementem płynów ustrojowych organizmu. Wapń bierze udział w procesie krzepnięcia krwi. Umożliwia pobudliwość komórek nerwowych oraz skurcz komórek mięśniowych. Zwiększa również lepkość cytoplazmy oraz przepuszczalność błon biologicznych. Niedobór wapnia powoduje procesy rozkładu błony cytoplazmatycznej. U roślin jest czynnikiem ograniczającym wzrost korzeni i pędów oraz powoduje ich zniekształcenia. Magnez ( Mg ) – razem z wapniem i fosforem buduje mineralną strukturę tkanki kostnej, zapewniając jej wytrzymałość i twardość. Powoduje wzrost lepkości cytoplazmy, przepuszczalności błon komórkowych i pobudliwości błony komórki nerwowej. Magnez stanowi atom centralny barwnika fotosyntetycznego – chlorofilu. Jest również aktywatorem wielu ważnych enzymów. Zapewnia również prawidłową budowę podjednostek rybosomów. Sód ( Na ) i Potas ( K ) – kationy jednowartościowe, powodują spadek lepkości cytoplazmy, przepuszczalności błony komórkowej oraz zahamowanie pobudliwości komórek nerwowych i mięśniowych. Potas występuje w roślinach znacznie liczniej niż sód. Potas jest pierwiastkiem regulującym transpirację u roślin, gdyż reagując na stopień uwodnienia komórek szparkowych, stymuluje otwieranie bądź zamykanie aparatów szparkowych. Niedobór potasu u roślin jest przyczyną żółknięcia brzegów liści oraz wiotczenia łodyg. Chlor ( Cl ) – ten makroelement reguluje równowagę jonową ustroju. Ponadto aktywuje enzym – amylazę ślinową, która rozkłada skrobię do związków prostszych w jamie ustnej. Jest składnikiem kwasu solnego, występującego w soku żołądkowym. U roślin jest on prawdopodobnie niezbędny do przeprowadzenia procesu fotosyntezy.
