Biologiczne znaczenie pierwiastków
Makroelementy
edytujMianem 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. 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 przez 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. 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
edytujMikroelementy, 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
edytujTrzecią 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
edytujObok 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. 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 (zapotrzebowanie dobowe)[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][18].
|
| 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][19] (cytochromów[7][13] (np. cytochrom P450 odpowiedzialny za detoksykację[19]), 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][19] (wchodzi w skład polimeraz, uczestniczy w replikacji DNA i ekspresji genów)[19], składnik enzymów oddechowych[8][12].
|
Zaburzenia biosyntezy białek i kwasów nukleinowych[19].
|
| 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 ureazy – enzymu 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 (?) |
|
|
| Arsen, As (20 µg) |
|
|
| Kobalt, Co (50 µg)[m] |
|
|
| Stront, Sr (?) |
| |
Zobacz też
edytujUwagi
edytuj- ↑ Podano średnie dobowe zapotrzebowanie dla dorosłego człowieka. Z powodu dużych rozbieżności w źródłach, w tabeli podano przedział z kilku źródeł.
- ↑ a b Głównie w postaci wody.
- ↑ W postaci różnych pokarmów.
- ↑ Wynika to z dobowego zapotrzebowania na białko, które wynosi 1 g/kg masy ciała (białko zawiera przeciętnie 16% wagowych azotu).
- ↑ a b c d Objawy pojawiają się najpierw na starszych liściach.
- ↑ a b Dotyczy to zazwyczaj osób nadużywających alkoholu.
- ↑ a b c d e f g Objawy pojawiają się najpierw na młodych liściach.
- ↑ Najwięcej chloru potrzebują halofity (słonorośla), u innych roślin jego nadmiar powoduje pogorszenie jakości plonu.
- ↑ Zapotrzebowanie dla kobiet jest niższe, niż dla mężczyzn.
- ↑ Niedobór występuje najczęściej u drzew owocowych.
- ↑ a b Prawdopodobnie.
- ↑ Niedobór występuje rzadko.
- ↑ W postaci witaminy B12.
Przypisy
edytuj- ↑ a b Hydrogeochemia, s. 97–99.
- ↑ a b c d e f Żyzność gleby i odżywianie się roślin, s. 146, 279.
- ↑ a b c d Plants and the Chemical Elements Biochemistry, s. 4.
- ↑ a b c Murray Robert, Granner Daryl, Mayes Peter, Rodwell Victor: Biochemia Harpera. Wyd. III. Warszawa: PZWL, 1995. ISBN 83-200-1798-X.
- ↑ Plant Physiology, s. 67–86.
- ↑ Handbook of Plant Nutrition, s. 3–18.
- ↑ 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 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ a b c d e Świat Wiedzy, Ciało człowieka 196, s. 582.
- ↑ 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- BIOLOGIA, Vademecum maturalne 2011. Monika Balcerowicz (red.). Gdynia: Operon, 2010. ISBN 978-83-7680-166-7.
- Introduction. W: Handbook of Plant Nutrition. Allen V. Barker, David J. Pilbeam (redaktorzy). Boca Raton, Londyn, Nowy Jork: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2007. ISBN 978-0-8247-5904-9. (ang.).
- Barbara Bukała: BIOLOGIA. Fizjologia zwierząt z elementami fizjologii człowieka. Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2005. ISBN 83-7267-192-3.
- Barbara Bukała: BIOLOGIA. Komórka, skład chemiczny i struktura. Wyd. II (poprawione). Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2007. ISBN 83-7267-125-7.
- Plants and the Chemical Elements Biochemistry: Uptake, Tolerance and Toxicity. Margaret E. Farago (red.). Weinheim, Nowy Jork: VCH, 1994. ISBN 3-527-28269-6. (ang.).
- Ewa Holak, Waldemar Lewiński, Małgorzata Łaszczyca, Grażyna Skirmuntt, Jolanta Walkiewicz: Biologia 2 (zakres rozszerzony). Operon.
- Biologia. Czesław Jura, Jacek Godula (redaktorzy). Wyd. VII (przekład). Warszawa: MULTICO Oficyna Wydawnicza, 2007. ISBN 978-83-7073-412-1.
- Tadeusz Lityński, Halina Jurkowska: Żyzność gleby i odżywianie się roślin. Warszawa: PWN, 1982. ISBN 83-01-02887-4.
- Aleksandra Macioszczyk: Hydrogeochemia. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1987. ISBN 83-220-0298-X.
- Tablice biologiczne. Witold Mizerski (red.). Wyd. IV. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan, 2004. ISBN 83-7350-059-6.
- Encyklopedia Biologia. Agnieszka Nawrot (red.). Kraków: Wydawnictwo GREG. ISBN 978-83-7327-756-4.
- Niedożywienie. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 196. Marshall Cavendish.
- Witaminy i mikroelementy. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 55. Marshall Cavendish.
- Mineral nutrition. W: Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Plant Physiology. Sinauer Associates, 2002. ISBN 0-87893-823-0. (ang.).
