Что такое биоэлементы в биологии
Познание мира
Биомолекулы: типы, функции и характеристики
Мы не собираемся связываться с метафизическими проблемами, но необходимо знать, что во многих случаях не совсем ясно, что порождает жизнь. Помимо гомеостаза, роста, воспроизводства и дифференциации, есть несколько более точных определений для определения жизни как следующего: «что происходит между состояниями рождения и смерти».
В любом случае, если у всех живых существ есть что-то общее (помимо наличия хотя бы одной клетки), то это то, что они состоят из 4 основных биоэлементов: углерода, водорода, кислорода и азота. На основе этих 4 химических столпов возникают все биомолекулы, составляющие каждую из наших клеток, и, следовательно, делают возможной жизнь на планете Земля.
Что такое биомолекулы?
Биомолекулы — это химические соединения, из которых состоит живое вещество всех существ, населяющих Землю. Они возникают в результате объединения биоэлементов химическими связями, среди которых выделяются биоэлементы ковалентного типа. Эти универсальные биомолекулы — это аминокислоты, углеводы, липиды, белки, витамины и нуклеиновые кислоты.
Эти молекулы постоянно повторяются во всех живых существах на планете, что имеет очень четкие последствия. В этом сценарии есть 2 возможных варианта: либо каждое живое существо происходит от одного и того же общего предка, либо, в противном случае, разные типы живых существ с одинаковым химическим составом появлялись независимо на протяжении всей истории, что крайне маловероятно.
Здесь вступает в игру принцип бритвы Оккама, который гласит: из двух теорий с равными условиями более простая, несомненно, объяснит поставленную проблему. Таким образом, гомогенное существование биомолекул во всех таксонах самым рациональным образом подтверждает, что все живые существа появились от одного и того же предка.
Биоэлементы
Биоэлементы — это химические элементы, которые присутствуют во всех живых существах либо в атомной форме, либо в составе биомолекул. Хотя более 60 элементов всей таблицы Менделеева можно найти в тканях живых существ, только 25 являются универсальными и неотчуждаемыми.
Кроме того, 96% массы почти всех тел клеток соответствует всего 6 биоэлементам: углероду (C), водороду (H), кислороду (O), азоту (N), фосфору (P) и сере (S).
Эти 6 элементов являются основой биомолекул благодаря следующим свойствам:
Биологическая сложность определяется числом и организацией клеток, но базальный субстрат всегда один и тот же.
Типы биомолекул
Аминокислоты и белки
Аминокислоты — это органические молекулы с аминогруппой (-NH2) на одном конце и карбоксильной группой (-COOH) на другом. Они являются основой белков, хотя могут выполнять и другие функции в организме человека. Примером этого является ГАМК (γ-аминомасляная кислота), поскольку это аминокислота, которой нет в наших белках и которая также действует как нейротрансмиттер в нервной системе.
Есть много типов аминокислот, но только 20 из них кодируют белки живых существ. Белки также считаются биомолекулами сами по себе (хотя и более крупными и сложными), поэтому их можно отнести к той же категории, что и эти биомолекулы, из которых они состоят.
Углеводы
Углеводы — это биомолекулы, хорошо известные своей важной ролью в питании, поскольку среди них есть свободные сахара, крахмал, гликоген и многие другие вещества. Они всегда связаны с высоким содержанием энергии (1 грамм дает 4,5 ккал), поэтому они связаны с накоплением и сжиганием энергии у большинства живых существ. Не вдаваясь в подробности, скажу, что у человека самый большой кратковременный запас энергии — это не жировая ткань: на самом деле это гликоген.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из-за его превосходных энергетических свойств примерно 55-60% общего количества потребляемых человеком калорий должны составлять углеводы. Достичь этого значения несложно, поскольку углеводы, такие как крахмал, в большом количестве содержатся в хлебе, кукурузе, картофеле, рисе, крупах, бобовых и многих молочных продуктах.
Липиды
Липиды обычно известны как жиры, состоящие в основном из углерода, водорода и, в меньшей степени, кислорода. Эта гетерогенная группа включает жиры или масла, фосфолипиды и жирные кислоты (насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные).
Продукты с высоким содержанием липидов должны составлять 30-35% от общего количества потребляемых калорий, поэтому, вопреки распространенному мнению, жиры сами по себе не плохи. Жировая ткань человека обладает гормональными свойствами, позволяет длительное время хранить энергию, защищает нас от механических повреждений и многого другого.
Витамины
Витамины — это очень разные соединения, которые необходимы для жизни. Эти вещества обычно известны как «микронутриенты», потому что, несмотря на то, что они необходимы в минимальных количествах, они выполняют ряд задач в нашем организме, которые нельзя заменить другими соединениями. Витамин A, витамин C и витамин E являются яркими примерами в этой группе.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты не требуют представления: речь идет о ДНК и РНК. Первая — это библиотека жизни, поскольку она включает всю генетическую информацию, необходимую для клеточного метаболизма и, следовательно, выживания всех наших клеток, органов и тканей.
ДНК также содержит основу наследственности и эволюции, потому что благодаря ей возникают мутации и наследуются признаки, которые со временем изменяют генотип и фенотип вида.
Неорганические биомолекулы
Они не являются органическими по своей природе, но все же играют ключевую роль в формировании и поддержании организмов. Ярким примером неорганической биомолекулы является вода (H2O), которая составляет 70% от общей массы клеток.
Определение термина «жизнь» становится немного легче, когда мы понимаем, что, в конце концов, мы все являемся конгломератом из 25 органических соединений, особенно из 6 биоэлементов: углерода (C), водорода (H), кислорода (O ), азота (N), фосфорв (P) и сераы (S). Когда мы уменьшаем морфологическую сложность до минимума, мы обнаруживаем, что бактерия и человеческая клетка почти больше похожи, чем различны.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Классификация биоэлементов (первичных и вторичных)
Существует около 70 таких элементов, которые различаются в разных пропорциях и не все присутствуют во всех живых существах (Bioelements, 2009)..
Вся материя во Вселенной происходит в виде атомов небольшого числа элементов. Во Вселенной 92 природных химических элемента.
С нашей земной точки зрения трудно представить себе формы жизни, в которых элементы водород, углерод, кислород, азот, сера и фосфор не играют доминирующей роли (ХИМИИ БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ., С.Ф.).
Тот факт, что они действительно играют эту роль во всей вселенной, представляется весьма вероятным, отчасти потому, что (кроме фосфора) они являются наиболее распространенными элементами во всем космосе, а также производятся в значительных количествах между строительными блоками планет земной группы..
Кроме того, его химия особенно хорошо подходит для разработки сложных структур и функций, которые характерны для живых систем.
Поскольку Солнце и планеты образовались всего 4,6 миллиарда лет назад во вселенной, возраст которой, возможно, составляет 15 миллиардов лет, очевидно, что эти «биогенные элементы» пережили долгую и сложную химическую историю, прежде чем войти во вселенную. наземная биохимия.
В настоящее время неизвестно, сыграла ли эта предыдущая история прямую роль в происхождении жизни на Земле..
Классификация биоэлементов
В соответствии с их количеством в составе биомолекул, биоэлементы классифицируются как первичные, вторичные и микроэлементы (Rastogi, 2003).
1- Первичные биоэлементы
Эти элементы характеризуются тем, что они легкие (с низким атомным весом) и в изобилии. Основными биоэлементами являются углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера..
Углерод (С)
Это основной биоэлемент, который составляет биомолекулы. Он обладает способностью собираться с образованием крупных углерод-углеродных цепей с помощью одинарных, двойных или тройных связей, а также циклических структур..
Он может включать множество функциональных групп, таких как кислород, гидроксид, фосфат, амино, нитро и т. Д., Что приводит к огромному разнообразию различных молекул.
Атом углерода, вероятно, является одним из наиболее важных биоэлементов, поскольку все биомолекулы содержат углерод. Можно найти, например, липиды без фосфора или азота (например, холестерин), но нет биомолекул без углерода.
Водород (H)
Это один из компонентов молекулы воды, который необходим для жизни и является частью углеродных скелетов органических молекул..
Чем больше молекул водорода в биомолекуле, тем больше она будет уменьшаться и тем больше способность окисляться, производя больше энергии.
Например, жирные кислоты имеют больше электронов, чем углеводов, поэтому они способны производить больше энергии за счет деградации.
Кислород (O)
Это другой элемент, который составляет молекулу воды. Это очень электроотрицательный элемент, который позволяет большее производство энергии за счет аэробного дыхания.
Кроме того, полярные связи с водородом, в результате чего водорастворимые полярные радикалы.
Азот (N)
Элемент, который присутствует во всех аминокислотах. Благодаря азоту аминокислоты обладают способностью образовывать пептидную связь с образованием белков.
Этот биоэлемент также содержится в азотистых основаниях нуклеиновых кислот. Выводится организмом в виде мочевины.
Одной из первых биомолекул, которая сформировалась, была АТФ, из-за обилия азота в атмосфере Земли. Азот является частью аденозина АТФ.
фосфор (Р)
Группа в основном встречается как фосфат (ПО4 3- ) это часть нуклеотидов. Формируйте энергетически насыщенные ссылки, которые позволяют легко обмениваться (ATP).
Это также важно в структуре ДНК, так как она образует фосфодиэфирную связь с нуклеотидами для образования этой молекулы.
Сера (S)
Биоэлемент, который обнаруживается в основном в виде сульфгидрильной группы (-SH), являющейся частью аминокислот, таких как цистеин, в которых дисульфидные связи необходимы для создания стабильности в третичной и четвертичной структуре белков..
Он также содержится в коэнзиме А, необходимом для различных универсальных метаболических путей, таких как цикл Кребса (Llull, S.F.). Это самый тяжелый первичный биоэлемент, который существует, поскольку его атомный вес составляет 36 г / моль..
2- Вторичные биоэлементы
Эти типы элементов также присутствуют во всех живых существах, но не в тех же количествах, что и первичные элементы..
Они не соответствуют биомолекулам, но используются в градиентах клеточной концентрации, диэлектрической сигнализации нейронов и нейротрансмиттеров, стабилизируют заряженные биомолекулы, такие как АТФ, и образуют часть костной ткани..
Этими биоэлементами являются кальций (Ca), натрий (Na), калий (K), магний (Mg) и хлор (Cl). Наиболее распространенными являются натрий, калий, магний и кальций.
Кальций (Ca)
Кальций необходим для живых организмов, поскольку растениям необходим кальций для создания клеточных стенок..
Он образует часть костной ткани позвоночных в виде гидроксиапатита (Ca3 (PO4) 2) 2, Ca (OH) 2, и его фиксация связана с потреблением витамина D и солнечного света. Кальций, присутствующий в ионной форме, служит важным регулятором процессов в клеточной цитоплазме.
Кальций влияет на нервно-мышечную возбудимость мышц (наряду с ионами K, Na и Mg и участвует в сокращении мышц.) Гипокальциемия приводит к колики-тетании. Он также участвует в регуляции синтеза гликогена в почках, печени и скелетных мышцах..
Кальций уменьшает проницаемость клеточной мембраны и стенки капилляра, что приводит к его противовоспалительным, антиэкссудативным и антиаллергическим эффектам. Это также необходимо для свертывания крови.
Ионы кальция являются важными внутриклеточными мессенджерами, которые влияют на секрецию инсулина в кровообращении и секрецию ферментов пищеварения в тонкой кишке..
На реабсорбцию кальция влияют взаимоотношения кальция и фосфатов в кишечнике и присутствие холекальциферола, который регулирует активную реабсорбцию кальция и фосфора..
Обмен кальция и фосфатов регулируется гормонально паратоидным гормоном и кальцитонином. Паратоидный гормон высвобождает кальций из костей в крови.
Кальцитонин способствует отложению кальция в костях, что снижает уровень крови.
Магний (Mg)
Магний является вторичным биоэлементом, который входит в состав биомолекул, поскольку он является кофактором хлорофилла. Магний является типичным внутриклеточным катионом и является неотъемлемой частью тканей и жидкостей организма..
Он присутствует в скелете (до 70%) и в мышцах животных и в числе его функций заключается в стабилизации отрицательного заряда фосфатов молекулы АТФ.
Натрий (Na)
Это важный внеклеточный катион, он участвует в гомеостазе организма. Защищает организм от чрезмерных потерь воды через натриевые каналы и участвует в распространении нервного возбуждения.
Калий (К)
Участвует в гомеостазе организма и в распространении нервного возбуждения по калиевым каналам. Дефицит калия может привести к остановке сердца.
Хлор (Cl)
Галоген из группы VII периодической таблицы. Он присутствует в организме живых существ в основном в виде хлорид-иона, который стабилизирует положительный заряд ионов металлов (Biogenic elements, S.F.).
3- Элементы в следах
Они присутствуют в некоторых живых существах. Многие из этих микроэлементов действуют как кофакторы в ферментах.
Микроэлементами являются бор (B), бром (Br), медь (Cu), фтор (F), марганец (Mn), кремний (Si), железо (Fe), йод (I) и т. Д..
Доля биоэлементов
Существует разница в пропорции биоэлементов в организмах и в атмосфере, гидросфере или земной коре, что свидетельствует о выборе более подходящих элементов для формирования структур и выполнения специфических функций выше изобилия..
Например, углерод составляет примерно 20% от массы организмов, но его концентрация в атмосфере в виде диоксида углерода низкая. С другой стороны, азот составляет почти 80% атмосферы Земли, но только 3,3% азота составляет организм человека.
В следующей таблице показана доля некоторых биоэлементов в живых организмах по сравнению с остальной частью Земли (Bioelements, s.f.):
Таблица 1: изобилие биоэлементов во вселенной, на земле и в организме человека.
биомолекулы
Биоэлементы соединяются друг с другом и могут образовывать тысячи различных молекул. Биомолекулы участвуют в конституции клеток.
Они могут быть классифицированы на неорганические (вода и минералы) и органические (углеводы, липиды, аминокислоты и нуклеиновые кислоты).
Биомолекулы известны как структурные ашлары жизни, так как они представляют собой кирпичи или основные формы, из которых состоят более сложные молекулы..
Например, аминокислоты являются структурными ашларами белков. Аминокислотная последовательность определяет первичную структуру белка.
Молекулы, такие как липиды, образуют клеточную мембрану, а лобиомолы простые углеводы образуют сложные углеводы, такие как молекула гликогена..
Существует также случай азотистых оснований, которые, когда они связываются с углеводом или дезоксирибозой рибозы, образуют молекулы РНК и ДНК, где их последовательность будет целоваться из генетического кода..