Život na planetě je dán souborem vztahů, v nichž dochází k mimořádnému toku informací a nepřetržité výměně hmoty a energie. Hmota je vše, co má hmotu a zaujímá místo ve vesmíru, je tvořeno atomy, což jsou minimální jednotky, které ji tvoří. Živé bytosti, voda, hvězdy, vše, co nás obklopuje, je tvořeno atomy.
Rozmanitost chemických prvků je dána řadou typů atomů. Každý typ atomu představuje jiný chemický prvek. V současné době je známo 105 chemických prvků, z nichž 84 se nachází přirozeně a zbytek byl uměle vyroben v laboratořích.
Jak jsme již řekli, příroda je tvořena hmotou, a veškerá živá hmota je tedy také tvořena hmotou, která je zase tvořena atomy a tyto tvoří prvky. Prvky, které tvoří živou hmotu, jsou známé pod názvem Bioelementy, které se zase klasifikují podle toho, zda jsou pro život nezbytné, nebo ne: Primární bioelementy a sekundární bioelementy
Základní prvky pro život
Primární bioelementy jsou ty základní chemické prvky přítomné v živé hmotě, v buňkách, tkáních, orgánech a systémech, které je tvoří od nejjednodušších po nejsložitější. Jak jsme již řekli, veškerá hmota, ať už živá či nikoli, je obecně tvořena atomy a vše, co je tvořeno pouze jedním typem atomů, je známé jako prvek, prvky, dosud známé, jsou 105.
V ústavě živé hmoty můžeme najít nejméně 70 stabilních chemických prvků, prakticky všechny prvky, které existují na planetě, minus vzácné plyny. Asi devadesát devět procent (99%) veškeré existující živé hmoty, z nichž většinu tvoří buňky složené z těchto šesti prvků: uhlík (C), vodík (H2), kyslík (O.2), Dusík (N2); Fosfor (P) a síra (S), které jsou v této oblasti nejhojnější živý, který najdeme na zemském povrchu. Nazývají se bioelementy, protože tvoří podstatnou součást základní nebo primární konstituce živých bytostí.
Druhy bioelementů
Podle toho, zda tvoří součást základní konstituce biomolekul živé hmoty, lze je rozdělit na: primární bioelementy a sekundární bioelementy.
Primární bioelementy
Jsou to všechny ty bioelementy, které jsou součástí základní konstituce živé hmoty, protože jsou nepostradatelnou součástí při tvorbě organických biomolekul: bílkovin, sacharidů, lipidů a nukleových kyselin. Představují čistou živou hmotu a jsou to: Uhlík (C), vodík (H2), kyslík (O.2), Dusík (N2); Fosfor (P) a síra (S).
Uhlík (C)
Es základní základní složka všech organických molekul, se objevuje ve všech řetězcích jako kostra, která dává formu a funkci organickým biomolekulám. Všechny organické sloučeniny jsou tvořeny uhlíkovými řetězci, které tvoří vazby s jinými prvky nebo sloučeninami.
Ve své nejvzdálenější skořápce má čtyři elektrony a může tvořit kovalentní vazby s jinými uhlíky, které jí umožňují vytvářet dlouhé řetězce atomů (makromolekul). Tyto vazby mohou být jednoduché, dvojité nebo trojité. Mohou se také vázat na různé vytvořené radikály prvky (-H, = O, -OH, -NH2, -SH, H2PO4) mimo jiné tak, že umožňuje tvorbu velkého počtu různých molekul, které budou zasahovat do mnoha chemických reakcí, a tím využijí rozmanitost přítomnou v prostředí.
Uhlík je základní složkou zvířat a rostlin. Je nezbytnou součástí molekuly glukózy, důležitým sacharidem pro provádění procesů, jako je dýchání; také zasahuje do fotosyntézy ve formě CO2 (oxid uhličitý).
Uhlík je také součástí další makromolekuly nezbytné pro život, DNA, tato molekula obsahuje genetickou informaci, která každému člověku propůjčuje vlastnosti, které nevlastní, a které tělo zase používá k replikaci a přenosu těchto informací jejich potomci
Vodík
Vodík je spolu s kyslíkem nezbytnou součástí organické hmoty. V případě některých lipidů vykazují ve své struktuře pouze atomy uhlíku a vodíku. Elektronový iont, který má atom vodíku v jeho poslední vrstvě, umožňuje snadno navázat vazby s některým z primárních bioelementů.
Kovalentní vazba, která se tvoří mezi uhlíkem a vodíkem, je dostatečně silná, aby byla stabilní, ale ne dostatečně silná, aby zabránila jejímu oddělení a umožnila tak syntézu dalších molekul. Molekuly tvořené pouze vodíkem a uhlíkem jsou kovalentní až polární (nerozpustné ve vodě).
Oxigen
Kyslík je nejelektronegativnější ze všech primárních bioelementů, a když se spojí s vodíkem, přitahuje svůj jediný elektron vznikající elektrické póly, takže radikály -OH, -CHO a COOH jsou polární radikály. Když tyto radikály nahradí některé vodíky uhlíkového řetězce a vodíky, jako je glukóza (C6H12O6) vznikají molekuly jako voda, které jsou rozpustné v polárních kapalinách.
Kyslík má díky své elektronegativitě schopnost přitahovat elektrony z jiných atomů. Tento proces nutně zahrnuje rozbití vazeb a uvolnění velkého množství energie. S čím reagují sloučeniny uhlíku a kyslíku to je známé jako aerobní dýchání, a je to běžný způsob získávání energie. Dalším způsobem, jak získat energii, je fermentace, která se snížila, protože řasy a rostliny pomocí fotosyntézy začaly produkovat kyslík pro primitivní atmosféru.
Proces oxidace biologických sloučenin se provádí odečtením atomů vodíku od atomů uhlíku. Kyslík, který je více elektronegativní, vyvíjí větší sílu na vodíkový elektron než na uhlíkový elektron, a proto se mu podaří ho nastartovat.
Vzniká tak voda s vodíkem plus kyslíkem a uvolňuje se velké množství energie, které živé bytosti využívají. Když atom uhlíku začíná sdílet elektron s vodíkem, sdílením méně elektronů s kyslíkem dochází ke ztrátě elektronů, to znamená, že oxiduje.
Dusík
Dusík je prvek, který je asi 78% součástí atmosféry. Je také základní složkou proteinů deoxyribonukleové kyseliny (DNA), odpovědný za přenos dědičných znaků z rodičů na děti. DNA je přítomna ve všech buňkách těla, a proto je důležitý dusík pro živé bytosti.
Dusík obecně nelze absorbovat přímo, ale jako součást jiných sloučenin, jako jsou dusičnany, dusitany nebo amonné sloučeniny, které jej obsahují. Než ho dusík začne používat živé bytosti, musí projít několika fázemi:
- Ammonifikace, proces, při kterém se dusík přeměňuje na amoniak.
- Nitrifikace, která spočívá v přeměně amoniaku na dusitany a dusičnany.
- Proces fixace, kterým dusík prochází různými procesy, aby se stal dusitany nebo dusičnany, obě látky, které mohou živé bytosti použít
Dusík se nachází v aminokyselinách, to znamená v molekulách, které tvoří bílkoviny a tvoří aminoskupiny (-NH2) a v dusíkatých bázích nukleových kyselin. Dusík je nejhojnější plyn v atmosféřeNavzdory tomu je toho jen velmi málo organismů schopno využít. Téměř veškerý dusík zabudovaný do živé hmoty řasami a rostlinami je absorbován ve formě dusičnanového iontu (NH3).
Dusík je velmi snadné tvořit sloučeniny s vodíkem (NH3) jako u kyslíku (NO-), který mu umožňuje přechod z jedné formy do druhé, čímž uvolňuje energii.
Síra Jako součást bílkovin esenciálních aminokyselin, vitamínů a důležitých hormonů je síra nezbytná pro lidi i zvířata.
Síra představuje 0.25% hmotnosti našeho těla, to znamená, že průměrné tělo dospělého obsahuje asi 170 g síry, z čehož většina se nachází v aminokyselinách. Síra je součástí žlučových kyselin, nezbytných pro trávení a vstřebávání tuků. Pomáhá udržovat zdravou pokožku, vlasy a nehty a má zásadní roli při tvorbě tkáně. Síra je obecně přítomna v zelenině, jako jsou ředkvičky, mrkev, mléčné výrobky, sýry, mořské plody a maso.
Zápas
Množství fosforu přítomného v atmosféře je zanedbatelné. Největší rezerva fosforu se nachází v mořských sedimentech. Půdy představují v pořadí podle důležitosti druhé přírodní skladiště fosforu v přírodě. Můžeme ji také najít v zemské kůře jako součást různých minerálů vlivem chemického zvětrávání, z minerálu se uvolňují fosfáty, rozpouští se a jsou transportovány vodou.
Část fosfátu se vysráží, hlavně ve formě fosforečnanu vápenatého, a další část se dostává do moří, kde se hromadí velké množství fosforu, což tvoří takzvané lapače fosforu.
Fosfor ve formě organický fosfát, je pro živou hmotu nesmírně důležitá, protože:
- Je to jedna ze složek nukleových kyselin (RNA a DNA, které tvoří genetický materiál organismů)
- Nachází se jako součást adenosintrifosfátu, který je téměř univerzálním zdrojem buněčné energie v živé hmotě.
- Je to jedna ze složek kostí.