La vita sul pianeta è determinata da un insieme di relazioni in cui c'è uno straordinario flusso di informazioni e un continuo scambio di materia ed energia. La materia è tutto ciò che ha massa e occupa un posto nello spazio, è composta da atomi, che sono le unità minime che la costituiscono. Esseri viventi, acqua, stelle, tutto ciò che ci circonda è fatto di atomi.
La diversità degli elementi chimici è dato dalla varietà di tipi di atomi. Ogni tipo di atomo costituisce un elemento chimico diverso. Attualmente sono noti 105 elementi chimici, di cui 84 si trovano naturalmente e il resto sono stati prodotti artificialmente in laboratorio.
Come abbiamo detto, la natura è fatta di materia, e tutta la materia vivente è quindi composta anche da materia, che a sua volta è composta da atomi e questi elementi compongono. Gli elementi che compongono la materia vivente sono conosciuti con il nome di Bioelementi, questi a loro volta vengono classificati a seconda che siano o meno essenziali per la vita in: Bioelementi primari e bioelementi secondari
Elementi essenziali per la vita
I Bioelementi Primari sono quegli elementi chimici essenziali, presenti nella materia vivente, nelle cellule, nei tessuti, negli organi e nei sistemi che li compongono dal più semplice al più complesso. Come abbiamo detto prima, tutta la materia, in generale, viva o no, è composta da atomi, e tutto ciò che è composto da un solo tipo di atomi è noto come elemento, gli elementi, conosciuti fino ad ora, sono 105.
Nella costituzione della materia vivente possiamo trovare almeno 70 elementi chimici stabili, praticamente tutti gli elementi che esistono sul pianeta, meno i gas nobili. Circa il novantanove percento (99%) di tutta la materia vivente esistente, la maggior parte delle quali sono cellule costituite da questi sei elementi: carbonio (C), idrogeno (H2), ossigeno (O2), Azoto (N2); Fosforo (P) e Zolfo (S) che sono i più abbondanti in materia vivo che troviamo sulla superficie terrestre. Sono chiamati bioelementi perché costituiscono una parte essenziale della costituzione di base o primaria di quelli degli esseri viventi.
Tipi di bioelementi
A seconda che facciano parte o meno della costituzione essenziale delle biomolecole della materia vivente, i bioelementi possono essere classificati in: bioelementi primari e bioelementi secondari.
Bioelementi primari
Sono tutti quei bioelementi che fanno parte della costituzione essenziale della materia vivente, poiché sono una parte indispensabile nella formazione delle biomolecole organiche: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. Costituiscono la materia vivente netta e sono: carbonio (C), idrogeno (H.2), ossigeno (O2), Azoto (N2); Fosforo (P) e Zolfo (S).
Carbonio (C)
Es la componente base essenziale di tutte le molecole organiche, appare in tutte le catene come lo scheletro che dà forma e funzione alle biomolecole organiche. Tutti i composti organici sono costituiti da catene di carbonio che formano legami con altri elementi o composti.
Ha quattro elettroni nel suo guscio più esterno e può formare legami covalenti con altri atomi di carbonio che gli consentono di formare lunghe catene di atomi (macromolecole). Questi legami possono essere singoli, doppi o tripli. Possono anche legarsi ai diversi radicali formati dagli elementi (-H, = O, -OH, -NH2, -SH, H2PO4) tra gli altri, in modo da consentire la formazione di un gran numero di molecole diverse, che interverranno in una molteplicità di reazioni chimiche, e sfruttando così la diversità presente nell'ambiente.
Il carbonio è un componente essenziale per animali e piante. È una parte indispensabile della molecola del glucosio, un carboidrato importante per lo svolgimento di processi come la respirazione; interviene anche nella fotosintesi, sotto forma di CO2 (diossido di carbonio).
Il carbonio fa anche parte di un'altra macromolecola essenziale per la vita, quella del DNA, questa molecola contiene l'informazione genetica che conferisce ad ogni individuo le caratteristiche che non possiede, e che a sua volta viene utilizzata dall'organismo per replicare e trasmettere tale informazione i loro discendenti
Idrogeno
L'idrogeno, insieme all'ossigeno, è una parte essenziale della materia organica. Nel caso di alcuni lipidi, mostrano solo atomi di carbonio e idrogeno nella loro costituzione. Lo ione elettronico che ha l'estensione atomo di idrogeno nel suo ultimo strato, consente di stabilire facilmente legami con uno qualsiasi dei bioelementi primari.
Il legame covalente che si forma tra carbonio e idrogeno è abbastanza forte da essere stabile, ma non abbastanza forte da impedirne la separazione e consentire così la sintesi di altre molecole. Le molecole formate, solo da idrogeno e carbonio, sono da covalenti a polari (insolubili in acqua).
L'Ossigeno
L'ossigeno è il più elettronegativo di tutti i bioelementi primari e quando si unisce all'idrogeno attrae il suo unico elettrone, dando origine ai poli elettrici, quindi i radicali -OH, -CHO e COOH sono radicali polari. Quando questi radicali sostituiscono alcuni idrogeni della catena del carbonio e idrogeni come il glucosio (C.6H12O6) danno origine a molecole come l'acqua che sono solubili in liquidi polari.
L'ossigeno, grazie alla sua elettronegatività, ha la capacità di attrarre elettroni da altri atomi. Questo processo comporta necessariamente la rottura dei legami e il rilascio di grandi quantità di energia. I composti di carbonio e ossigeno reagiscono con cosa è nota come respirazione aerobica, ed è un modo comune per ottenere energia. Un altro modo per ottenere energia è la fermentazione, questa è stata ridotta da quando alghe e piante, attraverso la fotosintesi, hanno iniziato a produrre ossigeno per l'atmosfera primitiva.
Il processo di ossidazione dei composti biologici viene effettuato mediante la sottrazione di atomi di idrogeno da atomi di carbonio. L'ossigeno, essendo più elettronegativo, esercita una forza maggiore sull'elettrone dell'idrogeno che sull'elettrone del carbonio, quindi è in grado di avviarlo.
Così si forma l'acqua, con idrogeno più ossigeno e viene rilasciata una grande quantità di energia che gli esseri viventi sfruttano. Quando l'atomo di carbonio inizia a condividere un elettrone con l'idrogeno, condividendo meno elettroni con l'ossigeno, subisce una perdita di elettroni, cioè si ossida.
Azoto
L'azoto è un elemento che fa parte per circa il 78% dell'atmosfera. È anche un componente essenziale delle proteine dell'acido desossiribonucleico (DNA), responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari dai genitori ai figli. Il DNA è presente in tutte le cellule del corpo, da qui l'importanza dell'azoto per gli esseri viventi.
In generale, l'azoto non può essere assorbito direttamente, ma come parte di altri composti come nitrati, nitriti o composti di ammonio che lo contengono. Prima di essere utilizzato dagli esseri viventi, l'azoto deve attraversare diverse fasi:
- Ammonificazione, un processo mediante il quale l'azoto viene trasformato in ammoniaca.
- Nitrificazione che consiste nel trasformare l'ammoniaca in nitriti e nitrati.
- Il processo di fissazione attraverso il quale l'azoto passa attraverso diversi processi per diventare nitrito o nitrato, entrambe sostanze che possono essere utilizzate dagli esseri viventi
L'azoto si trova negli amminoacidi, cioè nelle molecole che compongono le proteine, formando gruppi amminici (-NH2) e nelle basi azotate degli acidi nucleici. L'azoto è il gas più abbondante nell'atmosferaNonostante ciò, pochissimi organismi sono in grado di trarne vantaggio. Quasi tutto l'azoto incorporato nella materia vivente da alghe e piante viene assorbito sotto forma di ione nitrato (NH3).
L'azoto è molto facile da formare composti sia con idrogeno (NH3) come con l'ossigeno (NO-), che gli permette di passare da una forma all'altra liberando così energia.
Zolfo Come componente degli aminoacidi essenziali delle proteine, delle vitamine e degli ormoni importanti, lo zolfo è essenziale sia per gli esseri umani che per gli animali.
Lo zolfo rappresenta lo 0.25% del peso del nostro corpo, questo significa che un corpo adulto medio contiene circa 170 g di zolfo, gran parte di esso si trova negli amminoacidi. Lo zolfo fa parte degli acidi biliari, essenziale per la digestione e l'assorbimento dei grassi. Aiuta a mantenere la salute della pelle, dei capelli e delle unghie e ha un ruolo fondamentale nella formazione dei tessuti. Lo zolfo è generalmente presente nelle verdure come ravanelli, carote, latticini, formaggi, frutti di mare e carne.
La partita
La quantità di fosforo presente nell'atmosfera è trascurabile. La più grande riserva di fosforo si trova nei sedimenti marini. I suoli costituiscono, in ordine di importanza secondo magazzino naturale di fosforo. Possiamo anche trovarlo nella crosta terrestre come componente di vari minerali per effetto degli agenti atmosferici chimici, i fosfati vengono rilasciati dal minerale, si dissolve e viene trasportato dall'acqua.
Una parte del fosfato precipita, principalmente sotto forma di fosfato di calcio, e un'altra parte raggiunge i mari, dove si accumulano grandi quantità di fosforo, costituendo le cosiddette trappole del fosforo.
Fosforo sotto forma di fosfato organico, è estremamente importante per la materia vivente poiché:
- È uno dei componenti degli acidi nucleici (RNA e DNA, che costituiscono il materiale genetico degli organismi
- Si trova come componente dell'adenosina trifosfato, che è una fonte di energia cellulare quasi universale nella materia vivente.
- È uno dei componenti delle ossa.