למד קצת יותר על היסודות הביולוגיים העיקריים

החיים על פני כדור הארץ נקבעים על ידי מערכת יחסים שבהם יש זרימת מידע יוצאת דופן והחלפה רציפה של חומר ואנרגיה. החומר הוא כל מה שיש לו מסה ותופס מקום בחלל, הוא מורכב מאטומים, שהם היחידות המינימליות שמרכיבות אותו. יצורים חיים, מים, כוכבים, כל מה שמקיף אותנו מורכב מאטומים.

מגוון היסודות הכימיים ניתן על ידי מגוון סוגי האטומים. כל סוג אטום מהווה יסוד כימי אחר. נכון להיום ידועים 105 יסודות כימיים, מתוכם 84 נמצאים באופן טבעי והשאר יוצרו באופן מלאכותי במעבדות.

כפי שאמרנו, הטבע מורכב מחומר, וכל חומר חי מורכב לכן גם מחומר, שבתורו מורכב מאטומים ואלה מרכיבים אלמנטים. היסודות המרכיבים חומר חי ידועים בשמם ביו-אלמנטים. אלה בתורם מסווגים לפי שהם חיוניים לחיים או לא: אלמנטים ביולוגיים ראשוניים ואלמנטים ביולוגיים משניים.

אלמנטים חיוניים לחיים

יסודות ביולוגיים ראשוניים הם אותם יסודות כימיים חיוניים, הקיימים בחומר חי, בתאים, רקמות, איברים ומערכות המרכיבים אותם מהפשוטים למורכבים ביותר. כפי שאמרנו קודם, כל החומר, באופן כללי, בין אם הוא חי ובין אם לאו, מורכב מאטומים, וכל מה שמורכב מסוג אטומים אחד בלבד ידוע כאלמנט, היסודות הידועים עד כה הם 105.

בחוק החומר החי אנו יכולים למצוא לפחות 70 יסודות כימיים יציבים, כמעט כל היסודות הקיימים על פני כדור הארץ, פחות הגזים האצילים. כתשעים ותשעה אחוזים (99%) מכל החומר החי הקיים, רובם תאים המורכבים מששת היסודות הללו: פחמן (C), מימן (H2), חמצן (O2), חנקן (N2); זרחן (P) וגופרית (S) אשר הם הנפוצים ביותר בעניין בחיים שאנו מוצאים על פני כדור הארץ. הם נקראים אלמנטים ביולוגיים מכיוון שהם מהווים חלק מהותי מהחוקה הבסיסית או הראשונית של יצורים חיים.

סוגי ביו-אלמנטים

על פי השאלה אם הם מהווים חלק מהחוקה החיונית של הביו-מולקולות של חומר חי, ניתן לסווג את היסודות הביולוגיים ל: ביו-אלמנטים ראשוניים וביו-אלמנטים משניים.

ביולוגים ראשוניים

כל אותם מרכיבים ביולוגיים המהווים חלק מהמבנה החיוני של החומר החי, מכיוון שהם חלק חיוני ביצירת ביומולקולות אורגניות: חלבונים, פחמימות, ליפידים וחומצות גרעין. הם מהווים את החומר החי נטו והם: פחמן (C), מימן (H2), חמצן (O2), חנקן (N2); זרחן (P) וגופרית (S).

פחמן (C)

Es  המרכיב הבסיסי החיוני של כל המולקולות האורגניות, מופיע בכל השרשראות כשלד הנותן צורה ותפקוד לביומולקולות אורגניות. כל התרכובות האורגניות מורכבות משרשראות פחמן היוצרות קשרים עם יסודות או תרכובות אחרות.

יש לו ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר והוא יכול ליצור קשרים קוולנטיים עם פחמנים אחרים המאפשרים לו ליצור שרשראות ארוכות של אטומים (מקרומולקולות). קשרים אלה יכולים להיות יחידים, כפולים או משולשים. הם יכולים גם להיקשר לרדיקלים השונים שנוצרו על ידי היסודות (-H, = O, -OH, -NH2, -ש, H2PO4) בין היתר, כך שהוא יאפשר יצירת מספר רב של מולקולות שונות, שיתערבו בריבוי תגובות כימיות, וכך ינצל את המגוון הקיים בסביבה.

פחמן הוא מרכיב חיוני לבעלי חיים וצמחים. זהו חלק חיוני ממולקולת הגלוקוזה, פחמימה חשובה לביצוע תהליכים כמו נשימה; מתערב גם בפוטוסינתזה, בצורה של CO2  (פחמן דו חמצני).

פחמן הוא גם חלק ממקרומולקולה אחרת החיונית לחיים, זו של ה- DNA, מולקולה זו מכילה את המידע הגנטי שמקנה לכל פרט את המאפיינים שהוא אינו מחזיק, ובתורו משמש את הגוף לשכפול ולהעביר את המידע הזה צאצאיהם

מֵימָן

מימן, יחד עם חמצן, הם חלק חיוני בחומר אורגני. במקרה של שומנים מסוימים, הם מציגים אטומי פחמן ומימן רק בחוקתם. יון האלקטרונים שיש לו את אטום מימן בשכבה האחרונה שלו, מאפשר לך ליצור אג"ח בקלות עם כל אחד מהרכיבים הביולוגיים העיקריים.

הקשר הקוולנטי שנוצר בין פחמן למימן חזק מספיק כדי להיות יציב, אך לא חזק מספיק כדי למנוע את הפרדתו ובכך לאפשר סינתזה של מולקולות אחרות. המולקולות הנוצרות, רק על ידי מימן ופחמן, הן קוולנטיות לקוטביות (אינן מסיסות במים).

אוקסיגן

חמצן הוא האלקטרוני שלילי ביותר מבין כל האלמנטים הביולוגיים העיקריים, וכאשר הוא מצטרף למימן, הוא מושך אליו את האלקטרון היחיד, שמקורו בקטבים חשמליים, ולכן הרדיקלים -OH, -CHO ו- COOH הם רדיקלים קוטביים. כאשר רדיקלים אלה מחליפים כמה מימנים משרשרת הפחמן ומימנים כגון גלוקוז (C6H12O6) מולידים מולקולות כמו מים המסיסות בנוזלים קוטביים.

לחמצן, בשל האלקטרוני שלילי, יכולת למשוך אליו אלקטרונים מאטומים אחרים. תהליך זה כולל בהכרח שבירת קשרים ושחרור כמויות גדולות של אנרגיה. תרכובות של פחמן וחמצן, מגיבות עם מה זה מכונה נשימה אירובית, וזו דרך נפוצה להשגת אנרגיה. דרך נוספת להשיג אנרגיה היא תסיסה, זו הצטמצמה מאז שהאצות והצמחים, באמצעות פוטוסינתזה, החלו לייצר חמצן לאווירה הפרימיטיבית.

תהליך החמצון של תרכובות ביולוגיות מתבצע באמצעות חיסור אטומי מימן מאטומי פחמן. חמצן, בהיותו יותר אלקטרוני שלילי, מפעיל כוח גדול יותר על אלקטרון המימן מאשר על אלקטרון הפחמן, ולכן הוא מסוגל להפעיל אותו.

כך נוצרים מים, עם מימן בתוספת חמצן ומשתחררת כמות גדולה של אנרגיה שיצורים חיים מנצלים. כאשר אטום הפחמן מתחיל לחלוק אלקטרונים עם מימן, על ידי שיתוף פחות אלקטרונים עם חמצן, הוא חווה אובדן של אלקטרונים, כלומר הוא מתחמצן.

חַנקָן

חנקן הוא יסוד המהווה כ -78% מהאטמוספירה. זהו גם מרכיב חיוני בחלבוני חומצה דאוקסיריב-גרעין (DNA), אחראי על העברת דמויות תורשתיות מהורים לילדים. DNA קיים בכל תאי הגוף, ומכאן חשיבותו של חנקן ליצורים החיים.

באופן כללי, חנקן אינו יכול להיספג ישירות, אלא כחלק מתרכובות אחרות כמו חנקות, ניטריטים או תרכובות אמוניום המכילות אותו. לפני השימוש ביצורים חיים, חנקן צריך לעבור מספר שלבים:

• אמוניפיקציה, תהליך שבו חנקן הופך לאמוניה.
• ניטריפיקציה המורכבת מהפיכת אמוניה לניטריטים וחנקות.
• תהליך הקיבוע שדרכו חנקן עובר תהליכים שונים והופכים לניטריט או חנקתי, שניהם חומרים שיכולים לשמש את היצורים החיים

חנקן נמצא בחומצות אמינו, כלומר במולקולות המרכיבות חלבונים ויוצרים קבוצות אמיניות (-NH2) ובבסיסים החנקניים של חומצות גרעין. חנקן הוא הגז הנפוץ ביותר באטמוספירהלמרות זאת, מעט מאוד אורגניזמים מצליחים לנצל זאת. כמעט כל החנקן שמשולב בחומר חי על ידי אצות וצמחים נספג בצורה של יון חנקתי (NH3).

קל מאוד ליצור חנקן תרכובות עם מימן (NH3) כמו בחמצן (NO-), המאפשר לו לעבור מצורה אחת לאחרת, ובכך משחרר אנרגיה.

גוֹפרִית כמרכיב של חומצות אמינו חיוניות, ויטמינים והורמונים חשובים, הגופרית חיונית לבני אדם ובעלי חיים כאחד.

הגופרית מייצגת 0.25% ממשקל גופנו, המשמעות היא שגוף בוגר ממוצע מכיל כ -170 גרם גופרית, חלק גדול ממנה נמצא בחומצות אמינו. הגופרית היא חלק מחומצות המרה, החיוניות לעיכול וספיגת שומן. מסייע בשמירה על בריאות העור, השיער והציפורניים ויש לו תפקיד מהותי ביצירת רקמות. גופרית בדרך כלל קיימת בירקות כגון צנון, גזר, מוצרי חלב, גבינה, פירות ים ובשר.

המשחק

כמות הזרחן הקיימת באטמוספירה היא זניחה. השמורה הגדולה ביותר של זרחן נמצאת במשקעים ימיים. קרקעות מהוות, לפי סדר החשיבות המחסן השני של הטבע של זרחן. אנו יכולים למצוא אותו גם בקרום כדור הארץ כמרכיב של מינרלים שונים עקב השפעת בליה כימית, פוספטים משתחררים מהמינרל, הוא מתמוסס ומועבר במים.

חלק מהזרחן משקעים, בעיקר בצורת סידן פוספט, וחלק אחר מגיע לים, שם מצטברות כמויות גדולות של זרחן, המהוות את מלכודות הזרחן כביכול.

זרחן בצורת פוספט אורגני, חשוב ביותר לחומר חי שכן:

• זהו אחד המרכיבים של חומצות גרעין (RNA ו- DNA, המהווים את החומר הגנטי של אורגניזמים
• הוא נמצא כמרכיב של אדנוזין טריפוספט, המהווה מקור אנרגיה תאית כמעט אוניברסלי בחומר חי.
• זהו אחד ממרכיבי העצמות.