Življenje na planetu je določeno s sklopom odnosov, v katerih je izjemen pretok informacij in neprekinjena izmenjava snovi in energije. Materija je vse, kar ima maso in zavzema prostor v vesolju, sestavljajo ga atomi, ki so minimalne enote, ki ga sestavljajo. Živa bitja, voda, zvezde, vse, kar nas obkroža, je sestavljeno iz atomov.
Raznolikost kemičnih elementov je podana z različnimi vrstami atomov. Vsaka vrsta atoma predstavlja drugačen kemični element. Trenutno je znanih 105 kemičnih elementov, od tega 84 naravnih, ostale pa umetno proizvedene v laboratorijih.
Kot smo že povedali, je narava sestavljena iz materije in vsa živa snov je torej sestavljena tudi iz materije, ki pa je sestavljena iz atomov in ti sestavljajo elemente. Elementi, ki tvorijo živo snov, so znani pod imenom Bioelementi, ti pa so razvrščeni glede na to, ali so za življenje bistveni ali ne: Primarni bioelementi in sekundarni bioelementi
Bistveni elementi za življenje
Primarni bioelementi so tisti bistveni kemični elementi, ki so prisotni v živi snovi, v celicah, tkivih, organih in sistemih, ki jih tvorijo od najpreprostejših do najbolj zapletenih. Kot smo že povedali, je vsa snov na splošno, ne glede na to, ali je živa ali ne, sestavljena iz atomov in vse, kar je sestavljeno iz samo ene vrste atomov, je znano kot element, elementov, znanih do zdaj, je 105.
V konstituciji žive snovi lahko najdemo vsaj 70 stabilnih kemičnih elementov, skoraj vseh elementov, ki obstajajo na planetu, minus plemeniti plini. Približno devetindevetdeset odstotkov (99%) vseh obstoječih živih snovi je večinoma sestavljenih iz teh šestih elementov: ogljika (C), vodika (H2), kisik (O.2), Dušik (N2); Fosfor (P) in Žveplo (S), ki so najbolj prisotne v tej zadevi žive, ki jih najdemo na zemeljski površini. Imenujejo jih bioelementi, ker tvorijo bistveni del osnovne ali primarne konstitucije živih bitij.
Vrste bioelementov
Glede na to, ali so del bistvene sestave biomolekul žive snovi, lahko bioelemente razvrstimo na: primarne bioelemente in sekundarne bioelemente.
Primarni bioelementi
So vsi tisti bioelementi, ki so del bistvene konstitucije žive snovi, saj so nepogrešljiv del tvorbe organskih biomolekul: beljakovin, ogljikovih hidratov, lipidov in nukleinskih kislin. Sestavljajo neto živo snov in so: ogljik (C), vodik (H2), kisik (O.2), Dušik (N2); Fosfor (P) in Žveplo (S).
Ogljik (C)
Es bistvena osnovna komponenta vseh organskih molekul, se v vseh verigah pojavi kot okostje, ki daje obliko in delovanje organskim biomolekulam. Vse organske spojine so sestavljene iz ogljikovih verig, ki tvorijo vezi z drugimi elementi ali spojinami.
V najbolj zunanji lupini ima štiri elektrone in lahko tvori kovalentne vezi z drugimi ogljiki, ki mu omogočajo, da tvori dolge verige atomov (makromolekule). Te obveznice so lahko enojne, dvojne ali trojne. Lahko se vežejo tudi na različne nastale radikale z elementi (-H, = O, -OH, -NH2, -SH, H2PO4), med drugim tako, da omogoča tvorbo velikega števila različnih molekul, ki bodo posegle v množico kemičnih reakcij in s tem izkoristile raznolikost v okolju.
Ogljik je bistvena sestavina živali in rastlin. Je bistveni del molekule glukoze, pomemben ogljikov hidrat za izvajanje procesov, kot je dihanje; posega tudi v fotosintezo v obliki CO2 (ogljikov dioksid).
Ogljik je tudi del druge makromolekule, ki je bistvenega pomena za življenje, DNA, ta molekula vsebuje genetske informacije, ki vsakemu posamezniku podelijo lastnosti, ki jih nima v lasti, in jih telo nato uporabi za kopiranje in posredovanje teh informacij njihovi potomci
Vodik
Vodik je skupaj s kisikom bistveni del organske snovi. V primeru nekaterih lipidov imajo v svoji sestavi le atome ogljika in vodika. Elektronski ion, ki ima atom vodika v zadnji plasti, vam omogoča enostavno vzpostavitev vezi s katerim koli od primarnih bioelementov.
Kovalentna vez, ki se tvori med ogljikom in vodikom, je dovolj močna, da je stabilna, vendar ne dovolj močna, da bi preprečila njeno ločevanje in tako omogočila sintezo drugih molekul. Molekule, ki jih tvorijo le vodik in ogljik, so kovalentne polarnim (netopne v vodi).
Oxigen
Kisik je najbolj elektronegativen med vsemi primarnimi bioelementi in ko se poveže z vodikom, privabi svoj edini elektron, ki izvira iz električnih polov, zato so radikali -OH, -CHO in COOH polarni radikali. Ko ti radikali nadomestijo nekatere vodike ogljikove verige in vodike, kot je glukoza (C6H12O6) povzročajo molekule, kot je voda, topne v polarnih tekočinah.
Kisik ima zaradi svoje elektronegativnosti sposobnost privabljanja elektronov iz drugih atomov. Ta postopek nujno vključuje prekinitev vezi in sproščanje velikih količin energije. Ogljikove in kisikove spojine reagirajo s čim je znano kot aerobno dihanje, in je pogost način pridobivanja energije. Drugi način pridobivanja energije je fermentacija, ki se je zmanjšala, odkar so alge in rastline s fotosintezo začele proizvajati kisik za prvobitno ozračje.
Proces oksidacije bioloških spojin se izvede z odštevanjem atomov vodika od atomov ogljika. Kisik, ki je bolj elektronegativen, izvaja večjo silo na vodikov elektron kot na ogljikov, zato ga lahko sproži.
Tako nastane voda z vodikom in kisikom in sprosti se velika količina energije, ki jo izkoristijo živa bitja. Ko začne ogljikov atom deliti elektron z vodikom, ima tako, da ima manj elektronov s kisikom, izgubi elektrone, torej oksidira.
Dušik
Dušik je element, ki je približno 78% del ozračja. Je tudi bistvena sestavina beljakovin deoksiribonukleinske kisline (DNA), odgovoren za prenos dednih znakov s staršev na otroke. DNA je prisotna v vseh telesnih celicah, zato je pomen dušika za živa bitja pomemben.
Na splošno dušika ni mogoče absorbirati neposredno, ampak kot del drugih spojin, kot so nitrati, nitriti ali amonijeve spojine, ki ga vsebujejo. Pred uporabo živih bitij mora dušik preiti več stopenj:
- Amonifikacija, postopek, s katerim se dušik pretvori v amoniak.
- Nitrifikacija, ki je sestavljena iz pretvorbe amoniaka v nitrite in nitrate.
- Postopek fiksacije, skozi katerega dušik prehaja skozi različne procese, da postane nitrit ali nitrat, obe snovi, ki jih lahko uporabljajo živa bitja
Dušik najdemo v aminokislinah, to je v molekulah, ki tvorijo beljakovine in tvorijo aminokisline (-NH2) in v dušikovih bazah nukleinskih kislin. Dušik je najpogostejši plin v ozračjuKljub temu je le malo organizmov sposobno to izkoristiti. Skoraj ves dušik, ki ga alge in rastline vgradijo v živo snov, se absorbira v obliki nitratnih ionov (NH3).
Dušik zelo enostavno tvori spojine z vodikom (NH3) kot pri kisiku (NO-), ki mu omogoča, da prehaja iz ene oblike v drugo in tako sprošča energijo.
Žveplo Kot sestavina beljakovin, esencialnih aminokislin, vitaminov in pomembnih hormonov, je žveplo nujno tako za ljudi kot za živali.
Žveplo predstavlja 0.25% teže našega telesa, to pomeni, da povprečno odraslo telo vsebuje približno 170 g žvepla, veliko tega najdemo v aminokislinah. Žveplo je del žolčnih kislin, ki so bistvenega pomena za prebavo in absorpcijo maščob. Pomaga ohranjati zdravo kožo, lase in nohte in ima temeljno vlogo pri tvorbi tkiv. Žveplo je običajno prisotno v zelenjavi, kot so redkev, korenje, mlečni izdelki, sir, morski sadeži in meso.
Tekma
Količina fosforja v atmosferi je zanemarljiva. Največjo zalogo fosforja najdemo v morskih usedlinah. Tla sestavljajo po pomembnosti drugo skladišče fosforja v naravi. Najdemo ga tudi v zemeljski skorji kot sestavino različnih mineralov zaradi učinka kemičnega preperevanja, iz minerala se sproščajo fosfati, ta se raztopi in prenaša po vodi.
Del fosfata se obori, večinoma v obliki kalcijevega fosfata, drugi del pa doseže morja, kjer se kopičijo velike količine fosforja, ki tvorijo tako imenovane pasti fosforja.
Fosfor v obliki organski fosfat, je izredno pomembna za živo snov, saj:
- Je ena od sestavin nukleinskih kislin (RNA in DNA, ki tvorijo genski material organizmov
- Najdemo ga kot sestavino adenozin trifosfata, ki je skorajda univerzalni celični vir energije v živi snovi.
- Je ena od sestavin kosti.