Dodaj tę stronę do książki
Pokaż książkę (0 stron)
Proponowane stronyŻycie, takie jakie istnieje na Ziemi, opiera się na związkach chemicznych, w skład w których wchodzi wiele pierwiastków. Pierwiastki niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych są w biologii nazywane biogenami. Najważniejsze biogeny to węgiel, wodór, azot i tlen, wchodzące w skład białek, kwasów nukleinowych i wielu innych związków organicznych.
Kolejnymi kluczowymi pierwiastkami są fosfor, którego związki tworzą system energetyczny komórki oraz wchodzą w skład kwasów nukleinowych, i siarka, m.in. wchodząca w skład dwóch aminokwasów – cysteiny i metioniny. Mostki dwusiarczkowe w białkach, powstające z połączenia pary cystein wchodzących w ich skład, stabilizują przestrzenną konfigurację białek.
Pozostałe pierwiastki nie wchodzą w skład tak kluczowych związków, są jednak ważne dla wielu procesów życiowych. Ich ilość w organizmie człowieka jest niewielka, ale mają istotny wpływ na jego prawidłowy rozwój i funkcjonowanie.
Spis treści |
Mianem makroelementów (makrominerałów, makroskładników, pierwiastków głównych, makropierwiastków) określa się pierwiastki, których zawartość w danym środowisku (także organizmie) jest stosunkowo duża. Ponieważ między różnymi typami środowisk i grupami organizmów występują pod tym względem różnice, różnie określane są wartości graniczne wyróżniania makroelementów. Różna jest też ich lista. Szczególnie duże różnice występują między przyrodą nieożywioną a organizmami. W wodach podziemnych makroelementami są: wodór, węgiel, azot, tlen, sód, magnez, siarka, chlor, potas, wapń, mangan, brom, żelazo i jod, a według niektórych ujęć również glin, fluor, krzem i fosfor[1]. Niektóre z tych pierwiastków nie mają większego znaczenia biologicznego i nie są uznawane za makroelementy w biologii. W hydrochemii pojęcie makroskładników może odnosić się ponadto nie do samych pierwiastków, ale tworzonych prze nie jonów. Wówczas makroskładnikami wód podziemnych są: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- i HCO3- oraz NH4+, NO2-, NO3-, Fe2+, Al3+ i substancje organiczne[1].
U roślin za makroskładniki uważa się: węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, siarkę, wapń i magnez[2], przy czym pierwsze trzy ze względu na specyfikę występowania i asymilacji czasem są omijane w spisach. C, H, O i N tworzą grupę makronutrientów strukturalnych[3]. Za graniczną zawartość oddzielającą makroelementy od mikroelementów zwykle przyjmuje się 0,1% masy[3]. Ponieważ pojęcia makroskładników czy makronutrientów nie zawsze są ostro zdefiniowane (oprócz zawartości może być brane pod uwagę również biologiczne wykorzystanie), do roślinnych makroskładników czasem zaliczane są ponadto żelazo, chlor, sód i krzem, włączane w innych systemach do mikroskładników[2].
W przypadku człowieka makroelementami bywają nazywane pierwiastki, których dobowe zapotrzebowanie w diecie przekracza 100 mg na dobę. Niezbędne są one do prawidłowego rozwoju jego organizmu. Zalicza się do nich: fosfor, wapń, magnez, chlor, potas, sód, siarka, azot, wodór, tlen, węgiel[4].
Mikroelementy, mikroskładniki, pierwiastki śladowe – pierwiastki chemiczne występujące w bardzo małych (śladowych) ilościach w organizmach roślinnych i zwierzęcych. U ludzi zapotrzebowanie na te pierwiastki wynosi poniżej 100 mg na dobę[4].
Pojęcia mikroskładników lub mikronutrientów i pierwiastków śladowych nierzadko są rozróżniane ze względu na rozpiętość zawartości lub znaczenie biologiczne. Mikronutrienty wówczas oznaczają pierwiastki występujące w roślinach w niewielkich ilościach, ale niezbędne dla ich rozwoju, a pierwiastki śladowe wszystkie pierwiastki występujące w małych stężeniach, także nieaktywne biologicznie[2]. Z kolei w chemii wód podziemnych mikroelementy (pierwiastki rzadkie) to takie, które występują zwykle w ilości 0,01–10 mg/l (np. F, Al, Si, Li, Bo, P, Cu, Zn, Ti, V, As, Cr, Co, Ni, Ag, Sr, Ba, Pb), podczas gdy pierwiastki śladowe to pierwiastki występujące jeszcze rzadziej (np. Rb, Au, Hg)[1].
Niedobór lub nadmiar tych pierwiastków może prowadzić do zaburzeń fizjologicznych. Składniki mineralne są niezbędne w ustroju do celów budulcowych (szczególnie w tkance kostnej), wchodzą w skład: płynów ustrojowych, niektórych enzymów, związków wysokoenergetycznych itp. Wywierają również wpływ na regulację czynności narządowych i ogólnoustrojowych.
Do mikroelementów w diecie człowieka zalicza się: jod, żelazo, fluor, bor, kobalt, miedź, chrom, cynk, mangan, molibden, selen[4]. Lista mikroelementów u roślin może zależeć od ujęcia, ale zasadniczo obejmuje miedź, bor, mangan, cynk i molibden. Zazwyczaj obejmuje również żelazo (które często występuje w ilościach większych niż pozostałe mikroelementy, co zbliża je do makroelementów), a czasem też chlor, sód, krzem, kobalt i wanad. Czasem natomiast za mikroelementy uznaje się wszystkie znajdowane w roślinach pierwiastki (poza makroelementami). W zależności od czułości pomiaru taka lista objąć może praktycznie wszystkie występujące w naturze pierwiastki, które mogą mniej lub bardziej przypadkowo znaleźć się w organizmie, przez co zwykle ogranicza się ją do pierwiastków istotnych dla roślin, nawet jeśli ich rola jest słabo poznana[3]. Mikroelementy, zarówno niezbędne do rozwoju (mikronutrienty), jak i pozostałe, występując w nadmiernych stężeniach mogą wywoływać skutki niepożądane[2][3]. Niektóre pierwiastki są wyłącznie toksyczne (srebro, bizmut, kadm, rtęć, ołów, tal, tor, uran), inne są niezbędne, ale toksyczne w nadmiarze (np. chrom, kobalt, miedź, żelazo, molibden, nikiel, cyna, wolfram, cynk), a jeszcze inne są uznawane za w zasadzie nietoksyczne (np. mangan i wanad)[3].
Trzecią grupą pierwiastków są ultraelementy, są to pierwiastki występujące w ilościach kilku μg na gram masy ciała. Zaliczamy do nich: rad, srebro, złoto, platyna. Są to aktywatory enzymów procesów metabolicznych.
Obok podziału na makro- i mikroelementy, stosowany jest również podział pod kątem funkcji biochemicznych. U roślin wyróżniane są następujące grupy[5]:
Podział ten nie jest sztywny, gdyż wszystkie pierwiastki wewnątrz organizmu mogą wchodzić w skład związków węgla, a wiele pierwiastków zaliczonych tu do ostatniej grupy wchodzi w skład enzymów.
Według niektórych autorów dla roślin nutrientami, czyli pierwiastkami odżywczymi, można nazywać tylko pierwiastki spełniające następujące kryteria: pierwiastek jest niezbędny roślinie do wypełnienia jej cyklu życiowego (bez objawów nienormalnego rozwoju), nie może być w pełni zastąpiony przez inny pierwiastek i wszystkie rośliny wymagają tego pierwiastka. Przy tak rygorystycznych kryteriach za nutrienty nie są uważane pierwiastki wymagane wyłącznie przez niektóre gatunki roślin (np. sód), a samo gromadzenie przez roślinę danego pierwiastka bez dowodu na jego niezbędność, nie jest dowodem na jego odżywczy charakter[6]. W połowie XIX w. za dziesięć niezbędnych do rozwoju roślin pierwiastków uznano: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg i Fe[2]. Do początku XXI w. takie kryteria spełniało 17 pierwiastków (C, H, O pobierane bezpośrednio z wody i powietrza oraz 14 pobieranych z roztworów, zgodnie z tabelą w dalszej części)[6]. Niemniej pozostali badacze używają tych terminów mniej rygorystycznie[2].
| Nazwa pierwiastka | Znaczenie u zwierząt | Ważniejsze skutki przy niedoborze |
|---|---|---|
| Tlen, O | Pierwiastki te tworzą cukry, tłuszcze i białka – podstawowe budulce wszystkich żywych organizmów. | Śmierć organizmu (z głodu, odwodnienia lub uduszenia). |
| Węgiel, C | ||
| Wodór, H | ||
| Azot, N | ||
| Wapń, Ca | Budulec kości i zębów, bierze udział w procesie krzepnięcia krwi (tzw. IV czynnik), przewodnictwo impulsów nerwowych. | Niedostateczna mineralizacja kośćca, próchnica zębów, krzywica (u dzieci), osteoporoza (u dorosłych), zaburzenia krzepnięcia krwi, zaburzenia pracy serca i mięśni szkieletowych, skurcze mięśni, mrowienia i drętwienia kończyn. |
| Fosfor, P | Jest składnikiem kości; DNA i RNA oraz przenośnikiem energii ATP. | Zaburzenia wzrostu, brak apetytu, utrata masy ciała, nerwowość. |
| Chlor, Cl | Wraz z jonami sodu i potasu odpowiedzialny jest za równowagę wodnomineralną. Tworzy kwas solny w żołądku. Prawidłowe rozmieszczenie płynów w organizmie. | Gwałtowne wymioty, obrzęk komórek, osłabienie fizyczne i psychiczne, zmniejszenie łaknienia. |
| Magnez, Mg | Głównie regulacyjna (przewodnictwo nerwowe i in.) | Wzmożona aktywność układu nerwowo-mięśniowego (drżenia mięśniowe, kurcze, fascykulacje, drętwienie, drgawki), rzadziej: osłabienie mięśni, zaburzenia rytmu serca, apatia, biegunka, mdłości, ubytki w zębach, dolegliwości kostne, uczucie mrowienia w kończynach, nerwowość, niepokój, stan zagubienia, stan depresyjny. |
| Żelazo, Fe | Składnik hemoglobiny i mioglobiny. | Anemia, zmiany w śluzówce. |
| Fluor, F | Tworzy szkliwo zębów, występuje w kośćcu. | Większa podatność na próchnicę zębów. |
| Jod, I | Niezbędny do wytwarzania tyroksyny, odpowiada za prawidłowe działanie tarczycy. | Wole tarczycy. U dzieci matołectwo, spadek wydajności fizycznej, znużenie, brak energii życiowej, powolności w myśleniu, uczucie zagubienia, drżenie kończyn, kołatanie serca, suchość i łamliwość włosów, marznięcie. |
| Lit, Li | ||
| Bor, B | ||
| Sód, Na | Uczestniczy w utrzymaniu ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych. Bierze udział w przewodzeniu impulsów przez neurony. | Utrata pobudliwości komórek i zanik różnicy potencjałów. |
| Glin, Al | ||
| Krzem, Si | ||
| Siarka, S | Składnik niektórych aminokwasów i białek. | |
| Potas, K | Bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych. Podwyższa stopień uwodnienia koloidów komórkowych. | |
| Arsen, As | ||
| Selen, Se | Wchodzi w skład selenocysteiny i peroksydazy glutationowej. | |
| Brom, Br | ||
| Rubid, Rb | Może zastępować ubytki wapnia w kościach. | |
| Stront, Sr | Może zastępować wapń w kościach. | |
| Wanad, V | ||
| Chrom, Cr | Wpływa na produkcję insuliny, składnik czynnika tolerancji glukozy, obniża poziom cholesterolu we krwi. | Napady nudności, bóle głowy,stany lękowe, silny pociąg do słodyczy i alkoholu, ryzyko cukrzycy i choroby niedokrwiennej serca. |
| Mangan, Mn | Wpływa na wzrost kości. Składnik arginazy, enzymu uczestniczącego w przemianach aminokwasów. | |
| Kobalt, Co | Składnik witaminy B12. | Zaburzenia procesu krzepnięcia krwi. |
| Nikiel, Ni | ||
| Miedź, Cu | Wchodzi w skład enzymów oddechowych. Ma wpływ na metabolizm żelaza w organizmie. | |
| Cynk, Zn | Odgrywa ważną rolę w procesie gojenia ran. | Zaburzenia erekcji[potrzebne źródło]. |
| Molibden, Mo |
Pierwiastki, których nie wypisano prawdopodobnie nie są potrzebne organizmowi ludzkiemu, bądź są trujące. Fluorki są łatwo przyswajalne przez organizm w postaci soli.
| Nazwa pierwiastka | Data i autor odkrycia niezbędności[6] | Znaczenie u roślin | Ważniejsze skutki przy niedoborze |
|---|---|---|---|
| Tlen, O | Pierwiastki te tworzą cukry, tłuszcze i białka – podstawowe budulce wszystkich żywych organizmów. | Śmierć organizmu (z głodu, odwodnienia lub uduszenia). | |
| Węgiel, C | |||
| Wodór, H | |||
| Azot, N | 1804, Nicolas-Théodore de Saussure; 1851–1855, Jean Baptiste Boussingault | ||
| Wapń, Ca | 1862, Stohmann | ||
| Fosfor, P | 1839, Justus von Liebig; 1861, Georges Ville | Jest składnikiem DNA i RNA oraz przenośnikiem energii ATP. | |
| Chlor, Cl | 1954 Broyer, Carlton, Johnson, & Stout | Wraz z jonami sodu i potasu odpowiedzialny jest za równowagę wodnomineralną. | |
| Magnez, Mg | 1887, Boehm | Składnik chlorofilu. | Chloroza liści, więdnięcie, zahamowanie fotosyntezy. |
| Żelazo, Fe | 1843, Gris | Aktywator enzymów biorących udział w fazie jasnej fotosyntezy | Chloroza młodych liści. Zakłócenia w procesach oddychania i fotosyntezy. |
| Fluor, F | Nie stwierdzono | ||
| Jod, I | Nie stwierdzono | ||
| Lit, Li | |||
| Bor, B | 1926, Sommer & Lipman | Wpływ na procesy wzrostowe u roślin, w tym także na wzrost łagiewki pyłkowej | |
| Sód, Na | Uczestniczy w utrzymaniu ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych. | Utrata pobudliwości komórek i zanik różnicy potencjałów. | |
| Glin, Al | |||
| Krzem, Si | U roślin krzemionka usztywnia ściany komórkowe skrzypów i traw. | ||
| Siarka, S | 1866, Birner i Lucanus | Składnik niektórych aminokwasów i białek. | |
| Potas, K | 1866, Birner i Lucanus | Podwyższa stopień uwodnienia koloidów komórkowych. | Martwica organów, zahamowanie wzrostu korzenia i pędu, chloroza liści. |
| Arsen, As | |||
| Selen, Se | Wchodzi w skład selenocysteiny i peroksydazy glutationowej. | ||
| Brom, Br | |||
| Rubid, Rb | |||
| Stront, Sr | |||
| Wanad, V | |||
| Chrom, Cr | |||
| Mangan, Mn | 1922, McHargue | Składnik arginazy, enzymu uczestniczącego w przemianach aminokwasów. Aktywator enzymów cyklu kwasu cytrynowego i fazy świetlnej fotosyntezy. | |
| Kobalt, Co | Konieczny dla roślin motylkowych żyjących w symbiozie z bakteriami w procesie wiązania azotu atmosferycznego. | Zahamowanie procesu wiązania azotu przez rośliny motylkowe. | |
| Nikiel, Ni | 1987, Brown, Welch, & Cary | ||
| Miedź, Cu | 1925, McHargue | Składnik enzymów fazy świetlnej fotosyntezy np. plastocyjaniny. | Bielenie i zasychanie młodych liści. |
| Cynk, Zn | 1926, Sommer & Lipman | Odpowiada za syntezę związków odpowiedzialnych za wzrost rośliny. | Chloroza oraz karlenie liści. |
| Molibden, Mo | 1939, Arnon & Stout |
