Pierwiastki biogenne i woda w organizmie: budowa, właściwości i funkcje biologiczne

Pierwiastki w organizmie

Pierwiastki są podstawowymi składnikami organizmu, ponieważ łączą się w związki chemiczne, np. białka, z których zbudowane są składniki komórek. Z komórek powstają tkanki, z tkanek narządy, a współpracujące ze sobą układy narządów tworzą organizm.

Podział pierwiastków

• Makroelementy – występują w organizmie w dużej ilości, czyli powyżej 0,01% suchej masy organizmu.

• Mikroelementy – występują w niewielkiej ilości, czyli poniżej 0,01% suchej masy organizmu, np. żelazo, jod, fluor.

Sześć pierwiastków biogennych

Pierwiastki biogenne to sześć pierwiastków należących do makroelementów, które są składnikami związków organicznych budujących organizmy. Wchodzą w skład wszystkich związków organicznych budujących organizmy. Należą do nich:

• Węgiel (C)

• Wodór (H)

• Tlen (O)

• Azot (N)

• Fosfor (P)

• Siarka (S)

Pierwiastki biogenne w wybranych związkach organicznych

• Azot (N) – buduje białka i kwasy nukleinowe.

• Fosfor (P) – wchodzi w skład kwasów nukleinowych i ATP.

• Siarka (S) – występuje w niektórych aminokwasach białkowych.

Pozostałe makroelementy i ich funkcje

1. Wapń (Ca) – buduje kości i zęby, jest niezbędny do prawidłowej pracy mięśni i układu nerwowego, uczestniczy w krzepnięciu krwi.

2. Magnez (Mg) – jest niezbędny do pracy serca i mięśni, reguluje działanie enzymów, bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych.

3. Chlor (Cl) – pomaga utrzymać odpowiednią ilość wody w organizmie i uczestniczy w produkcji kwasu solnego w żołądku.

4. Sód (Na) i potas (K) – biorą udział w przewodzeniu impulsów nerwowych, regulują ciśnienie krwi oraz równowagę wodno-elektrolitową.

Mikroelementy

Mikroelementy to pierwiastki występujące w organizmie w niewielkiej ilości, które regulują wiele niezbędnych procesów i czynności życiowych.

Funkcje wybranych mikroelementów

1. Żelazo (Fe) – wchodzi w skład hemoglobiny, białka transportującego tlen we krwi.

2. Jod (I) – jest składnikiem hormonów tarczycy, które regulują metabolizm.

3. Fluor (F) – ma właściwości przeciwpróchnicze i bakteriobójcze.

Woda

Woda w przyrodzie

• Jest środowiskiem życia wielu organizmów.

• Wchodzi w skład wszystkich organizmów żywych jako składnik chemiczny.

• Jest środowiskiem reakcji chemicznych i procesów metabolicznych.

• Uczestniczy w utrzymaniu równowagi ekologicznej na Ziemi.

Cząsteczka wody i jej właściwości

• Cząsteczka wody zbudowana jest z jednego atomu tlenu (O) i dwóch atomów wodoru (H) – H₂O.

• Ma budowę polarną, ponieważ w cząsteczce wyróżniamy biegun dodatni i biegun ujemny.

• Dzięki polarności cząsteczki wody przyciągają się i łączą ze sobą za pomocą wiązań wodorowych.

• Wiązania wodorowe wpływają na właściwości wody, m.in. na jej wysoką temperaturę wrzenia i topnienia oraz na zdolność rozpuszczania wielu substancji.

• Woda w zależności od temperatury występuje w trzech stanach skupienia: ciekłym, stałym i gazowym.

Główne właściwości wody

1. Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem.

2. Gęstość wody zależy od temperatury.

3. Woda ma duże napięcie powierzchniowe.

4. Woda ma wysokie ciepło parowania.

5. Woda ma duże ciepło właściwe.

Węglowodany

Węglowodany – związki organiczne zbudowane z atomów węgla (C), wodoru (H) i tlenu (O). Mogą składać się z jednej lub wielu cząsteczek, dlatego wyróżniamy trzy grupy:

1. Monosacharydy – zbudowane z jednej cząsteczki.

   • Przykłady: glukoza, fruktoza, galaktoza.

2. Disacharydy – zbudowane z dwóch połączonych cząsteczek monosacharydów.

   • Przykłady: sacharoza, laktoza, maltoza.

3. Polisacharydy – zbudowane z wielu połączonych cząsteczek monosacharydów.

   • Przykłady: skrobia, glikogen, celuloza, chityna.

Znaczenie monosacharydów

• Glukoza – podstawowy cukier prosty, źródło energii dla organizmu.

• Fruktoza – cukier owocowy, występuje w owocach i miodzie.

• Galaktoza – składnik laktozy w mleku.

• Ryboza – składnik RNA.

• Deoksyryboza – składnik DNA.

Disacharydy (dwucukry)

1. Sacharoza – cukier buraczany lub trzcinowy; jest główną formą transportową cukru u roślin.

2. Laktoza – cukier mlekowy; jest źródłem energii dla komórek i składnikiem mleka ssaków.

3. Maltoza – cukier słodowy; powstaje podczas trawienia skrobi.

Polisacharydy

1. Skrobia – materiał magazynujący energię w roślinach.

2. Glikogen – materiał magazynujący energię u zwierząt i ludzi, gromadzony w wątrobie i mięśniach.

3. Celuloza – budulec ścian komórkowych roślin, nieprzyswajalna dla ludzi, wspomaga trawienie jako błonnik pokarmowy.

Białka

Białka są polimerami zbudowanymi z 20 różnych rodzajów aminokwasów. Aminokwasy łączą się ze sobą, tworząc łańcuch białkowy.

Podział białek ze względu na budowę

1. Białka proste – zbudowane wyłącznie z aminokwasów.

   • Przykład: albumina, keratyna.

2. Białka złożone – zbudowane z aminokwasów i części niebiałkowej (np. grupy prostetycznej).

   • Przykład: hemoglobina, mioglobina.

Funkcje białek

Białka w organizmie pełnią wiele funkcji: strukturalne, transportowe, enzymatyczne, odpornościowe, magazynujące i ochronne.

Białka strukturalne – pełnią funkcję budulcową w organizmie:

• Kolagen – buduje skórę, ścięgna, więzadła, kości i chrząstki.

• Keratyna – buduje włosy i paznokcie.

Białka transportowe – transportują różne substancje w organizmie:

• Hemoglobina – przenosi tlen i dwutlenek węgla we krwi.

Białka enzymatyczne – przyspieszają reakcje chemiczne. Np. pepsyna odpowiada za trawienie białek i jest wydzielana w żołądku.

Białka magazynujące:

• Mioglobina – magazynuje tlen w mięśniach, umożliwiając ich prawidłową pracę.

Wpływ czynników chemicznych i fizycznych na białka

1. Woda – większość białek rozpuszcza się w wodzie, tworząc roztwory koloidalne.

2. Wysoka temperatura – powoduje denaturację białek, czyli utratę ich struktury i funkcji.

Denaturacja białek

Denaturacja białek – to proces niszczenia struktury przestrzennej białek pod wpływem czynników fizycznych lub chemicznych, w wyniku którego białko traci swoje właściwości biologiczne.

Czynniki powodujące denaturację białek:

1. Czynniki fizyczne:

   • wysoka temperatura (powyżej 40°C)

   • promieniowanie UV

   • promieniowanie rentgenowskie

   • wysokie ciśnienie

2. Czynniki chemiczne:

   • stężone kwasy i zasady

   • sole metali ciężkich

   • alkohole

Podczas denaturacji, w wyniku działania wysokiej temperatury, zostają rozerwane niektóre wiązania chemiczne w białku, wskutek czego białko traci prawidłową strukturę przestrzenną.

Lipidy

Lipidy – związki organiczne zbudowane głównie z węgla (C), wodoru (H) i tlenu (O). W niektórych lipidach mogą także występować inne pierwiastki, np. fosfor (P).

Właściwości lipidów

• Hydrofobowe – nierozpuszczalne w wodzie.

• Rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, np. benzynie, eterze.

• Mniejsza gęstość niż woda – tworzą na jej powierzchni oddzielną warstwę.

Rodzaje lipidów

Lipidy klasyfikujemy ze względu na budowę, konsystencję oraz pochodzenie:

• Budowa: proste, woski, złożone, fosfolipidy, glikolipidy.

• Konsystencja: stałe (masło, smalec) lub ciekłe (olej, tran).

• Pochodzenie: roślinne (olej, oliwa) lub zwierzęce (smalec, tran).

Lipidy proste – zbudowane z alkoholu połączonego z kwasami tłuszczowymi, np. tłuszcze właściwe, woski.

Lipidy złożone – zbudowane z alkoholu, kwasów tłuszczowych oraz dodatkowych grup chemicznych, np. fosfolipidy, glikolipidy.

Kwasy tłuszczowe

• Kwasy tłuszczowe nasycone – nie mają wiązania podwójnego między atomami węgla. Lipidy, w których przeważają kwasy nasycone, w temperaturze pokojowej są stałe, np. masło, smalec.

• Kwasy tłuszczowe nienasycone – mają co najmniej jedno wiązanie podwójne między atomami węgla. Lipidy, w których przeważają kwasy nienasycone, w temperaturze pokojowej są płynne, np. olej roślinny, oliwa.

Znaczenie lipidów prostych

1. Tłuszcze właściwe – są wysokokalorycznym materiałem zapasowym.

   • W roślinach: magazynowane w nasionach, np. nasiona dyni.

   • U ssaków: tworzą warstwę podskórną, która pełni funkcję termoregulacyjną, np. tłuszcz u niedźwiedzia polarnego.

2. Woski – pełnią funkcję budulcową i ochronną.

   • U pszczół: budują plastry w ulu.

   • U roślin i zwierząt: tworzą warstwę ochronną na powierzchni ciała, np. pokrywają pióra ptaków lub liście roślin.

Znaczenie lipidów złożonych

1. Fosfolipidy – wchodzą w skład błon biologicznych komórek, tworząc strukturę błony i zapewniając jej płynność i selektywną przepuszczalność.

2. Glikolipidy – również wchodzą w skład błon biologicznych komórek, a dodatkowo pełnią funkcję antygenów grup krwi i uczestniczą w rozpoznawaniu komórek.

DNA

Występowanie DNA:

• Głównie w jądrze komórkowym komórek zwierzęcych, roślinnych i grzybowych.

• W niewielkich ilościach w:

  • mitochondriach (u wszystkich eukariontów),

  • chloroplastach (u roślin).

Znaczenie DNA

DNA jest materiałem genetycznym organizmów oraz niektórych wirusów. Zawarta w DNA informacja o cechach organizmu jest przekazywana w procesach dziedziczenia z pokolenia na pokolenie. Dlatego DNA nazywamy nośnikiem informacji genetycznych.