Makroelementy
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. 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 przez nie jonów. Wówczas makroskładnikami wód podziemnych są: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- i HCO3- oraz NH4+, NO2-, NO3-, Fe2+, Al3+ i substancje organiczne.
U roślin za makroskładniki uważa się: węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, siarkę, wapń i magnez, 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. Za graniczną zawartość oddzielającą makroelementy od mikroelementów zwykle przyjmuje się 0,1% masy. 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.
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.
Mikroelementy
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.
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. 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).
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. 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. Mikroelementy, zarówno niezbędne do rozwoju (mikronutrienty), jak i pozostałe, występując w nadmiernych stężeniach mogą wywoływać skutki niepożądane. 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).
Ultraelementy
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.
Biochemiczna funkcja pierwiastków
Obok podziału na makro- i mikroelementy, stosowany jest również podział pod kątem funkcji biochemicznych. U roślin wyróżniane są następujące grupy:
- nutrienty wchodzące w skład związków węgla (azot, siarka)
- nutrienty biorące udział w magazynowaniu energii lub utrzymaniu integralności strukturalnej (fosfor, krzem, bor)
- nutrienty występujące głównie w postaci jonów, biorące udział w utrzymaniu potencjału osmotycznego lub wchodzące w skład enzymów (potas, wapń, magnez, chlor, mangan, sód)
- nutrienty biorące udział w reakcjach redoks (żelazo, cynk, miedź, nikiel, molibden).
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. W połowie XIX w. za dziesięć niezbędnych do rozwoju roślin pierwiastków uznano: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg i Fe. 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). Niemniej pozostali badacze używają tych terminów mniej rygorystycznie.
W tabeli przedstawiono spis pierwiastków chemicznych o znaczeniu biologicznym (uszeregowano je malejąco pod względem przeciętnej zawartości w organizmie ludzkim):
| Nazwa (zapotrzebowanie dobowe) |
Znaczenie biologiczne | Niektóre skutki niedoboru |
|---|---|---|
| Pierwiastki biogenne (biogeny) | ||
|
Tlen, O (~ 2 kg) |
Podstawowe składniki związków organicznych, wchodzących w skład wszystkich organizmów żywych: cukrów, tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych (DNA i RNA). Tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego, wraz z wodorem tworzy wodę, zaś wraz z węglem dwutlenek węgla, który jest substratem do fotosyntezy. | Śmierć organizmu (np. z głodu, odwodnienia lub uduszenia). |
|
Węgiel, C (~ 200 g) | ||
|
Wodór, H (~ 200 g) | ||
|
Azot, N (~ 10 g) |
Składnik wszystkich białek, zasad azotowych (wchodzących w skład kwasów nukleinowych), związków przenoszących energię (np. ATP, ADP) oraz wielu innych związków chemicznych (np. witamin).
|
|
|
Fosfor, P (700 – 900 mg) |
Pierwiastek o największej ilości funkcji w organizmie. Składnik m.in.: kwasów nukleinowych, związków przenoszących energię, fosfolipidów (budujących błony komórkowe) oraz niektórych białek. Odpowiada za utrzymanie odpowiedniego pH.
|
|
|
Siarka, S (~ 2 g) |
Składnik dwóch aminokwasów: metioniny i cysteiny (która poprzez mostki dwusiarczkowe tworzy strukturę trzeciorzędową białka) oraz enzymów i koenzymów (np. koenzym A). Bierze udział w procesach oddechowych w komórce. Wchodzi w skład niektórych wielocukrów (w postaci siarczanów). |
|
| Makroelementy | ||
|
Wapń, Ca (800 mg – 1 g) |
Zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych, obniża stopień uwodnienia cytoplazmy (zwiększa jej lepkość).
|
|
|
Potas, K (1,5 – 3,5 g) |
Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki (zwiększa wydalanie wody z organizmu), zwiększa przepuszczalność błon komórkowych, podwyższa stopień uwodnienia cytoplazmy (zmniejsza jej lepkość).
|
Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej.
|
|
Sód, Na (550 mg – 2 g) |
Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki.
|
Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej.
|
|
Chlor, Cl (750 – 800 mg) |
Wraz z jonami sodu i potasu reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki.
|
Zaburzenia oddychania komórkowego i równowagi wodno-elektrolitowej.
|
|
Magnez, Mg (250 – 400 mg) |
Wraz z wapniem zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych. Obniża stopień uwodnienia cytoplazmy (zwiększa jej lepkość). Odpowiada za biosyntezę i utrzymanie właściwej struktury kwasów nukleinowych. Utrzymuje właściwą strukturę i koordynuje współpracę obu podjednostek rybosomów. Jest składnikiem enzymów oddechowych.
|
|
| Mikroelementy | ||
|
Żelazo, Fe (15 – 19 mg) |
Składnik enzymów oddechowych (cytochromów (np. cytochrom P450 odpowiedzialny za detoksykację), peroksydaz, katalazy).
|
Zaburzenia oddychania komórkowego.
|
|
Fluor, F (1 – 4 mg) |
|
|
|
Cynk, Zn (10 – 20 mg) |
Uczestniczy w różnych etapach biosyntezy białek (wchodzi w skład polimeraz, uczestniczy w replikacji DNA i ekspresji genów), składnik enzymów oddechowych.
|
Zaburzenia biosyntezy białek i kwasów nukleinowych.
|
|
Krzem, Si (10 mg) |
|
|
|
Jod, I (160 µg) |
|
|
|
Miedź, Cu (2 – 3 mg) |
Wchodzi w skład enzymów oddechowych (np. oksydaza cytochromowa i oksydaza askorbinowa).
|
Zaburzenia oddychania komórkowego.
|
|
Mangan, Mn (2 – 5 mg) |
Aktywator i składnik grup prostetycznych niektórych enzymów, np. enzymów oddechowych (dehydrogenaza izocytrynianowa, karboksylaza pirogronianowa).
|
Zaburzenia oddychania komórkowego.
|
|
Chrom, Cr (100 – 150 µg) |
|
|
|
Selen, Se (60 – 70 µg) |
|
|
|
Bor, B (500 µg) |
|
|
|
Molibden, Mo (3 – 250 µg) |
|
|
|
Nikiel, Ni (30 µg) |
Składnik ureazy – enzymu rozkładającego mocznik na amoniak i dwutlenek węgla (u zwierząt) oraz biorącego udział w reakcjach enzymatycznych u motylkowych (u roślin). |
|
|
Wanad, V (10 µg) |
|
|
|
Cyna, Sn (?) |
|
|
|
Arsen, As (20 µg) |
|
|
|
Kobalt, Co (50 µg) |
|
|
|
Stront, Sr (?) |
|
|
Zobacz też
Uwagi
Bibliografia
- BIOLOGIA, Vademecum maturalne 2011. Monika Balcerowicz (red.). Gdynia: Operon, 2010. ISBN 978-83-7680-166-7.
- Introduction. W: Handbook of Plant Nutrition. Allen V. Barker, David J. Pilbeam (redaktorzy). Boca Raton, Londyn, Nowy Jork: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2007. ISBN 978-0-8247-5904-9. (ang.).
- Barbara Bukała: BIOLOGIA. Fizjologia zwierząt z elementami fizjologii człowieka. Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2005. ISBN 83-7267-192-3.
- Barbara Bukała: BIOLOGIA. Komórka, skład chemiczny i struktura. Wyd. II (poprawione). Kraków: Wydawnictwo Szkolne OMEGA, 2007. ISBN 83-7267-125-7.
- Plants and the Chemical Elements Biochemistry: Uptake, Tolerance and Toxicity. Margaret E. Farago (red.). Weinheim, Nowy Jork: VCH, 1994. ISBN 3-527-28269-6. (ang.).
- Ewa Holak, Waldemar Lewiński, Małgorzata Łaszczyca, Grażyna Skirmuntt, Jolanta Walkiewicz: Biologia 2 (zakres rozszerzony). Operon.
- Biologia. Czesław Jura, Jacek Godula (redaktorzy). Wyd. VII (przekład). Warszawa: MULTICO Oficyna Wydawnicza, 2007. ISBN 978-83-7073-412-1.
- Tadeusz Lityński, Halina Jurkowska: Żyzność gleby i odżywianie się roślin. Warszawa: PWN, 1982. ISBN 83-01-02887-4.
- Aleksandra Macioszczyk: Hydrogeochemia. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1987. ISBN 83-220-0298-X.
- Tablice biologiczne. Witold Mizerski (red.). Wyd. IV. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan, 2004. ISBN 83-7350-059-6.
- Encyklopedia Biologia. Agnieszka Nawrot (red.). Kraków: Wydawnictwo GREG. ISBN 978-83-7327-756-4.
- Niedożywienie. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 196. Marshall Cavendish.brak numeru strony
- Witaminy i mikroelementy. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 55. Marshall Cavendish.brak numeru strony
- Mineral nutrition. W: Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Plant Physiology. Sinauer Associates, 2002. ISBN 0-87893-823-0. (ang.).
