Minden, ami anyagból áll, az elemek. Ezek kémiailag tiszta anyagok, amelyek az elemek periódusos rendszerében szerepelnek. A természetben az elemek általában nem nyers állapotukban, hanem más elemekkel összekapcsolódva alkotnak molekulákat és vegyületeket.
Körülbelül 115 elemet ismer az ember, és könnyen találkozhatunk velük a periódusos rendszerben. Közülük azonban csak 19 létfontosságú az emberek túlélése szempontjából. Ezek az elemek nélkülözhetetlenek, és általános tendencia, hogy a periódusos rendszer első négy sorára korlátozódnak (kivételt képez a molibdén és a jód).
Ezek az elemek azonban nélkülözhetetlenek lehetnek egyes meghatározott szervezetek táplálkozásához. A bróm például bőségesen megtalálható a tengeri fajokban, a volfrám pedig számos mikroba túléléséhez szükséges.
Mi teszi ezeket az elemeket nélkülözhetetlenné az élet számára?
Az esszenciális elemek az élet egyensúlyának fenntartásához szükségesek. Ha például valamely fontos elem hiánya folyamatosan rendellenes növekedést vagy működést okoz, az adott elem étrendi pótlása megakadályozza ennek bekövetkezését. Így az elemet létfontosságúnak/esszenciálisnak tekintjük. Ha azonban egy szervezet jellemzően olyan étrend mellett fejlődik, amelyben kevés az E-vitamin, akkor az adott szervezet számára nem tekinthető esszenciálisnak.
Az emberi szervezetben szükséges alapvető elemek
Az emberi test tömegének 99%-át CHNOPS (hidrogén, oxigén, nitrogén, szén, foszfor és kén) alkotja. A növényekben a szén, a hidrogén és az oxigén (makromolekulák) többnyire CO₂-ból és H₂O-ból származik. A szén 17,5%-át, az oxigén 25,6%-át, a nitrogén 2,4%-át, a hidrogén pedig 10,2%-át teszi ki.
Szén
A szénatomok egyedülálló módon képesek összekapcsolódva hosszú láncokat és gyűrűket létrehozni.
Ez a képesség lehetővé teszi a szén számára, hogy számos stabil, eltérő molekulaszerkezetű vegyületet hozzon létre, amelyek mégis szorosan kapcsolódnak egymáshoz.
Az olyan biológiai molekulák, mint a szénhidrátok, fehérjék, lipidek és nukleinsavak szénmolekulákból állnak.
Hidrogén
A hidrogén tökéletes stabilitást biztosít a szénatomok számára.
A C-H kötések megléte miatt a szénlánc jelentős része nem reagál.
A hidrogén segíti az emberi szervezet energiatermelését. Mint tudjuk, az ATP (adenozin-trifoszfát) a legtöbb sejtfolyamat fő energiaforrása.
Szénhidrátokat eszünk, amelyek szénből, hidrogénből és oxigénből állnak, és energiát szolgáltatnak.
Oxigén
Az oxigén az, ami életben tart minket.
A sejtek által felszabaduló energia felszabadításához aerob légzésre van szükség, hogy kémiai energiát bocsássunk a szerveink és szöveteink rendelkezésére.
Úgy tartják, hogy biokémiai és anyagcsere tevékenységeink 90%-ának oxigénre van szüksége.
Funkcionális csoportok
A biológiai molekulák egyik rendkívül jelentős aspektusa a funkciós csoportok jelenléte. A funkciós csoportok olyan atomok összességei, amelyek egy szerves molekula szénvázához kapcsolódnak, és meghatározott tulajdonságokkal ruházzák fel. Mivel sok biológiai molekula hosszú láncokkal rendelkezik, szinte végtelen számú formát ölthetnek.
Az Amino csoport:
Ez az íztelen gáznemű elem, amely a földi légkör 75%-át teszi ki (tömeg szerint), létfontosságú a fehérjeszintézishez és számos nitrogéntartalmú vegyület, például hormonok és neurotranszmitterek előállításához.
A funkcionális csoportot aminocsoportnak nevezik: Két hidrogén- és egy szénatomhoz kötött nitrogén.
A nitrogén a DNS és más nukleinsavak fontos összetevője, a kromoszómák fő alkotóeleme, és a genetikai információ hordozója.
A genetikai információt a DNS hordozza.
A növényekben is a nitrogén a fehérjék, nukleinsavak, vitaminok és hormonok egyik fő alkotóeleme.
A foszfátcsoport:
A csontok, a fogak, a DNS és az RNS mind foszforból állnak.
A foszfor a sejtmembrán szerkezetének is része a foszfolipidek és a szervezet elsődleges energiaforrása, az ATP formájában.
A foszfátion kovalens módon kapcsolódik a szénvázhoz, így képezve a funkcionális foszfátcsoportot.
A foszfor nélkülözhetetlen a génátíráshoz, az enzimaktivitáshoz, az extracelluláris folyadék megfelelő pH-értékének fenntartásához és az intracelluláris energiatároláshoz.
A foszfor megtalálható a sejtmembránokban, a fehérjékben, valamint a növények valamennyi nukleinsavában és nukleotidjában, és nélkülözhetetlen minden foszforilációs reakcióhoz.
A szulfhidrilcsoport:
Ez a nyolcadik leggyakrabban előforduló elem az emberben segít létrehozni az aminosavakat, amelyekből fehérjék, testünk építőkövei jönnek létre.
A kén a méregtelenítésben is fontos szerepet játszik. Segíti a gyógyszerek, a táplálékkal bevitt vegyi anyagok, sőt még a veszélyes fémek biztonságos emésztését is az emberi szervezetben.
A növényekben a kén két aminosavban, a ciszteinben és a metioninban található meg, valamint a különböző koenzimek, vitaminok (tiamin, biotin, koenzim A) és a ferredoxin kulcsfontosságú összetevője.
A szulfhidrilcsoport az a funkcionális csoport, amely hidrogénatomhoz kötött ként tartalmaz, és keresztkötéseket tud kialakítani más szulfhidrilcsoportokkal.
A hidroxilcsoport:
Ez a csoport a cukrokban és az alkoholban található. A szénvázhoz kötött oxigénhez (OH) kötött hidrogén segíti a vízzel való hidrogénkötések kialakítását.
Ez a tulajdonsága hidrofilitást kölcsönöz a molekulának, és növeli az őket tartalmazó molekulák oldhatóságát.
A karbonilcsoport:
A karbonilcsoport olyan funkciós csoport, amelyben egy szénatom kettős kötéssel kapcsolódik egy oxigénatomhoz.
Két csoport létezik: Az egyik csoportot az aldehidek és a ketonok, a másikat a karbonsavak és származékaik alkotják.
Ha a szén-oxigén kettős kötéshez egy hidrogénatom kapcsolódik, akkor aldehidnek nevezzük. A ketonok karbonilcsoportja nem tartalmaz hidrogént. A karbonilcsoportot tartalmazó molekulák polárisak.
A karboxilcsoport:
A karboxilcsoport a karbonil és hidroxil funkciós csoportok kombinációja.
Az oxigénhez és a hidroxilhoz kettős kötésű szén egyedi tulajdonságokkal ruházza fel az egyes csoportokat.
A karboxilcsoportok polárisak és jó savakat alkotnak, és megtalálhatók a fehérjék felépítéséhez használt aminosavakban.
Következtetés:
Az elemek a periódusos rendszerben szereplő kémiailag tiszta anyagok.
Minket az elemek és ezen elemek felhasználása alkot és vesz körül.
A hidrogén és a szén két alapvető elem, amelyek sok más mellett az életformákat is befolyásolják.
A funkciós csoportok közé tartoznak az amino-, foszfát-, hidroxil-, karbonil-, karboxil- és szulfhidrilcsoportok.
Gyakran ismételt kérdések az élet kémiai elemeiről
Az öt elem elmélete szerint a természetben minden az élet 5 fő eleméből áll: Föld, víz, tűz, levegő és űr. A kémia azonban ezt szénnel, hidrogénnel, nitrogénnel, oxigénnel és kénnel válaszolja meg.
Az élethez nélkülözhetetlen 21 elemnek a kalcium, a szén, a klór, a kobalt, a réz, a fluor, a hidrogén, a jód, a vas, a magnézium, a mangán, a molibdén, a nitrogén, az oxigén, a foszfor, a kálium, a szelén, a nátrium, a kén és a cink tekinthető.
A CHNOPS (szén, hidrogén, nitrogén, oxigén, foszfor és kén) az élet hat eleme, és a természeti erőforrások formájában a három állapot bármelyikében megtalálható.