BIOELEMENTI: CLASSIFICAZIONE (PRIMARIA E SECONDARIA) - BIOLOGIA - 2025

" Bioelemento " è un termine usato per riferirsi ai principali elementi chimici che compongono gli esseri viventi. In alcune classificazioni, questi sono divisi in elementi primari ed elementi secondari.

Degli 87 elementi chimici noti, solo 34 costituiscono materia organica e 17 di questi 34 sono noti per essere veramente indispensabili per la vita. Inoltre, di questi 17 elementi essenziali, cinque costituiscono più del 90% della materia che compone gli organismi viventi.

Sono inoltre indicate la tavola periodica degli elementi, i bioelementi primari e secondari (Fonte: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

I sei elementi principali della materia organica sono idrogeno (H, 59%), ossigeno (O, 24%), carbonio (C, 11%), azoto (N, 4%), fosforo (P, 1%) e zolfo (S, 0,1-1%).

Queste percentuali riflettono il numero di atomi di ogni elemento rispetto al numero totale di atomi che compongono le cellule viventi e questi sono i cosiddetti "bioelementi primari".

I bioelementi secondari si trovano in una proporzione molto minore e sono potassio (K), magnesio (Mg), ferro (Fe), calcio (Ca), molibdeno (Mo), fluoro (F), cloro ( Cl), sodio (Na), iodio (I), rame (Cu) e zinco (Zn).

Gli elementi secondari sono solitamente cofattori nelle reazioni catalitiche e partecipano a molti dei processi biochimici e fisiologici inerenti alle cellule degli organismi.

Bioelementi primari

Gli atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno sono la base strutturale delle molecole che compongono la materia organica, mentre l'azoto, il fosforo e lo zolfo interagiscono con diverse biomolecole per provocare reazioni chimiche.

Idrogeno

L'idrogeno è un elemento chimico che esiste in forma gassosa a temperatura ambiente (25ºC), può esistere solo allo stato solido o liquido a temperatura ambiente quando è legato ad altre molecole.

Si pensa che gli atomi di idrogeno siano tra i primi atomi a comporre l'universo primordiale. Le teorie che vengono trattate propongono che i protoni contenuti nel nucleo degli atomi di idrogeno iniziarono ad associarsi agli elettroni di altri elementi per formare molecole più complesse.

L'idrogeno può combinarsi chimicamente con quasi tutti gli altri elementi per formare molecole, tra cui acqua, carboidrati, idrocarburi, ecc.

Questo elemento è responsabile della formazione di legami noti come “legami idrogeno”, una delle più importanti interazioni deboli per le biomolecole e la principale forza responsabile del mantenimento delle strutture tridimensionali di proteine ​​e acidi nucleici.

Carbonio

Il carbonio costituisce il nucleo di molte biomolecole. I suoi atomi possono combinarsi covalentemente con altri quattro atomi di diversi elementi chimici e anche con se stessi per formare la struttura di molecole altamente complesse.

Il carbonio, insieme all'idrogeno, è uno degli elementi chimici che possono formare il maggior numero di composti chimici diversi. Tant'è che tutte le sostanze e composti classificati come "organici" contengono atomi di carbonio nella loro struttura principale.

Struttura generale di un amminoacido (Fonte: Utente: Ppfk tramite Wikimedia Commons)

Tra le principali molecole di carbonio degli esseri viventi ci sono i carboidrati (zuccheri o saccaridi), le proteine ​​ei loro amminoacidi, gli acidi nucleici (DNA e RNA), i lipidi e gli acidi grassi, tra gli altri.

Ossigeno

L'ossigeno è un elemento gassoso ed è il più abbondante nell'intera crosta terrestre. È presente in molti componenti organici e inorganici e forma composti con quasi tutti gli elementi chimici.

È responsabile dell'ossidazione dei composti chimici e della combustione, che sono anche diverse forme di ossidazione. L'ossigeno è un elemento molto elettronegativo, fa parte della molecola dell'acqua e partecipa al processo respiratorio di gran parte degli esseri viventi.

Le specie reattive dell'ossigeno sono responsabili dello stress ossidativo all'interno delle cellule. È molto comune osservare il danno causato dai composti ossidativi alle macromolecole all'interno della cellula, poiché sbilanciano l'interno riducente delle cellule.

Azoto

Anche l'azoto è prevalentemente gassoso, costituendo circa il 78% dell'atmosfera terrestre. È un elemento importante nella nutrizione di piante e animali.

Negli animali, l'azoto è una parte fondamentale degli amminoacidi che, a loro volta, sono i mattoni delle proteine. Le proteine ​​strutturano i tessuti e molte di esse hanno l'attività enzimatica necessaria per accelerare molte delle reazioni vitali per le cellule.

L'azoto è una parte fondamentale delle basi azotate che compongono gli acidi nucleici come DNA e RNA (Fonte: File: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * traduzione: Sponk via Wikimedia Commons)

L'azoto è presente nelle basi azotate del DNA e dell'RNA, molecole essenziali per il trasferimento delle informazioni genetiche dai genitori alla prole e per il corretto funzionamento degli organismi viventi come sistemi cellulari.

Incontro

La forma più abbondante di questo elemento in natura è costituita dai fosfati solidi in terreni fertili, fiumi e laghi. È un elemento importante per il funzionamento di animali e piante, ma anche di batteri, funghi, protozoi e tutti gli esseri viventi.

Negli animali, il fosforo si trova in abbondanza in tutte le ossa sotto forma di fosfato di calcio.

Il fosforo è essenziale per la vita, poiché è anche un elemento che fa parte di DNA, RNA, ATP e fosfolipidi (componenti fondamentali delle membrane cellulari).

Questo bioelemento è sempre coinvolto nelle reazioni di trasferimento di energia, poiché forma composti con legami molto energetici, la cui idrolisi viene utilizzata per muovere diversi sistemi cellulari.

Zolfo

Lo zolfo si trova comunemente sotto forma di solfuri e solfati. È particolarmente abbondante nelle zone vulcaniche ed è presente nei residui amminoacidici cisteina e metionina.

Nelle proteine, gli atomi di zolfo della cisteina formano una fortissima interazione intra- o intermolecolare nota come “ponte disolfuro”, essenziale per la formazione della struttura secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine ​​cellulari.

Il coenzima A, un intermedio metabolico con un'ampia varietà di funzioni, ha un atomo di zolfo nella sua struttura.

Questo elemento è anche fondamentale nella struttura di molti cofattori enzimatici che partecipano a diverse importanti vie metaboliche.

Bioelementi secondari

Come accennato in precedenza, i bioelementi secondari sono quelli che si trovano in proporzione inferiore a quelli primari e i più importanti sono potassio, magnesio, ferro, calcio, sodio e zinco.

I bioelementi secondari o oligoelementi sono coinvolti in molti dei processi fisiologici delle piante, nella fotosintesi, nella respirazione, nell'equilibrio ionico cellulare del vacuolo e dei cloroplasti, nel trasporto dei carboidrati al floema, ecc.

Ciò vale anche per gli animali e altri organismi, dove questi elementi, più o meno superflui e meno abbondanti, fanno parte di tanti cofattori necessari al funzionamento dell'intero apparato cellulare.

Ferro

Il ferro è uno dei bioelementi secondari più importanti poiché ha funzioni in molteplici fenomeni energetici. È molto importante nelle reazioni di riduzione dell'ossido naturale.

Nei mammiferi, ad esempio, il ferro è una parte essenziale dell'emoglobina, la proteina responsabile del trasporto dell'ossigeno nel sangue all'interno degli eritrociti o dei globuli rossi.

Nelle cellule vegetali questo elemento fa anche parte di alcuni pigmenti come la clorofilla, essenziale per i processi fotosintetici. Fa parte delle molecole del citocromo, essenziale anche per la respirazione.

Zinco

Gli scienziati pensano che lo zinco fosse uno degli elementi chiave nella comparsa di organismi eucarioti milioni di anni fa, poiché molte delle proteine ​​che legano il DNA per la replicazione che costituivano gli "eucarioti primitivi" usavano lo zinco come motivo dell'Unione.

Un esempio di questo tipo di proteine ​​sono le dita di zinco, che sono coinvolte nella trascrizione genica, nella traduzione delle proteine, nel metabolismo e nell'assemblaggio delle proteine, ecc.

Calcio

Il calcio è uno dei minerali più abbondanti sul pianeta terra; nella maggior parte degli animali costituisce denti e ossa sotto forma di idrossifosfato di calcio. Questo elemento è essenziale per la contrazione muscolare, la trasmissione degli impulsi nervosi e la coagulazione del sangue.

Magnesio

La più alta percentuale di magnesio in natura si trova in forma solida combinata con altri elementi, non si trova solo allo stato libero. Il magnesio è un cofattore per oltre 300 diversi sistemi enzimatici nei mammiferi.

Le reazioni a cui partecipa vanno dalla sintesi proteica, mobilità muscolare e funzione nervosa, alla regolazione dei livelli di glucosio nel sangue e della pressione sanguigna. Il magnesio è necessario per la produzione di energia negli organismi viventi, per la fosforilazione ossidativa e la glicolisi.

Contribuisce anche allo sviluppo delle ossa ed è necessario per la sintesi di DNA, RNA, glutatione, tra gli altri.

Sodio e potassio

Sono due ioni molto abbondanti all'interno della cellula e le variazioni delle loro concentrazioni interne ed esterne, così come il loro trasporto, sono determinanti per molti processi fisiologici.

Il potassio è il catione intracellulare più abbondante, mantiene il volume del liquido all'interno della cellula ed i gradienti elettrochimici transmembrana.

Sia il sodio che il potassio sono attivamente coinvolti nella trasmissione degli impulsi nervosi, poiché vengono trasportati dalla pompa sodio-potassio. Il sodio partecipa anche alla contrazione muscolare e all'assorbimento dei nutrienti attraverso la membrana cellulare.

Il resto dei bioelementi secondari: molibdeno (Mo), fluoro (F), cloro (Cl), iodio (I) e rame (Cu) svolgono un ruolo importante in molte reazioni fisiologiche. Tuttavia, sono necessari in una proporzione molto inferiore rispetto ai sei elementi spiegati sopra.

Riferimenti

1. Egami, F. (1974). Elementi minori ed evoluzione. Journal of molecular evolution, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). bioelementi; Gli elementi chimici della materia vivente. The Journal of general fisiology, 1 (4), 429
3. Kaim, W., & Rall, J. (1996). Rame: un bioelemento "moderno". Angewandte Chemie International Edition in inglese, 35 (1), 43-60.
4. Istituto Nazionale della Salute. (2016). Magnesio: scheda informativa per gli operatori sanitari. Versione corrente, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M., … e Sardans, J. (2019). I bioelementi, l'elementoma e la nicchia biogeochimica. Ecologia, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bioelementi e bioelementologia in farmacologia e nutrizione: aspetti fondamentali e pratici. In farmacologia e intervento nutrizionale nel trattamento delle malattie. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Rame-A Modern Bioelement. In Copper and Bacteria (pagg. 1-9). Springer, Cham.
8. Organizzazione mondiale della sanità. (2015). Scheda informativa: sale.