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[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. 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
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].
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[5]:
- 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[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].
W tabeli przedstawiono spis pierwiastków chemicznych o znaczeniu biologicznym (uszeregowano je malejąco pod względem przeciętnej zawartości w organizmie ludzkim):
Nazwa (zapotrzebowanie dobowe)[uwaga 1] |
Znaczenie biologiczne | Niektóre skutki niedoboru |
---|---|---|
Pierwiastki biogenne (biogeny) | ||
Tlen, O (~ 2 kg)[uwaga 2] |
Podstawowe składniki związków organicznych, wchodzących w skład wszystkich organizmów żywych: cukrów, tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych (DNA i RNA)[7][8][9][10][11][12]. Tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego[10][11], wraz z wodorem tworzy wodę[10][11], zaś wraz z węglem dwutlenek węgla[10], który jest substratem do fotosyntezy. | Śmierć organizmu[9] (np. z głodu, odwodnienia lub uduszenia)[8]. |
Węgiel, C (~ 200 g)[uwaga 3] | ||
Wodór, H (~ 200 g)[uwaga 2] | ||
Azot, N (~ 10 g)[uwaga 4] |
Składnik wszystkich białek, zasad azotowych (wchodzących w skład kwasów nukleinowych)[7][9][10][11][12], związków przenoszących energię (np. ATP, ADP)[7][10] oraz wielu innych związków chemicznych[8] (np. witamin)[9].
|
|
Fosfor, P (700 – 900 mg) |
Pierwiastek o największej ilości funkcji w organizmie[13]. Składnik m.in.: kwasów nukleinowych[7][8][9][10][11][12][13][14][15], związków przenoszących energię[7][8][9][10][12][13][14][15], fosfolipidów (budujących błony komórkowe)[7][8][10][11][12][13][14] oraz niektórych białek[7]. Odpowiada za utrzymanie odpowiedniego pH[15]. |
|
Siarka, S (~ 2 g) |
Składnik dwóch aminokwasów[9]: metioniny i cysteiny[8] (która poprzez mostki dwusiarczkowe tworzy strukturę trzeciorzędową białka)[10] oraz enzymów i koenzymów (np. koenzym A)[7][8][14]. Bierze udział w procesach oddechowych w komórce. Wchodzi w skład niektórych wielocukrów (w postaci siarczanów)[8].
|
|
Makroelementy | ||
Wapń, Ca (800 mg – 1 g) |
Zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych[10][15], obniża stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zwiększa jej lepkość)[10].
|
|
Potas, K (1,5 – 3,5 g) |
Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][9][12][14][15] (zwiększa wydalanie wody z organizmu[15]), zwiększa przepuszczalność błon komórkowych[10], podwyższa stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zmniejsza jej lepkość)[10].
|
Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej[15][18].
|
Sód, Na (550 mg – 2 g) |
Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][11][12][13][15][16][17].
|
Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej[15].
|
Chlor, Cl (750 – 800 mg) |
Wraz z jonami sodu i potasu reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki[7][8][11][12][13][15][16].
|
Zaburzenia oddychania komórkowego[7][8][9] i równowagi wodno-elektrolitowej[15]. |
Magnez, Mg (250 – 400 mg) |
Wraz z wapniem zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych. Obniża stopień uwodnienia cytoplazmy[17] (zwiększa jej lepkość)[10]. Odpowiada za biosyntezę i utrzymanie właściwej struktury kwasów nukleinowych[15]. Utrzymuje właściwą strukturę[17] i koordynuje współpracę obu podjednostek rybosomów. Jest składnikiem enzymów oddechowych[10].
|
|
Mikroelementy | ||
Żelazo, Fe (15 – 19 mg)[uwaga 9] |
Składnik enzymów oddechowych[7][10][12][13][19] (cytochromów[7][13] (np. cytochrom P450 odpowiedzialny za detoksykację[19]), peroksydaz, katalazy)[8].
|
Zaburzenia oddychania komórkowego[7].
|
Fluor, F (1 – 4 mg) |
||
Cynk, Zn (10 – 20 mg) |
Uczestniczy w różnych etapach biosyntezy białek[8][13][19] (wchodzi w skład polimeraz, uczestniczy w replikacji DNA i ekspresji genów)[19], składnik enzymów oddechowych[8][12].
|
Zaburzenia biosyntezy białek i kwasów nukleinowych[19].
|
Krzem, Si (10 mg)[uwaga 11] |
|
|
Jod, I (160 µg) |
|
|
Miedź, Cu (2 – 3 mg) |
Wchodzi w skład enzymów oddechowych (np. oksydaza cytochromowa i oksydaza askorbinowa)[8].
|
Zaburzenia oddychania komórkowego[17].
|
Mangan, Mn (2 – 5 mg) |
Aktywator i składnik grup prostetycznych niektórych enzymów, np. enzymów oddechowych[12][17] (dehydrogenaza izocytrynianowa, karboksylaza pirogronianowa)[8].
|
Zaburzenia oddychania komórkowego[17].
|
Chrom, Cr (100 – 150 µg) |
|
|
Selen, Se (60 – 70 µg) |
|
|
Bor, B (500 µg)[uwaga 11] |
|
|
Molibden, Mo (3 – 250 µg) |
|
|
Nikiel, Ni (30 µg) |
Składnik ureazy – enzymu rozkładającego mocznik na amoniak i dwutlenek węgla (u zwierząt)[8] oraz biorącego udział w reakcjach enzymatycznych u motylkowych (u roślin)[8]. |
|
Wanad, V (10 µg) |
|
|
Cyna, Sn (?) |
|
|
Arsen, As (20 µg) |
|
|
Kobalt, Co (50 µg)[uwaga 13] |
|
|
Stront, Sr (?) |
|
Zobacz też
Uwagi
- ↑ Podano średnie dobowe zapotrzebowanie dla dorosłego człowieka. Z powodu dużych rozbieżności w źródłach, w tabeli podano przedział z kilku źródeł.
- 1 2 Głównie w postaci wody.
- ↑ W postaci różnych pokarmów.
- ↑ Wynika to z dobowego zapotrzebowania na białko, które wynosi 1 g/kg masy ciała (białko zawiera przeciętnie 16% wagowych azotu).
- 1 2 3 4 Objawy pojawiają się najpierw na starszych liściach.
- 1 2 Dotyczy to zazwyczaj osób nadużywających alkoholu.
- 1 2 3 4 5 6 7 Objawy pojawiają się najpierw na młodych liściach.
- ↑ Najwięcej chloru potrzebują halofity (słonorośla), u innych roślin jego nadmiar powoduje pogorszenie jakości plonu.
- ↑ Zapotrzebowanie dla kobiet jest niższe, niż dla mężczyzn.
- ↑ Niedobór występuje najczęściej u drzew owocowych.
- 1 2 Prawdopodobnie.
- ↑ Niedobór występuje rzadko.
- ↑ W postaci witaminy B12.
Przypisy
- 1 2 Hydrogeochemia, s. 97–99.
- 1 2 3 4 5 6 Żyzność gleby i odżywianie się roślin, s. 146, 279.
- 1 2 3 4 Plants and the Chemical Elements Biochemistry, s. 4.
- 1 2 3 Murray Robert, Granner Daryl, Mayes Peter, Rodwell Victor: Biochemia Harpera. Wyd. III. Warszawa: PZWL, 1995. ISBN 83-200-1798-X.
- ↑ Plant Physiology, s. 67–86.
- ↑ Handbook of Plant Nutrition, s. 3–18.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 Vademecum, s. 6–8.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 Tablice biologiczne, s. 12–16.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Vademecum, s. 222–223.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Barbara Bukała – Komórka, s. 17–18.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Biologia MULTICO, s. 23.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Biologia MULTICO, s. 663.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Biologia MULTICO, s. 890.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Barbara Bukała – Fizjologia zwierząt, s. 143–144.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Encyklopedia Biologia, s. 311–312.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Świat Wiedzy, Ciało człowieka 55, s. 170.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Biologia 2, s. 12–13.
- 1 2 3 4 5 Świat Wiedzy, Ciało człowieka 196, s. 582.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 Encyklopedia Biologia, s. 328–329.
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.
- Witaminy i mikroelementy. „Świat Wiedzy”. Ciało człowieka 55. Marshall Cavendish.
- Mineral nutrition. W: Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Plant Physiology. Sinauer Associates, 2002. ISBN 0-87893-823-0. (ang.).
Przeczytaj ostrzeżenie dotyczące informacji medycznych i pokrewnych zamieszczonych w Wikipedii.