Rolul unor elemente chimice în sistemele biologice

Materia vie este formată din aceleaşi elemente chimice care există şi în natura anorganică, iar organismele vii preiau în mod selectiv din mediul înconjurător substanţele chimice necesare desfăşurării activităţilor lor vitale. De altfel, între organismele vii și mediu, există interacțiuni complexe constând în schimburi de substanță, energie și informație, ce constituie așa numitele “cicluri ale elementelor”( ex.: Ciclul Carbonului, Ciclul Azotului).

În compoziţia materiei vii intră următoarele elemente :

- Metale

Netranziționale din grupele principale : Na, K, Ca, Mg.

Tranziționale : Fe, Co, Mn, Mo, Cu, etc.

- Nemetale- elemente organogene care intră în componența organismului uman : C, H, O, P, S, X.

Proporția elementelor chimice din organismul uman este următoarea :Oxigen-63%, Carbon-20%, Hidrogen-10%, Azot-3%, Calciu-1,5%, Sulf-0,25%, Potasiu-0,35%, Natriu-0,15%, Magneziu-0,05%

O altă clasificare a bioelementelor :

- C, H, O, N, S, P, Cl, Ca, Mg, K, Na, care se găsesc în proporţie mare şi formează 99% din masa organismelor, din care cauză se numesc şi elemente plastice. Ele reprezintă elemente de constituție sau macroelementele ;

- Fe, I, F, B, Cu, Zn, Co, Mn, Si, Mo, Va, Ba, Li etc., care se găsesc în cantitate mică însă, sub 1% din total. Unele din aceste elemente apar în cantităţi extrem de mici, în limitele unei sutimi sau miimi de miligram pentru fiecare ; ele sunt numite microelemente sau oligoelemente şi îndeplinesc, în general, un rol biocatalitic. Microelementele intră în alcătuirea unor enzime, hormoni şi participă astfel la reglarea proceselor biochimice care au loc în organism.

Pe plan general, numai 21 de elemente sunt totdeauna prezente în materia vie, denumite şi bioelemente sau elemente esenţiale, care au fost împărţite în trei grupe în funcţie de concentraţia lor în organisme :

- Grupa I : elemente abundente (prezente în proporţie de 60% din totalul atomilor) : C, H, O şi N.

- Grupa II : elemente puţin abundente (prezente în proporţie de 0,02-0,1 atomi%) : Na, Mg, S, Cl, K.

- Grupa III : elemente rare (prezente în proporţie mai mică de 0,02 atomi%) : Si, B, Fe, Cu, Mn, Zn, Va, I, Ni, Co.

Dintre toate elementele care se găsesc în organismele vii, carbonul, hidrogenul, oxigenul si azotul mai poartă denumirea de elemente vitale deoarece, prin distrugerea oxidativă a materialului vegetal, ele se elimină sub formă de dioxid de carbon (CO2), apă (H2O) şi azot (N2). Restul elementelor se numesc elemente fixe, întrucât, prin distrugerea oxidativă a materialului, ele rămân sub formă de combinaţii, în cenuşă.

În cenuşa plantelor au fost identificate mult mai multe elemente chimice decât în organismele animale. Conţinutul de cenuşă şi compoziţia acesteia, variază în funcţie de specie, organ, vârstă şi perioada de vegetaţie (frunzele conţin mult: Ca, Mg, K, S, Si; seminţele mult P).

Dacă se examinează locul, din sistemul periodic al elementelor, pe care-l ocupă elementele ce intră frecvent în alcătuirea materiei vii, se constată că aproape toate fac parte din primele patru perioade ale acestui sistem ; ca o consecinţă, natura vie este aproape toată constituită din atomi uşori, care dau compuşi puţin complecşi, solubili în apă, ce permit circulaţia şi schimburile nutritive din celule.

Rolul biometalelor este foarte diversificat. Astfel, biometalele se împart în:

o Transportori de sarcină: Na, K

o Stabilizatori ai structurii: Mg, Ca

o Catalizator acid Lewis: Zn

o Catalizatori redox şi transportul oxigenului: V, Cr, Mn, Fe,Practic, din punct de vedere al chimiei anorganice biometalele se împart în două categorii fundamentale:

- elemente netranziţionale: Na, K, Mg, Ca, Zn

- elemente tranziţionale: Mn, Fe, Co, Cu, Mo

Elementele netranziţionale se deosebesc de cele tranziţionale prin faptul că au stare de oxidare constantă şi au o structură electronică stabilă de gaz rar. Metalele tranziţionale indicate, sunt caracterizate prin stări de oxidare variabile, formând ioni cu configuraţie electronică incompletă, fapt ce explică o serie de proprietăţi fizice particulare cum ar fi: absorţia în UV-VIS al spectrului radiaţiilor electromagnetice, paramagnetismul, etc.