BIOELEMENTS: CLASSIFICACIÓ (PRIMARIS I SECUNDARIS) - BIOLOGIA - 2025

" Bioelement " és un terme utilitzat per referir-se als principals elements químics que componen els éssers vius. En algunes classificacions, aquests són dividits en elements primaris i en elements secundaris.

Dels 87 elements químics que es coneixen, només 34 composen a la matèria orgànica, i se sap que 17 d'aquests 34 són veritablement indispensables per a la vida. A més, d'aquests 17 elements indispensables, cinc constitueixen més de l'90% de la matèria que compon els organismes vius.

La taula periòdica dels elements, s'assenyalen els bioelements primaris i els secundaris també (Font: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

Els sis elements principals en la matèria orgànica són l'hidrogen (H, 59%), l'oxigen (O, 24%), el carboni (C, 11%), el nitrogen (N, 4%), el fòsfor (P, 1%) i el sofre (S, de l'0,1 a l'1%).

Aquests percentatges reflecteixen la quantitat d'àtoms de cada element respecte a la quantitat total d'àtoms que constitueix a les cèl·lules vives i aquests són els que es coneixen com a "bioelements primaris".

Els bioelements secundaris es troben en molta menor proporció i són el potassi (K), el magnesi (Mg), el ferro (Fe), el calci (Ca), el molibdè (Mo), el fluor (F), el Clor (Cl), el sodi (Na), el iode (i), el coure (Cu) i el Zinc (Zn).

Els elements secundaris usualment són cofactors en reaccions catalítiques i participen en nombrosos dels processos bioquímics i fisiològics inherents a les cèl·lules dels organismes.

bioelements primaris

Els àtoms de carboni, hidrogen i oxigen són la base estructural de les molècules que componen la matèria orgànica, mentrestant el nitrogen, el fòsfor i el sofre interactuen amb les diferents biomolècules per provocar reaccions químiques.

hidrogen

L'hidrogen és un element químic que existeix en forma gasosa a temperatura ambient (25ºC), només pot existir en estat sòlid o líquid a temperatura ambient quan es troba enllaçat a altres molècules.

Es pensa que els àtoms d'hidrogen van estar entre els primers àtoms que van formar l'univers primitiu. Les teories que es manegen proposen que els protons continguts en el nucli dels àtoms d'hidrogen van començar a associar-se amb els electrons d'altres elements per a formar molècules més complexes.

L'hidrogen pot combinar químicament amb gairebé qualsevol altre element per formar molècules, entre les quals destaquen l'aigua, els carbohidrats, els hidrocarburs, etc.

Aquest element és responsable de la formació dels enllaços coneguts com "ponts d'hidrogen", una de les interaccions febles més importants per a les biomolècules i la principal força responsable de l'manteniment de les estructures tridimensionals de les proteïnes i els àcids nucleics.

carboni

El carboni forma el nucli de moltes biomolècules. Els seus àtoms poden combinar covalentment amb altres quatre àtoms d'elements químics diferents i també amb ells mateixos per formar l'estructura de molècules de gran complexitat.

El carboni, al costat de l'hidrogen, és un dels elements químics que pot formar major quantitat de compostos químics diferents. Tant és així que totes les substàncies i compostos catalogats com "orgànics" contenen àtoms de carboni en la seva estructura principal.

Estructura general d'un aminoàcid (Font: User: Ppfk via Wikimedia Commons)

Entre les principals molècules carbonades dels éssers vius es troben els carbohidrats (sucres o sacàrids), les proteïnes i els seus aminoàcids, els àcids nucleics (ADN i ARN), els lípids i els àcids grassos, entre d'altres.

oxigen

L'oxigen és un element gasós i és el més abundant en tota l'escorça terrestre. Està present en molts components orgànics i inorgànics i forma compostos amb gairebé tots els elements químics.

És responsable de l'oxidació dels compostos químics i de la combustió, que són també diferents formes d'oxidació. L'oxigen és un element molt electronegatiu, forma part de la molècula d'aigua i participa en el procés de respiració de gran part dels éssers vius.

Les espècies reactives d'oxigen són responsables de l'estrès oxidatiu en l'interior de les cèl·lules. És molt comú observar el dany causat pels compostos oxidants a les macromolècules a l'interior cel·lular, ja que aquests desequilibren l'interior reductor de les cèl·lules.

nitrogen

El nitrogen també es troba predominantment en forma gasosa, conformant prop de el 78% de l'atmosfera terrestre. És un element important en la nutrició de les plantes i els animals.

En els animals, el nitrogen és part fonamental dels aminoàcids que, al seu torn, són els blocs de construcció per a les proteïnes. Les proteïnes estructuren els teixits i moltes d'elles tenen l'activitat enzimàtica necessària per accelerar moltes de les reaccions vitals per a les cèl·lules.

El nitrgóeno és part fonamental de les bases nitrogenades que conformen els àcids nucleics com l'ADN i l'ARN (Font: File: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / * translation: Sponk via Wikimedia Commons)

El nitrogen és present en les bases nitrogenades de l'ADN i l'ARN, molècules essencials per a la transferència d'informació genètica des dels progenitors cap a la descendència i per al funcionament adequat dels organismes vius com a sistemes cel·lulars.

fòsfor

La forma més abundant d'aquest element en la naturalesa és com fosfats sòlids en els sòls fèrtils, rius i llacs. És un element important per al funcionament dels animals i dels vegetals, però també dels bacteris, els fongs, protozoarios i de tots els éssers vius.

En els animals, el fòsfor es troba en abundància en tots els ossos en forma de fosfat de calci.

El fòsfor és essencial per a la vida, ja que també és un element que forma part de l'ADN, l'ARN, l'ATP i els fosfolípids (components fonamentals de les membranes cel·lulars).

Aquest bioelement sempre està compromès en reaccions de transferència d'energia, ja que forma compostos amb enllaços molt energètics, la hidròlisi s'empra per moure diferents sistemes cel·lulars.

sofre

El sofre es troba comunament en forma de sulfurs i sulfats. És especialment abundant en zones volcàniques i està present en els residus dels aminoàcids cisteïna i metionina.

En les proteïnes, els àtoms de sofre de la cisteïna formen una interacció intra o intermolecular molt fort coneguda com "pont disulfur", que és essencial per a la conformació de l'estructura secundària, terciària i quaternària de les proteïnes cel·lulars.

La coenzim A, un intermediari metabòlic amb gran varietat de funcions, té en la seva estructura un àtom de sofre.

Aquest element també és fonamental en l'estructura de molts cofactors enzimàtics que participen en diferents rutes metabòliques importants.

bioelements secundaris

Com es va esmentar anteriorment, els bioelements secundaris són aquells que es troben en menor proporció que els primaris i els més importants són el potassi, el magnesi, el ferro, el calci, el sodi i el zinc.

Els bioelements secundaris o oligoelements estan involucrats en molts dels processos fisiològics de les plantes, en la fotosíntesi, en la respiració, en l'equilibri iònic cel·lular del vacúol i els cloroplasts, en el transport de carbohidrats a l'floema, etc.

Això també és cert per als animals i altres organismes, on aquests elements, més o menys dispensables i menys abundants, formen part de molts cofactors necessaris per al funcionament de tota la maquinària cel·lular.

ferro

El ferro és un dels bioelements secundaris més importants en vista que exerceix funcions en múltiples fenòmens energètics. És molt important en les reaccions naturals d'òxid reducció.

En els mamífers, per exemple, el ferro és part essencial de l'hemoglobina, la proteïna que s'encarrega de l'transport de l'oxigen a la sang dins dels eritròcits o glòbuls vermells.

En les cèl·lules vegetals aquest element també forma part d'alguns pigments com la clorofil·la, fonamental per als processos fotosintètics. És part de les molècules de citocrom, essencials també per a la respiració.

zinc

Els científics pensen que el zinc va ser un dels elements clau en l'aparició dels organismes eucariotes fa milions d'anys, ja que moltes de les proteïnes d'unió a ADN per a la replicació que componien als "eucariotes primitius" utilitzaven el zinc com a motiu d'unió.

Un exemple d'aquest tipus de proteïnes són els dits de zinc, que participen en la transcripció genètica, la traducció de proteïnes, el metabolisme i l'acoblament de proteïnes, etc.

calci

El calci és un dels minerals més abundants al planeta terra; en la majoria dels animals compon dents i ossos en la forma hidroxifosfat de calci. Aquest element és essencial per a la contracció muscular, la transmissió d'impulsos nerviosos i la coagulació de la sang.

magnesi

La major proporció de magnesi a la natura es troba en forma sòlida combinat amb altres elements, no es troba sol en estat lliure. El magnesi és cofactor de més 300 sistemes enzimàtics diferents en els mamífers.

Les reaccions en què participa van des de la síntesi de proteïnes, la mobilitat muscular i la funció nerviosa, fins a la regulació dels nivells de glucosa en sang i la pressió arterial. El magnesi és necessari per a la producció d'energia en els organismes vius, per a la fosforilació oxidativa i la glucòlisi.

També contribueix a el desenvolupament dels ossos i és necessari per a la síntesi d'ADN, ARN, glutatió, entre d'altres.

Sodi i potassi

Són dos ions molt abundants a l'interior cel·lular i les variacions en les seves concentracions internes i externes, així com el seu transport, són determinants per a molts processos fisiològics.

El potassi és el catió intracel·lular més abundant, manté el volum líquid a l'interior cel·lular i els gradients electroquímics transmembranales.

Tant el sodi com el potassi participen activament en la transmissió d'impulsos nerviosos, ja que són transportats per la bomba sodi-potassi. El sodi també participa de la contracció muscular i en l'absorció de nutrients a través de la membrana cel·lular.

La resta dels bioelements secundaris: el molibdè (Mo), el fluor (F), el Clor (Cl) el iode (I) i el coure (Cu) compleixen funcions importants en moltes reaccions fisiològiques. No obstant això, es necessiten és molta menor proporció que els sis elements explicats anteriorment.

referències

1. Egami, F. (1974). Minor elements and evolution. Journal of molecular evolution, 4 (2), 113-120.
2. Hackh, IW (1919). Bioelements; The Chemical Elements of the Living Matter. The Journal of general physiology, 1 (4), 429
3. Kaim, W., & Rall, J. (1996). Copper-a "modern" bioelement. Angewandte Chemie International Edition in English, 35 (1), 43-60.
4. National Institutes of Health. (2016). Magnesium: fact sheet for health professionals. Version current, 27.
5. Peñuelas, J., Fernández-Martínez, M., Ciais, P., Jou, D., Piao, S., Obersteiner, M.,… & Sardans, J. (2019). The Bioelements, the elementome, and the biogeochemical niche. Ecology, 100 (5), e02652
6. Skalny, AV (2014). Bioelements and Bioelementology in Pharmacology and Nutrition: Fonamental and Practical Aspects. In Pharmacology and Nutritional Intervention in the Treatment of Disease. IntechOpen.
7. Solioz, M. (2018). Copper-A Modern bioelement. In Copper and Bacteri (pp. 1-9). Springer, Cham.
8. World Health Organization. (2015). Fact Sheet: Salt.