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.

U roślin za makroskładniki uważa się: węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, siarkę, wapń i magnez, 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. 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.

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.

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.

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. 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).

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. 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. Mikroelementy, zarówno niezbędne do rozwoju (mikronutrienty), jak i pozostałe, występując w nadmiernych stężeniach mogą wywoływać skutki niepożądane. 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).

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: 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. 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). Niemniej pozostali badacze używają tych terminów mniej rygorystycznie.

W tabeli przedstawiono spis pierwiastków chemicznych o znaczeniu biologicznym (uszeregowano je malejąco pod względem przeciętnej zawartości w organizmie ludzkim): Nazwa(zapotrzebowanie dobowe)Znaczenie biologiczneNiektóre skutki niedoboru Pierwiastki biogenne (biogeny) Tlen, O(~ 2 kg)Podstawowe składniki związków organicznych, wchodzących w skład wszystkich organizmów żywych: cukrów, tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych (DNA i RNA). Tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego, wraz z wodorem tworzy wodę, zaś wraz z węglem dwutlenek węgla, który jest substratem do fotosyntezy.Śmierć organizmu (np. z głodu, odwodnienia lub uduszenia). Węgiel, C(~ 200 g) Wodór, H(~ 200 g) Azot, N(~ 10 g)Składnik wszystkich białek, zasad azotowych (wchodzących w skład kwasów nukleinowych), związków przenoszących energię (np. ATP, ADP) oraz wielu innych związków chemicznych (np. witamin). U roślin: Stymuluje wzrost, jest składnikiem chlorofilu, niektórych koenzymów, barwników fotosyntetycznych oraz fitohormononów. U zwierząt: Zahamowanie procesów życiowych. Zaburzenia bilansu azotowego (wychudzenie, osłabiony wzrost, ogólne osłabienie, obrzęki, brak apetytu, zmiany skórne, choroby wątroby). U roślin: Zahamowanie wzrostu, pędy są krótkie i cieńkie. Szybsze kwitnienie i owocowanie kosztem mniejszych plonów. Liście stają się małe i bladozielone, a następnie żółkną. Roślina słabo się krzewi, jest strzelista i wątła. Fosfor, P(700 – 900 mg)Pierwiastek o największej ilości funkcji w organizmie. Składnik m.in.: kwasów nukleinowych, związków przenoszących energię, fosfolipidów (budujących błony komórkowe) oraz niektórych białek. Odpowiada za utrzymanie odpowiedniego pH. U zwierząt: Odgrywa rolę w skurczach mięśni i pracy neuronów. U kręgowców jest ważnym składnikiem kości (w postaci hydroksyapatytu) i zębów. U roślin: Jest gromadzony w nasionach w postaci fityny. U zwierząt: Zaburzenia metabolizmu. Łamliwość i zniekształcenia kości, zgrubienia stawów, brak apetytu. Zwiększona nerwowość, próchnica zębów. U roślin: Zahamowanie wzrostu łodyg i liści (które stają się ciemnozielone, czasem z fioletowoczerwonymi przebarwieniami od spodu), opóźnienie kwitnienia i owocowania, degeneracja nasion. Matowienie liści, objawy podobne do niedoboru azotu. Siarka, S(~ 2 g)Składnik dwóch aminokwasów: metioniny i cysteiny (która poprzez mostki dwusiarczkowe tworzy strukturę trzeciorzędową białka) oraz enzymów i koenzymów (np. koenzym A). Bierze udział w procesach oddechowych w komórce. Wchodzi w skład niektórych wielocukrów (w postaci siarczanów). U zwierząt: Wchodzi w skład większości białek, m.in. wytwarzanych przez komórki naskórka, budujących włosy, paznokcie, rogi, kopyta i pióra (np. keratyna włosów i paznokci), a także wielu hormonów (np. insuliny) i witamin (np. B1). Wpływa na właściwe nawilżenie i natłuszczenie skóry. U zwierząt: Osłabiony lub zahamowany wzrost i równowaga ustrojowa. U roślin: Zaburzenia biosyntezy chlorofilu, zahamowanie wzrostu. Liście stają się małe i bladozielone (chloroza), pojawiają się na nich czerwonawe żyłki.Makroelementy Wapń, Ca(800 mg – 1 g)Zmniejsza przepuszczalność błon komórkowych, obniża stopień uwodnienia cytoplazmy (zwiększa jej lepkość). U zwierząt: Jest drugim przekaźnikiem w sygnalizacji komórkowej. Stanowi główny budulec kości i zębów kręgowców, szkieletów bezkręgowców i skorup jaj ptaków. Wiąże się z niektórymi białkami (np. kolagenem). Jest jednym z czynników krzepnięcia krwi (tzw. IV czynnik). Uczestniczy w biosyntezie hormonów. Jest potrzebny do prawidłowego funkcjonowania układu mięśniowego (uczestniczy w mechanizmie skurczu mięśnia) i nerwowego (przewodnictwo impulsów nerwowych). Zapewnia prawidłową pracę serca. U roślin: Jest aktywatorem enzymów. Łączy się ze składnikami ścian komórkowych (składnik blaszki środkowej). U zwierząt: Łamliwość i zniekształcenia kości (np. krzywica u dzieci, osteopenia i osteoporoza u dorosłych), choroby zębów, zgrubienia stawów. Zaburzenia metaboliczne (np. biegunka), zaburzenia krzepnięcia krwi, zaburzenia funkcjonowania układu mięśniowego (wzmożenie odruchów, tężyczka) i nerwowego (stany lękowe). Utrata apetytu. U roślin: Zahamowanie biosyntezy białka, gromadzenie się węglowodanów w organizmie, zaburzenia gospodarki wodnej. Rozkład błon komórkowych, nieprawidłowy wzrost i martwica organów (jasnozielona barwa liści i ich zwijanie się na brzegach, łamliwość górnej części łodygi, niewytwarzanie włośników przez korzenie). Potas, K(1,5 – 3,5 g)Reguluje równowagę osmotyczną i wodno-elektrolitową (jonową) komórki (zwiększa wydalanie wody z organizmu), zwiększa przepuszczalność błon komórkowych, podwyższa stopień uwodnienia cytoplazmy (zmniejsza jej lepkość). U zwierząt: Jest podstawowym kationem płynów tkankowych i podstawowym kationem wewnątrzkomórkowym. Reguluje odczyn i ciśnienie krwi. Wraz z jonami sodu odpowiada za polaryzację błon komórkowych (utrzymuje potencjał spoczynkowy aksonów), bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych (wpływa na skurcze mięśni). U roślin: Aktywator ponad 40 enzymów, ma wpływ na procesy wzrostowe (kiełkowanie, wzrost, tworzenie nasion) i całokształt przemiany materii (m.in. fotosyntezę, otwieranie i zamykanie szparek, odporność na stres). Jest głównym składnikiem tkanki merystematycznej (twórczej).Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej.