ธาตุชีวภาพหลักในสิ่งมีชีวิต: คืออะไร ประเภท และหน้าที่สำคัญ

ชีวิตบนโลกใบนี้ถูกกำหนดโดยชุดความสัมพันธ์ที่แสดงให้เห็นถึงการไหลเวียนของข้อมูลอย่างมหาศาล และการแลกเปลี่ยนสสารและพลังงานอย่างต่อเนื่อง วัสดุ สสารคือสิ่งใดก็ตามที่มีมวลและ occupies space (กินพื้นที่) สสารประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดที่ประกอบขึ้นเป็นสสาร สิ่งมีชีวิต น้ำ ดาวฤกษ์ และทุกสิ่งรอบตัวเราล้วนประกอบด้วยอะตอม

ความหลากหลายขององค์ประกอบทางเคมี ได้รับจากความหลากหลายของอะตอมอะตอมแต่ละชนิดประกอบเป็นธาตุเคมีที่แตกต่างกัน ปัจจุบันเรารู้จักธาตุเคมีมากกว่าหนึ่งร้อยชนิด และตามธรรมเนียมแล้วมีการกล่าวถึงธาตุ 105 ชนิด ซึ่ง 84 ชนิดเกิดขึ้นตามธรรมชาติและที่เหลือสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ จากมุมมองทางชีววิทยา ประเด็นสำคัญคือมีเพียง... องค์ประกอบบางส่วน พวกมันมีส่วนร่วมอย่างมากในการก่อตัวของสิ่งมีชีวิต

ในองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิต เรายังสามารถพบสิ่งต่างๆ ดังต่อไปนี้ได้อีกด้วย อย่างน้อย 70 ธาตุเคมีที่เสถียรกล่าวคือ ธาตุส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในธรรมชาติมีส่วนร่วมในกระบวนการทางชีวภาพไม่มากก็น้อย (ยกเว้นโดยทั่วไปคือธาตุเฉื่อย) อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกคนจะมีส่วนร่วมในสัดส่วนที่เท่ากัน.

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว ธรรมชาติประกอบด้วยสสาร และสิ่งมีชีวิตทั้งหมดจึงประกอบด้วยอะตอม ซึ่งจัดเรียงตัวเป็นธาตุ ธาตุที่ประกอบขึ้นเป็นสิ่งมีชีวิตเรียกว่า... ธาตุชีวภาพธาตุเหล่านี้จะถูกจำแนกตามความจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต ได้แก่ ธาตุชีวภาพหลัก ธาตุชีวภาพรอง และธาตุติดตาม ในเนื้อหานี้ เราจะเน้นเฉพาะธาตุชีวภาพหลักและธาตุติดตามเท่านั้น ธาตุชีวภาพหลักในสิ่งมีชีวิตโดยไม่ละเลยความสำคัญของส่วนอื่นๆ

องค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับชีวิต

ลอส ธาตุชีวภาพหลัก ธาตุเหล่านี้เป็นธาตุเคมีที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต ทั้งในเซลล์ เนื้อเยื่อ อวัยวะ และระบบต่างๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตที่ง่ายที่สุดไปจนถึงสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนที่สุด ธาตุเหล่านี้เป็นแก่นทางเคมีของชีวิต เพราะเป็นองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิต โมเลกุลชีวภาพอินทรีย์ สารอาหารพื้นฐาน: คาร์โบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน และกรดนิวคลีอิก

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประมาณร้อยละ 99 ประกอบขึ้นจากเซลล์ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากธาตุพื้นฐาน 6 ชนิด ได้แก่: คาร์บอน (C), ไฮโดรเจน (H), ออกซิเจน (O), ไนโตรเจน (N), ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S)ธาตุเหล่านี้เป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิวโลก พวกมันถูกเรียกว่าธาตุชีวภาพหลัก เพราะพวกมันเป็นส่วนประกอบสำคัญของโครงสร้างพื้นฐานหรือองค์ประกอบหลักของสิ่งมีชีวิต

เหตุผลที่ธาตุทั้งหกนี้มีบทบาทสำคัญในสิ่งมีชีวิตนั้นอยู่ที่... คุณสมบัติทางเคมีเฉพาะพวกมันมีมวลอะตอมค่อนข้างน้อย ซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของ พันธะโควาเลนต์ที่เสถียรมากแต่มีความยืดหยุ่นมากพอที่จะสลายตัวและก่อตัวใหม่ในปฏิกิริยาชีวเคมี นอกจากนี้ ธาตุต่างๆ เช่น ออกซิเจนและไนโตรเจน มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงและช่วยให้เกิดการก่อตัวของ โมเลกุลมีขั้วละลายได้ในน้ำ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมีของสิ่งมีชีวิต

ประเภทขององค์ประกอบทางชีวภาพ

ขึ้นอยู่กับว่าธาตุชีวภาพเหล่านั้นเป็นส่วนประกอบสำคัญของโมเลกุลชีวภาพในสิ่งมีชีวิตหรือไม่ ธาตุชีวภาพสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก ได้แก่: ธาตุชีวภาพหลัก ธาตุชีวภาพรอง และธาตุติดตาม.

การจัดประเภทนี้อิงตาม สัดส่วนที่พบ ในสิ่งมีชีวิตและในหน้าที่ที่พวกมันปฏิบัติ:

• ธาตุชีวภาพหลักธาตุเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นประมาณ 95% ถึง 96% ของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ คาร์บอน (C), ไฮโดรเจน (H), ออกซิเจน (O), ไนโตรเจน (N), ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S) ซึ่งเป็นโครงสร้างหลักของโมเลกุลอินทรีย์
• ธาตุชีวภาพรองสารเหล่านี้พบได้ในสัดส่วนที่น้อยกว่า ประมาณ 3% ถึง 4% แต่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด โดยปกติจะปรากฏในรูปไอออนหรือเกลือแร่ ตัวอย่างเช่น แคลเซียม (Ca), แมกนีเซียม (Mg), โซเดียม (Na), โพแทสเซียม (K) และคลอรีน (Cl) เป็นต้น
• ธาตุรองธาตุเหล่านี้พบได้ในปริมาณน้อยกว่า 0,1% แต่มีความสำคัญต่อการทำงานที่เหมาะสมของร่างกาย ตัวอย่างเช่น เหล็ก (Fe), แมงกานีส (Mn), ทองแดง (Cu), สังกะสี (Zn), ฟลูออรีน (F), ไอโอดีน (I), โบรอน (B), ซิลิคอน (Si), โคบอลต์ (Co), ซีลีเนียม (Se) และโมลิบเดนัม (Mo)

เมื่อธาตุชีวภาพรวมตัวกันผ่านพันธะเคมี จะก่อให้เกิด... สารชีวโมเลกุลสิ่งเหล่านี้คือองค์ประกอบพื้นฐานและหน้าที่การทำงานที่แท้จริงของสิ่งมีชีวิต ดังนั้น จากปฏิกิริยาระหว่างอะตอมเหล่านี้จึงเกิดเป็นน้ำ เกลือแร่ คาร์โบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน และกรดนิวคลีอิก

ธาตุชีวภาพหลัก

นี่คือองค์ประกอบทางชีวภาพทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของ องค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตธาตุเหล่านี้มีความสำคัญต่อการสร้างโมเลกุลชีวภาพอินทรีย์ ได้แก่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และกรดนิวคลีอิก ธาตุเหล่านี้เป็นส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิตโดยรวม ได้แก่ คาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) ออกซิเจน (O) ไนโตรเจน (N) ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S)

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของมัน เมื่อนำมารวมกัน จะอธิบายถึงบทบาทสำคัญของมันในทางชีววิทยาได้ดังนี้:

• พวกเขามี มวลอะตอมต่ำซึ่งเอื้อต่อการเกิดพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงและมั่นคง
• พวกเขาสามารถตั้งค่าได้หลายอย่าง พันธะโควาเลนต์พร้อมกันซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของสายโซ่และโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน
• ออกซิเจนและไนโตรเจนมีปริมาณสูง อิเลคโตรเนกาติวีตี้ทำให้เกิดโมเลกุลที่มีขั้วและพันธะที่มีขั้วซึ่งละลายในน้ำได้
• การรวมกันของสิ่งเหล่านั้นส่งผลให้เกิด ความหลากหลายของโมเลกุลอย่างมหาศาล โดยมีหน้าที่ด้านพลังงาน โครงสร้าง กฎระเบียบ และการสำรองพลังงาน

บทบาทของธาตุชีวภาพหลักแต่ละชนิดในสิ่งมีชีวิตจะได้รับการอธิบายโดยละเอียดด้านล่างนี้

คาร์บอน (C)

คาร์บอนคือ ส่วนประกอบพื้นฐานที่จำเป็น คาร์บอนเป็นส่วนประกอบสำคัญของโมเลกุลอินทรีย์ทั้งหมด ปรากฏอยู่ในทุกสายโซ่ ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักที่ให้รูปร่างและหน้าที่แก่โมเลกุลชีวภาพอินทรีย์ สารประกอบอินทรีย์ทั้งหมดเกิดจากสายโซ่คาร์บอนที่สร้างพันธะกับธาตุหรือสารประกอบอื่นๆ

มันมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในวงโคจรชั้นนอกสุดและสามารถก่อตัวเป็น พันธะโควาเลนต์สี่พันธะ โดยสามารถสร้างพันธะกับอะตอมคาร์บอนอื่นๆ หรือกับธาตุอื่นๆ ได้ คุณสมบัตินี้ทำให้สามารถสร้างสายโซ่ยาวของอะตอม (โมเลกุลขนาดใหญ่) และโครงสร้างวงแหวนที่เสถียรมาก พันธะเหล่านี้อาจเป็นพันธะเดี่ยว พันธะคู่ หรือพันธะสาม ซึ่งยิ่งเพิ่มความหลากหลายของโครงสร้างที่เป็นไปได้

คาร์บอนยังสามารถสร้างพันธะกับสารต่าง ๆ ได้อีกด้วย หมู่ฟังก์ชัน หรืออนุมูลอิสระที่เกิดจากธาตุอื่นๆ (-H, =O, -OH, -NH)2, -SH, H2PO4เป็นต้น ซึ่งช่วยให้เกิดการสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันจำนวนมากที่เข้าร่วมในปฏิกิริยาเคมีมากมาย ด้วยเหตุนี้ สิ่งมีชีวิตจึงสามารถใช้ประโยชน์จากความหลากหลายของทรัพยากรทางเคมีที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมได้อย่างเต็มที่

ในอวกาศ พันธะโควาเลนต์ทั้งสี่ของคาร์บอนก่อตัวเป็นจุดยอดของ... จัตุรมุข เป็นจินตนาการ การจัดเรียงทางเรขาคณิตนี้ช่วยให้เกิดโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน เช่น โครงสร้างที่พบในเยื่อหุ้มเซลล์ โปรตีนหลายชนิด และออร์แกเนลล์อื่นๆ ในเซลล์

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับสัตว์และพืช มันเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของโมเลกุล กลูโคสเป็นคาร์โบไฮเดรตที่จำเป็นต่อการหายใจระดับเซลล์ และยังมีบทบาทใน... การสังเคราะห์แสงในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)2นอกจากนี้ คาร์บอนยังเป็นส่วนประกอบในโมเลกุลขนาดใหญ่อีกชนิดหนึ่งที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต: ดีเอ็นเอซึ่งประกอบด้วยข้อมูลทางพันธุกรรมที่กำหนดลักษณะเฉพาะของแต่ละบุคคล และสิ่งมีชีวิตจะใช้ข้อมูลนั้นในการจำลองและส่งต่อข้อมูลดังกล่าวไปยังลูกหลาน

ไฮโดรเจน (H)

ไฮโดรเจนร่วมกับออกซิเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของสารอินทรีย์ ที่จริงแล้ว สารอินทรีย์ส่วนใหญ่ถูกนิยามว่าเป็นสารที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นหลัก คาร์บอนและไฮโดรเจนตัวอย่างเช่น ในลิปิดบางชนิด จะพบเพียงอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบเท่านั้น เช่นเดียวกับไฮโดรคาร์บอนหลายชนิด เช่น ปิโตรเลียมและอนุพันธ์ของปิโตรเลียม

อิเล็กตรอนตัวเดียวที่มี อะตอมไฮโดรเจน เปลือกนอกสุดของมันช่วยให้สามารถจับตัวกับธาตุชีวภาพหลักใดๆ ได้อย่างง่ายดาย พันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจนนั้นแข็งแรงพอที่จะคงตัว แต่ไม่แข็งแรงจนเกินไปจนทำให้แตกหักไม่ได้เมื่อจำเป็น จึงทำให้สามารถสังเคราะห์โมเลกุลอื่นๆ ได้

โมเลกุลที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอนเท่านั้นเรียกว่าโมเลกุลโคเวเลนต์ ไม่มีขั้ว (ไม่ละลายในน้ำ) คุณสมบัติที่อธิบายถึงพฤติกรรมที่ไม่ชอบน้ำของไขมันและสารสำรองพลังงานหลายชนิด ความไม่ละลายนี้เป็นกุญแจสำคัญในการก่อตัวของ ชั้นไขมันสองชั้น ในเยื่อหุ้มเซลล์ ส่วนที่เป็นไฮโดรคาร์บอนจะขัดขวางการผ่านเข้าออกของสารที่มีขั้วอย่างอิสระ

นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังมีส่วนร่วมในการก่อตัวของ พันธะไฮโดรเจน เมื่อมันจับตัวกับธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง เช่น ออกซิเจนหรือไนโตรเจน พันธะไฮโดรเจนเหล่านี้มีพลังงานน้อยกว่าพันธะโคเวเลนต์ แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาสภาพโครงสร้างสามมิติของดีเอ็นเอ โปรตีนหลายชนิด และโมเลกุลทางชีวภาพจำนวนมาก

ออกซิเจน (O)

ในบรรดาธาตุชีวภาพหลักทั้งหมด ออกซิเจนเป็นธาตุที่สำคัญที่สุด ค่าอิเล็กโทรเนกาทีฟเมื่อมันเกิดพันธะโควาเลนต์กับไฮโดรเจน มันจะดึงดูดอิเล็กตรอนเดี่ยวของไฮโดรเจนอย่างแรง ส่งผลให้เกิด เสาไฟฟ้าดังนั้น อนุมูลอิสระ -OH, -CHO และ -COOH จึงเป็นอนุมูลอิสระที่มีขั้ว เมื่ออนุมูลอิสระเหล่านี้เข้ามาแทนที่ไฮโดรเจนบางส่วนในสายโซ่คาร์บอน-ไฮโดรเจน เช่นในกรณีของกลูโคส (C)6H12O6) ทำให้เกิดโมเลกุลที่ละลายได้ในของเหลวที่มีขั้ว เช่น น้ำ

เนื่องจากมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง ออกซิเจนจึงมีความสามารถในการ ดึงดูดอิเล็กตรอน ของอะตอมอื่นๆ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการแตกพันธะและการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก ปฏิกิริยาของสารประกอบคาร์บอนกับออกซิเจน เรียกว่า การหายใจแบบใช้ออกซิเจนนี่เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดและมีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในการได้รับพลังงาน ในปฏิกิริยาทั่วไปนี้ กลูโคสจะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + พลังงาน

อีกวิธีหนึ่งในการได้รับพลังงานคือ การหมักนี่เป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าและไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนโมเลกุล เส้นทางนี้สูญเสียความสำคัญทางนิเวศวิทยามาตั้งแต่สาหร่ายและพืชเริ่มเพิ่มออกซิเจนในบรรยากาศดั้งเดิมผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสง ทำให้สิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจนในการหายใจสามารถขยายตัวได้

กระบวนการของ การออกซิเดชันของสารประกอบทางชีวภาพ กระบวนการเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการกำจัดอะตอมไฮโดรเจนออกจากอะตอมคาร์บอน ออกซิเจนซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า จะออกแรงดึงดูดต่ออิเล็กตรอนของไฮโดรเจนมากกว่าอิเล็กตรอนของคาร์บอน และสามารถกำจัดอิเล็กตรอนนั้นได้ ทำให้เกิดน้ำ (ไฮโดรเจนบวกออกซิเจน) และปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากที่สิ่งมีชีวิตนำไปใช้ประโยชน์

เมื่ออะตอมคาร์บอนหยุดแบ่งปันอิเล็กตรอนกับไฮโดรเจนและเริ่มแบ่งปันอิเล็กตรอนกับออกซิเจนน้อยลง มันจะเกิดการเปลี่ยนแปลง การสูญเสียอิเล็กตรอนกล่าวคือ มันถูกออกซิไดซ์ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันนี้เป็นพื้นฐานของกระบวนการเผาผลาญหลายอย่างและการผลิต ATP ในไมโทคอนเดรีย

ไนโตรเจน (N)

ไนโตรเจนเป็นธาตุที่มีสัดส่วนสูงมากในชั้นบรรยากาศ (ประมาณ 10%) 78% (ของอากาศแห้ง) นอกจากนี้ยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของ โปรตีน และของ กรดนิวคลีอิก เช่น ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ ซึ่งมีหน้าที่ในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากพ่อแม่สู่ลูกหลาน ดีเอ็นเอมีอยู่ในเซลล์ทุกเซลล์ของร่างกาย ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญอย่างมหาศาลของไนโตรเจนสำหรับสิ่งมีชีวิต

โดยทั่วไป ไนโตรเจนในรูปก๊าซ (N)2สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่สามารถดูดซึมไนโตรเจนได้โดยตรง แต่จะดูดซึมในรูปของสารประกอบอื่นๆ เช่น ไนเตรต ไนไตรต์ หรือสารประกอบแอมโมเนียม ก่อนที่สิ่งมีชีวิตจะนำไปใช้ได้ ไนโตรเจนในบรรยากาศต้องผ่านหลายขั้นตอนภายในกระบวนการที่เรียกว่า การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของไนโตรเจน วัฏจักรของไนโตรเจน:

• แอมโมเนียมกระบวนการที่ไนโตรเจนอินทรีย์ (ซากสิ่งมีชีวิตหรือของเสียจากร่างกาย) ถูกเปลี่ยนเป็นแอมโมเนีย (NH₃)3ซึ่งในสารละลายในน้ำจะอยู่ในสภาวะสมดุลกับไอออนแอมโมเนียม (NH₄⁺)4⁺).
• ไนตริฟิเคชั่นซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอมโมเนียม (NH₄⁺)4⁺) ไปสู่ไนไตรต์ (NO2^-) และต่อมากลายเป็นไนเตรต (NO₃)3^-) โดยผ่านแบคทีเรียไนตริฟายอิงในดิน
• การตรึงไนโตรเจนกระบวนการที่ไนโตรเจนในบรรยากาศ (N) เกิดขึ้น2ไนโตรเจนจะถูกเปลี่ยนเป็นสารประกอบไนโตรเจน เช่น แอมโมเนียม หรือสารประกอบอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำไปใช้ได้ กระบวนการตรึงไนโตรเจนนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นโดยแบคทีเรียในดินที่ดำรงชีวิตอิสระ หรือแบคทีเรียที่อยู่ร่วมกับรากของพืชตระกูลถั่ว และยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการปล่อยประจุไฟฟ้า (ฟ้าผ่า) ด้วย

ไนโตรเจนเกือบทั้งหมดที่สาหร่ายและพืชดูดซึมเข้าสู่สิ่งมีชีวิตนั้น อยู่ในรูปของ... ไอออนไนเตรต (NO₃⁻)3^-) หรือในรูปของ ไอออนแอมโมเนียม (NH₄⁺)4⁺)จากนั้นไนโตรเจนนี้จะเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารเมื่อสัตว์กินเนื้อเยื่อพืชหรือเนื้อเยื่อของสัตว์อื่น

ไนโตรเจนพบได้ใน กรดอะมิโนกล่าวคือ ในโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของโปรตีน จะเกิดเป็นหมู่เอมีน (-NH)2นอกจากนี้ยังพบได้ใน ฐานไนโตรเจน ประกอบด้วยกรดนิวคลีอิก (อะดีนีน กัวนีน ไซโตซีน ไทมีน และยูราซิล) แม้ว่าไนโตรเจนจะเป็นก๊าซที่มีมากที่สุดในชั้นบรรยากาศ แต่มีสิ่งมีชีวิตเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถใช้ไนโตรเจนได้โดยตรง ดังนั้นบทบาทของแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ไนโตรเจนมีความสามารถในการสร้างสารประกอบกับไฮโดรเจน (NH₄⁺) ได้ดีเยี่ยม3, รัฐนิวแฮมป์เชียร์4⁺เช่นเดียวกับออกซิเจน (NO)2^-, ไม่3^-ซึ่งช่วยให้มันเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ปลดปล่อยพลังงาน และมีส่วนร่วมในกระบวนการเผาผลาญของร่างกาย การถ่ายโอนพลังงานและอิเล็กตรอน ในเซลล์

กำมะถัน (S)

กำมะถันเป็นธาตุที่เป็นส่วนประกอบของโปรตีนบางชนิด กรดอะมิโนจำเป็น วิตามิน และฮอร์โมนที่สำคัญ จำเป็นสำหรับทั้งมนุษย์และสัตว์พบได้ในกรดอะมิโนซิสทีนและเมไทโอนีน ตัวอย่างเช่น ในรูปของหมู่ซัลฟ์ไฮดริล (-SH) กรดอะมิโนเหล่านี้สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงระหว่างกันได้ เรียกว่า พันธะโควาเลนต์ สะพานไดซัลไฟด์ (-SS-)ซึ่งมีส่วนสำคัญในการรักษาสภาพโครงสร้างสามมิติของโปรตีนโครงสร้างหลายชนิด เช่น คอลลาเจนและเคราติน

กำมะถันมีสัดส่วนประมาณ 0,25% ของน้ำหนักตัวหมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้ว ร่างกายของผู้ใหญ่จะมีส่วนประกอบอยู่ประมาณ กำมะถัน 170 กรัมซึ่งส่วนใหญ่พบในกรดอะมิโนและโปรตีน กำมะถันเป็นส่วนประกอบของกรดน้ำดี ซึ่งจำเป็นต่อการย่อยและการดูดซึมไขมัน และมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาต่างๆ การล้างพิษ ในตับ

นอกจากนี้ ธาตุชีวภาพนี้ยังช่วยรักษาเสถียรภาพอีกด้วย ผิว ผม และเล็บ กำมะถันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเนื้อเยื่อที่แข็งแรงและมีบทบาทสำคัญในการสร้างและซ่อมแซมเนื้อเยื่อ พบได้ทั่วไปในผัก เช่น หัวไชเท้าและแครอท และในผลิตภัณฑ์จากสัตว์ เช่น นม ชีส อาหารทะเล และเนื้อสัตว์ การรับประทานอาหารที่สมดุลจะช่วยให้ได้รับกำมะถันในปริมาณที่เพียงพอเพื่อสนับสนุนการทำงานทางชีวภาพเหล่านี้

ฟอสฟอรัส (P)

ปริมาณฟอสฟอรัสในชั้นบรรยากาศนั้นมีน้อยมาก แหล่งกักเก็บฟอสฟอรัสที่ใหญ่ที่สุดพบอยู่ใน... ตะกอนทะเล และในหินฟอสเฟตของเปลือกโลก ดินเป็นแหล่งกักเก็บฟอสฟอรัสที่ใหญ่เป็นอันดับสองในธรรมชาติ รองจากแหล่งอื่นๆ เนื่องจากผลกระทบของ... การผุกร่อนทางเคมีฟอสเฟตจะถูกปลดปล่อยออกจากแร่ธาตุ ละลาย และถูกลำเลียงโดยน้ำผิวดินและน้ำใต้ดิน

ฟอสเฟตบางส่วนตกตะกอน ส่วนใหญ่เป็นแคลเซียมฟอสเฟต และบางส่วนไหลลงสู่ทะเล ซึ่งฟอสฟอรัสจำนวนมากจะสะสมตัว ก่อตัวเป็นสิ่งที่เรียกว่า กับดักฟอสฟอรัสดังนั้นวัฏจักรของฟอสฟอรัสจึงค่อนข้างช้า แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบนิเวศ เนื่องจากธาตุนี้ไม่มีสถานะก๊าซที่สำคัญ

ฟอสฟอรัส ในรูปของ ฟอสเฟตอินทรีย์สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิต เพราะว่า:

• เป็นหนึ่งในองค์ประกอบของ กรดนิวคลีอิก (อาร์เอ็นเอและดีเอ็นเอ) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของสารพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต
• พบว่าเป็นส่วนประกอบของ อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP)ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานระดับเซลล์ที่พบได้เกือบทุกสิ่งมีชีวิต พลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาอื่นๆ เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชันของการหายใจ จะถูกเก็บไว้ในพันธะระหว่างหมู่ฟอสเฟตของมัน
• เป็นหนึ่งในองค์ประกอบของ ฟอสโฟลิปิดโมเลกุลสำคัญที่ประกอบเป็นเยื่อหุ้มเซลล์ และโครงสร้างกระดูก เช่น กระดูกและฟันในสัตว์มีกระดูกสันหลัง

นอกจากหน้าที่ด้านโครงสร้างและพลังงานแล้ว ฟอสฟอรัสยังมีส่วนร่วมในการควบคุมอีกด้วย ความสมดุลของกรดเบส ฟอสฟอรัสเป็นส่วนประกอบสำคัญในร่างกาย ทำหน้าที่เป็นระบบบัฟเฟอร์เพื่อรักษาระดับ pH ให้คงที่ภายในร่างกาย โดยทั่วไปแล้ว อาหารทั่วไปจะให้ฟอสฟอรัสในปริมาณที่จำเป็นผ่านทางผลิตภัณฑ์นม เนื้อสัตว์ ไข่ ปลา ถั่ว และธัญพืช

ธาตุชีวภาพรองและธาตุติดตาม

แม้ว่าเนื้อหาหลักจะเน้นไปที่ธาตุชีวภาพพื้นฐานในสิ่งมีชีวิต แต่สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าหากปราศจากธาตุเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตก็จะดำรงอยู่ไม่ได้ ธาตุชีวภาพรอง และ องค์ประกอบการติดตาม ชีวิตก็ไม่สามารถดำรงอยู่ได้เช่นกัน ธาตุเหล่านี้แม้จะมีอยู่ในปริมาณน้อย แต่ก็จำเป็นต่อกระบวนการทางชีวภาพมากมาย

ธาตุชีวภาพรอง

ธาตุชีวภาพทุติยภูมิพบในสัดส่วนที่น้อยกว่าธาตุชีวภาพปฐมภูมิ แต่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และในหลายกรณีอยู่ในรูปไอออน ธาตุชีวภาพที่สำคัญที่สุดบางส่วน ได้แก่:

• แคลเซียม (Ca)พบมากในรูปของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃)3) เป็นส่วนประกอบของโครงสร้างกระดูก เช่น กระดูกในสัตว์มีกระดูกสันหลัง หรือเปลือกของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังหลายชนิด ในรูปของไอออน Ca2+ เข้าไปแทรกแซงในกระบวนการต่างๆ เช่น กล้ามเนื้อหดตัวที่ การแข็งตัวของเลือด และการควบคุมการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์
• แมกนีเซียม (มก.): พบได้ในหลายๆ เอนไซม์ และที่สำคัญคือ ใน คลอโรฟีลล์เม็ดสีที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์แสงในพืชและสาหร่าย
• โซเดียม (Na) และโพแทสเซียม (K)สิ่งสำคัญสำหรับการบำรุงรักษา ขั้วไฟฟ้า อยู่ทั้งสองด้านของเยื่อหุ้มเซลล์และสำหรับการส่งผ่านกระแสประสาท พวกมันควบคุมสมดุลของน้ำและออสโมติกในเซลล์
• คลอรีน (Cl)โดยปกติจะพบในรูปของไอออนคลอไรด์ (Cl⁻)-) และมีส่วนร่วมในสมดุลออสโมติกและการก่อตัวของ กรดไฮโดรคลอริก น้ำย่อยในกระเพาะอาหาร ซึ่งจำเป็นต่อการย่อยอาหาร

ธาตุรอง

ธาตุติดตามพบได้ในปริมาณน้อยมาก (น้อยกว่า 0,1%) แต่การขาดหรือความไม่สมดุลของธาตุเหล่านี้อาจก่อให้เกิดความผิดปกติร้ายแรงได้ โรคที่สำคัญบางส่วนได้แก่:

• เหล็ก (เฟ)มันเป็นส่วนประกอบของโปรตีนที่ลำเลียงออกซิเจน เช่น ฮีโมโกลบินและไมโอโกลบิน รวมถึงไซโตโครมหลายชนิดที่เกี่ยวข้องกับการหายใจระดับเซลล์
• ทองแดง (Cu): เป็นส่วนประกอบของเฮโมไซยานิน ซึ่งเป็นรงควัตถุในการหายใจของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังหลายชนิด และเป็นส่วนประกอบของเอนไซม์รีดอกซ์
• ไอโอดีน (I): จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ ไทรอกซินฮอร์โมนไทรอยด์ที่ควบคุมการเผาผลาญพลังงาน
• ฟลูออรีน (F): พื้นฐานสำหรับการก่อตัวของ ยาสีฟันการขาดสารนี้ส่งผลให้เกิดฟันผุได้ง่าย
• สังกะสี (Zn), แมงกานีส (Mn), โคบอลต์ (Co), ซีลีเนียม (Se), โมลิบเดนัม (Mo) และอื่นๆ: พวกมันมีส่วนร่วมในฐานะโคแฟคเตอร์ของเอนไซม์ ควบคุมกระบวนการเผาผลาญหลายอย่างและกระบวนการต้านอนุมูลอิสระ

จากธาตุชีวภาพสู่โมเลกุลชีวภาพ

เมื่อองค์ประกอบทางชีวภาพรวมตัวกันผ่านกระบวนการประเภทต่างๆ พันธะเคมีกระบวนการเหล่านี้ก่อให้เกิดโมเลกุลชีวภาพ ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเซลล์และสิ่งมีชีวิตทั้งหมด โมเลกุลชีวภาพเหล่านี้สามารถจัดเรียงตัวได้ตั้งแต่ระดับที่เรียบง่ายมากไปจนถึงโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน ซึ่งการพับตัวของโมเลกุลเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดหน้าที่ทางชีวภาพของมัน

ในเซลล์ พันธะเคมีที่สำคัญที่สุด ได้แก่:

• พันธะโควาเลนต์พันธะที่แข็งแรงซึ่งยึดอะตอมคาร์บอนในโมเลกุลอินทรีย์เข้าด้วยกันเป็นหลัก ช่วยให้เกิดการสร้างสายโซ่และวงแหวนที่มั่นคง
• พันธะไอออนิกพวกมันก่อตัวขึ้นระหว่างอะตอมที่มีประจุตรงข้ามกัน (ไอออน) ในตัวกลางที่เป็นของเหลว เช่น ภายในเซลล์ พวกมันจะอ่อนแอกว่าในสารที่เป็นของแข็ง แต่พวกมันมีความสำคัญอย่างยิ่งในปรากฏการณ์การจดจำโมเลกุล
• พันธะไฮโดรเจนและแรงอ่อนพวกมันช่วยรักษาสภาพโครงสร้างทุติยภูมิและตติยภูมิของโปรตีนและกรดนิวคลีอิก และกำหนดคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความสามารถในการละลายและจุดหลอมเหลวของสารต่างๆ

โดยทั่วไปแล้ว ชีวโมเลกุลจะถูกแบ่งออกเป็น สารอนินทรีย์ (เช่น น้ำและเกลือแร่) และ โดยธรรมชาติ (คาร์โบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน และกรดนิวคลีอิก) ซึ่งกรดนิวคลีอิกนั้นประกอบด้วยธาตุชีวภาพหลักเป็นส่วนใหญ่ และมีหน้าที่สำคัญในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต

คาร์โบไฮเดรต

คาร์โบไฮเดรตเป็นโมเลกุลชีวภาพที่มีอยู่มากมาย โดยมีหน่วยพื้นฐานคือ... โมโนแซ็กคาไรด์ (เช่น กลูโคสและฟรุกโตส) พวกมันมีรสหวานและโดยทั่วไปละลายได้ในน้ำ เมื่อโมโนแซ็กคาไรด์สองโมเลกุลรวมกัน จะเกิดเป็น... ไดแซ็กคาไรด์ เช่น แลคโตสหรือซูโครส หากโมโนแซ็กคาไรด์หลายๆ โมเลกุลเชื่อมต่อกัน ก็จะเกิดเป็นสารประกอบขึ้น พอลิแซ็กคาไรด์ เช่น ไกลโคเจน แป้ง หรือเซลลูโลส

โดยหลักแล้วพวกมันทำหน้าที่บางอย่าง มีพลัง (ไกลโคเจนในสัตว์และแป้งในพืช) และ โครงสร้าง (เซลลูโลสในผนังเซลล์พืช โพลีแซ็กคาไรด์ในเยื่อหุ้มเซลล์ และโครงสร้างหลักของกรดนิวคลีอิกในรูปของน้ำตาลดีออกซีไรโบสและไรโบส)

ไขมัน

ลิปิดเป็นกลุ่มโมเลกุลชีวภาพที่มีความหลากหลายสูง โดยพื้นฐานแล้วมีลักษณะทางเคมี ไม่ชอบน้ำสารเหล่านี้อาจประกอบด้วยโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่ยาวและเรียบง่าย เช่น กรดไขมัน หรืออาจมีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่า เช่น ขี้ผึ้ง ไตรกลีเซอไรด์ ฟอสโฟลิปิด หรือสเตียรอยด์ (รวมถึงคอเลสเตอรอล)

โดยทั่วไป สารเหล่านี้ไม่ละลายในน้ำและทำหน้าที่ดังต่อไปนี้ พลังงานสำรองของ การแยกความร้อนในด้านการป้องกันทางกล และเหนือสิ่งอื่นใด โครงสร้างเนื่องจากฟอสโฟลิปิดเป็นส่วนประกอบสำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์ (ชั้นไขมันสองชั้น)

โปรตีน

โปรตีนประกอบขึ้นจากโมโนเมอร์ที่เรียกว่า กรดอะมิโนซึ่งเรียงตัวกันเป็นโซ่ยาว มีกรดอะมิโนที่แตกต่างกันยี่สิบชนิด ซึ่งเมื่อรวมกันในความยาวและลำดับที่แตกต่างกัน จะก่อให้เกิดโปรตีนที่มีความหลากหลายอย่างมหาศาล โซ่กรดอะมิโนจะได้รับโครงสร้างสามมิติเฉพาะที่ทำให้มันมีคุณสมบัติเฉพาะ ฟังก์ชั่นเฉพาะ.

โปรตีนทำหน้าที่หลากหลาย ทั้งในด้านโครงสร้าง (เคราติน คอลลาเจน ทูบูลิน) การขนส่ง (ฮีโมโกลบิน) ฮอร์โมน (อินซูลิน) การหดตัว (แอคติน ไมโอซิน) ภูมิคุ้มกัน (อิมมูโนโกลบูลิน) การเก็บรักษา (อัลบูมิน) และการเร่งปฏิกิริยา (เอนไซม์) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือค่า pH อย่างฉับพลันอาจทำให้โครงสร้างของโปรตีนเสียสภาพ ส่งผลให้โปรตีนสูญเสียหน้าที่การทำงาน

กรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิกเป็นโมเลกุลชีวภาพอินทรีย์ที่เกิดจากการรวมตัวกันของ... นิวคลีโอไทด์นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวประกอบด้วยน้ำตาล หมู่ฟอสเฟต (ซึ่งมีฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ) และเบสไนโตรเจน (ซึ่งมีคาร์บอนและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ)

กรดนิวคลีอิกมีสองประเภทหลัก:

• ดีเอ็นเอ (กรดดีออกซีไรโบ nucléique)มีหน้าที่ในการเก็บรักษาข้อมูลทางพันธุกรรมที่ถ่ายทอดจากรุ่นสู่รุ่น
• อาร์เอ็นเอ (กรดไรโบนิวคลีอิก)ซึ่งมีอยู่หลายประเภทที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนและการควบคุมการแสดงออกของยีน

ในทั้งสองกรณี ธาตุชีวภาพหลัก (C, H, O, N, P) เป็นพื้นฐานของโครงสร้าง ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของธาตุเหล่านี้ในสิ่งมีชีวิตอีกครั้ง

ดังนั้น ชีวิตจึงต้องพึ่งพาธาตุเคมีจำนวนน้อยที่สามารถสร้างพันธะที่เสถียร ยืดหยุ่น และใช้งานได้จริง การทำความเข้าใจลักษณะเฉพาะของธาตุเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ธาตุชีวภาพหลักในสิ่งมีชีวิต มันช่วยให้เราเข้าใจว่าเหตุใดเซลล์จึงจัดเรียงตัวเช่นนั้น ข้อมูลทางพันธุกรรมถูกจัดเก็บและส่งต่ออย่างไร และพลังงานที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตนั้นได้มาและใช้งานอย่างไร