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Lexikon der Biochemie: Bioelemente

Bioelemente, die von Lebewesen für den Aufbau von Körpersubstanz benötigten chemischen Elemente. Die Elementzusammensetzung der Organismen unterscheidet sich beträchtlich von jener der Erdrinde (Tab. 1). Von den über 90 in der Erdkruste enthaltenen Elementen sind etwa 40 Elemente in der lebenden Materie vohanden. Die sechs Elemente C, O, H, N, S, P bilden zusammen über 90 % der lebenden Materie (Tab. 1). Sie werden ganz allgemein als Baustoffe von Biomolekülen, aber auch als Bestandteil anorganischer Gerüstsubstanzen und von Wasser als dem Milieu der Lebensvorgänge benötigt. In quantitativer Hinsicht treten Mineralstoffe in der Körpersubstanz nur in Ausnahmefällen stärker hervor. Die obengenannten sechs Bioelemente machen zusammen mit Ca, K, Na, Cl, Mg und Fe etwa 99,9% der Biomasse aus. Die restlichen Bioelemente kommen vielfach nur als Spurenelemente vor, die nur in katalytischen Mengen benötigt werden. Während die Leichtmetalle im Organismus in der Regel als leicht bewegliche Kationen vorliegen (Mineralstoffe), verbleiben die Schwermetalle in fixierten stereochemischen Lagen, da sie stabile Biokomplexe bilden. Die Elementarzusammensetzung des Körpergewichts eines Menschen zeigt Tab. 2.
Kohlenstoff (C) bildet das Grundgerüst aller organischen Moleküle. Der gesamte Kohlenstoff der Biomasse stammt letzten Endes vom photosynthetisch fixierten Kohlenstoff des Kohlendioxids der Luft ab (Photosynthese). Chemisch-systematisch leiten sich die organischen C-Verbindungen der Lebewesen von Kohlenwasserstoffen, biogenetisch von Kohlenhydraten ab.
Sauerstoff (O) ist Bestandteil fast aller Biomoleküle. Er bildet die reaktiven Zentren für metabolische Umwandlungen von Säuren, Aldehyden, Ketonen, Alkoholen und Ethern. Kohlenwasserstoffe sind erst dann biologisch abbaubar, wenn sie in Verbindungen überführt werden können, die eine Sauerstofffunktion tragen, z.B. durch Hydroxylierung. Sauerstoff ist auch Bestandteil des Hydroxyapatits der Knochen und, was sehr wichtig ist, des Wassers. Der molekulare Sauerstoff der Atmosphäre ist im wesentlichen das Produkt der Photolyse des Wassers in der Photosynthese grüner Pflanzen, die in ihrer Phylogenie die ursprünglich reduzierende Atmosphäre (Uratmosphäre) in die heutige oxidierende Lufthülle verwandelten.
Wasserstoff (H) ist in allen Biomolekülen vorhanden und an C, N, O und S gebunden. Die Abspaltung von Wasserstoff ist gleichbedeutend mit Oxidation. Der biologische Prozess, durch den in atmenden Zellen Wasserstoff mit O2 verbunden wird – die Elektronentransportkette – dient der Erzeugung von ATP. An den meisten biologischen Reaktionen nimmt der Wasserstoff als Proton H+ + e- teil. Die Coenzyme NADH und NADPH fungieren als Überträger von H+ und 2e- (äquivalent zu einem Hydridion). Reaktionen, die H2 einbeziehen, sind selten (Wasserstoffmetabolismus).
Stickstoff (N) ist Bestandteil vieler Biomoleküle, vor allem der lebenswichtigen Proteine und Nucleinsäuren. Molekularer (Luft-)Stickstoff wird im Vorgang der biologischen Stickstofffixierung von bestimmten frei oder symbiotisch lebenden Mikroorganismen zu Ammoniak reduziert. Dieser ist Ausgangsstufe und Endprodukt des Stickstoffmetabolismus.
Schwefel (S) ist in den beiden Aminosäuren Cystein und Methionin und in bestimmten Coenzymen enthalten. Es wird von Pflanzen in Form des Sulfats assimiliert (Sulfatassimilation); Tiere benötigen den ursprünglich von Pflanzen gebundenen.
Phosphor (P) ist sowohl in anorganischen als auch in organischen Verbindungen als Phosphat vorhanden. Die Nucleotidreste der Nucleinsäuren sind durch Phosphatbindungen miteinander verbunden. Die Energieübertragung von einem Molekül (gewöhnlich ATP) auf ein anderes geschieht in Form einer hochenergetischen Phosphatbindung. Phosphat ist auch in vielen Coenzymen enthalten.

Bioelemente. Tab. 1. Relative Häufigkeit der chemischen Elemente in der Erdrinde und im menschlichen Körper (verändert nach Rapoport).

Element

Erdrinde
[%]
Mensch
[%]
Konzentrierung
Sauerstoff 50 63
Silicium 28 0
Aluminium 9 0
Eisen 5 0,004
Calcium 3,6 1,5
Kalium 2,6 0,25
Magnesium 2,1 0,04
Wasserstoff 0,9 10 etwa 10fach
Kohlenstoff 0,09 20 etwa 200fach
Phosphor 0,08 1 etwa 10fach
Schwefel
0,05 0,2 etwa 4fach
Stickstoff
0,03 3 etwa 100fach


Bioelemente. Tab. 2. Elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpergewichts, bezogen auf das Trockengewicht.
Element
Prozent
Kohlenstoff 50
Sauerstoff 20
Wasserstoff 10
Stickstoff 8,5
Schwefel 0,8
Phosphor 2,5
Calcium 4,0
Kalium 1,0
Natrium 0,4
Chlor 0,4
Magnesium 0,1
Eisen 0,01
Mangan 0,001
Jod 0,00005

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