元素の生物学的役割

地球の表面に自然に存在する化学元素は、生物の構造と代謝において非常に多様な役割を担っています。その重要性は大きく異なり、すべての生物に存在するものから、どの生物にも既知の用途がないものまであります。これらの元素のうち4つ（水素、炭素、窒素、酸素）はすべての生物に必須であり、これらが原形質の質量の99%を占めています。^{[ 1 ]}リンと硫黄も一般的な必須元素であり、それぞれ核酸とアミノ酸の構造に不可欠です。塩素、カリウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウムは、イオン化しやすく、膜の活動と浸透圧ポテンシャルの調節に役立つため、重要な役割を果たしています。^{[ 2 ]}生物に見られる残りの元素は、主にタンパク質の構造を決定する役割を果たす金属です。例としては、ヘモグロビンに必須の鉄、クロロフィルに必須のマグネシウムなどがあります。一部の元素は、特に原核生物など、特定の分類群の生物にのみ必須です。例えば、ランタノイド元素の中には、メタン生成菌などの一部の原核生物にとって必須のものがある。次の表に示すように、19種類の元素はすべての生物にとって必須であり、さらに17種類は特定の分類群にとって必須であるという強い証拠がある。これらの17種類のうち、ほとんどはまだ十分に研究されておらず、その生物学的重要性は現在考えられているよりも大きい可能性がある。

残りの要素は必須ではないことが分かっている。これにはいくつかの原因が考えられる。

既知の必須元素を除けば、ほとんどの元素は、人間の健康への意義との関連においてのみ直接的な生物学的研究を受けてきました。これには、ニワトリやラットなどの実験動物、および農業上重要な植物の研究も付随的に含まれています。特定の元素が人間以外の生物群にとって必須であるという証拠はありますが、人間や実験動物以外の生物群を体系的に研究して、まれな元素の欠乏の影響を解明しようとする試みはほとんど行われておらず、これらの生物群に関する知識は、各生物の他の側面を研究する過程で偶然収集された情報にほぼ限定されています。
希ガスであるヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンは非反応性であり、既知の直接的な生物学的役割はない。ただし、キセノンは通常化学的に不活性と考えられているにもかかわらず、麻酔作用と神経保護作用の両方の副作用を示し、少なくとも1つのヒト転写因子を活性化することができる。（ラドンは放射性であり、後述する。）
分子構造において、一部の元素は他のより一般的な元素と容易に置換される。例えば、臭素は塩素と、タングステンはモリブデンと置換されることが多い。この置換は生物学的影響を全く及ぼさない場合もあれば、悪影響を及ぼす場合もある。
多くの元素は無害であり、一般的に生物に有益でも有害でもないが、生体内に蓄積する可能性がある。しかし、これらの元素に関する文献はほぼすべてヒトや実験動物における役割に焦点を当てているため、将来的には他の生物においても重要な役割を果たすことが判明する可能性がある。以下の表には、56種類の無害な元素が示されている。
いくつかの元素は、ヒトや他の生物において薬理作用を持つことが分かっている。これらの場合、通常は必須ではない元素が、病気（多くの場合、微量栄養素欠乏症）の治療に役立つことがある。例えばフッ素は、ラットの鉄欠乏症の影響を軽減する。
原子番号95以上の元素はすべて合成元素であり、半減期が非常に短い放射性元素です。これらの元素は、ごく微量でごく短期間存在した以外は、地球の表面に存在したことはありません。また、生物学的に重要な意味を持つ元素は存在しません。

アルミニウムは、最も豊富な金属であり、地殻で3番目に豊富な元素であるため、特筆に値します。^{[ 7 ]}それにもかかわらず、アルミニウムは生命に必須ではありません。この唯一の例外を除いて、地殻の質量の90%以上を占める地殻で最も豊富な8つの元素^{[ 7 ]}も生命に必須です。

概要

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元素の生物学的役割

概要

関連項目

参考文献

関連するトピック

元素は

水素、炭素、窒素、酸素

原形質

リンと硫黄も一般的な必須元素であり、それぞれ核酸