Элементы, встречающиеся в живой природе, широко распространены и в неживой природе — атмосфере, воде, земной коре. Нет таковых элементов, которые встречались бы исключительно в живых организмах. Но соотношение химических элементов, их вклад в образование веществ, составляющих живой организм и неживое тело, резко различаются. В живом организме большая часть элементов находится в виде химических соединений — веществ, растворенных в воде. Исключительно в живых организмах содержатся органические вещества: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Химический состав растительной и животной клеток подобен. Все живые организмы состоят из одних и тех же элементов, неорганических и органических соединений. Однако содержание различных элементов в разных клетках различается. В каждый тип клеток входит неодинаковое количество определенных органических молекул. В растительных клетках преобладают сложные углеводы (клетчатка, крахмал), в животных — больше белков и жиров. Каждая из групп органических веществ (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты) в любом типе клеток выполняет свойственные ей функции (нуклеиновая кислота — хранение и передачу наследственной информации, углеводы — энергетическую и т. д.).
В состав клетки входит около 80 химических элементов. Зависимо от того, в котором числе содержатся химические элементы в составе веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько их групп. Одну группу образуют четыре элемента, составляющие около 98% массы клетки: кислород, водород, углерод и азот. Их называют макроэлементами. Это доминирующие составляющие всех органических соединений.
В другую группу входят сера и фосфор, калий и натрий, кальций и магний, марганец, железо и хлор. Они находятся в клетках в меньших количествах (десятые и сотые доли процента). Каждый из них выполняет в клетке важную функцию. К примеру, кальций и фосфор участвуют в образовании костной ткани, определяя прочность кости. Железо входит в состав гемоглобина — белка красных кровяных телец (эритроцитов), участвующего в переносе кислорода от легких к тканям.
Элементы, содержащиеся в клетке в чрезвычайно малых количествах, составляют группу микроэлементов. Приставка «микро» не означает, что они меньше необходимы организму, нежели другие. К примеру, кобальт входит в состав витамина В12, участвующего в кроветворении, а фтор — в клетки эмали зубов.
К органическим веществам относятся белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, а также гормоны, пигменты, АТФ и некоторые др. Они составляют в среднем 20—30% массы клетки живого организма.
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки.
Роль белков в клетке чрезвычайно велика и разнообразна. Одна из важнейших функций белков — строительная: белки участвуют в формировании мембран и органоидов не мембранного строения. Важное значение имеет и другая функция — каталитическая: определенные белки ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз.
Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы животных.
Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.
При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах (лейкоцитах) образуются особые белки — антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков.
Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е. выполняют энергетическую функцию.
Основным источником энергии в клетках животных и растений являются углеводы. К ним относятся глюкоза, сахароза, клетчатка, крахмал и др. «Сжигая» глюкозу, организм получает необходимую энергию для проходящих в нем процессов обмена веществ. Живые организмы могут запасать углеводы в виде крахмала (у растений) и гликогена (у животных и грибов). В клубнях картофеля крахмал может составлять до 80% массы, а у животных особенно много углеводов в клетках печени и мышцах — до 5%.
Углеводы выполняют и другие функции, например опорную и защитную. Клетчатка входит в состав древесины, хитин образует наружный скелет насекомых, ракообразных и других членистоногих.
Жиры выполняют в организме ряд функций, например служат запасным источником энергии. Они дают организму до 30% всей необходимой ему энергии. Выполняют жиры и строительную функцию, входя обязательными компонентами в состав клеточной и ядер- ной мембран. У некоторых животных жиры накапливаются в больших количествах и служат теплоизолятором, т. е. предохраняют организм от потери тепла (например, у китов толщина жирового слоя достигает 1 м).
Большое значение имеют жиры и как внутренний резерв воды: в результате расщепления 1 кг жира образуется до 1,1 кг воды. Это очень важно для животных, впадающих в зимнюю спячку, — сусликов, сурков: благодаря своим подкожным жировым запасам, они могут не пить в это время до двух месяцев. Верблюды во время переходов по пустыне обходятся без питья до двух недель — необходимую организму воду они извлекают из своих горбов — вместилищ жира.
Самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах — вода. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов — около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%. В среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела. Прежде всего, вода определяет физические свойства клетки, ее объем, упругость. Многочисленные химические реакции проходят именно в водной среде, так как вода — хороший растворитель. Да и сама вода участвует во многих химических превращениях.
Вода помогает удалению из организма ненужных и вредных веществ, образующихся в результате обмена (выделительная функция), способствует перемещению кислорода, углекислого газа и питательных веществ по организму (транспортная функция).
Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью. При изменении температуры окружающей среды вода поглощает или выделяет теплоту. Вследствие этого температура внутри клетки остается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей клетку среде (теплорегулирующая функция).
К углеводам относят следующие природные органические соединения: глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, хитин, крахмал, гликоген и целлюлозу.
Нуклеиновые кислоты ответственны за хранение и передачу наследственных признаков от родителей к потомству. Они входят в состав хромосом — особых структур, расположенных в клеточном ядре. Нуклеиновые кислоты находятся также в цитоплазме и ее органоидах.
Наиболее распространенные элементы в живых организмах — кислород, углерод, водород и азот. В состав живых организмов входят органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) и неорганические вещества (вода, минеральные соли).