Живые организмы состоят из множества химических элементов, однако их распределение неравномерно. Элементы, входящие в состав биомолекул, делятся на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы, в зависимости от содержания и биологической значимости.
К макроэлементам относятся элементы, составляющие более 0,01% массы организма. Основные из них:
Кислород (O, ~65%) Входит в состав воды, органических соединений (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот). Кислород участвует в клеточном дыхании, окислительно-восстановительных процессах и образовании водородных связей, определяющих структуру белков и нуклеиновых кислот.
Углерод (C, ~18%) Основной элемент органических молекул. Образует стабильные ковалентные связи, позволяя формировать сложные макромолекулы с разнообразными функциональными группами.
Водород (H, ~10%) Входит в состав воды и органических соединений. Участвует в водородных связях и кислотно-основных реакциях.
Азот (N, ~3%) Основной компонент аминогрупп белков и нуклеотидов. Участвует в образовании аминокислот, нуклеиновых кислот и некоторых коферментов.
Кальций (Ca, ~1,5%) Входит в состав костной ткани и зубов (гидроксиапатит), участвует в регуляции свертываемости крови и сокращении мышц.
Фосфор (P, ~1%) Составляет основу нуклеотидов и фосфолипидов. Фосфорные соединения участвуют в энергетическом обмене (АТФ) и регуляции биохимических процессов.
Калий (K), натрий (Na), магний (Mg), сера (S), хлор (Cl) Выполняют функции ионной регуляции, осмотического баланса, участвуют в ферментативной активности и структурировании белков.
Содержатся в организме в пределах 0,0001–0,01% массы. Обеспечивают катализ биохимических реакций и структурную стабильность белков и нуклеиновых кислот:
Элементы, содержание которых в организме крайне мало (<0,0001%), но их биологическая роль критична:
Вода – составляет до 70% массы тела, является универсальным растворителем и средой для биохимических реакций.
Органические вещества:
Элементы в организме не только структурные компоненты, но и активные участники биохимических процессов. Их дисбаланс приводит к метаболическим нарушениям, болезням костной и сердечно-сосудистой систем, анемии, эндокринным расстройствам и другим патологическим состояниям.
Биохимия демонстрирует, что химические элементы в живых системах подчинены строгой закономерности: их валентность, электронная конфигурация и способность образовывать связи определяют молекулярную структуру, реакционную способность и термодинамическую стабильность биомолекул. Исследование элементного состава позволяет понять механизмы катализа, транспорта и хранения энергии, регуляцию физиологических процессов и эволюционные особенности живых организмов.
Элементный состав организма отражает фундаментальные химические принципы: валентность, полярность, кислотно-основные свойства, образование комплексов и редокс-реакции, что является основой для интеграции химии и биохимии в научном понимании жизни.