Химическая основа жизни определяется совокупностью элементов, входящих в состав биологических систем. Из примерно 118 известных химических элементов в живых организмах обнаружено около 70, однако лишь около 25 играют существенную роль в биологических процессах. Особенностью биосистем является их высокая упорядоченность, основанная на строгом отборе элементов, обладающих специфическими химическими свойствами, обеспечивающими устойчивость и динамичность живого вещества.
К числу основных биогенных элементов относятся углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N). На их долю приходится более 96% массы клетки.
Углерод (C) образует основу органических молекул. Благодаря способности к тетракоординации и образованию прочных ковалентных связей с самим собой и другими элементами, углерод формирует сложные цепи, кольца и сетчатые структуры. Это обеспечивает разнообразие органических соединений, от простых углеводов до макромолекул — белков и нуклеиновых кислот.
Водород (H) входит в состав воды и большинства органических веществ. Он участвует в процессах окисления и восстановления, образует водородные связи, определяющие пространственную структуру макромолекул.
Кислород (O) необходим для дыхания и энергетического обмена. Является компонентом воды, углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Кислород участвует в реакциях биологического окисления, в результате которых образуется энергия в виде АТФ.
Азот (N) входит в состав аминокислот, белков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Благодаря способности образовывать связи различной валентности, азот обеспечивает структурное и функциональное разнообразие белковых молекул.
К макроэлементам относят элементы, содержание которых в живых организмах превышает 0,01% от общей массы. Помимо C, H, O и N, сюда относятся кальций (Ca), фосфор (P), калий (K), сера (S), натрий (Na), хлор (Cl) и магний (Mg).
Кальций (Ca) играет важную роль в построении костной ткани и зубов, участвует в процессах свертывания крови и регуляции мышечных сокращений. Он также функционирует как внутриклеточный посредник при передаче сигнала.
Фосфор (P) является структурным компонентом нуклеиновых кислот, фосфолипидов и энергетических соединений, таких как АТФ. Фосфатные группы обеспечивают регуляцию активности ферментов и энергетический обмен.
Сера (S) входит в состав аминокислот цистеина и метионина, а также некоторых коферментов. Сульфгидрильные группы (-SH) придают белкам способность образовывать дисульфидные мостики, обеспечивающие устойчивость третичной структуры.
Калий (K) и натрий (Na) обеспечивают осмотическое равновесие клеток, участвуют в проведении нервного импульса и поддержании мембранного потенциала. Их градиенты регулируются системой ионных насосов, таких как Na⁺/K⁺-АТФаза.
Магний (Mg) является компонентом хлорофилла у растений, активирует многие ферменты, участвующие в синтезе белков и нуклеиновых кислот.
Хлор (Cl) участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия и осмотического давления, необходим для образования соляной кислоты в желудочном соке.
Микроэлементы присутствуют в организмах в крайне малых количествах (менее 0,01%), однако их биологическая роль исключительно велика. К ним относятся железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), марганец (Mn), молибден (Mo), кобальт (Co), йод (I), фтор (F) и другие.
Железо (Fe) является центральным компонентом гемоглобина и цитохромов, обеспечивая транспорт и использование кислорода. Оно также участвует в окислительно-восстановительных реакциях.
Медь (Cu) входит в состав окислительно-восстановительных ферментов, таких как цитохромоксидаза, и играет роль в синтезе гемоглобина и формировании соединительной ткани.
Цинк (Zn) активирует ряд ферментов, включая карбоангидразу и алкогольдегидрогеназу. Он регулирует синтез белка, нуклеиновых кислот и гормонов.
Марганец (Mn) участвует в функционировании ферментов, катализирующих реакции метаболизма углеводов и липидов, а также необходим для фотосинтеза у растений.
Молибден (Mo) входит в состав ферментов, катализирующих превращения азотсодержащих соединений, включая фиксацию азота у микроорганизмов.
Кобальт (Co) необходим для синтеза витамина B₁₂, участвующего в метаболизме нуклеиновых кислот и эритропоэзе.
Йод (I) обеспечивает синтез гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина, регулирующих обмен веществ.
Фтор (F) способствует формированию устойчивой к кариесу эмали зубов и участвует в минерализации костей.
Ультрамикроэлементы присутствуют в организмах в следовых количествах, но их значение проявляется в специфических биохимических процессах. К ним относят литий (Li), бор (B), кремний (Si), ванадий (V), никель (Ni), олово (Sn), мышьяк (As), селен (Se) и другие.
Селен (Se) входит в состав фермента глутатионпероксидазы, защищающего клетки от окислительного стресса. Он также регулирует синтез гормонов щитовидной железы.
Кремний (Si) необходим для образования соединительной ткани, хрящей и костей, участвует в синтезе коллагена.
Бор (B) влияет на метаболизм кальция, магния и фосфора, способствуя укреплению костной ткани.
Ванадий (V) и никель (Ni) участвуют в реакциях обмена углеводов и липидов, а также в активности некоторых ферментов.
Вода, хотя и не относится к элементам, является универсальной средой, в которой протекают все биохимические процессы. Она составляет до 80–90% массы клетки и определяет термодинамические и кинетические параметры реакций. Неорганические ионы (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻, HCO₃⁻) поддерживают осмотическое давление, рН-среду и электрический потенциал мембран.
Элементный состав живых систем подчиняется принципу биогеохимического соответствия: элементы, наиболее распространённые в земной коре, атмосфере и гидросфере, доминируют и в составе живого вещества. При этом отбор элементов обусловлен не только их доступностью, но и химическими свойствами — способностью образовывать устойчивые связи, обеспечивающие структурную и функциональную целостность клеток.
Высокая селективность использования элементов свидетельствует о глубокой взаимосвязи химии и биологии, лежащей в основе существования жизни.