Для всего живого характерно избирательное отношение к окружающей среде. Из 110 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Однако необходимых для жизни элементов, без которых живое не может обойтись, всего около 20.
Все эти элементы входят в состав неживой природы и земной коры, а также в состав живых организмов, но их процентное распределение в живых и неживых телах различно.
Элементный состав живой материи
Накоплением знаний о биомолекулах занимается молекулярная биология, развивающаяся в тесном контакте с биохимией. Биохимия изучает жизнь на уровне молекул и элементов.
Элементы живых систем делят на три группы в соответствии с их концентрацией в клетке.
Макроэлементы (греч. makrós — большой и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, являющиеся основными компонентами всех живых организмов. К ним относят кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий и хлор. Эти элементы также и универсальные компоненты органических соединений. Их концентрация достигает в сумме 98 — 99%.
Все макроэлементы разделяют на 2 группы.
Роль макроэлементов I и II групп
| Макроэлементы I группы | Макроэлементы II группы |
|---|---|
| O, C, H и N | P, S, K, Mg, Na, Ca, Fe и Cl |
| Главные компоненты всех живых организмов (98% массы) | Обязательные компоненты всех живых организмов (0,01 — 0,9% массы) |
| Входят в состав подавляющего большинства органических и неорганических веществ клетки. В частности, все углеводы и липиды состоят из O, C, H, белки и нуклеиновые кислоты — из O, C, H и N | Входят в состав многих неорганических и органических соединений клетки, в том числе ферментов и др. |
| Поступают в живые организмы из атмосферы, с водой и пищей | Поступают в организмы растений в составе ионов солей, в организмы животных — с пищей |
Биоэлементы (греч. bios — жизнь и лат. elemėntum — первоначальное вещество), или органогены (лат. organum — инструмент, орудие и греч. genesis — происхождение), — макроэлементы, составляющие основу большинства органических молекул.
Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор и сера.
Содержание биоэлементов в клетке
| Элемент | Содержание в клетке, % от массы |
|---|---|
| Кислород (О) | 65,00 — 75,00 |
| Углерод (С) | 15,00 — 18,00 |
| Водород (Н) | 8,00 — 10,00 |
| Азот (N) | 1,00 — 3,00 |
| Фосфор (P) | 0,20 — 1,00 |
| Сера (S) | 0,15 — 0,20 |
Микроэлементы (греч. mikrós — малый и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), но крайне необходимые для нормальной жизнедеятельности. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и некоторые другие.
Микроэлементы входят в состав разнообразных биологически активных соединений: ферментов (например, Zn, Cu, Mn, Mo; всего известно около 200 металлоферментов), витаминов (Со — в состав витамина B12), гормонов (I — в тироксин, Zn и Со — в инсулин), дыхательных пигментов (Cu — в гемоцианин). Микроэлементы влияют на рост, размножение, кроветворение и т. д.
Роль микроэлементов в организме
Кобальт входит в состав витамина В12 и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии.
1 — кобальт в природе; 2 — структурная формула витамина В12; 3 — эритроциты здорового человека и эритроциты больного анемией
Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений.
1 — молибденит (минерал, содержащий молибден); 2 — азотфиксирующие бактерии; 3 — устьичный аппарат
Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов.
1 — медь; 2 — частицы меланина в клетках кожи; 3 — рост и развитие растения
Йод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина.
1 — йод; 2 — внешний вид щитовидной железы; 3 — клетки щитовидной железы, синтезирующие тироксин
Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей.
1 — бор в природе; 2 — пространственная структура бора; 3 — верхушечная почка
Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы — инсулина, а также действует на рост животных и растений.
1 — пространственная структура инсулина; 2 — поджелудочная железа; 3 — рост и развитие животных
В организмы растений и микроорганизмов микроэлементы поступают из почвы и воды; в организмы животных и человека — с пищей, в составе природных вод и с воздухом.
Организмы, способные накапливать определенные микроэлементы, называют организмами-концентраторамии.
Морские водоросли, например, фукус и ламинария, могут накапливать в организмах до 1% йода. Именно водоросли используют для промышленного получения этого микроэлемента.
Концентраторами меди являются осьминоги, каракатицы, устрицы и некоторые другие моллюски. В их крови медь, входящая в состав дыхательного пигмента — гемоцианина, — играет ту же роль, что железо в крови человека.
Растения из семейства Лютиковые (лютик, водосбор, купальница и др.) способны накапливать литий.
Хвощ является рекордсменом среди растений по содержанию кремния. Так, в сухом веществе хвоща полевого содержится 9% кремнезема, а в золе до 96%. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Из кремнезема построены их скелетные элементы — панцири простейших и скелеты некоторых губок.
Недостаток или избыток микроэлементов приводят к нарушению обмена веществ и ведут к заболеваниям человека и животных — биогеохимическим эндемиям.
Ультрамикроэлементы (лат. ultra — сверх, за пределами; греч. mikrós — малый и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в ничтожно малых концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и некоторые другие элементы.
Их физиологическая роль в живых организмах пока до конца не установлена.