Химический состав живых организмов

Коротко: живое — это в основном вода, органические молекулы (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты) и минеральные вещества. Элементарная база — несколько десятков химических элементов, из которых шесть (C, H, O, N, P, S) составляют подавляющую массу («CHNOPS»).

1) Биогенные элементы

Макроэлементы (доли процента и больше):

• O, C, H, N — структурный «скелет» органики;

• P — фосфаты, ДНК/РНК, АТФ, мембраны (фосфолипиды);

• S — аминокислоты цистеин/метионин, дисульфидные мостики белков;

• Ca, Mg, Na, K, Cl — ионы для осмоса, потенциалов мембран, ферментов, костной ткани (Ca, P).

Микро- и ультрамикроэлементы (следы, но критичны):
Fe (гем), Cu (оксидазы), Zn (цинк-ферменты), I (гормоны щитовидной), Co (вит. B₁₂), Mn, Mo, Se, Cr, F, Si и др.

Для ориентира по массе у человека: O ~65%, C ~18%, H ~10%, N ~3%, дальше — Ca, P и следовые.

2) Вода и её роль

Содержание воды у организмов ~60–90% (у тканей по-разному). Свойства, делающие жизнь возможной:

• полярность и растворяющая способность — среда для реакций;

• теплоёмкость и теплопроводность — термостабильность;

• когезия/адгезия — транспорт по сосудам/ксилеме;

• участие в реакциях (гидролиз, конденсация).

3) Органические соединения

Белки (полипептиды) — аминокислоты, множество функций:

• каталитическая (ферменты),

• структурная (кожа, цитоскелет),

• транспортная (гемоглобин),

• регуляторная/сигнальная (рецепторы, гормоны-пептиды),

• защитная (антитела), двигательная (актин/миозин).

Липиды — триацилглицеролы (запас энергии), фосфолипиды/холестерин (мембраны), стероиды (гормоны), воск (защита). Высокая энергоёмкость, гидрофобность, изоляция.

Углеводы —

• моно- и олигосахариды (глюкоза, сахароза) — быстрый источник энергии, сигнальные метки на мембранах (гликокаликс);

• полисахариды: крахмал (запас у растений), гликоген (запас у животных/грибов), целлюлоза (стенка растений), хитин (грибы, членистоногие).

Нуклеиновые кислоты — ДНК (хранение наследственной информации), РНК (реализация: мРНК, тРНК, рРНК, регуляторные малые РНК).

Высокоэнергетические молекулы — АТФ (универсальная «валюта» энергии), ГТФ и др.

Витамины и кофакторы — низкомолекулярные регуляторы и «помощники» ферментов (например, НАД⁺/НАДФ⁺/ФАД).

4) Неорганические вещества и ионы

• Буферные системы (бикарбонатные, фосфатные) — поддержание pH.

• Ионы: K⁺ (внутриклеточный), Na⁺ (внеклеточный), Ca²⁺ (сигнализация, свёртывание, мышцы), Mg²⁺ (АТФ-зависимые ферменты, хлорофилл), Cl⁻ (осмос), PO₄³⁻ (энергетика, кости), Fe²⁺/Fe³⁺ (перенос электронов).

5) Типичные соотношения в клетке

(меняются по типам клеток, но ориентиры такие):

• Вода ~70%;

• Белки 15–20%;

• Липиды 2–5%;

• Углеводы 1–2% (в растительных тканях запас может быть выше);

• Нуклеиновые кислоты 1–2%;

• Минералы/ионы ~1%.

6) Особенности у разных царств

• Растения: много целлюлозы в стенке, лигнин (древесина), запас — крахмал/иногда инулин, пигменты хлорофилл, каротиноиды.

• Грибы и членистоногие: хитин.

• Животные: запас — гликоген и жиры; коллаген/эластин в матриксе; в костях — гидроксиапатит (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂).

• Прокариоты: стенка из мурина (пептидогликана); у грамотрицательных — липополисахариды во внешней мембране.

7) Итог

Химический состав живых организмов определяется ограниченным набором элементов, формирующих универсальные классы биомолекул. Вода создаёт среду и физико-химическую стабильность; органические полимеры обеспечивают структуру, катализм, хранение и передачу информации; неорганические ионы регулируют электрические, осмотические и каталитические процессы. Различия между группами организмов — в долях и «специализациях» (целлюлоза vs. хитин, гликоген vs. крахмал), но фундаментальный набор компонентов общ для всей жизни.