Организмы животных и растений получают все необходимые элементы из окружающей природы. В клетках   содержится    около   90    химических   элементов,    24   из    них   имеют    известное   ученым предназначение. Выполняют ли остальные элементы какую-либо функцию или просто попадают в организмы  вместе  с  пищей  и  воздухом,  пока  не  установлено.  В  зависимости  от  содержания  в организмах элементы делят на три группы.

В первую группу входят О (65-70%), С (15-18%), Н (8-10%) и N (1,5-3%). Эти элементы составляют около 99% массы клетки, поэтому их называют макроэлементами.

Вторую группу составляют Р, S, C1 и металлы: К, Са, Mg, Na и Fe. На их долю приходится около 3%

вещества клетки: Mg входит в состав хлорофилла, от содержания Са зависит свертываемость крови, Са

и Р участвуют в формировании костной ткани, Fe является необходимой составляющей гемоглобина – белка, участвующего в переносе кислорода к тканям, Na, К и С1 обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану.

Основной вклад в построение молекул жизненно важных соединений вносят макроэлементы вместе с

S и Р, поэтому их называют биогенными, или биоэлементами. Макроэлементы вместе с S входят в состав белков, а вместе с Р – в состав нуклеиновых кислот; О, Н и С образуют жиры и углеводы.

Третья группа объединяет остальные элементы, они составляют не более 0,1% вещества клетки.

Однако это не значит, что без них организм может легко обойтись. Например, I (0,0001%) входит в

состав гормона щитовидной железы тироксина, регулирующего рост и интенсивность обмена веществ во всем организме, Zn (0,003%) – в состав гормона поджелудочной железы инсулина и более чем ста различных ферментов. Содержание Си в организмах животных – не более 4,0002%, но ее недостаток в почве и, как следствие, в растениях приводит к массовым заболеваниям сельскохозяйственных животных. Элементы третьей группы подразделяют на микро-(1012-103%) и ультрамикроэлементы (не более 1012%). К последним относят Ag, Au, Hg, Be, U, As и др. Биологическая роль многих из них пока не выявлена. Известно, что соединения бора необходимы для нормального развития растений, а недостаток селена вызывает онкологические заболевания.

Живые существа обладают способностью избирательно накапливать в себе вещества, поглощаемые из окружающей среды. Так, кислорода в почве содержится 49%, а в растениях – 70%; кремния в почве –

33%, а в растениях – 0,15%. В почве и водоемах очень мало ионов К и много ионов Na, в клетке же наоборот — много ионов К и очень мало ионов. Na. Пока клетка жива, она стойко поддерживает свой химический состав, отличный от состава окружающей среды.

Все    химические    элементы    образуют    два    больших    класса    соединений:    неорганические   и органические.  Органические  соединения  содержат  углерод,  его  наличие  является  отличительным

признаком живого. Из всего многообразия органических веществ биологическое значение имеют нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды (жиры).

В состав типичной животной клетки молекулы веществ входят в следующих соотношениях:

белки 15-18%

неорганические ионы 1% РНК 1,1-6% полисахариды 2% ДНК 0,25-1% липиды 2-5%

§ 1. Неорганические вещества

Вода – самое распространенное вещество в живых существах. В многоклеточных организмах вода составляет до 80% массы. У человека содержание воды в различных органах колеблется от 10% (в клетках эмали зубов) до 85% (в клетках головного мозга).

Молекула воды полярна (диполь). Центры ее положительного (у атомов водорода) и отрицательного (у кислорода) зарядов сильно разнесены. Атом кислорода молекулы воды притягивается к атому водорода

 другой молекулы с образованием так называемой водородной связи. Ее прочность в 15-20 раз меньше прочности ковалентных связей, которыми соединены водород и кислород внутри молекулы. Каждая молекула воды способна связаться с несколькими другими. В результате формируется сложная сеть свя- занных  молекул.  Водородные  связи  не  позволяют  молекулам  воды

независимо двигаться, поэтому вода при обычных на Земле давлениях и температурах от 0°С до 100°С – жидкость, а не газ, как аналогичные соединения H2S и NH3. Значительное сцепление молекул воды между собой   и    с    молекулами    других   веществ   позволяет    воде    легко перемещаться вверх по сосудам растений и переносить питательные вещества.

Водородные связи в воде формируют сложную сеть

При нагревании воды много энергии расходуется на разрушение водородных связей, температура при этом повышается относительно медленно. Высокая теплоемкость позволяет воде выполнять функцию терморегулятора. При резких изменениях внешней температуры колебания температуры внутри клеток оказываются менее существенными. Другое стабилизирующее свойство воды связано с высоким значением теплоты ее испарения и конденсации. При падении температуры воздуха пары воды конденсируются, выделяя много тепла, предохраняющего растения от переохлаждения. В жаркую пого- ду  испаряющаяся  с  поверхности  растений  вода  поглощает  заметное  количество  тепла,  защищая растения от перегрева. Вода обладает и высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение температуры в тканях.

Благодаря    сильной    полярности    молекул    вода    способна    растворять    огромное    количество неорганических и органических веществ. В нерастворенном виде многие жизненно важные соединения не проникают через клеточную мембрану. Как хороший растворитель, вода обеспечивает поступление в клетку необходимых веществ, удаление из нее продуктов жизнедеятельности а также передвижение веществ в организме в составе межклеточной жидкости, крови, лимфы и растворов у растений.

Молекулы воды посредством электростатического воздействия расщепляют молекулы различных

соединений на катионы и анионы, которые затем быстро вступают в химические реакции. Поэтому большинство биохимических превращений в организмах происходит именно в водной среде. В результате взаимодействия молекул белков и углеводов с молекулами воды при участии ферментов происходит гидролиз — расщепление этих сложных макромолекул на более простые соединения.

Хорошо растворимы в воде соли, кислоты, щелочи, а также органические соединения – сахара, аминокислоты, спирты. Эти вещества называют гидрофильными (<греч. phileo люблю). Практически не растворимы в воде воски и жиры. Такие соединения называют гидрофобными (<греч. phobos страх). Молекулы    гидрофильных   веществ    полярны;   вступая    в    электростатическое    взаимодействие   с молекулами воды, они встраиваются в их сеть с образованием водородных связей, то есть растворяются. Для сохранения целостности клетки в состав ее мембран входит двойной слой (бислой) гидрофобных соединений – липидов.

Благодаря способности к односторонней диффузии (вода проходит через клеточные мембраны, а

соли – нет), называемой осмосом, вода выравнивает концентрации солей по обе стороны мембраны.

Гидростатическое давление внутри клетки вызывает напряжение ее оболочки – тургор.

Удивительная приспособленность воды к жизнедеятельности всех организмов приводила многих исследователей к мысли о премудрости Творца.

Соли. Большая часть неорганических веществ находится в клетке в виде ионных соединений – солей.

Они образованы катионами К+, Na+, Mg+, Ca+  и анионами соляной, серной, фосфорной и угольной кислот.