Живые организмы обладают избирательной способностью использовать химические элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Многие элементы входят в состав как органических, так и минеральных соединений живых существ, Их можно подразделить на главные структурные элементы (С, Н, N, О, Р, S, Na, К, F, Mg, Si, Ca) и элементы-биокатализаторы (Fe, Си, В, Mn, J). Наиболее важные химические элементы живых организмов называют биофильными. Комбинация их атомов дает многообразие молекул органических веществ.
Однако различные формы жизни состоят из довольно небольшого числа простых молекул, относящихся к мономерам. Наиболее важные мономеры — аминокислоты, образующие белки. Живое вещество биосферы состоит преимущественно из длинных молекул, имеющих вид цепочек. Цепочки связываются друг с другом и образуют полимеры, в которых определенные структуры повторяются с небольшими вариациями. В полимерах бывают кольцевые структуры и боковые ответвления, а сами цепочки иногда сворачиваются в специфические сложные структуры. Эти структуры позволяют некоторым белковым полимерам проявлять себя в качестве катализаторов, ускоряющих протекание химических реакций. Такого рода органические катализаторы называются ферментами. Многообразие органических химических соединений обусловлено образованием различных полимеров из мономеров и сочетанием полимеров друг с другом различными способами. Основу живого вещества составляют углеводы, жиры, вода и нуклеиновые кислоты (рис. 1).
Углеводы — весьма распространенные органические соединения. Они представляют собой наиболее простые соединения углерода, состоящие из С, О, Н в разных отношениях, обычно выражаемых общей формулой СnН2nОn. К ним относятся моносахариды, например глюкоза и фруктоза (C6H12O6). В тканях животных встречается наиболее сложный сахарид — гликоген. Одна его молекула состоит из 1 тыс. молекул моносахаридов. В составе растений очень важной является клетчатка (целлюлоза), из которой построены стенки растительных клеток.
Жиры — сложные органические соединения, состоящие из сочетаний различных жирных кислот. В молекулах жиров атомы углерода образуют цепи, соединенные с атомами водорода. Кислорода очень мало. Структурная формула одной из жирных кислот приведена на рис. 1.
Белки — исключительно сложные органические природные соединения. Кроме С, О, Н, они содержат N, иногда S. Молекула обычного белка состоит из нескольких сот мономеров — аминокислот. Каждый тип белка отличается от другого типа набором аминокислот и порядком расположения их молекул в пространстве. Из большого числа возможных аминокислот только 20 относительно широко распространены в живых организмах. Их состав представлен в табл. 3. Средняя молекула белка, Состоящая из 100 молекул аминокислот, может дать 20100 комбинаций структур, что намного превышает число атомов в нашей Галактике. Однако большинство живых организмов синтезируют и используют менее 100 тыс. типов белковых молекул.
Организованные скопления органического вещества, способные к самовоспроизведению и представляющие собой единицы наследственности, называются генами. Они в общем построены из пуринов, пиримидинов, сахара и фосфатных ионов. Структурные формулы пурина и пиримидина даны на рис. 1.
Основное условие существования живых организмов — это способность к самовоспроизведению. Установлено, что во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет один и тот же полимер — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулы ДНК совместно с близкими им молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК) снабжают организм информацией о том, как ему функционировать.
Молекулы ДНК хранят генетический код, сообщающий следующему поколению организмов, как поддерживать обмен веществ, расти и размножаться. Вся генетическая информация содержится в последовательности химических групп, которые располагаются внутри молекулы ДНК по всей ее длине. ДНК состоит из двух цепей молекулярных построек, которые обвивают друг друга, образуя замкнутую двойную спираль.
По данным генетики и молекулярной биологии, все живое на нашей планете (рыбы, птицы, растения и другие организмы) построено как бы по единому плану — из — сходных строительных блоков, сложенных из белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Набор химических элементов, образующих структуру клеток, в общем довольно ограничен и определяется главными биофильными элементами.