Какие ионы содержатся в клетке и их роль
Минеральные вещества в клетке находятся в виде солей в твёрдом состоянии, либо диссоциированы на ионы.
Неорганические ионы представлены катионами и анионами минеральных солей.
Пример:
катионы: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH4+.
Анионы: Cl−, H2PO4−, HPO42−, HCO3−, NO3−, SO42−, PO43−, CO32−.
Вместе с растворимыми органическими соединениями неорганические ионы обеспечивают стабильные показатели осмотического давления.
Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде — различна. Внутри клетки преобладают катионы K+ и крупные отрицательные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl−. В результате образуется разность потенциалов между содержимым клетки и окружающей её средой, обеспечивающая такие важные процессы, как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.
Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства — способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты.
Пример:
анионы фосфорной кислоты (HPO42− и H2PO4−) создают фосфатную буферную систему млекопитающих, поддерживающую рН внутриклеточной жидкости в пределах (6,9)–(7,4).
Угольная кислота и её анионы (H2CO3 и CO32−) создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне (7,4).
Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества используются для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).
Пример:
ионы некоторых металлов (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Co) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их.
Калий — обеспечивает функционирование клеточных мембран, поддерживает кислотно-щелочное равновесие, влияет на активность и концентрацию магния.
Ионы Na+ и K+ способствуют проведению нервных импульсов и возбудимости клетки. Эти ионы входят также в состав натрий-калиевого насоса (активный транспорт) и создают трансмембранный потенциал клеток (обеспечивают избирательную проницаемость клеточной мембраны, что достигается за счёт разности концентраций ионов Na+ и K+: внутри клетки больше K+, снаружи больше Na+).
Ключевая роль в регуляции мышечного сокращения принадлежит ионам кальция (Ca2+). Миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии в среде определённых концентраций ионов кальция. Ионы кальция также необходимы для процесса свёртывания крови.
Железо входит в состав гемоглобина крови.
Азот входит в состав белков. Все важнейшие части клеток (цитоплазма, ядро, оболочка и др.) построены из белковых молекул.
Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот; обеспечивает нормальный рост костной и зубной тканей.
При недостатке минеральных веществ нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
Химические элементы клетки
Клетки сходны не только по строению, но и по химическому составу. Клетки всех живых организмов содержат хотя и неодинаковые, но сходные вещества в близких количествах. Сходство в строении и химическом составе у разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения. В составе клетки обнаруживают более 80 химических элементов, при этом каких-либо специальных элементов, которые характерны только для живых организмов, не обнаружено. Однако только в отношении 27 элементов известно, что они выполняют определенные функции. Остальные 53 элемента, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом и не участвуют в жизнедеятельности.
Элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три группы: макроэлементы , микроэлементы и ультрамикроэлементы .
Содержание некоторых химических элементов в клетке (в % на сухую массу):
Кислород 65-75; Углерод 15-18; Водород 8-10; Магний 0,02-0,03; Натрий 0,02-0,03; Кальций 0,04-2,00; Азот 1,5-3,0; Калий 0,15-0,4; Сера 0,15-0,2; Фосфор 0,20-1,00; Хлор 0,05-0,10; Железо 0,01-0,015; Цинк 0,0003; Медь 0,0002; Йод 0,0001; Фтор 0,0001
Особенности химического состава клетки
Обнаружено, что некоторые организмы — интенсивные накопители определенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливает йод , лютики накапливают литий , ряска — радий , диатомовые водоросли и злаки — кремний , моллюски и ракообразные — медь , позвоночные — железо , некоторые бактерии — марганец и т. д. Элементарный состав организмов и химический состав окружающей среды всегда существенно отличаются. Например, кремния в почве около 33%, а в растениях лишь 0,15%, кислорода в почве около 49%, а в растениях 70% и т.д. Это указывает на избирательную способность организмов использовать только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток.
Химические элементы, которые входят в состав клеток и выполняют биологические функции, называют биогенными .
Все химические элементы участвуют в построении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В составе белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот — азот и фосфор; железо участвует в построении молекулы гемоглобина; магний находится в составе хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных клеток и нервных волокон; цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы — инсулина; кобальт находится в составе витамина B12 .
Ионы в клетке и организме
Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов. Из катионов важны К+, Na+ , Са2+, Mg2+, а из анионов — Н2Р04- , Сl- и НСО3-. Содержание катионов и анионов в клетке обычно значительно отличается от содержания их в среде обитания клетки. В частности, концентрация К+ внутри клетки очень высокая, a Na+ — низкая. Напротив, в окружающей клетку среде (крови, морской воде) очень мало К+ и довольно высока концентрация Na+. Например, в мышечных клетках содержание К+ в 30 раз выше, чем в крови, и наоборот, содержание Na+ в 10 раз ниже, чем в окружающей среде. Пока клетка жива, эти различия в концентрации К+ и Na+ между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы . Буферностью называют способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН 7,2). Имеющиеся в организме нерастворимые минеральные соли, например фосфат кальция, входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.
Биология
Учебник для 10-11 классов
Раздел I. Клетка — единица живого
Глава I. Химический состав клетки
В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений — органические и неорганические.
Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называют органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.
Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.
В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.
Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.
Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе — в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.
Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10—12%.
Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.
Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.
Рис. 1. Образование водородных связей в воде
Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).
По прочности водородная связь примерно в 15—20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.
Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.
Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.
Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).
Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.
Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).
Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.
По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные — «любящие воду» и гидрофобные — «боящиеся воды» (от греч. «гидро» — вода, «филео» — любить и «фобос» — боязнь).
К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.
Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.
Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+ и др.) и анионы (СI-, НСО3-, HS04- и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая — натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.
Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н3Р04), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.
Биологически важные химические элементы клетки
- Какова биологическая роль воды в клетке?
- Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
- Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?
Все химические
элементы в виде ионовлибовсоставетех или иных соединений
участвуют в построенииорганизма,
т. е. в живой клетке из более простых
веществ происходит синтезмолекулнеорганических и сложных органическихмолекул(аминокислот, белков,
нуклеиновых кислот и др.).
Химические элементы
входят в состав клеток в виде ионов или
компонентов и органических веществ.
Молекулярный состав клетки
Соединения | |||
Неорганические | Органические | ||
ВодаМинеральные | 70—80 % | БелкиУглеводыЖирыНуклеиновые | 10—20 % |
Вода – одно
из самых распространенных веществ на
Земле и преобладающий компонент всех
живых организмов. Среднее количество
воды в клетках большинства живых
организмов составляет порядка 70% (в
клетках медузы – 95%). Вода в клетке
находится в двух формах: свободной и
связанной. Свободная вода составляет
95 % всей воды клетки; на долю связанной
воды, входящей в состав фибриллярных
структур и соединенной с некоторыми
белками, приходится около 4-5 %.
Вода обладает
рядом свойств, имеющих исключительно
важное значение для живых организмом.
Исключительные свойства воды определяются
структурой ее молекул. Молекула воды
является диполем. Атом кислорода в ней
ковалентно связан с двумя атомами
водорода. Положительные заряды
сосредоточены у атомов водорода, т.к.
кислород электроотрицательнее водорода.
Из-за высокой полярности молекул вода
является лучшим из известных растворителей.
Вещества, хорошо растворимые в воде
называют гидрофильными. К ним относят
многие кристаллические соли, ряд
органических веществ – спирты, сахара,
некоторые белки (например, альбумины,
гистоны). Вещества, плохо или совсем
нерастворимые в воде, называют
гидрофобными. К ним относятся жиры,
нуклеиновые кислоты, некоторые белки
(глобулины, фибриллярные белки).
Высокая теплоемкость
воды делает ее идеальной жидкостью для
поддержания теплового равновесия клетки
и в целом организма. Так как на испарение
воды расходуется много теплоты, то,
испаряя воду, организмы могут защищать
себя от перегрева (например, при
потоотделении). Вода обладает высокой
теплопроводностью, обеспечивая
возможность равномерного распределения
тепла между тканями организма.
Вода является
дисперсионной средой, играющей важную
роль в коллоидной системе цитоплазмы,
определяет структуру и функциональную
активность многих макромолекул, служит
основной средой для протекания химических
реакций и непосредственным участником
реакций синтеза и расщепления органических
веществ, обеспечивает транспортировку
веществ в клетке и организме (диффузия,
кровообращение, восходящий и нисходящий
ток растворов по телу растения и др.).Вода
практически не сжимается, создавая
тургорное давление и определяя объем
и упругость клеток и тканей.
Роль водыв
жизнедеятельности живых организмов
огромна. Для живых систем вода – это,
прежде всего, главная среда, в которой
протекают все жизненно важные процессы.
Содержание воды в организме взрослого
человека около 60 – 65% массы тела, причем
чем старше человек, тем меньше воды
содержит его тело.
При потере 4 — 5% воды возникает сильная
жажда, а потеря 20 – 25% воды не совместима
с жизнью.
В организме вода распределена неравномерно.
Больше всего – до 90% — воды в крови и
лимфе, что и не удивительно. А меньше
всего (около 1%) в эмали зубов.
2/3 всей воды находится внутри клеток.
Остальная вода – внеклеточная – входит
в состав спинномозговой жидкости, плазмы
крови, лимфы.
Вода обладает уникальными физико-химическими
свойствами.
По своим физико-химическим параметрам
вода должна быть газом. Это вытекает
из положения кислорода и водорода в
таблице Менделеева. Вода является
жидкостью благодаря водородным связям.
Воду ещё называют жидким кристаллом.
Именно, водородные связи заставляют
воду замерзать при температуре близко
к нулю градусов по Цельсию и кипеть при
100 градусах.Благодаря огромному количеству
водородных связей вода имеет большую
теплоемкость и участвует в терморегуляции
организма.Вода обладает низкой вязкостью и
представляет собой подвижную жидкость.
Причиной высокой подвижности является
малое время существования водородных
связей. Водородные связи в воде постоянно
возникают и разрушаются. Это придает
воде высокую текучесть, что весьма
важно для существования живых организмов.Благодаря выраженной полярности молекул
воды в ней легко растворяются многие
органические и неорганические вещества,
имеющие полярные молекулы.
Неорганические
ионыимеют немаловажное значение
для обеспечения жизнедеятельности
клетки – это катионы (K+, Na+, Ca 2+, Mg 2+, NH3+)
и анионы (Cl-, HPO4 2-, H2PO4-, HCO3-, NO3-) минеральных
солей. Концентрация катионов и анионов
в клетке и в окружающей её среде резко
различна. Внутри клетки превалируют
ионы К+ и крупные органические ионы, в
околоклеточных жидкостях всегда больше
ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется
разность зарядов внешней и внутренней
поверхностей мембраны клетки, между
ними возникает разность потенциалов,
обусловливающая такие важные процессы
как передача возбуждения по нерву или
мышце.
Соединения азота,
фосфора, кальция и другие неорганические
вещества служат источником строительного
материала для синтеза органических
молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых
кислот и др.) и входят в состав ряда
опорных структур клетки и организма.
Некоторые
неорганические ионы (например, ионы
кальция и магния) являются активаторами
и компонентами многих ферментов, гормонов
и витаминов. При недостатке этих ионов
нарушаются жизненно важные процессы в
клетке.
Немаловажные
функции в живых организмах выполняют
неорганические кислоты и их соли. Соляная
кислота входит в состав желудочного
сока человека и животных, ускоряя процесс
переваривания белков пищи. Остатки
серной кислоты, присоединяясь к
нерастворимым в воде чужеродным
веществам, придают им растворимость,
способствуя к выведению из организма.
Неорганические натриевые и калиевые
соли азотистой и фосфорной кислот,
кальциевая соль серной кислоты служат
важными элементами минерального питания
растений, их вносят в почву в качестве
удобрений. Соли кальция и фосфора входят
в состав костной ткани животных.
Содержащиеся в организме ионы имеют
важное значение для поддержания
постоянства реакций среды в клетки и в
окружающих её растворах, т.е. являются
компонентами буферных систем. Наиболее
значимые буферные системы млекопитающих
– фосфатная и бикарбонатная.
Минеральные
соливстречаются в виде молекул,
например, третичный фосфат кальция –
Са3(Р04)2, карбонат
кальция – СаСО3и ионов (Na+,
К+, Fe+2, Fe+3, Са+2,
Mg+2, Ca+2, F—, Cl—,
Br-, J—, SO4-2,
HCO3—, H2P04-,
H2P04-2). Ионный состав
организма во многом сходен с ионным
составом морской воды. Это свидетельство
того, что первичные организмы возникли
и развивались в первобытном океане, и
на протяжении всей эволюции в наземных
условиях в жидкостях и клетках нашего
организма сохранился ионный баланс
первобытного океана.
Более 100 ионов
имеют биологическое значение.
Ионы обеспечивают:
— осмотическую
работу организма (Nа+, К+,
Cl-);
— регуляцию
активности ферментов (Cl-, Nа+,
Mg+2, Ca+2);
— пространственную
структуру биополимеров (Zn+2, Fe+2,
Сu+2, Мn+2, Со+2, Mg+2)
— сохранение
постоянства внутренней среды организма
(НСО3-, Н2РО4-,
НРО4-2);
— проницаемость
клеточных мембран (К+, Nа+);
— обезвреживающую
функцию печени (SO4-2).
Органическиев
вещества.Клетки содержат множество
разнообразных органических соединений:
углеводы, липиды, белки, нуклеиновые
кислоты и др. В зависимости от молекулярной
массы и структур различают малые
низкомолекулярные органические молекулы
– мономеры – и более крупные,
высокомолекулярные макромолекулы –
полимеры. Мономеры служат строительным
материалом для полимеров.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #