Какие ионы содержится в клетке какова их биологическая 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.
Из этого урока вы узнаете о роли минеральных соединений микро- и макроэлементов в жизнедеятельности живых организмов. Вы познакомитесь с водородным показателем среды – рН, узнаете, как этот показатель связан с физиологией организма, каким образом в организме поддерживается постоянный рН среды. Выясните роль неорганических анионов и катионов в процессах обмена веществ, узнаете подробности о функциях катионов Na, K и Са в организме, а также какие другие металлы входят в состав нашего тела и каковы их функции.
Введение
Тема: Основы цитологии
Урок: Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки
Введение. Минеральные вещества в клетке
Минеральные вещества составляют от 1 до 1,5% от сырой массы клетки, и находятся в клетке в виде солей диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии (рис. 1).
Рис. 1. Химический состав клеток живых организмов
В цитоплазме любой клетки находятся кристаллические включения, которые представлены слаборастворимыми солями кальция и фосфора; кроме них могут находиться оксид кремния и другие неорганические соединения, которые участвуют в образовании опорных структур клетки – в случае минерального скелета радиолярий – и организма, то есть образуют минеральное вещество костной ткани.
Неорганические ионы: катионы и анионы
Неорганические ионы, имеющие значение для жизнедеятельности клетки (рис. 2).
Рис. 2. Формулы основных ионов клетки
Катионы – калий, натрий, магний и кальций.
Анионы – хлорид анион, гидрокарбонат анион, гидрофосфат анион, дигидрофосфат анион, карбонат анион, фосфат анион и нитрат анион.
Рассмотрим значение ионов.
Ионы, располагаясь по разные стороны клеточных мембран, образуют так называемый трансмембранный потенциал. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой. Так, концентрация ионов калия (К+) в клетке в 20–30 раз выше, чем в окружающей среде; а концентрация ионов натрия (Na+) в десять раз ниже в клетке, чем в окружающей среде.
Благодаря существованию градиентов концентрации, осуществляются многие жизненно важные процессы, такие как сокращение мышечных волокон, возбуждение нервных клеток, перенос веществ через мембрану.
Катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы. Ионы калия уменьшают вязкость и увеличивают текучесть, ионы кальция (Са2+) обладают противоположным действием на цитоплазму клетки.
Анионы слабых кислот – гидрокарбонат анион (НСО3-), гидрофосфат анион (НРО42-) – участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки, то есть pH среды. По своей реакции растворы могут быть кислыми, нейтральными и основными.
Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (рис. 3).
Рис. 3. Определение кислотности раствора при помощи универсального индикатора
Эту концентрацию выражают с помощью водородного показателя pH, протяженность шкалы от 0 до 14. Нейтральная среда pH – около 7. Кислая – меньше 7. Основная – больше 7. Быстро определить pH среды можно с помощью индикаторных бумажек, или полосок (см. видео).
Мы опускаем индикаторную бумажку в раствор, затем полоску вынимаем и сразу же сравниваем окрашивание индикаторной зоны полоски с цветами стандартной шкалы сравнения, которая входит в комплект, оценивая схожесть окрашивания и определяя значение pH (см. видео).
рН среды и роль ионов в его поддержании
Значение pH в клетке примерно равняется 7.
Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.
Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам её содержимого. Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют (Источник).
Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью. Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов. Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.
Некоторые органические соединения, в частности белки, также обладают буферными свойствами.
Катионы магния, кальция, железа, цинка, кобальта, марганца входят в состав ферментов и витаминов (см. видео).
Катионы металлов входят в состав гормонов.
Цинк входит в состав инсулина. Инсулин – это гормон поджелудочной железы, который регулирует уровень глюкозы в крови.
Магний входит в состав хлорофилла.
Железо входит в состав гемоглобина.
При недостатке этих катионов нарушается процессы жизнедеятельности клетки.
Ионы металлов как кофакторы
Значение ионов натрия и калия
Ионы натрия и калия распределены по всему объему организма, при этом ионы натрия входят, в основном, в состав межклеточной жидкости, а ионы калия содержатся внутри клеток: 95% ионов калия содержатся внутри клеток, а 95% ионов натрия содержатся в межклеточных жидкостях (рис. 4).
Рис. 4.
С ионами натрия связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, а также перенос, или транспорт таких веществ как аминокислоты и сахара через мембрану.
Значение кальция в организме человека
Кальций является одним из самых распространенных элементов в организме человека. Основная масса кальция входит в состав костей и зубов. Фракция внекостного кальция составляет 1% от общего количества кальция в организме. Внекостный кальций влияет на свертываемость крови, а также нервно-мышечную возбудимость и сокращение мышечных волокон.
Фосфатная буферная система
Фосфатная буферная система играет роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, кроме этого она поддерживает баланс в просвете канальцев почек, а также внутриклеточной жидкости.
Фосфатная буферная система состоит из дигидрофосфата и гидрофосфата. Гидрофосфат связывает, то есть нейтрализует протон. Дигидрофосфат высвобождает протон и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами.
Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови (Рис. 5).
Рис. 5.
Буферная система крови
В организме человека всегда имеются определенные условия для сдвига нормальной реакции среды ткани, например, крови, в сторону ацидоза (закисления) или алкалоза (раскисления – смещения рН в большую сторону).
В кровь поступают различные продукты, например, молочная кислота, фосфорная кислота, сернистая кислота, образующиеся в результате окисления фосфорорганических соединений либо серосодержащих белков. При этом реакция крови, может сдвигаться в сторону кислых продуктов.
При употреблении мясных продуктов, в кровь поступают кислые соединения. При употреблении растительной пищи, в кровь поступают основания.
Тем не менее, pH крови остается на определенном постоянном уровне.
В крови имеются буферные системы, которые поддерживают pH на определенном уровне.
К буферным системам крови относятся:
— карбонатная буферная система,
— фосфатная буферная система,
— буферная система гемоглобина,
— буферная система белков плазмы (Рис. 6).
Взаимодействие этих буферных систем создает определенное постоянное pH крови.
Рис. 6.
Таким образом, сегодня мы с вами рассмотрели минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.
Домашнее задание
Какие химические вещества называют минеральными? Каково значение минеральных веществ для живых организмов? Из каких веществ в основном состоят живые организмы? Какие катионы входят в состав живых организмов? Каковы их функции? Какие анионы входят в состав живых организмов? Какова их роль? Что такое буферная система? Какие буферные системы крови вам известны? С чем связано содержание минеральных веществ в организме?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Химический состав живых организмов (Источник).
2. Википедия (Источник).
3. Биология и медицина (Источник).
4. Образовательный центр (Источник).
Список литературы
1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.
I. Наиболее распространенными в клетках живых организмов элементами являются:
a) N, О, H, S; б) С, Н, N, О; в) S, Fe, О, С ; г) О, S, Н, Fe
2. Азот как элемент входит в состав:
а) только белков и нуклеиновых кислот;
б) нуклеиновых кислот, белков и АТФ;
в) только белков;
г) белков, нуклеиновых кислот и липидов;
3. Водород как элемент входит в состав:
а) только воды и некоторых белков
б) только воды, углеводов и липидов
в) всех органических соединений клетки
г) только воды, углеводов, белков и нуклеиновых кислот.
4. На каком уровне организации не наблюдается различие между органическим и неорганическим миром?
а) атомном, б) молекулярном, в) клеточном. 5.Воды содержится больше в клетках: а)эмбриона, б) молодого человека, в) старика.
6. Вода — основа жизни:
а) она может находиться в трех состояниях (жидком, твердом, газообразном);
б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из неё продуктов обмена;
в) охлаждает поверхность при испарении.
7. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются: а)гидрофильные, б) гидрофобные, в) амфифильные.
8. К гидрофобным соединениям клетки относятся:
а) липиды и аминокислоты;
б) липиды;
в) липиды и минеральные соли;
г) аминокислоты и минеральные соли.
9. К углеводам моносахаридам относятся:
а) крахмал; б) гликоген; в) глюкоза; г) мальтоза.
10. К углеводам полисахаридам относятся:
а) крахмал; б) дезоксирибоза; в) рибоза; г) глюкоза.
II. Основные функции жиров в клетке:
а) запасающая и структурная;
б) структурная и энергетическая;
в) энергетическая и запасающая;
г) структурная и защитная.
12.Белки — это биополимеры мономерами, которого являются: а) нуклеотиды; б)аминокислоты; в) азотистые основания. 13. Аминокислоты различаются:
а)аминогруппой, б) карбоксильной группой; в)радикалом.
12. В состав молекул белков входят:
а) только аминокислоты
б) аминокислоты и иногда ионы металлов
в) аминокислоты и иногда молекулы липидов
г) аминокислоты и иногда молекулы углеводов
13. Структура молекулы белка, которую определяет последовательность аминокислотных остатков: а) первичная; б) вторичная; в) третичная; г) четвертичная. 13. Вторичная структура белка связана с:
а) спирализацией полипептидной цепи
б) пространственной конфигурацией полипептидной цепи
в) числом и последовательностью аминокислотных остатков
г) пространственной конфигурацией спирализованной полипептидной цепи А 14. 14.Вторичная структура белка поддерживается связями:
а) только пептидными;
б) только водородными;
в) дисульфидные и водородными;
г) водородными и пептидными;
15. Наименее прочными структурными белка является:
а) первичная и вторичная
б) вторичная и троичная
в) третичная и четвертичная
г) четвертичная и вторичная
16. Белок каталаза выполняет в клетке функцию;
а) сократительную;
б) транспортную;
в) структурную;
г) католическую.
17. При неполной денатурации белка первой разрушается структура: а) первичная;
б)вторичная;
в) только третичная;
г) четвертичная, иногда третичная.
18. Мономерами молекул ДНК являются:
а) нуклеозиды;
б) нуклеотиды;
в) аминокислоты;
19 Нуклеотиды ДНК состоят из:
а) только азотистых оснований;
б) только азотистых оснований и остатков сахаров;
в) только азотистых оснований и остатков фосфорных кислот;
г ) остатков фосфорных кислот, сахаров и азотистых оснований.
20. Состав нуклеотидов ДНК отличается друг от друга содержанием:
а) только сахаров;
б) только азотистых оснований;
в) сахаров и азотистых оснований;
г) сахаров, азотистых оснований и остатков фосфорных кислот.
21. Нуклеотиды ДНК содержат азотистые основания:
а) цитозин, урацил, аденин, тимин;
б) тимин, цитозин, гуанин, аденин;
в) тимин, урацил, аденин, гуанин;
г) урацил, цитозин, аденин, тимин.
22. Нуклеотиды РНК состоят из:
1) только азотистых оснований;
2) только азотистых оснований и остатков сахаров;
3) только азотистых оснований и остатков фосфорных кислот;
4) остатков фосфорных кислот, сахаров и азотистых оснований.
23.Молекулы, при окислении которых освобождается много энергии: а) полисахариды; б) жиры; в) белки; г) моносахариды.
Вставьте в текст пропущенные слова.
Белки — сложные органические вещества,…..
Они состоят из мономеров-……
Аминокислоты располагаются в молекуле белка в определенной последовательности, чем определяется его ….структура. «
Главная биологическая функция белков в клетке
Вещества, являющиеся продуктами реакции соединения глицерина и жидких жирных кислот-….
Мономер молекулы крахмала -…..
Пятиуглеродный сахар, входящий в состав молекулы ДНК -…..
Задания со свободным ответом.
1. О чем свидетельствует сходство строения клеток организмов всех царств живой природы?
2. Почему белки стоят на первом месте по своему значению в клетке? З.Что лежит в основе способности молекулы ДНК самоудваиваться?
Биологическое значение анионов
Несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности клетки непрерывно образуются кислоты и щелочи, в норме реакция клетки слабощелочная, почти нейтральная (рН=7,2). Это обеспечивается содержащимися в ней анионами слабых кислот, которые связывают или отдают ионы водорода, в результате чего реакция среды клетки практически не изменяется.
Способность клетки поддерживать определенную концентрацию водородных ионов (рН) называют буферностью.
Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H2РО4–. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют СО32– и НСО3–. Отчасти буферность обеспечивается и катионами, образующими слаборастворимые основания – они связывают гидроксил-ионы (ОН–) при их избытке.
[ссылка заблокирована по решению администрации проекта]
:Живой организм подчиняется физико-химическому закону электронейтральности: суммы положительных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны. Для соблюдения этого закона в организме не хватает некоторого количества неорганических анионов. Недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы органических кислот и белков. Неорганические ионы в клетке выполняют многочисленные биологические функции. В данном разделе мы ограничимся перечислением их основных функций; в последующих разделах будут приведены конкретные примеры. Биологические функции катионов: * Транспортная — участвуют в переносе электронов и молекул простых веществ. * Структурообразующая — обусловлена комплексообразующими свойствами металлов, катионы которых участвуют в образовании функционально активных структур макромолекул и надмолекулярных комплексов. * Регуляторная — являются регуляторами (активаторами или ингибиторами) активности ферментов. * Осмотическая — регулируют осмотическое и гидроосмотическое давление. * Биоэлектрическая — связана с возникновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Биологические функции анионов: * Энергетическая — участвуют в образовании главного носителя энергии в организме человека — молекулы АТФ — из АДФ и неорганических фосфатных анионов. * Опорная — анион фосфора и катион кальция входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей, определяющих их механическую прочность. * Синтетическая — используются для синтеза биологически активных соединений (I- участвует в синтезе гормонов щитовидной железы).
Роль анионов кальция и калия огромна. Они участвуют в создании потенциала действия. Это имеет значение для проведения импульса по мембранам нервных клеток.
Роль анионов и ионов кальция в развитии потенциала действия
Речь идет о двух типах ионов: отрицательно заряженные анионы и ионы кальция.
Непроникающие через мембрану отрицательно заряженные ионы (анионы) внутри аксона. Внутри аксона много отрицательно заряженных ионов, которые не могут проходить через мембранные каналы: анионы белковых молекул и многих органических фосфатных, а также сульфатных соединений и др. Поскольку эти ионы не могут покинуть аксон, любой недостаток положительных ионов внутри клетки приводит к избытку непроникающих через мембрану отрицательных ионов. Следовательно, анионы ответственны за отрицательный заряд внутри волокна при наличии общего дефицита положительно заряженных ионов калия и других положительных ионов.
далее читать по ссылке:
Роль анионов и ионов кальция в развитии потенциала действия