Неорганические вещества клетки вода физиологическое значение таблица

Лекция 4. Химический состав клеток. Вода, соли

Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.

Химический состав клеток.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными. По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы, элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe (1,9%).

Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.

Неорганические вещества клетки. Вода.

Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.

В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом.

Рис. . Вода. Значение воды.

Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими, к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран.

Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.

Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.

Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов.

Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.

Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).

Итак, значение воды для организма заключается в следующем:

1. Является средой обитания для многих организмов;
2. Является основой внутренней и внутриклеточной среды;
3. Обеспечивает транспорт веществ;
4. Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);
5. Служит растворителем и средой для диффузии;
6. Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;
7. При испарении участвует в терморегуляции организма;
8. Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;
9. Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды.

Минеральные вещества.

Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO₄ 2- , Cl — , HCO₃ — . Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К + внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na + вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl — вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Табл. 1. Важнейшие химические элементы

Химический элемент

Вещества, в которых химический элемент содержится

Процессы, в которых химический элемент участвует

Углерод, водород, кислород, азот

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества

Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами

Обеспечивают функции мембран, в частности, поддерживают электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

Фосфат кальция, карбонат кальция

Участвует в процессе свертывания крови, сокращения мышц, входит в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков

Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений

Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков

Нуклеиновые кислоты, АТФ

Синтез нуклеиновых кислот, фосфорилирование белков (их активирование)

Поддерживает электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

Активизирует пищеварительные ферменты желудочного сока

Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании

Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза

Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных

Входит в состав более 100 ферментов: Алькогольдегидрогеназа, карбоангидраза

Анаэробное дыхание у растений

Транспорт СО₂ у позвоночных

Костная ткань, зубная эмаль

Регуляция основного обмена

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К + , Na + , Ca 2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла).

От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H₂PO₄ — и НРО₄ 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н₂СО₃ и НСО₃ — .

Фосфатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион

Бикарбонатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

Гидрокарбонат – ион Угольная кислота

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.

Ключевые термины и понятия

1. Общая биология. 2. Тропизмы, таксисы, рефлексы. 2. Биогенные элементы. 3. Макроэлементы. 4. Элементы 1 и 2 групп. 5. Микро- и ультрамикроэлементы. 6. Гидрофильные и гидрофобные вещества. 7. Амфипатические вещества. 8. Гидролиз. 9. Гидратация. 10. Буферность.

Основные вопросы для повторения

1. Строение молекулы воды и ее свойства.
2. Значение воды.
3. Процентное соотношение органических веществ в клетке.
4. Важнейшие катионы клетки и их концентрация в нервных и мышечных клетках.
5. Реакция фосфатной буферной системы при понижении рН.
6. Реакция карбонатной буферной системы при повышении рН.

Источник

Неорганические вещества в составе клетки (Таблица)

Неорганические вещества, которые содержаться в клетке, можно разделить на 2 основные группы: вода и минеральные соли. Их особенности строения, функции и свойства даны в таблице ниже.

Таблица неорганические вещества в клетке

Неорганические вещества клетки

Особенности строения и свойств

Полярная молекула; хороший растворитель

Внутренняя среда клетки; среда для протекания биохимических реакций;

перемещение веществ, определенный объем и упругость клетки;

регулятор тепла и кислотности.

Положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы).

Катионы К + , Na + , Са 2+ , Mg :+ , NH₄ +

Обеспечивают постоянство химического состава внутриклеточной среды;

участвуют в образовании жизненно важных веществ (гормонов);

отвечают за проведение нервного импульса, обеспечивают рост и развитие клетки;

участвуют в активации ферментов и т.д.

Значение воды в клетке и организме

1. Вода является растворителем для полярных веществ. Большинство химических реакций в клетке протекает в водных растворах.

2. Неполярные вещества, а также неполярные участки молекул гидрофобны, то есть отталкиваются водой и притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и ряда субклеточных структур.

3. Вода служит средой для транспорта различных веществ.

4. Вода обладает большой теплоемкостью за счет водородных связей. Это сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур и с более постоянной скоростью.

5. Вода обладает большой теплотой испарения, то есть испарение сопровождается охлаждением, таким образом вода участвует в терморегуляции организма.

6. Играет важную роль в осмотическом поступлении веществ в клетку и организм и в поддержании тургора.

7. Биологическое значение воды определяется и тем, что она участвует во многих реакциях метаболизма (все реакции гидролиза, выделение кислорода в процессе фотосинтеза).

8. В клетках и тканях различают две формы воды: свободную и связанную. Свободная обладает достаточной подвижностью и участвует в основном в транспорте веществ в организме. Связанная может формировать гидратные оболочки ионов н молекул, образовывать коллоидные растворы белков, капиллярно связываться со стенками сосудов.

_______________

Источник информации:

1. Биология в таблицах и схемах / Спб. — 2004.

2. Общая биология / Левитин М. Г. — 2005.

Источник

Биология в лицее

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 г. Воронежа, РФ

Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation

В клетках содержатся неорганические и органические вещества (соединения).

Неорганические вещества клетки – это вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.

Неорганические вещества клетки
Минеральные соли (составляют 1–1,5% общей массы клетки)
придаёт клетке упругость и объём; универсальный растворитель; водные растворы образуют внутреннюю среду клетки; средство транспорта для растворённых веществ в клетку и из неё; служит средой, в которой протекают химические реакции; является ускорителем многих химических процессов; обеспечивает теплоёмкость; обладает высокой теплопроводностью; участвует в терморегуляции живых организмов.	присутствуют в виде ионов или твёрдых нерастворимых солей; создают кислую или щелочную реакцию среды; Ca 2+ входит в состав костей и зубов, участвует в свёртывании крови; K + и Na + обеспечивают раздражимость клеток; Cl – входит в состав желудочного сока; Mg 2+ содержится в хлорофилле; I – компонент тироксина (гормона щитовидной железы); Fe 2+ входит в состав гемоглобина; Cu, Mn, B участвуют в кроветворении, фотосинтезе, влияют на рост растений.

Вода является важнейшим компонентом содержимого живой клетки. Вода придает клетке упругость и объем, обеспечивает постоянство состава, участвует в химических реакциях и в построении органических молекул, делает возможным протекание всех процессов жизнедеятельности клетки. Вода является растворителем химических веществ, которые поступают в клетку и выводятся из нее.

Вода (оксид водорода, Н₂O) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В природных условиях содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в жизни клеток и живых организмов, в формировании климата и погоды.

Количество воды в клетке составляет от 60 до 95% общей массы. Роль воды в клетке определяется её уникальными химическими и физическими свойствами, связанными с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи.

Вода как компонент биологических систем

• Вода — универсальный растворитель для полярных веществ — солей, сахаров, кислот и др. Она увеличивает их реакционную способность, поэтому большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах.
• Неполярные вещества в воде нерастворимы (не происходит образования водородных связей). Притягиваясь друг к другу, гидрофобные вещества в присутствии воды образуют различные комплексы (например, биологические мембраны).
• Высокая удельная теплоёмкость воды (т. е. поглощение большого количества энергии для разрыва водородных связей) обеспечивает поддержание теплового баланса организма при перепадах температуры окружающей среды.
• Высокая теплота парообразования (способность молекул уносить с собой значительное количество тепла при охлаждении организма) предотвращает перегрев организма.
• Высокое поверхностное натяжение обеспечивает передвижение растворов по тканям.
• Вода обеспечивает выведение продуктов метаболизма.
• У растений вода поддерживает тургор клеток, у некоторых животных выполняет опорные функции (гидростатический скелет).
• Вода входит в состав различных биологических жидкостей (крови, слюны, слизи, желчи, слёз, спермы, синовиальной и плевральной жидкостей и др.).

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный приблизительно 104,5°.

Из-за высокой электроотрицательности атома кислорода связь О—H полярна. Атомы водорода несут частичный положительный заряд, а атом кислорода — частичный отрицательный.

Диполь создаёт вокруг себя магнитное поле на больших по сравнению с его размерами расстояниях.

При испарении воды разрушение водородных связей требует больших затрат энергии.

Содержание воды в различных организмах и органах (в %)
Растения или части растений		Животные или органы животных
Водоросли	до 98	Медузы	до 95
Высшие растения	от 70 до 80	Виноградные улитки	80
Листья деревьев	от 50 до 97	Тело человека	60
Клубни картофеля	75	Кровь человека	79
Сочные плоды фруктов	до 95	Мышцы человека	от 77 до 83
Одревесневшие части растений	от 40 до 80	Сердце человека	70
Сухие семена	от 5 до 9

Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями.

Минеральные соли составляют всего 1–1,5% общей массы клетки, но роль их значительна. В растворенном виде они являются необходимой средой для химических процессов, обусловливающих жизнь клетки.

В клетках находится много разных солей. Животные с помощью выделительной системы удаляют из организма избыточные соли, а у растений они накапливаются и кристаллизуются в различных органоидах или в вакуолях. Чаще это бывают соли кальция. Их форма в клетках растений может быть различной: иглы, ромбы, кристаллики – одиночные или сросшиеся вместе (друзы).

Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg + , NH₄ + ) и анионы (Сl — , Н₂Р0₄ — , НР0₄ 2- , НС0₃ — , NO₃ — , SO₄ 2- ).

Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки, а также в клетке и окружающей среде. Концентрация ионов натрия всегда выше вне клетки, а ионов калия и магния — внутри клетки. Разность между количеством катионов и анионов внутри клетки и на её поверхности обеспечивает активный перенос веществ через мембрану.

От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы — способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов в условиях постоянного образования кислых и щелочных веществ при метаболизме.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и её анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ.

Источник