Минеральные вещества - ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТОК

Неорганические соединения клетки чаще всего находятся в виде солей, диссоциированных в растворе на ионы. Также соли встречаются в твердом состоянии (карбонаты и фосфаты кальция костной ткани, известковые или кремневые панцири губок, раковин моллюсков, многих диатомовых и красных водорослей). Неорганические ионы имеют большое значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки. Наиболее важными для клеток являются катионы К⁺, Na⁺, Мg²⁺, Са²⁺ и анионы HPO₄², Н₂РO₄, СL^_, НСO₃ минеральных солей. Соли натрия, калия, кальция и др. составляют около 0,9 — 1% плазмы крови. Концентрация различных солей в плазме относительно постоянна.

Состав минеральных солей и их концентрация определяют осмотическое давление внутри клеток. Плазматическая мембрана (см. параграф 5.1) обладает избирательной проницаемостью. Она пропускает молекулы воды, но непроницаема для более крупных молекул растворенных в воде веществ. Процесс диффузии молекул воды через полупроницаемую мембрану в направлении большей концентрации растворенного в ней вещества называют осмосом. Осмотическое давление зависит от содержания в растворе солей, белков и др. Явление осмоса играет важную роль. Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточные структуры. Упругость клеток (тургор), обеспечивающая эластичность тканей и сохранение определенной формы органов, обусловлена осмотическим давлением.

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называют изотоническими. Для теплокровных животных и человека изотоничны й 0,9%-ный раствор NaCl и 4,5%-ный раствор глюкозы. Изотонические растворы, приближающиеся по составу, величине рН, буферным и другим свойствам к плазме крови, называют физиологическими растворами. Такие растворы используются в качестве кровезаменителей. При помещении клеток в такой раствор они сохраняют свой размер и нормально функционируют. Лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в физиологическом растворе. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3 — 5— 10%-ный, гипертонический раствор), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. Гипотонические растворы содержат соли в меньшем количестве, чем плазма крови (менее 0,9% NaСl). При помещении в них эритроцитов осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки, приводило бы к их разрыву (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Водный баланс клеток

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде различна. Внутри клетки превалируют ионы К⁺ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na⁺ и Сl^_. 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. Для нормального сокращения сердечной мышцы млекопитающих необходимо определенное соотношение К⁺, Na⁺ и Са²⁺. При нарушении баланса этих ионов работа сердечной мышцы нарушается. Снижение уровня Са²⁺ в крови вызывает судороги и смерть.

Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства реакций среды в клетке и в окружающих ее растворах, т.е. являются компонентами буферных систем. Буферы поддерживают слабощелочную реакцию содержимого клеток на слабощелочном уровне. Наиболее значимыми буферными системами млекопитающих являются фосфатная и бикарбонатная. Фосфатная буферная система состоит из НРО₄² и Н₂РO₄ и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 — 7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из Н₂СO₃ и НСO₃ и поддерживающая рН на уровне 7,4.

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. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных. 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. Соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде веществам, придают им растворимость, способствуя выведению из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.

Опорные точки

• Качественный состав элементов, образующих неживую и живую материю, во многом сходен.

• Шесть основных элементов — Н, О, N. С, Р и S — называют биоэлементами, отмечая их вклад в образование органических молекул.

• Вода образует основу внутренней среды живых организмов.

• Катионы и анионы растворимых солей формируют буферные системы клетки, предотвращая резкие колебания рН внутренней среды.

Вопросы и задания для повторения

1. Какие химические элементы входят в состав клетки? Приведите примеры биологической роли химических элементов.

2. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.

3. Какие неорганические вещества входят в состав клетки?

4. В чем заключается биологическая роль воды? Минеральных солей?

5. Какие вещества обусловливают буферные свойства клетки?

6. Каковы отличия вклада различных элементов в организацию живой и неживой природы?

7. Объясните, как физико-химические свойства воды проявляются в обеспечении процессов жизнедеятельности клетки и целостного организма.