Какие ионы содержаться в клетке какова их биологическая роль
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.
Источник
Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NO3-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6—9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4—7.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.
Макроэлементы — Н, О, N, С, микроэлементы — Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы — Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.
Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Физические свойства воды:
• вода может находиться в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном;
• вода — растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, — гидрофобными;
• высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;
• высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;
• молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;
• сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;
• плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;
• способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).
Биологические функции воды:
• транспортная — вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;
• метаболическая — вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;
• участвует в образовании:
1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная — в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная — в околосердечной сумке);
2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;
3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.
Вопросы для закрепления темы:
1.Какие химические элементы входят в состав клетки?
2.Какую роль играют содержащиеся в клетке элементы?
3.Каковы особенности строения и функции воды?
4.Какие соединения называются гидрофобными и гидрофильными соединениями?
5.Назовите ионы неорганических веществ, содержащиеся в клетке.
6.Каково значение для клетки солей фосфора, калия и натрия?
7.Какое свойство воды предохраняет организм от перегрева?
Источник
Особенности химического состава клетки. Неорганические вещества
Вопросы
1. Какова роль воды в клетке и организме?
2. Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
3. Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?
Биологические задачи
1. В клетках всех живых организмов имеется вода. При замерзании она расширяется и может разорвать внутренние структуры клетки, тем самым вызвав гибель организмов. Почему же зимой не погибают озимая пшеница, лягушки, насекомые и многие другие организмы при охлаждении их тела ниже 0 градусов?
2. Воду можно налить в стакан “с верхом”, и она не прольется, в отличие от других жидкостей, так как на ней образуется своеобразная “кожица”. Как вы объясните это явление? Благодаря какому свойству воды это возможно?
3. При превращении воды в лед на поверхности водоемов образуется своеобразное “одеяло”, что в условиях умеренного и холодного климата повышает шансы водных организмов на выживание. С каким свойством воды это связано? Что произошло бы, если бы вода не обладала такими свойствами?
4. Из 1-2 кг кальция, содержащегося в организме взрослого человека, 98% находится в составе костной ткани скелета, остальная часть кальция выполняет другие не менее важные функции. Какие?
5. Буферный раствор – это раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Действие такого раствора заключается в том, чтобы противостоять изменениям pH. Объясните как это происходит.
Интерактивные приложения
1. Распределить химические элементы по группам (макро-, микро- и ультрамикроэлементы) https://learningapps.org/view2529982
2. Тест “Неорганические вещества клетки” https://learningapps.org/view2530854
3. Установить соответствие между химическим элементом и его функцией https://learningapps.org/view9809856
Тест
1. Между понятием «хлорофилл» и «магний» существует определенная связь. Такая же связь существует между понятием «гемоголобин» и одним из четырех понятий, приведенных ниже. Найдите это понятие.
- железо
- марганец
- йод
- кальций
2. Какие свойства воды делают ее хорошим растворителем веществ в клетке?
- малые размеры
- полярность молекул
- хорошая теплопроводность
- капиллярность
3. Чем полезна соль, обогащенная йодом?
- йод влияет на состав форменных элементов крови
- йод способствует синтезу витамина А
- йод предупреждает заболевание гриппом
- йод регулирует деятельность щитовидной железы
4. Какой химический элемент придает крови красный цвет?
- кислород
- азот
- фтор
- железо
5. Какое вещество клетки является органическим?
- соль фосфорной кислоты
- соль угольной кислоты
- вода
- фруктоза
6. Какой химический элемент из указанного перечня содержится в клетке в большем количестве?
- углерод
- сера
- фосфор
- калий
7. Магний необходим растениям, так как он входит в состав
- гемоглобина
- хлорофилла
- нуклеиновых кислот
- аденозинтрифосфорной кислоты
8. Вещества клетки объединяют в две группы – гидрофильные и гидрофобные по отношению к
- воде
- белкам
- липидам
- нуклеиновым кислотам
9. Ионы К+ и Na– в организме участвуют в
- переносе кислорода
- регуляции выработки гормонов
- передаче возбуждения по нерву
- образовании ферментов
10. Какой элемент относится к группе макроэлементов
- йод
- углерод
- хлор
- медь
Контрольная работа
Источник
Ключевую роль в жизнедеятельности организмов играет совсем незначительное их количество. Это главным образом ионы металлов.
Катионы К +, Na +, Са2 + обеспечивают универсальное свойство живой материи — раздражимость, поддерживают осмотическое давление в клетке, у животных они участвуют в передаче нервных импульсов. Кроме того, К + и Na + участвуют в специальном механизме транспортировки различных соединений в клетку и их выводе за ее пределы. Преимущественно ионы Na + находятся за пределами клетки, а К + — внутри клетки. Ионы Са2 + обусловливают мышечные сокращения.
Какую функцию в клетках выполняют катионы и анионы
Катион Mg2 + входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует химические реакции, протекающие в клетках всех без исключения существ, a Fe2 + входит в состав гемоглобина, миоглобина, дыхательных пигментов.
Особа функция катиона NH4, участвующий в поддержании устойчивого pH в клетке. Он является важным компонентом синтеза белков, но его избыток, вызванный нарушением обмена веществ, может приводить к значительным функциональным расстройствам.
Важную роль в организмах разных видов живых существ играют анионы ортофосфорной кислоты Н2РС > 4 и НРО -, которые обусловливают буферность (от англ. Баф — смягчать толчки) клетки — способность поддерживать внутриклеточную среду на уровне установившегося значения pH 6,9, которое свойственно содержанию большинства клеток человека. Тогда как анионы угольной кислоты НСО3 поддерживают постоянное pH на уровне 7,4 за пределами клетки. Анионы HSO4 взаимодействуют с малорастворимыми соединениями и таким образом лишают организм различных шлаков. Анион СИ — является компонентом желудочного сока животных, а анион И — входит в состав гормона тироксина. (Вспомните, какой железой вырабатывается этот гормон.)
Где встречаются нерастворимые минеральные соединения
Особое значение приобретают нерастворимые в воде минеральные соли — неотъемлемый компонент всех опорных структур животных. При этом ключевым веществом является кальций ортофосфат Са3 (Р04) 2 — составляющая межклеточного «цемента», что обеспечивает соединение клеток в ткани. Кроме того, он непременно содержится в скелете, в частности в костях позвоночных животных или в раковине моллюсков.
Явление ионной асимметрии живого
В современной биологии считается вполне доказанным, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии. Оно заключается в неравномерном распределении ионов одного и того же заряда как внутри, так и за пределами клетки. Типичным примером является разница в концентрации ионов Na + и К + в клетке и за ее пределами.
Несмотря на незначительное содержание, минеральные вещества и ионы являются важными составляющими каждого организма. Именно эти соединения, содержащиеся в клетках и за их пределами в виде ионов, ответственные за важнейшие функции — раздражительность и скорость обмена веществ — входят в состав многих важных веществ. У животных они ответственны за проведение нервного импульса и сокращение мышечных клеток, объединение клеток в ткани и межклеточное взаимодействие.
Нерастворимые соли участвуют в образовании скелета, ответственные за соединение клеток.
Теги: Биология, буферность, важнейшие функции, жизнь, клетка, природа, тироксин, функционирование организма
Источник
Роль воды в клетке для живого организма незаменима.
Она составляет около 70 процентов от ее массы. Остальные 30 процентов занимают органические и неорганические вещества. Недостаток жидкости приводит к истощению или гибели организма.
В данной статье мы узнаем, какие важные функции вода выполняет в клетках.
Какую роль выполняет в клетке вода
Все живые организмы состоят из клеток: человек, растения, животных, бактерии и т.д. Клетка – это наименьшая единица строения живого организма.
Они различаются, но имеют общие признаки.
Источник: Биология, Л.Н Сухорукова, В. С. Кучменко, И. Я. Колесникова
В состав всех клеток входят органические и неорганические вещества. Самое распространенное неорганическое вещество – вода.
Рассмотрим кратко её основные функции.
- Растворитель. Вода выполняет в клетке функцию растворителя, большинство химических реакций протекают только в водной среде.
- Транспортная функция. Помогает переносить питательные вещества из одной части в другую.
- Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
- Вода как реагент. Она участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
- Терморегуляторная. Поглощает большое количество тепловой энергии при минимальном повышении собственной температуры. Таким образом, защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.
- Придает форму и упругость клетке. Вода практически не сжимается (в жидком состоянии) и служит гидростатическим скелетом. В составе клетке вода занимает 1 место среди всех химических соединений, определяет объем и упругость.
Химическая роль
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
- фотосинтеза растений;
- гидролизе – разрушении веществ с присоединением воды.
Химический состав клетки
Рассмотрим полный состав на рисунке № 2.
Химический состав
Органические вещества
- Белки – сложные органические соединения. В одном организме может быть несколько тысяч разных видов. Самый известный белок — гемоглобин. Он осуществляет поступление кислорода ко всем клеткам. Благодаря белку Интерферону, организм человека борется с вирусными заболеваниями.
- Углеводы необходимы, как источник энергии. К ним можно отнести: глюкозы, сахарозу и д. р.
- Жиры являются запасным источником энергии и воды. Особенно они важны для животных, впадающих в спячку.
- Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. Присутствуют во всех живых организмах. Передают наследственную информацию. Они хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях.
Неорганические вещества
- Вода занимает 70 процентов. Она является непосредственным участником роста, размножения, питания, выделения, передвижения веществ в клетке и организме.
- Минеральные соли, растворены в воде. Составляют от 1-1,5 процентов. В растворенном виде они образуют необходимую среду для химических процессов.
- Углекислый газ.
- Кислоты и основания.
Как образуются органические и неорганические вещества
В природе большое разнообразие клеток. Они могут отличаться размерами, функциям, формой. Могут быть свободноживущими или входить в состав многоклеточного организма. При всем многообразии они состоят из одних и тех же типов химических веществ.
Живую клетку отличают 2 особенности:
- высокое содержание воды;
- большое количество сложных органических веществ.
По подсчетам ученых в ней можно встретить около 70 химических элементов, правда, только 24 встречаются постоянно. Рассмотрим рисунок № 3.
По количеству элементы, содержащиеся в клетках, делят на 3 группы.
- Макроэлементы. Встречаются в большом количестве. К ним относят: Кислород, Углерод, Водород, Азот, Серу, Железо, Фосфор, Кальций и т.д.
- Микроэлементы. Встречаются в небольшом количестве такие элементы, как: Марганец, Медь, Кобальт, Цинк и т.д. Несмотря на малое содержание, они выполняют большую роль в обмене веществ.
- Ультрамикроэлементы. Составляют менее 0, 000001 % в организме живых существ. К ним относятся: Золото, Серебро, Платина, Цезий, Селен и т. д.
Процентное содержание элементов не характеризует их важность в организме.
Многие элементы входят в состав биологически важных веществ, ферментов, витаминов. Например, Кобальт входит в состав Витамина В 12.
Эти 70 элементов могут входить в состав клетки. Они образуют 1000 химических веществ, которые можно разделить на неорганические и органические вещества.
Вода в органах и тканях
Всем живым существам необходима вода. Тело человека состоит из воды на 60-80 процентов. Она необходима каждому органу: коже, головному мозгу, желудку, сердцу, зубной эмали, ногтям и т.д.
При недостатке жидкости происходит обезвоживание организма. В клетке человека в разных органах и тканях содержится разное количество воды.
Для наглядности представлен рисунок № 4.
Примечательной особенностью является то, что с возрастом в теле человека становится меньше жидкости.
Например, у новорожденного — 80 процентов жидкости, у пожилого человека — 60 процентов.
Функции свободной воды в бактериальных клетках
Вода в клетках живых организмах бывает двух видов.
- Свободная, входит в состав цитоплазмы, заполняет межклеточные пространства, заполняет сосуды, пространства между органами. Она нужна для транспортировки веществ и для поддержания процессов жизнедеятельности
- Связанная, входит в состав клеточных структур (например, белков, мембран).
Основных различием бактериальной клетки является отсутствие ядра. Вместо него в центральной части находится ядерное вещество, которое выполняет такие же функции. Рассмотрим рисунок № 5.
Бактериальная состоит из 80-90 процентов воды, 10 процентов приходится на долю сухого вещества.
Свободная вода в ее составе выполняет функции:
- растворителя;
- транспортировки;
- обеспечивает процессы метаболизма;
- способствует размножению.
Существуют организмы, не имеющие клеточного строения. К ним относят вирусы.
Заключение
В жизнедеятельности клетки вода выполняет ключевую роль. Её содержание не редко достигает 70-80 процентов. Вода необходима для каждого процесса в живом организме и содержится в каждом органе. Вода – источник жизни, ее биологическая роль бесценна для живого организма.
Источник