Какие ионы содержатся в клетке и их 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

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.

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

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 соли	70—80 % 1,0—1,5 %	БелкиУглеводыЖирыНуклеиновые кислоты АТФ,солии др. вещества	10—20 % 0,2—2,0 % 1—5 % 1,0—2,0 % 0,1—0,5 %

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]

Источник

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

Источник