Какие ионы содержится 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

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.

Оценка статьи:

Загрузка…

Теги: Биология, буферность, важнейшие функции, жизнь, клетка, природа, тироксин, функционирование организма

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

1. Какие вещества называются минеральными?

Ответ. Минеральные вещества химические элементы, необходимые живому организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности (кальций фосфор калий магний)

Магний – жизненно важный элемент, от его участия расслабляются мышцы. Магнием тормозится возбуждение нервных окончаний, участвует во многих каталитических процессах, обладает способностью стимулировать перистальтику кишечника, тем самым способствует выводу шлаков (и холестерина в том же числе) и повышает выделение желчи. Магний оказывает сосудорасширяющее действие, улучшает кровоснабжение сердечной мышцы.

Калий – это минеральное вещество, которое необходимо для нормального функционирования клеток периферической и центральной нервной системы, для поддержания осмотического давления, для нормального функционирования всех мышц. Им способствуется выведение воды из организма, а следовательно, и вредных продуктов метаболизма.

Натрий. Поваренная соль необходима нашему организму. Является она составной частью крови и тканевой жидкости. В организм с пищей поступает необходимое её количество.

Фосфор – важнейший элемент, входящий в состав белков нуклеиновых кислот, костной ткани; влияет он на рост и восстановительные процессы в тканях. Фосфор нужен для костей, необходим и в мышцах. Аккумулятор энергии человека – аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Когда человек трудится, эта кислота распадается, отдавая заложенную в ней энергию.

Жизненно важный элемент – сера, значимость которого в первую очередь определяется тем, что входит он в состав белков в виде серосодержащих аминокислот (цистеина и метионина), а также – в состав некоторых гормонов и витаминов. Удовлетворяется потребность человеком в сере (около 1 г в день) при обычном суточном рационе.

Хлор – это тоже жизненно важный элемент, который участвует для образования желудочного сока, формирует плазму, активизирует ряд ферментов. Содержание хлора в пищевых продуктах колеблется в пределах 2-160 мг/%. Без добавления поваренной соли рацион содержал бы 1,6 г хлора.

Необходимое для кроветворения – железо, им обеспечивается транспортировка из легких кислорода к тканям. Входит железо в состав гемоглобина – красный пигмент крови. Образуются красные кровяные тельца в костном мозге; поступают они в кровь и в ней циркулируют в течение 6 недель. Распадаются потом на составные части, а железо, которое содержалось в них, поступает в селезенку и печень, откладываясь там «до востребования».

Цинк входит в состав крови и мышечной ткани. Это элемент необходим, значимостью которого определяется то что входит он в состав гормона поджелудочной железы инсулина, регулируется содержание сахара в крови. Он также важен для полноценного заживлении ран участвует в регуляции артериального давления и способствует образованию простагландинов, обладающих противовоспалительным действием; помогает выводить из организма холестерин.

2. Какой процесс называется диссоциацией?

Ответ. Электролитическая диссоциация — процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или при плавлении.

Диссоциация на ионы происходит вследствие взаимодействия растворённого вещества с растворителем; по данным спектроскопических методов, это взаимодействие носит в значительной мере химический характер. Наряду с сольватирующей способностью молекул растворителя определённую роль в электролитической диссоциации играет также макроскопическое свойство растворителя — его диэлектрическая проницаемость

3. Что такое ионы?

Ответ. Ион — частица, в которой общее число протонов не эквивалентно общему числу электронов. Ион, в котором общее число протонов больше общего числа электронов, имеет положительный заряд и называется катионом. Ион, в котором общее число протонов меньше общего общего числа электронов имеет отрицательный заряд и называется анионом.

В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и в плазме (в частности, в межзвёздном пространстве).

Вопросы после §8

1. В каком виде минеральные вещества представлены в живых организмах?

Ответ. Большая часть минеральных веществ клетки находится в виде солей, диссоциированных на ионы, либо в твёрдом состоянии.

В цитоплазме практически любой клетки имеются кристаллические включения, состоящие, как правило, из слаборастворимых солей кальция и фосфора. Кроме них могут содержаться двуокись кремния и другие неорганические вещества. Они используются для образования опорных структур клетки (например, минеральный скелет радиолярий) и организма – минерального вещества костной ткани (соли кальция и фосфора), раковин моллюсков (соли кальция), хитина (соли кальция) и др.

2. Какова роль неорганических ионов в клетке?

Ответ. Неорганические ионы, имеющие немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки, представлены катионами (К+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH) и анионами (Cl-, HPO, Н2РО, НСО, NO, PO, СО) минеральных солей. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде различна. 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.

3. Какова роль ионов в буферных системах организма?

Ответ. Постоянство рН в клетках поддерживается благодаря буферным свойствам их содержимого. Буферным называют раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и её растворимой соли. Когда кислотность (концентрация ионов Н+) увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, легко соединяются со свободными ионами Н+и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н+. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н+. Некоторые органические соединения, в частности белки, также имеют буферные свойства.

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. Так, фосфатная буферная система млекопитающих, состоящая из НРО42- и Н2РО4-, поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9–7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из Н2СO3 и HCO4- и поддерживающая рН на уровне 7,4

4. Почему недостаток или отсутствие ионов некоторых металлов приводит к нарушению жизнедеятельности клеток?

Ответ. Ионы некоторых металлов (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Со) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их. Например, ион Fe входит в состав гемоглобина крови, ион Zn – гормона инсулина. При их недостатке нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.

Источник