Классы
Предметы

Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки

Из этого урока вы узнаете о роли минеральных соединений микро- и макроэлементов в жизнедеятельности живых организмов. Вы познакомитесь с водородным показателем среды – рН, узнаете, как этот показатель связан с физиологией организма, каким образом в организме поддерживается постоянный рН среды. Выясните роль неорганических анионов и катионов в процессах обмена веществ, узнаете подробности о функциях катионов Na, K и Са в организме, а также какие другие металлы входят в состав нашего тела и каковы их функции.

Введение

Тема: Основы цитологии

Урок: Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки

Введение. Минеральные вещества в клетке

Минеральные вещества составляют от 1 до 1,5% от сырой массы клетки, и находятся в клетке в виде солей диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии (рис. 1).

Рис. 1. Химический состав клеток живых организмов

В цитоплазме любой клетки находятся кристаллические включения, которые представлены слаборастворимыми солями кальция и фосфора; кроме них могут находиться оксид кремния и другие неорганические соединения, которые участвуют в образовании опорных структур клетки – в случае минерального скелета радиолярий – и организма, то есть образуют минеральное вещество костной ткани.

Неорганические ионы: катионы и анионы

Неорганические ионы, имеющие значение для жизнедеятельности клетки (рис. 2).

Рис. 2. Формулы основных ионов клетки

Катионы – калий, натрий, магний и кальций.

Анионы – хлорид анион, гидрокарбонат анион, гидрофосфат анион, дигидрофосфат анион, карбонат анион, фосфат анион и нитрат анион.

Рассмотрим значение ионов.

Ионы, располагаясь по разные стороны клеточных мембран, образуют так называемый трансмембранный потенциал. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой. Так, концентрация ионов калия (К+) в клетке в 20–30 раз выше, чем в окружающей среде; а концентрация ионов натрия (Na+) в десять раз ниже в клетке, чем в окружающей среде.

Благодаря существованию градиентов концентрации, осуществляются многие жизненно важные процессы, такие как сокращение мышечных волокон, возбуждение нервных клеток, перенос веществ через мембрану.

Катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы. Ионы калия уменьшают вязкость и увеличивают текучесть, ионы кальция (Са2+) обладают противоположным действием на цитоплазму клетки.

Анионы слабых кислот – гидрокарбонат анион (НСО3-), гидрофосфат анион (НРО42-) – участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки, то есть pH среды. По своей реакции растворы могут быть кислыми, нейтральными и основными.

Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (рис. 3).

Рис. 3. Определение кислотности раствора при помощи универсального индикатора

Эту концентрацию выражают с помощью водородного показателя pH, протяженность шкалы от 0 до 14. Нейтральная среда pH – около 7. Кислая – меньше 7. Основная – больше 7. Быстро определить pH среды можно с помощью индикаторных бумажек, или полосок (см. видео).

Мы опускаем индикаторную бумажку в раствор, затем полоску вынимаем и сразу же сравниваем окрашивание индикаторной зоны полоски с цветами стандартной шкалы сравнения, которая входит в комплект, оценивая схожесть окрашивания и определяя значение pH (см. видео).

рН среды и роль ионов в его поддержании

Значение pH в клетке примерно равняется 7.

Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.

Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам её содержимого. Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют (Источник).

Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью. Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов. Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.

Некоторые органические соединения, в частности белки, также обладают буферными свойствами.

Катионы магния, кальция, железа, цинка, кобальта, марганца входят в состав ферментов и витаминов (см. видео).

Катионы металлов входят в состав гормонов.

Цинк входит в состав инсулина. Инсулин – это гормон поджелудочной железы, который регулирует уровень глюкозы в крови.

Магний входит в состав хлорофилла.

Железо входит в состав гемоглобина.

При недостатке этих катионов нарушается процессы жизнедеятельности клетки.

Ионы металлов как кофакторы

Значение ионов натрия и калия

Ионы натрия и калия распределены по всему объему организма, при этом ионы натрия входят, в основном, в состав межклеточной жидкости, а ионы калия содержатся внутри клеток: 95% ионов калия содержатся внутри клеток, а 95% ионов натрия содержатся в межклеточных жидкостях (рис. 4).

Рис. 4.

С ионами натрия связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, а также перенос, или транспорт таких веществ как аминокислоты и сахара через мембрану.

Значение кальция в организме человека

Кальций является одним из самых распространенных элементов в организме человека. Основная масса кальция входит в состав костей и зубов. Фракция внекостного кальция составляет 1% от общего количества кальция в организме. Внекостный кальций влияет на свертываемость крови, а также нервно-мышечную возбудимость и сокращение мышечных волокон.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система играет роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, кроме этого она поддерживает баланс в просвете канальцев почек, а также внутриклеточной жидкости.

Фосфатная буферная система состоит из дигидрофосфата и гидрофосфата. Гидрофосфат связывает, то есть нейтрализует протон. Дигидрофосфат высвобождает протон и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами.

Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови (Рис. 5).

Рис. 5.

Буферная система крови

В организме человека всегда имеются определенные условия для сдвига нормальной реакции среды ткани, например, крови, в сторону ацидоза (закисления) или алкалоза (раскисления – смещения рН в большую сторону).

В кровь поступают различные продукты, например, молочная кислота, фосфорная кислота, сернистая кислота, образующиеся в результате окисления фосфорорганических соединений либо серосодержащих белков. При этом реакция крови, может сдвигаться в сторону кислых продуктов.

При употреблении мясных продуктов, в кровь поступают кислые соединения. При употреблении растительной пищи, в кровь поступают основания.

Тем не менее, pH крови остается на определенном постоянном уровне.

В крови имеются буферные системы, которые поддерживают pH на определенном уровне.

К буферным системам крови относятся:

- карбонатная буферная система,

- фосфатная буферная система,

- буферная система гемоглобина,

- буферная система белков плазмы (Рис. 6).

Взаимодействие этих буферных систем создает определенное постоянное pH крови.

Рис. 6.

Таким образом, сегодня мы с вами рассмотрели минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.

 

Домашнее задание

Какие химические вещества называют минеральными? Каково значение минеральных веществ для живых организмов? Из каких веществ в основном состоят живые организмы? Какие катионы входят в состав живых организмов? Каковы их функции? Какие анионы входят в состав живых организмов? Какова их роль? Что такое буферная система? Какие буферные системы крови вам известны? С чем связано содержание минеральных веществ в организме?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Химический состав живых организмов (Источник).

2. Википедия (Источник).

3. Биология и медицина (Источник).

4. Образовательный центр (Источник).

 

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.

4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.