Химические элементы клетки
Элементарный химический состав всех клеток схож, это доказывает единство живой природы. Кроме того, не существует такого химического элемента, который был бы обнаружен только в живых организмах и притом не был найден в предметах неживой природы. Это указывает на общность живой и неживой природы. Практически все элементы периодической таблицу Д.И.Менделеева обнаружены в составе клеток живых организмов.
4 основных химических элемента
Существует 4 химических элемента, которые составляют основу для всего живого – 98%. Их легко запомнить:
– Кислород
Необходим для метаболизма живым организмам. Всходит в основу органических соединений.
– Углерод
Составляет основу органики, к которой относятся клетки в том числе.
– Азот
Также входит в состав органики. Азот необходим растениям в первую очередь для питания. Кроме того, азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот.
– Водород
Входит в состав воды вместе с кислородов. Вода – основа всего живого.
2% от массы клетки занимают макроэлементы, а от массы тела на них приходится до 0,001% от общей массы. Микроэлементы – 0,001 – 0,000001% от общей массы тела и ультрамикроэлементы – менее, чем 0,000001% от общей массы тела.
Из микроэлементов наиболее известным считается йод, дефицит которого приводит к различного рода заболеваниям, в том числе – эндемический зоб и кретинизм. Йод – основной элемент щитовидной железы.Хорошо знать нужно макроэлементы. Их можно легко запомнить, если выстроить ассоциации с нашим организмом. Первые — те, что входят в четверку основных химических элементов клетки. Фосфор и кальций входят в наши кости. Калий и натрий обуславливают работу калий-натриевого насоса, необходимого для жизни клетки. Благодаря этому механизму клетка способна проводить нервный импульс и отвечать на него раздражимостью. Железо – снова гемоглобина крови. Магний тоже нужен для проведения импульсов и сокращения мышц. Поэтому его рекомендуют пить для сердца. Сера входит в состав белков, аминокислот и даже витаминов. Легко вспомнить в сере, если подумать о собственных ушах. Будь это микроэлемент, организм бы не стал столько выводить его на покровы.
Минеральные вещества в большинстве своем находятся в клетки в виде солей, диссоциированных на ионы, либо же в твердом состоянии. Такие кристаллы солей находятся в цитоплазме, но наиболее привычны нам твердые гранулы в мякоти груши. Они называются склереиды и представляют из себя омертвевшие клетки, состоящие из извести, кремнезёма и кутина.
1 — Склереида
Неорганические ионы в клетки обеспечивают проведение нервного импульса, возбудимость и проводимость клетки. Они представлены следующими
Катионами: К+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH3+
Анионами: Cl—, H2PO42-, HCO3—, NO3—, PO43-, CO32-
В зависимость от концентрации катионов водорода среда в клетке может быть кислотной, щелочной или нейтральной. Концентрация ионов водорода обозначается Ph. Клетка поддерживает нейтральную среду внутри себя. Если она становится кислотной, то при помощи насосов и транспортеров по градиенту концентрации в клетку попадают катионы водорода. Если же среда щелочная, то катионы водорода выходят из клетки во внешнюю среду.
Шкала кислотности
Ионы являются основой буферной системы клетки и отвечают за то, чтобы поддерживать уровень Ph на отметке 7,0-7,4.
Вода и её роль в жизнедеятельности клетки
Там, где нет воды, нет и жизни. Известный факт, что человеческий организм на 80% состоит из воды. В клетке вода может занимать от 40% до 95% от всех содержащихся в ней веществ. Это связано с ее свойствами и выполняемыми функциями.
В клетке вода может быть в двух формах: Связанной и свободной. Связанная форма воды – это когда молекулы воды соединены с другими молекулами, например, с белками каких-либо клеточных структур, такие молекулы воды неподвижны. В свободной форме вода находится в межклеточном веществе, в капиллярах и сосудах, где она может беспрепятственно циркулировать, осуществляя транспорт веществ.
– Сохранение объема и упругости клетки
Иначе говоря, это тургор клетки. Благодаря циркуляции воды в клетку и внеклеточное пространство возможно поддержание клеткой нормальной формы и состояния. Ситуация меняется в гипотоническом (слабосоленом) и гипертоническом (сильносоленом) растворе.
В клетке существует активный и пассивный транспорт воды и растворенных в ней электролитов. Активный транспорт осуществляют белки-транспортеры и ионные насосы. А пассивный транспорт называется осмосом и основан на движении воды в сторону более соленого раствора. Таким образом, если поместить клетку в слабосоленый раствор (гипотонический), то более соленая среда будет в клетке и в нее начнет поступать вода из раствора. Клетка разбухнет или даже лопнет. Если поместить клетку в гипертонический раствор (сильносоленый), то вода станет уходить из клетки в раствор и клетка сожмется.
Осмос через мембрану эритроцитов
1. Растворение веществ
2. Среда для протекания химических реакций
По факту, растворение – тоже химическая реакция. Слюна – вода с ферментами. При попадании в ротовую полость простых углеводов начинается процесс пищеварения, то есть происходят реакции расщепления.
Молекула воды поляризована и называется диполем. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, который их связывает. Атом кислорода более электороотрицателен, поэтому он перетягивает электронную плотность на себя. Вода имеет в целом нейтральный заряд, так как кислород несет частично отрицательный заряд, а два атома водорода – частично положительный.
Вода – хороший растворитель
Так как молекулы воды способны образовывать водородные связи, то они легко соединяются с кислотами, щелочами и солями. В воде растворяются не только ионные соединения. В ней также могут растворяться вещества, имеющие полярность: простые углеводы, липиды и спирты.
В данном случае не нужно вдаваться в химию реакции, нужно лишь осознать, что все, что мы способны разбавить – и есть вещества, способные раствориться. То есть, например, подсолнечное масло мы не можем растворить в воде. Наша смесь разделится на слои, где вода будет внизу, а масло – на поверхности воды. Будет явно видно место раздела фаз. Но есть и масла, способные связываться с водой. Другое дело – насыпать сахар в чай. Тот же простой углевод и вода. Происходит растворение. Разведение спирта – аналогично. Вещества, способные растворяться в воде называются гидрофильные (корень φιλία, «фил» означает «любить»). Яркий пример – липиды в клеточной мембране. Они неполярны, у них есть гидрофильные хвосты и гидрофобные (корень φόβος, «фобос» означает «страх») головки. Головки направлены в сторону цитоплазмы и межклеточного вещества/среды для того, чтобы хвосты не растворились.
Кроме жидких и твердых соединений крайне важно то, что воды способно растворять в себе газы. Наиболее понятным примером будет растворение кислорода и углекислого газа в крови. Кровь состоит из плазмы (около 60%) и форменных элементов. А плазма, в свою очередь, на 90-92% состоит из воды. На этом основан транспорт газов кровью.
Вода обладает высокой теплоемкостью
Это означает, что вода способна минимально и медленно повысить свою температуру при воздействии на нее тепла. Поэтому, если поставить кастрюлю воды на огонь, вода не кипит мгновенно, поэтому на жаре в нас не кипит кровь.
Вода обладает высокой теплопроводностью
Благодаря воде в нашем теле распределяется тепло. Если мы ставим кастрюлю с водой на газ, то вода нагревается от нижних слоев к верхним. Если мы после зимней прогулки берем кружку горячего чая, то нагреваются не только рука, в которой у нас кружка. При нагревании молекулы воды начинают колебаться все быстрее, они ударяются друг об друга, передавая тепловую энергию. Большей энергией обладают молекулы, наиболее близкие к источнику тепла, поэтому все нагревается постепенно, так как вначале этой энергии мало, и она не сразу доходит до верхнего слоя. Но по мере нагревания все больше молекул обладают большим количеством энергии и тепло распределяется по воде, телу, клетке.
Вода практически не сжимается
Этот пункт очевиден. Нельзя взять и сжать струю воды или сжать воду в тазике. То же работает и с клеткой. Это свойство как раз-таки и позволяет клетке держать тургор. Клетки в таком случае упругие, в случае надобности вода в клетке не сжимается, она выходит или заходит в клетку. Особенно важно данное свойство для одноклеточных, ведь их цитоскелет существует только за счет того, что вода не сжимается.
У воды наиболее оптимальная для биологических процессов сила поверхностного натяжения
Так как молекулы воды способны образовывать водородные связи, то у воды существует сила поверхностного натяжения. Так как молекулы воды связаны друг с другом и с молекулами растворенных в воде веществ, то вместе они образуют как бы цепочку, которая может циркулировать по сосудам. Если бы поверхностного натяжения не было, то был бы не возможен кровоток у животных и ток воды у растений.