БУФЕРНЫЕ СВОЙСТВА , способность многих веществ ослаблять изменение активной реакции раствора, которое без них произошло бы при прибавлении к раствору кислот или щелочей. Это стабилизирующее влияние на реакцию раствора называется буферным действием.
Буферное действие
Если к десяти кубических см децинормального раствора уксусной кислоты постепенно добавлять раствор едкого натра такой же концентрации, то кислотность раствора, определяемая концентрацией содержащихся в нем свободных водородных ионов, будет уменьшаться. При прибавлении 10 кубических см NaOH процесс связывания кислоты щелочью, процесс нейтрализации, окажется законченным, вся уксусная кислота превратится в соответствующую соль – уксуснокислый натрий, а соединившиеся Н и ОН-ионы дадут молекулы воды. Дальнейшее добавление NaOH даст преобладание свободным гидроксильным ионам – щелочную реакцию. Помещаемая здесь кривая (смотрите рисунок 1, сплошная линия) передает изменения реакции, выраженной через рН (водородный показатель, – смотрите ), наблюдаемые при нейтрализации уксусной кислоты.
Рисунок 1. Изменение реакции (буферные свойства в действии)
Прерывистая линия на том же рисунке изображает соответствующее изменение реакции (рН) при прибавлении NaOH к децинормальной соляной кислоте. Если сравнить обе кривые и посмотреть, сколько потребовалось щелочи для одинакового изменения реакции, напр., для изменения рН от 4 до 5, то результаты окажутся весьма различными: в первом случае – около 5 кубических см NaOH, во втором – едва уловимые следы последнего. Количество щелочи (или соответственно кислоты), которое требуется для определенного изменения реакции, и является мерилом устойчивости реакции раствора, величины его буферного действия. В первом случае оно весьма значительно, во втором – совершенно ничтожно. Если количество грамм-эквивалентов щелочи (или, соответственно, кислоты), прибавленной к литру испытуемого раствора, обозначить знаком ДВ, а вызванное этим изменение реакции через ДрН, то, по Ван-Слайку (Van-Slyke), буферное действие будет равно отношению этих величин: Буферное действие = отношение ДВ к ДрН. Различие в хорде кривых для обоих рассмотренных выше растворов обусловлено свойствами обеих кислот. Соляная кислота принадлежит к сильным кислотам, полностью диссоциированным на свои ионы. Напротив, уксусная кислота сравнительно слабо диссоциирована: только небольшая часть ее молекул (в децинормальном растворе около 1,3%) распадается и дает водородные ионы, определяющие кислую реакцию раствора. Поэтому, уксусная кислота имеет значительно менее кислую реакцию (больший рН), чем соляная в одинаковой молекулярной концентрации. При прибавлении NaOH гидроксильные ионы щелочи связывают водородные ионы. Но в силу общих условий химическом равновесия удаление продуктов диссоциации вызывает распад новых, прежде недиссоциированных молекул, освобождая все новые количества Н-ионов на место связываемых щелочью. Таким образом, уксусная кислота (в отличие от полностью диссоциированной соляной), кроме свободных, активных Н-ионов, обусловливающих активную реакцию раствора, обладает еще в своих недиссоциированных молекулах запасными, резервными водородными ионами, резервной кислотностью, способной быстро пополнять убыль свободных ионов. Эти кислотные резервы (или щелочные, если раствор может освобождать запасные ОН-ионы и связывать прибавляемые кислоты) и обусловливают его буферное действие; оно тем значительнее, чем больше резервных ионов мобилизуется при данном изменении реакции. Самое название (буферное действие) было дано по аналогии с железнодорожными буферами, смягчающими резкость механических толчков. Более правильным было бы сравнение с сосудами различной емкости, в которых прибавление одинакового количества жидкости вызывает различное изменение уровня. Чем значительнее емкость сосуда, тем больше требуется жидкости для определенного повышения уровня; подобным же образом от количества резервных Н – или О Н-ионов («буферной емкости») зависит количество щелочи (или кислоты), необходимое для данного изменения «уровня» реакции.
Буферные растворы
Электролитическая диссоциация слабых кислот и щелочей резко понижается в присутствии солей, имеющих общий с ними ион. Напр., уксусная кислота значительно слабее диссоциирована в присутствии своей натриевой соли (уксуснокислого натрия, дающего, подобно уксусной кислоте, ацетат-ион) и дает значительно меньше водородных ионов, чем в чистом растворе. Концентрация водородных ионов прямо пропорциональна концентрации молекул уксусной кислоты и обратно пропорциональна концентрации ацетат-ионов. Так как нейтральные соли принадлежат к сильным электролитам, почти полностью диссоциированным на свои ионы, можно с достаточным приближением, вместо концентрации ацетат-ионов, взять просто концентрацию соответствующей соли. Концентрация водородных ионов в таком растворе, содержащем слабую кислоту и ее соль, выразится тогда простой формулой (в которой прямоугольные скобки обозначают концентрацию стоящих в них веществ): [Н"]=К [кислота] / [соль] (1).
Подобным же образом в смеси слабой щелочи и ее соли концентрация гидроксильных ионов (по которой точно так же легко вычислить тесно связанную с ней концентрацию Н-ионов и реакцию раствора) определяется аналогичным выражением: [Н"]=К [щелочь] / [соль] (2).
Для более точного расчета необходимо было бы в обеих формулах несколько уменьшить знаменатель, умножив его на степень диссоциации соли (величину меньшую единицы). Такие смеси имеют особенно большие количества резервных, легко мобилизуемых Н- и ОН-ионов и соответственно особенно большое буферное действие. При этом они делают реакцию раствора устойчивой одновременно по отношению и к щелочам и к кислотам. Так, напрример, смесь уксусной кислоты с уксуснокислым натрием (получающаяся при частичной нейтрализации уксусной кислоты едким натром, смотрите рисунок), как мы видели, сравнительно мало изменяет свою реакцию при подщелачивании. Точно так же при прибавлении сильной кислоты, напр., соляной, действие ее ослабляется благодаря тому, что она соединяется с натрием, вытесняя эквивалентное количество слабой уксусной кислоты из ее соли. Растворы подобных смесей слабой кислоты или щелочи с соответствующей солью, так называемые буферные растворы, приобрели особенное значение благодаря той легкости, с которой по приведенным формулам (1) и (2) может быть вычислена их реакция. Постоянная К в этих формулах представляет характерную для каждой кислоты или щелочи константу – т. н. константу диссоциации. Если кислота и ее соль присутствуют в равной (эквивалентной) концентрации, то, очевидно, концентрация водородных ионов делается численно равной константе диссоциации ([Н"]=К). Таким образом, константа диссоциации кислоты (или, соответственно, щелочи) непосредственно указывает среднюю реакцию, в районе которой проявляется буферное действие данной смеси. В этой точке буферное действие более чем особенно велико. В следующей таблице приведен водородный показатель нескольких буферных растворов: смеси уксусной кислоты и уксуснокислого натрия (ацетатная смесь), однометаллического (первичного) и двуметаллического (вторичного) фосфата натрия (NaH 2 PO 4 и Na 2 HPO 4) и аммиака с хлористым аммонием.
Таблица рН буферных смесей.
Уксусная кислота
Молярное соотношение
Уксусно- кисл. Na
32:1 3,2 16:1 3,5 8:1 3,8 4:1 4,1 2:1 4,4 1:1 4,7 1:2 5,0 1:4 5,3 1:8 5,6 1:16 5,9 1:32 6,2 Первичный фосфат
Вторичный фосфат
Хлор. аммоний
Аммиан
1 4 7 0 3 7 3,3 8,0 8,3 8,6 8,9 9,2 9,5 9,8 10,1 10,4 10,7 11,0
Из формул (1) и (2) можно непосредственно вывести одно очень важное свойство буферных растворов: реакция, даваемая буферной смесью, зависит (в первом приближении) исключительно от соотношения и её компонентов, а не от их абсолютной концентрации. Поэтому и в приведенной таблице можно было, не приводя концентрации кислоты (или щелочи) и соли, ограничиться указанием их соотношения. Разбавление буферного раствора не влияет на его реакцию. Конечно, того же нельзя сказать о буферном действии. При данной реакции оно тем значительнее, чем выше концентрация буферов. Рассмотренные свойства буферных растворов определяют их важнейшие практические применения:
- Очень многие биохимические и биологические процессы в высокой степени чувствительны даже к незначительным изменениям реакции (смотрите и ). В самом ходе этих процессов часто вырабатываются большие количества кислых или щелочных продуктов, которые могли бы изменить или даже совершенно остановить их дальнейшее течение. Для точного изучения подобных процессов необходимо их проводить в условиях, исключающих возможность сколько-нибудь значительных колебаний реакции. Для этого служат буферные растворы, применяемые здесь как регуляторы реакции. Этот метод был применен Серенсеном (Sorensen, 1909 г.) для изучения влияния активной реакции на деятельность ферментов. В зависимости от количества вырабатываемых кислых или щелочных продуктов, с одной стороны, от желательной степени постоянства реакции – с другой, приходится применять растворы с более или менее значительным буферным действием.
- В других случаях величина буферного действия не имеет особенно существенного значения, а применение буферных растворов основано на даваемой ими возможности готовить стойкие растворы любой желательной реакции (смотрите таблицу). При помощи индикаторов – веществ, меняющих свою окраску в зависимости от активной реакции раствора, можно сравнивать исследуемый раствор с серией буферных растворов известной реакции. Устанавливая, в каком из этих растворов данный индикатор принимает такую же окраску, как и в испытуемом, можно определить реакцию последнего. Таким образом, буферы применяются здесь как стандартные растворы, путем сравнения с которыми измеряется реакция. Применение таких стандартных буферных растворов лежит в основе индикаторного, или колориметрического метода измерения реакции. Другие буферные системы. Другие хим. системы также могут оказывать более или менее значительное буферное действие. Оно может зависеть, например, от выпадения в осадок прибавляемой щелочи или кислоты. Так, если к морской воде прибавлять едкий натр, раствор будет подщелачиваться до тех пор, пока его рН не сделается равным, приблизительно 8,6. При этой реакции начнет осаждаться Mg(OH) 2 , образующийся из магниевых солей и прибавляемого NaOH; дальнейшее увеличение щелочности приостановится, пока весь магний не выпадет из раствора. Далее, даже нерастворимые вещества (например, животный уголь) могут захватывать прибавляемые кислоты или щелочи путем адсорпции. Наконец, очень сильным буферное действием отличаются белки и другие амфотерные вещества (смотрите ). Благодаря своей двойственной («амфотерной») природе, они могут связывать как кислоты, так и щелочи. Амфотерный характер клеточных коллоидов имеет большое значение для постоянства внутриклеточной реакции.
Буферы морской воды
Изменения реакции оказывают огромное влияние на жизненные явления; жизнь возможна лишь в определенном, для большинства организмов сравнительно узком, интервале концентраций Н- и ОН-ионов. Поэтому в природе буферы играют большую роль в поддержании необходимого для жизни постоянства реакции. Морская вода, представляющая естественную внешнюю среду большинства водных организмов, обладает весьма значительным буферное действием, которое зависит от содержащейся в ней бикарбонатной смеси – сочетания углекислоты и двууглекислого натрия (бикарбоната натрия). Благодаря наличию этого буфера, сохраняется обычная слабощелочная реакция морской воды и умеряются колебания реакции, которые производят водные организмы, поглощающие при фотосинтезе CO 2 или выделяющие кислые продукты обмена веществ.
Буферные свойства крови
Особенный интерес представляют буферные свойства внутренней среды организма, в частности, крови. Кровь имеет слабощелочную реакцию, отличающуюся большим постоянством. Даже in vitro кровь стойко удерживает свою реакцию и обладает весьма большим буферным действием. К ней приходится прибавлять в несколько десятков раз больше едкого натра, чем к дистиллированной воде, чтобы вызвать одинаковое подщелачивание раствора, и в несколько сот раз больше НС1 для одинакового подкисления. Так же, как и в морской воде, главным буфером кровяной сыворотки является бикарбонатная смесь – сочетание CO 2 и NaHCO 3 . Даваемая ею концентрация Н-ионов приближенно определяется так: [Н"]=К [СO 2 ] / (3), где К равняется, приблизительно, 3 * 10 -7 . В сыворотке содержатся также фосфаты, однако, по сравнению с бикарбонатами, их количество и их роль невелики. В отношении буферного действия бикарбонатный раствор вполне сходен с кровяной сывороткой.
Так, например, обе жидкости растворяют одинаковое количество CO 2 , пропорциональное ее парциальному давлению в окружающем воздухе. При изменении этого давления, как показывает формула (3), во столько же раз изменяется в них концентрация водородных ионов. Цельная кровь со своими форменными элементами обнаруживает при тех же условиях заметно большее постоянство реакции. Это добавочное, по сравнению с сывороткой, Буферное действие зависит от амфотерных белковых веществ крови, в частности – от находящегося в эритроцитах НЬ. Последний представляет очень слабую кислоту, настолько слабую, что его кислый характер не может проявиться при избытке CO 2 . Но, когда давление последней понижено, например, в артериальной крови, оксигемоглобин, как кислота, разлагает некоторое количество бикарбоната, вытесняя из него CO 2 . В результате уменьшается знаменатель в формуле (3) и отчасти компенсируется влияние пониженного содержания CO 2 .
Таким образом, НЬ оказывает существенное влияние на кривую связывания углекислоты, а тем самым и на реакцию крови. В частности, он умеряет различия, связанные с различным давлением CO 2 в артериальной и в венозной крови. Во всяком случае, в конечном итоге реакция крови вполне определяется соотношением углекислоты и бикарбоната, т. е. отношением свободной (растворенной) CO 2 и CO 2 химически связанной. Первая легко выделяется из крови, вторая может быть вытеснена путем разложения бикарбонатов кислотами. Обе эти величины – количество свободной и связанной CO 2 – совместно характеризуют буферные свойства и реакцию крови. Их измерение получило в последнее время большое распространение и значение.
В отношении своей реакции кровь обладает теми же свойствами, что и другие буферные растворы. Мы видели, что реакция буферной смеси определяется соотношением кислоты и ее соли, а не их абсолютной концентрацией. Соответственно этому и реакция крови остается практически неизменной даже при многократном разбавлении ее изотоническим раствором NaCl (или любым другим безбуферным раствором). Этим свойством крови нередко пользуются при измерении ее реакции, применяя с этой целью небольшое количество крови, разбавленной раствором NaCl. Оно же делает безвредным внутривенное вливание различных так наз. «физиологических растворов», нередко имеющих ненормальную реакцию, которая оказалась бы гибельной для организма, если бы уже небольшая примесь крови не приближала ее к физиологической норме. При прибавлении к крови in vitro щелочи эта последняя нейтрализуется углекислотой; напротив, всякая кислота реагирует с бикарбонатом и, образуя нейтральную соль, заменяется эквивалентным количеством вытесненной ею из бикарбоната CO 2 . Этим объясняется замечательный факт, не раз уже обращавший на себя внимание исследователей: путем введения в кровь (in vivo) различных кислот – от наиболее слабых до самых сильных – оказывается совершенно невозможным добиться различного (соответственно силе применяемой кислоты) изменения реакции крови.
Пока в крови остается некоторое количество бикарбонатного буфера, изменения реакции оказываются во всех случаях одинаково ничтожными. Затем, одновременно с резким нарушением реакции, наступает смерть. Эти грубые экспериментальные воздействия дают наглядное представление о том, что происходит в организме в естественных условиях. Огромное большинство продуктов обмена веществ имеет кислый характер (фосфорная, угольная, молочная, масляная и другие кислоты). От этих непрерывно поступающих из тканей кислот и должны буферы крови предохранить ее нормальную реакцию. Последняя является слабощелочной, то есть характеризуется небольшим избытком активных гидроксил-ионов. Водородный показатель (рН) крови равняется, в среднем, 7,4, концентрация Н-ионов – 0,44 * 10 -7 , концентрация ОН-ионов – около 7 * 10 -7 (при 37°). По сравнению с этой незначительной концентрацией свободных ОН-ионов количество резервных ионов, которое может быть освобождено для связывания прибавляемых кислот, весьма велико (около 2 * 10 -2). Их количество, однако, далеко не отличается таким постоянством, как активная реакция крови, и может подвергаться сильным изменениям, особенно в патологических условиях.
Щелочные растворы представляют лишь первый барьер против вводимых извне или вырабатываемых в организме кислых продуктов. Производимое последними нарушение реакции во много раз ослабляется буферами крови, но не может быть ими совершенно устранено: связывание части молекул бикарбоната и освобождение CO 2 смещает первоначальное соотношение этой основной буферные смеси. Более тонкая регуляция реакции совершается легкими. Всякое увеличение концентрации водородных ионов служит возбудителем дыхательного центра и немедленно усиливает вентиляцию легких (смотрите ). Благодаря высокой чувствительности дыхательного центра к Н-ионам, аппарат легочной регуляции работает необычайно точно: удаляя из крови, в зависимости от существующей в ней активной реакции, большие или меньшие количества CO 2 , он автоматически восстанавливает нормальное соотношение между нею и бикарбонатом.
Буферы крови защищают организм от резких колебаний реакции, которые были бы для него гибельны; дыхательный аппарат обеспечивает постоянное соотношение компонентов буферной смеси (даже при резких изменениях их абсолютной концентрации) и тем самым – точное постоянство активной реакции. Особенно значительное патологическое накопление нелетучих кислот и соответствующее уменьшение резервной щелочности наблюдаются при . Однако, и оно обычно не ведет к изменению активной реакции крови: путем усиленной вентиляции легких достигается уменьшение содержания CO 2 , компенсирующее в большинстве случаев понижение концентрации бикарбоната («компенсированный ацидоз»). Противоположное явление представляет компенсированный алкалоз, при котором увеличение щелочных резервов компенсируется пропорциональным повышением давления CO 2 . Изменения содержания СО 2 в альвеолярном воздухе легких может служить в обоих случаях прямым показателем изменений концентрации бикарбонатов в крови. Общее количество буферов в крови в первом случае уменьшается, во втором увеличивается, но активная реакция остается практически постоянной.
ЧЛЕНОВРЕДИТЕЛЬСТВО, умышленное самоповреждение, имеющее целью вызвать потерю или ослабление функции какого-либо органа...
a. Белки
b. минеральные соли
c. углеводы
d. жиры
2. Кому обязана своим появлением стройная система классификации растительного и животного мира:
a. Жан Батист Ламарк
b. Карл Линней
c. Чарлз Дарвин
3. Какое оплодотворение у наземных животных:
a. Наружное
b. Внутреннее
c. Двойное
4. До каких промежуточных продуктов распадаются белки в пищеварительном тракте:
a. глицерин и жирные кислоты
b. простые углеводы
c. аминокислоты
5. Сколько хромосом содержится в половых гаметах человека:
a. 23
b. 46
c. 92
6. Какова функция хлоропластов
a. Синтез белка
b. Синтез АТФ
c. Синтез глюкозы
7. Клетки у которых есть ядро относятся к:
a. Эукариотическая клетка
b. Прокариотическая клетка
8. Организмы, создающие органические вещества в экосистеме:
a. Консументы
b. Продуценты
c. Редуценты
9. Какой клеточный органоид отвечает за выработку энергии в клетке:
a. Ядро
b. Хлоропласт
c. Митохондрия
10. Какие органоиды характерны только для растительных клеток
a. Эндоплазматическая сеть
b. Пластиды
c. Рибосомы
11. Сколько хромосом содержится в соматических клетках человека
a. 23
b. 46
c. 92
12. Какое оплодотворение у покрытосеменных растений:
a. Внутреннее
2. Перечислите уровни организации жизни от организма и выше.
3. Основные методы изучения в биологии?
4. Перечислите элементы первой и второй группы.
5. Перечислите функции, которые выполняет вода в клетке.
6. Запишите пример буферной системы.
7. На какие группы делятся углеводы?
8. Напишите формулы важнейших пентоз.
9. Какие вещества относятся к полисахаридам?
10. Что является мономером гликогена, клетчатки?
11. Какие функции выполняют углеводы?
12. Что представляют из себя жиры?
13. Какие липиды входят в состав мембран?
14. Перечислите жирорастворимые витамины.
15. Перечислите 5 важнейших функций жиров.
16. Запишите общую формулу аминокислоты.
17. Запишите структурную формулу дипептида.
18. Как называется связь между двумя аминокислотами?
19. Какие аминокислоты называются незаменимыми? Сколько их?
20. Какие белки называются полноценными?
21. Чем представлена первичная структура белков?
22. Чем представлена вторичная структура белка?
23. Какими связями удерживается третичная структура белков?
24. Сколько энергии выделяется при расщеплении 1 г белков, углеводов, липидов?
25. Перечислите функции белков.
26. Каковы основные свойства ферментов?
27. Из остатков каких веществ состоит нуклеотид ДНК?
28. Запишите структурную формулу нуклеотида ДНК.
29. Какие азотистые основания входят в состав нуклеотидов ДНК?
30. Какие пуриновые азотистые основания входят в состав молекулы ДНК?
31. Как нуклеотиды ДНК соединены в одну цепь?
32. Сколько водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями?
33. Что такое "принцип комплементарности"?
34. Какие функции выполняют ДНК?
35. Запишите структурную формулу нуклеотида РНК.
Б1
Выберите черты и примеры бесполого размножения организмов.
А) томство генетически уникально Б) потомство –чные копии родителей В) размножение картофеля убнями Г) размножение картофеля семенами Д) потомство может развиваться из соматических клеток Е) в процессе участвуют два родителя адании В2 и запишите все буквы в нужной последовательности в таблицу Установите соподчинение систематических категорий, начиная с наименьшей. класс Двудольные Б) отдел Покрытосеменные В) вид Одуванчик лекарственный Г) царство Растения Д) семейство ожноцветные Е) род Одуванчик
С1
Как и где закодированы наследственные свойства организмов?
Вопрос 1. Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обуславливающие ее биологическое значение?
Молекулы воды представляют собой диполи — структуры, на положительном полюсе которых находятся два атома водорода, а на отрицательном полюсе — атом кислорода. Положительные и отрицательные полюса разных молекул воды притягиваются друг к другу. Это приводит к образованию так называемых водородных связей, что обеспечивает высокую теплоемкость воды, а также особенности процессов смены ее агрегатного состояния (плавление, испарение). Кроме того, Н20-ди- поли активно взаимодействуют с любыми молекулами, имеющими заряженные участки. Это обуславливает важнейшее свойство воды как универсального растворителя органических и неорганических веществ.
Вопрос 2. В чем заключается биологическая роль воды?
Вода выполняет в клетке множество важных функций:
служит универсальным растворителем;
является средой для большинства процессов, протекающих в клетке;
сама участвует во многих биохимических реакциях — гидролизе органических веществ, высвобождении энергии при распаде АТФ, фотосинтезе и др.;
высокая теплоёмкость и теплопроводность воды облегчает организмам (в том числе теплокровным) процесс поддержания теплового равновесия с окружающей средой;
высокая интенсивность испарения защищает живые существа от перегрева;
почти полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы отдельных клеток и целых организмов;
вязкость придает воде свойства смазки;
высокая сила поверхностного натяжения облегчает транспорт веществ в сосудах растений.Вопрос 3. Какие вещества называют гидрофильными? Гидрофобными?
Гидрофильными называют вещества, которые хорошо растворяются в воде. К ним относят соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Как правило, в составе их молекул присутствуют заряженные участки (спиртовые группы, аминогруппы и т. п.); нередко при растворении гидрофильных веществ образуются заряженные частицы — ионы. Гидрофобные вещества, напротив, плохо или совсем не растворяются в воде. В их число входят в первую очередь жиры и жироподобные соединения, а также полисахариды (хитин, целлюлоза).
Вопрос 4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне?
Способность сохранять кислотно-щелочной баланс, т. е. поддерживать постоянное значение pH, обеспечивается так называемыми буферными свойствами клетки. Это означает, что при добавлении небольших количеств кислот или щелочей концентрация ионов водорода (иначе — pH) в цитоплазме практически не изменяется. Такой эффект достигается благодаря присутствию в клетке отрицательно заряженных ионов — остатков слабых кислот (в первую очередь НСО3 и НРО2|4). При закислении (избытке ионов Н +) эти ионы могут превращаться в Н 2 С0 3 и Н 2 Р0 4 соответственно. Напротив, при дефиците Н + (защелачивание цитоплазмы) НСО3 и НРО2|4 способны отдавать часть своих ионов водорода. Буферные свойства клетки очень важны, поскольку большинство биологически активных веществ (в частности, белки-ферменты) могут вступать в реакции только при строго определенном уровне pH.
Вопрос 5. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.
Минеральные соли и входящие в их состав элементы участвуют во многих процессах жизнедеятельности клетки. Так, остатки слабых кислот (НСО3, НРО2|4) обеспечивают ее буферные свойства. Движение ионов Na + , К + , Са 2+ , С1 через мембраны клеток лежит в основе всех электрических явлений, наблюдаемых в живых организмах (вплоть до разрядов электрических рыб); без этого мышечные волокна не способны сокращаться, а нервная ткань — проводить сигналы. Остатки фосфорной кислоты нужны для синтеза нуклеотидов и фосфолипидов. Фосфаты кальция и магния участвуют в образовании костей, а карбонат кальция является основой раковины моллюсков.
Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.
Химический состав клеток.
Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными . По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:
Макроэлементы , элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K , Na , Ca , Mg , S , P , Cl , Fe (1,9%).
Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.
Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.
Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.
К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.
Неорганические вещества клетки . Вода .
Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%.
Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом.
Рис. . Вода. Значение воды. |
Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими , к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран.
Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.
Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.
Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов.
Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор ), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).
Итак, значение воды для организма заключается в следующем:
- Является средой обитания для многих организмов;
- Является основой внутренней и внутриклеточной среды;
- Обеспечивает транспорт веществ;
- Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);
- Служит растворителем и средой для диффузии;
- Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;
- При испарении участвует в терморегуляции организма;
- Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;
- Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды.
Минеральные вещества .
Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)
Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 - . Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К + внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na + вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl - вне клетки в 30-50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.
Табл. 1. Важнейшие химические элементы
Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
Углерод, водород, кислород, азот | Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества | Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
Калий, натрий | Обеспечивают функции мембран, в частности, поддерживают электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
Фосфат кальция, карбонат кальция Пектат кальция | Участвует в процессе свертывания крови, сокращения мышц, входит в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений |
|
Хлорофилл | Фотосинтез |
|
Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
||
Нуклеиновые кислоты, АТФ | Синтез нуклеиновых кислот, фосфорилирование белков (их активирование) |
|
Поддерживает электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы Активизирует пищеварительные ферменты желудочного сока |
||
Гемоглобин Цитохромы | Транспорт кислорода Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании |
|
Марганец | Декарбоксилазы, дегидрогеназы | Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
Гемоцианин Тирозиназа | Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных Образование меланина |
|
Витамин В 12 | Формирование эритроцитов |
|
Входит в состав более 100 ферментов: Алькогольдегидрогеназа, карбоангидраза | Анаэробное дыхание у растений Транспорт СО 2 у позвоночных |
|
Фторид кальция | Костная ткань, зубная эмаль |
|
Тироксин | Регуляция основного обмена |
|
Молибден | Нитрогеназа | Фиксация азота |
Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К + , Na + , Ca 2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла).
От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства . Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H 2 PO 4 - и НРО 4 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - .
Фосфатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НРО 4 2- + Н + H 2 PO 4 -
Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион
Бикарбонатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НСО 3 - + Н + H 2 СO 3
Гидрокарбонат – ион Угольная кислота
Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.
Ключевые термины и понятия
1. Общая биология. 2. Тропизмы, таксисы, рефлексы. 2. Биогенные элементы. 3. Макроэлементы. 4. Элементы 1 и 2 групп. 5. Микро- и ультрамикроэлементы. 6. Гидрофильные и гидрофобные вещества. 7. Амфипатические вещества. 8. Гидролиз. 9. Гидратация. 10. Буферность.
Основные вопросы для повторения
- Строение молекулы воды и ее свойства.
- Значение воды.
- Процентное соотношение органических веществ в клетке.
- Важнейшие катионы клетки и их концентрация в нервных и мышечных клетках.
- Реакция фосфатной буферной системы при понижении рН.
- Реакция карбонатной буферной системы при повышении рН.
Буферы представляют собой химические вещества, такие как фосфор, калий, магний, селен, цинк которые помогают жидкости сопротивляться изменению ее кислотных свойств при добавлении других химических веществ, которые обычно вызывают изменение этих свойств. Буферы необходимы для живых клеток. Это связано с тем, что буферы поддерживают правильный рН жидкости.
Что такое рН
Это показатель того, насколько кислая жидкость. Например, лимонный сок имеет низкий рН от 2 до 3 и очень кислый - так же, как сок в вашем желудке, который переваривает пищу. Поскольку кислотные жидкости могут разрушать белки, а клетки заполнены белками, клеткам необходимо иметь буферы внутри и снаружи, чтобы защитить свои белковые свойства.
- Противоположностью химического вещества, которое является кислотой, является химическое вещество, которое является основанием, и оба могут существовать в жидкости. Кислота высвобождает ион водорода в жидкость, а основание выталкивает из него ион водорода. Чем больше свободно плавающих ионов водорода присутствует в жидкости, тем более кислой становится жидкость.
- Буферы представляют собой химические вещества, которые могут легко выделять или поглощать ионы водорода в жидкости, то есть они способны противостоять изменению рН, контролируя количество свободных ионов водорода. Шкала рН находится в диапазоне от 0 до 14. Значение pH от 0 до 7 считается кислотным, а рН от 7 до 14 считается основным. PH 7, посередине, нейтрален и представляет собой чистую воду.
- Опасность изменения рН внутри клетки заключается в том, что рН резко влияет на структуру белков.
Клетка состоит из различных типов белков, и каждый белок работает только тогда, когда у него есть правильная трехмерная форма. Форма белка удерживается на месте силами притяжения внутри белка, как и многие мини-магниты здесь и там, которые соединяются, чтобы удерживать весь протеин на месте. Поэтому, если внутри клетки становится слишком кислым или слишком основным, тогда белки начинают терять форму и больше не работают. Клетка становится как фабрика без рабочих и без ремонтников. Поэтому буферы внутри ячейки предотвращают это.
