Неорганические вещества клетки

Химический состав живых организмов
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном.
Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы.
Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.

Содержание элементов в земной коре и в живых организмах.
Основу организмов составляют 4 элемента – кислород, водород, углерод, азот.
Содержание данных элементов в земной коре, кроме кислорода, незначительное – менее 1%
Элементарный состав

Элементы, входящие в состав организмов, называют элементами-биогенами.
Они сосредоточены в первых четырех периодах Периодической системы Д.И. Менделеева.
Атомы элементов-биогенов
имеют относительно малые радиусы и атомную массу,
способны образовывать прочные ковалентные связи.
Этими свойствами объясняется их биологическое значение.

На четыре элемента (O, C, H, N) приходится до 98% массы клетки, поэтому они получили название органогенные элементы или органогены (в переводе означает "образующие органические соединения").

В теле человека присутствует практически вся таблица Менделеева и не смотря на то, что остальных химических элементов в массовом выражении не так много (менее 1%), они выполняют важные жизненные функции.

Биологическая роль макроэлементов
Натрий (Na) - осмотическая (клеточное давление), ионный обмен, работа почек;
Кальций (Ca) - свёртывание крови, работа мышц, обеспечение прочности костей;
Калий (K) - работа мозга и нервной системы, сокращение мышц, работа сердца;
Фосфор (P) - состав эмали и зубной ткани, входит в состав фосфолипидов (клеточной мембраны), работа печени;
Железо (Fe) - входит в состав гемоглобина (переносит кислород в крови), необходим для работы митохондрий (клеточного дыхания);
Магний (Mg) - входит в состав хлорофилла, участвует в процессах синтеза ДНК;
Хлор (Cl) - работа нервной системы, переваривание пищи (соляная кислота в желудке);
Сера (S) - входит в состав аминокислот, гормонов и витаминов.

Микроэлементы
Микроэлементами называются элементы, содержание которых менее 0.001% от массы клетки. Однако они тоже важны и тоже выполняют различные биологические функции.
Цинк (Zn) - входит в состав гормонов (тестостерона, инсулина)
Медь (Cu) - необходимо для процессов фотосинтеза и дыхания
Кобальт (Co) - входит в состав витамина B12
Йод (I) - регулирует работу щитовидной железы, входит в состав её гормонов (Т3/Т4)
Фтор (F) - входит в состав зубной эмали
и т.д.

Ультрамикроэлементы
К этой группе элементов относятся очень редкие химические элементы.
Их содержание в окружающей природе очень мало, поэтому они практически не выполняют никаких функции в организме человека, однако присутствуют в незначительных количества, менее 0.000001% (в результате эффекта накопления).
К этим элементам относят Уран (U), Радий (Ra), Золото (Au), Серебро (Ag), Ртуть (Hg), Берилий (Be) и прочие.

Молекулярный состав
Минеральные вещества в клетке присутствуют в виде ионов и твердых нерастворимых солей.
Нерастворимые соли представлены в основном фосфатами и карбонатами, входящими в состав костей, зубов, раковин т.п., обеспечивая прочность этих образований.
Растворимые ионы придают внутренней среде клетки определенную кислотно-щелочную реакцию, активируют синтез ферментов.

Минеральные соли
Минеральные соли в водном растворе клетки диссоциируют на катионы и анионы.
Наиболее важные катионы — K+, Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+
Наиболее важные анионы — Cl-, SO42-, HPO42-, H2PO4-, HCO3-, NO3-.
Существенным является не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в клетке.
От концентрации солей в клетке зависят буферные свойства клетки.
Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого (рН=7,2) на постоянном уровне.
Растворимые ионы избирательно связывают избыточные ионы Н+ и ОН- позволяют поддерживать рН на определенном уровне.
Внутри клетки буферность обеспечивается анионами Н2РО4-
Фосфатная система поддерживает рН в пределах 6,9-7,4.
Во внеклеточной жидкости и в крови роль буферных соединений играют Н2СО3 и НСО3-
Карбонатная буферная система поддерживает рН плазмы крови в пределах 7,4

Соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи.
Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма.
Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.

Вода.

Содержание воды в разных клетках организма:

Особенности строения молекулы воды
Вода — преобладающее вещество всех живых организмов.
Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи.
Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%.
Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками).

Способность молекул воды «слипаться» друг с другом благодаря водородным связям получила название когезии.
Способность воды «слипаться» с другими веществами называется адгезией.
Именно адгезией объясняются капиллярные свойства воды – ее способность подниматься по тонкой трубке.
Поверхностное натяжение определяется силами межмолекулярного сцепления, небольшие предметы со средней плотностью большей плотности жидкости способны «плавать» на поверхности жидкости, так как их вес оказывается уравновешенным силой поверхностного натяжения.
некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
Большое поверхностное натяжение, когезия и адгезия обеспечивают:
а) физические свойства клетки
б) передвижение воды вверх по стеблям растений
в) подъем влаги по почвенным порам
г) удержание на поверхности мелких организмов
Водомерка
Молодые василиски

При замерзании вода расширяется
При переходе в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, при этом объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет меньшую плотность (больший объём) воды в фазе льда.
Лед легче воды, он образуется на поверхности водоемов и выполняет функцию теплоизоляции – защищает от холода находящиеся в воде организмы.
Прозрачность воды, зависит от длины волны излучения, проходящего через воду. Вода прозрачна только для видимого света.
Из-за поглощения оранжевых и красных компонентов света вода приобретает голубоватую окраску. Инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой.
Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.
Прозрачность способствует ориентации животных , фотосинтезу растений.

Физические свойства воды
Высокая теплоемкость и теплопроводность
Прозрачность в видимом участке спектра
Практическая полная несжимаемость
Подвижность молекул и вязкость
Хороший растворитель
Оптимальная для биосистем значение силы поверхностного натяжения
Расширение при замерзании