2. Ионный состав внутриклеточной и внеклеточной среды, основные электрохимические и электрические силы, определяющие движение ионов через мембрану клетки в состоянии покоя

Организм человека включает множество химических элементов: обнаружено присутствие 86 элементов из таблицы Д. И. Менделеева. Однако 98% массы нашего организма образовано всего четырьмя элементами: кислородом (около 70%), углеродом A5—18%), водородом (около 10%) и азотом (около 2%). Все остальные элементы подразделяются на макроэлементы (около 2% массы) и микроэлементы (около 0,1% массы). К макроэлементам относят фосфор, калий, натрий, железо, магний, кальций, хлор и серу, а к микроэлементам — цинк, медь, иод, фтор, марганец и другие элементы. Несмотря на очень малые количества, микроэлементы необходимы как каждой клетке, так и всему организму в целом.

В клетках атомы и группы атомов различных элементов способны терять или приобретать электроны. Так как электрон имеет отрицательный заряд, то потеря электрона приводит к тому, что атом или группа атомов становятся положительно заряженными, а приобретение электрона делает атом или группу атомов отрицательно заряженными. Такие электрически заряженные атомы и группы атомов называются ионами. Противоположно заряженные ионы притягивают друг друга. Связь, обусловленная таким притяжением, называется ионной. Ионные соединения состоят из отрицательных и положительных ионов, противоположные заряды которых равны по величине, и поэтому в целом молекула электронейтральна. Примером ионного соединения может служить поваренная соль, или хлорид натрия NaCl. Это вещество образуют ионы натрия Na+ с зарядом +1 и хлорид-ионы С- с зарядом -1.

Каждая клетка, несмотря на свои малые размеры, устроена очень сложно. Клетки содержат структуры для потребления питательных веществ и энергии, выделения продуктов обмена, размножения. Все эти стороны жизнедеятельности клетки тесно увязаны друг с другом. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы. В цитоплазме большинства клеток находится ядро, координирующее жизнедеятельность клетки, и многочисленные органоиды, выполняющие разнообразные функции.

В клетке как в единой системе все части — цитоплазма, ядро, органоиды — должны удерживаться вместе. Для этого в процессе эволюции развилась клеточная мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки — цитоплазму и ядро — от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена. Строение мембраны у всех клеток одинаково. Ее толщина составляет приблизительно 8 нм (1 нм =10(-9)м).

Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Одни белки находятся на поверхности липидного слоя, другие пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие небольшой диаметр. Однако более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут.

При разделении в пространстве отрицательных и положительных ионов возникает разность потенциалов, которая измеряется в вольтах.

Силы, определяющие движение ионов, в пространстве:

1.Электростатические – противоположно заряженные частицы притягиваются, одинаково заряженные - отталкиваются

2. Электрохимические – возникают из-за разности концентрации ионов и вызывают:

диффузию – движение ионов через полупроницаемую мембрану

осмос – движение раствора из района с высокой концентрацией в район с низкой концентрацией

3. Гидростатические – гравитационные силы, препятствующие осмосу.

Сочетание этих сил приводит к установлению динамического равновесия в клеточной среде.

Электрические процессы в клетках обусловлены неравномерным распределением ионов по обе стороны клеточной мембраны.