2. Неорганические вещества клетки

Вода. Основным неорганическим веществом клетки является вода, без которой невозможны деятельность и нормальное функционирование клеток и организма в целом. Содержание воды может значительно отличаться в различных клетках. Минимальное количество воды содержится в костной ткани, максимальное – в нервной ткани. Потеря 20 % воды смертельна для организма. Молекула воды электронейтральна, но в силу своей полярности она обладает прекрасной способностью образовывать гидраты (продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам), что и определяет её универсальные растворяющие свойства. По отношению к воде выделяют гидрофильные (хорошо растворимые) и гидрофобные (труднорастворимые или нерастворимые) вещества. К последним относятся жироподобные вещества – основные элементы клеточных мембран, которые способны ограничить проникновение веществ из клетки и в клетку.

Вода служит средой, в которой протекают биохимические реакции. Все реакции обмена в клетках происходят при её участии. Например, вода – источник водорода в процессе фотосинтеза. Расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза (греч. hydros – вода и lysis – расщепление).

Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Данные свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма, она создает объем клетки и межклеточного пространства. Связывание воды с органическими структурами клетки – коллагеном, гиалуроновой кислотой и другими соединениями обеспечивает тургор и упругость тканей. И наконец, вода – основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.

У растений благодаря тургору поддерживается форма, регулируется процесс испарения воды с внутренних тканей листа (транспирация). Резкое снижение тургора приводит к гибели растений. У большинства растений тургорное давление равно 5–10 атм, а в животных клетках из-за отсутствия прочных оболочек оно значительно ниже, всего 0,5–1 атм.

Минеральные вещества. Большая часть минеральных веществ клетки находится в виде солей, диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. В цитоплазме практически любой клетки имеются кристаллические включения, состоящие, как правило, из слаборастворимых солей кальция и фосфора. Кроме них могут содержаться двуокись кремния и другие неорганические вещества. Все они используются для образования опорных структур клетки (например, минерального скелета радиолярий) и организма: минерального вещества костной ткани (соли кальция и фосфора), раковин моллюсков (соли кальция) и хитина (соли кальция).

Неорганические ионы, имеющие немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки, представлены положительно заряженными ионами (катионами) – К⁺, Na⁺, Са⁺, Mg⁺, NH3⁺ – и отрицательно заряженными ионнами (анионами) – Cl⁻, HPO₄²⁻, Н₂РO₄⁻, НСО₃⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, СО₃²⁻| – минеральных солей. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде различна.

Особенности строения клеточной мембраны клеток и наличие в ней транспортной системы с избирательным накоплением одних ионов внутри клетки и выведением других ионов в межклеточную среду ведет к возникновению разности концентраций ионов на мембране. Поскольку ионы являются электрически заряженными частицами, разность концентраций на наружной и внутренней мембранах вызывает возникновение электрического напряжения (потенциала). В результате на мембране клетки формируется электрохимическая разность потенциалов (электрохимический градиент) или мембранный потенциал.

Выделяют две причины возникновения разности потенциалов клетки:

٠ неодинаковое распределение ионов по обе стороны мембраны. Внутри клетки находится больше всего ионов К⁺, снаружи его мало. Ионов Na⁺ и ионов С1^– больше снаружи, чем внутри. Такое распределение ионов называется ионной асимметрией;

٠ избирательной проницаемости мембраны для ионов. В состоянии покоя мембрана неодинаково проницаема для различных ионов. Клеточная мембрана проницаема для ионов К⁺, малопроницаема для ионов Na⁺ и непроницаема для органических веществ.

За счет этих двух факторов создаются условия для движения ионов. Это движение осуществляется без затрат энергии путем пассивного транспорта – диффузией в результате разности концентрации ионов. Ионы К⁺ выходят из клетки и увеличивают положительный заряд на наружной поверхности мембраны, ионы С1^– пассивно переходят внутрь клетки, что приводит к увеличению положительного заряда на ее наружной поверхности. Ионы Na⁺ накапливаются на наружной поверхности мембраны и увеличивают ее положительный заряд. Органические соединения остаются внутри клетки. В результате такого движения наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно. Внутренняя поверхность мембраны может не быть абсолютно отрицательно заряженной, но она всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней. Движение ионов продолжается до тех пор, пока не уравновесится разность потенциалов на мембране, т. е. не наступит электрохимическое равновесие.

Разность потенциалов на мембране обеспечивает такие важные процессы, как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.

По своей реакции растворы могут быть кислотными, основными и нейтральными. Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов Н⁺. Эту концентрацию выражают при помощи водородного показателя — рН. Нейтральной реакции жидкости отвечает рН = 7,0, кислой реакции — рН < 7,0 и основной — рН > 7,0. Протяженность шкалы рН составляет от 0 до 14,0.

Значение рН в клетках, примерно, равно 7,0. Изменение его на одну-две единицы губительно для клетки. Постоянство рН в клетках поддерживается благодаря буферным свойствам их содержимого. Буферным называют раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и её растворимой соли. Когда кислотность (концентрация ионов Н⁺) увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, легко соединяются со свободными ионами Н⁺ и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н⁺. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н⁺. Некоторые органические соединения, в частности белки, также имеют буферные свойства.

Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства — способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты. Так, фосфатная буферная система млекопитающих, состоящая из НРО₄²⁻ и Н₂РО₄⁻, поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9–7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит гидрокарбонатная система, состоящая из Н₂СО₃ и НСО₄⁻ и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества используются для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).

Ионы некоторых металлов (Мg²⁺, Са²⁺, Си²⁺, Мn²⁺) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их. Например, ион Fе²⁺ входит в состав гемоглобина крови. При их недостатке нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.