В чем заключается биологическая роль воды? минеральных солей?
Вода является самым распространенным неорганическим соединением в живых организмах. Ее функции во многом определяются дипольным характером строения ее молекул.
1. Вода - универсальный полярный растворитель; многие химические вещества в присутствии воды диссоциируют на ионы - катионы и анионы.
2. Вода является средой, где протекают различные химические реакции между веществами, находящимися в клетке.
3. Вода выполняет транспортную функцию. Большинство веществ способно проникнуть через клеточную мембрану только в растворенном в воде виде.
4. Вода является важным реагентом реакций гидратации и конечным продуктом многих биохимических реакций, в том числе окисления.
5. Вода выступает как терморегулятор, что обеспечивается ее хорошей теплопроводностью и теплоемкостью и позволяет поддерживать температуру внутри клетки при колебаниях температуры в окружающей среде.
6. Вода является средой для жизни многих живых организмов.
Жизнь без воды невозможна.
Минеральные вещества также имеют важное значение для процессов, происходящих в живых организмах. От концентрации солей в клетке зависят ее буферные свойства - способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.
В клетке содержится 1–1,5% минеральных солей. Соли – соединения ионные, т.е. в их составе атомы с частично приобретенным положительным и отрицательным зарядом. В воде соли легко растворяются и распадаются на ионы, т.е. диссоциируют с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка. Например:
NaCl ––> Na + + Сl – ;
Н 3 РO 4 ––> 2H + + НРO 4 2– ;
Н 3 РO 4 ––> H + + Н 2 РO 4 – .
Поэтому мы говорим, что соли содержатся в клетке в виде ионов. В наибольшей степени в клетке представлены и имеют наибольшее значение
катионы: К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ ;
анионы: НРО 4 2– , H 2 РО 4 – , Сl – , НСО 3 – , HSO 4 – .
Есть в живых тканях и соли, находящиеся в твердом состоянии, – например, фосфат кальция, входящий в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков.
Биологическое значение катионов
Рассмотрим значение важнейших катионов в жизнедеятельности клетки и организма.
1. Катионы натрия и калия (К + и Na +), концентрация которых в клетке и в межклеточном пространстве сильно различается – концентрация К + внутри клетки очень высокая, а Na + – низкая. Пока клетка жива, различия в концентрации этих катионов стойко поддерживаются. Благодаря разнице в концентрациях катионов натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны на ней создается и поддерживается разница потенциалов. Также благодаря этим катионам оказывается возможной передача возбуждения по нервным волокнам.
2. Катионы кальция (Ca 2+) являются активатором ферментов, способствуют свертыванию крови, входят в состав костей, раковин, известковых скелетов, участвуют в механизмах мышечного сокращения.
3. Катионы магния (Mg 2+) также являются активаторами ферментов, входят в состав молекул хлорофилла.
4. Катионы железа (Fe 2+) входят в состав гемоглобина и других органических веществ.
Биологическое значение анионов
Несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности клетки непрерывно образуются кислоты и щелочи, в норме реакция клетки слабощелочная, почти нейтральная (рН=7,2). Это обеспечивается содержащимися в ней анионами слабых кислот, которые связывают или отдают ионы водорода, в результате чего реакция среды клетки практически не изменяется.
Способность клетки поддерживать определенную концентрацию водородных ионов (рН) называют буферностью .
Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H 2 РО 4 – это фосфатная буферная система. Она поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 - 7,4.
Во внеклеточной жидкости и в плазме крови роль буфера играют СО 3 2– и НСО 3 – - это бикарбонатная система. Онаподдерживающая рН на уровне 7,4.
Знать роль, функции витаминов, их классификацию и основные нарушения, возникающие при гипо- и авитаминозах.
Водно-солевой обмен - совокупность процессов распределения воды и минеральных веществ между вне- и внутриклеточным пространствами организма, а также между организмом и внешней средой. Распределение воды между водными пространствами организма зависит от осмотического давления жидкостей в этих пространствах, что во многом определяется их электролитным составом. От количественного и качественного состава минеральных веществ в жидкостях организма зависит протекание всех жизненно важных процессов.
Поддержание постоянства осмотического, объемного и ионного равновесия вне- и внутриклеточных жидкостей организма с помощью рефлекторных механизмов называется водно-электролитным гомеостазом. Изменение потребления воды и солей, избыточная потеря этих веществ сопровождаются изменением состава внутренней среды и воспринимаются соответствующими рецепторами. Синтез поступающей в ЦНС информации завершается тем, что к почке - основному эффекторному органу, регулирующему водно-солевое равновесие, поступают нервные или гуморальные стимулы, приспосабливающие ее работу к потребностям организма.
Функции воды:
1) обязательная составная часть протоплазмы клеток, тканей и органов; тело взрослого человека на 50-60% (40 – 45 л) состоит из воды;
2) хороший растворитель и переносчик минеральных и питательных веществ, продуктов обмена;
3) участие в реакциях обмена (гидролиз, набухание коллоидов, окисление белков, жиров, углеводов);
4) ослабление трения между соприкасающимися поверхностями в теле человека;
5) основной компонент водно-электролитного гомеостаза, входит в состав плазмы, лимфы и тканевой жидкости;
6) регуляция температуры тела;
7) обеспечение гибкости и эластичности тканей;
8) входит в состав пищеварительных соков (вместе с минеральными солями).
Суточная потребность взрослого человека в воде в состоянии покоя - 35-40 мл на килограмм массы тела. Это количество поступает в организм из следующих источников:
1) вода, потребляемая в виде питья (1-1,1 л) и вместе с пищей (1-1,1 л);
2) вода, которая образуется в результате химических превращений питательных веществ (0,3-0,35 л).
Основными органами, удаляющими воду из организма, являются почки, потовые железы, легкие и кишечник. Почками за сутки удаляется 1-1,5 л воды, потовыми железами через кожу - 0,5 л, легкими выдыхается в виде паров 0,35 л (при учащении и углублении дыхания - до 0,8 л/сутки), через кишечник с калом - 100-150 мл воды.
Соотношение между количеством поступившей в организм и выведенной из него воды составляет водный баланс. Для нормальной жизнедеятельности организма важно, чтобы приход воды полностью покрывал расход, иначе в результате потери воды наступают серьезные нарушения жизнедеятельности. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживания), при потере 20% воды наступает смерть. При недостатке воды в организме наблюдается перемещение жидкости из клеток в межтканевое пространство, а затем - в сосудистое русло. Местные и общие нарушения водного обмена в тканях могут проявляться в форме отеков и водянки. Отек - накопление жидкости в тканях, водянка - скопление жидкости в полостях организма. Жидкость, скапливающуюся в тканях при отеках и в полостях при водянке, называют транссудатом.
Организм нуждается в постоянном поступлении не только воды, но и минеральных солей, котрые поступают в организм с пищевыми продуктами и водой, за исключением поваренной соли, которая специально добавляется к пище. Всего в организме животных и человека найдено 70 химических элементов, из которых 43 считают незаменимыми (эссенциальными; лат. essentia - сущность). Потребность организма в различных минеральных веществах неодинакова. Одни элементы (макроэлементы) вводятся в организм в значительном количестве (в граммах и десятых долях грамма в сутки):натрий, магний, калий, кальций, фосфор, хлор. Другие элементы - микроэлементы (железо, марганец, кобальт,цинк, фтор, йод) нужны организму в крайне малых количествах (в микрограммах миллиграмма).
Функции минеральных солей:
1) являются биологическими константами гомеостаза;
2) создают и поддерживают осмотическое давление в крови и осмотическое равновесие в тканях);3) поддерживают постоянство активной реакции крови (рН=7,36-7,42)4) участвуют в ферментативных реакциях;
5) участвуют в водно-солевом обмене;
6) ионы натрия, калия, кальция, хлора играют большую роль в процессах возбуждения и торможения, мышечного сокращения, свертывания крови;
7) являются составной частью костей (фосфор, кальций), гемоглобина (железо), гормона тироксина (йод), желудочного сока (соляная кислота);
8) являются составными компонентами всех пищеварительных соков.
1) Натрий поступает в организм в виде поваренной (столовой) соли (суточная потребность в ней для взрослого человека 10-15 г.), является единственной минеральной солью, которая добавляется к пище Участвует в поддержании осмотического равновесия и объема жидкости в организме, влияет на рост организма. Сoвместно с калием регулирует деятельность сердечной мышцы,изменяя ее возбудимость. Симптомы дефицита натрия: слабость, апатия, подергивание мышц, потеря свойства сократимости мышечной ткани.
2) Калий поступает в организм с овощами, мясом, фруктами. Суточная норма - 1 г. Вместе с натрием участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала (калиево-натриевый насос), поддерживает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. При недостатке наблюдается торможение rtpoцессов ассимиляции (анаболизма), слабость, сонливость, гипорефлексия (снижение рефлексов).
3) Хлор поступает в виде поваренной соли. Анионы хлора вместе с катионами натрия участвуют в создании осмотического давления плазмы крови и других жидкостей организма. Хлор входит также в состав соляной кислоты желудочного сока. Симптомов дефицита не обнаружено.
4) Кальций поступает с молочными продуктами, овощами (зелеными листьями). Содержится в костях вместе с фосфором и является одной из важнейших биологических констант крови. Содержание кальция в крови человека в норме 2,25-2,75 ммоль/л. Снижение кальция приводит к непроизвольным мышечным сокращениям (кальциевая тетания) и смерти вследствие остановки дыхания. Кальций необходим для свертывания крови. Суточная потребность - 0,8 г.
5) Фосфор поступает с молочными продуктами, мясом, злаками. Суточная потребность - 1,5 г. Вместе с кальцием содержится в костях и зубах, входит в состав макроэргических соединений (АТФ, креатинфосфат). Отложение фосфора в костях возможно только при наличии витамина D. При недостатке фосфора в организме наблюдается деминерализация костей.
6) Железо поступает с мясом, печенью, бобами, сухофруктами. Суточная потребность - 12-15 мг. Является составной частью гемоглобина крови и дыхательных ферментов. В организме содер-жится 3 г железа, из которого 2,5 г находится в эритроцитах как составная часть гемоглобина, остальные 0,5 г входят в состав клеток организма. Недостаток железа нарушает синтез гемоглобина и как следствие приводит к малокровию.
7) Йод поступает с питьевой водой, обогащенной им при протекании через горные породы или со столовой солью с добавлением йода. Суточная потребность - 0,03 мг. Участвует в синтезе гормонов щитовидной железы. Недостаток йода в организме приводит к возникновению эндемического зоба - увеличению щитовидной железы (некоторые области Урала, Кавказа, Памира).
Витамины (лат. vita - жизнь + амины) - поступающие с пищей незаменимые вещества, необходимые для поддержания жизненных функций организма. Иззвестно более 50 витаминов.
Функции витаминов:
1) являются биологическими катализаторами и взаимодействуют с ферментами и гормонами;
2)являются коферментами, т.е. низкомолекулярными компонентами ферментов;
3) принимают участие в регуляции процесса обмена веществ в виде ингибиторов или активаторов;
4) участвуют в образовании гормонов и медиаторов;
5) снижают воспалительные явления и способствуют восстановлению поврежденной ткани;
6) способствуют росту, улучшению минерального обмена, сопротивляемости к инфекциям, предохраняют от малокровия, повышенной кровоточивости;
7) обеспечивают высокую работоспособность.
Заболевания, которые развиваются при отсутствии витаминов в пище, называются авитаминозами. Функциональные нарушения, возникающие при частичной недостаточности витаминов, - гиповитаминозы. Заболевания, вызываемые избыточным потреблением витаминов, - гипервитаминозы. Витамины обозначают буквами латинского алфавита, химическими и физиологическими названиями. По растворимости все витамины делят на 2 группы: водо- и жирорастворимые.
Водорастворимые витамины.
1) Витамин С - аскорбиновая кислота, антицинготный. Содержится в ягодах шиповника, черной смородины, лимонах. Суточная потребность - 50-100 мг. При отсутствии витамина С развивается цинга (скорбут): кровоточивость и разрыхление десен, выпадение зубов, кровоизлияния в мышцах и суставах. Костная ткань становится более пористой и хрупкой (могут быть переломы). Возникает общая слабость, вялость, истощение, пониженная сопротивляемость к инфекциям,
2) Витамин B1 - тиамин, антиневрин. Содержится в пивных дрожжах, печени, свинине, орехах, цельных зернаах хлебных злаков, в желтке яйца. Суточная потребность - 2-3 мг. При отсутствии витамина В1 развивается заболевание «бери-бери»: полиневрит, нарушение деятельности сердца и желудочно-кишечного тракта.
3) Витамин В2 - рибофлавин (лактофлавин), антисеборейный. Содержится в печени, почках, дрожжах. Суточная потребность - 2-3 мг. При авитаминозе у взрослых наблюдается нарушение обмена веществ,поражение глаз, слизистой облочки полости рта, губ, атрофия сосочков языка, себорея, дерматит, падение веса; у детей - задержка роста.
4) Витамин В3 - пантотеновая кислота, антидерматитный. Суточная потребность - 10 мг. При авитаминозе возникает слабость, быстрая утомляемость, головокружение, дерматиты, поражение слизистых оболочек,невриты.
5) Витамин В6 - пиридоксин, антидерматитный (адермин). Содержится в рисовых отрубях, бобах, дрожжах, почках, печени, мясе. Синтезируется микрофлорой толстого кишечника. Суточная потребность - 2-3 мг. При авитаминозе наблюдается тошнота, слабость, дерматит у взрослых. У младенцев проявлением авитаминоза являются судороги (конвульсии).
6) Витамин В12 - цианокобаламин, антианемический. Содержится в печени рогатого скота и цыплят. Синтезируется микрофлорой толстого кишечника. Суточная потребность - 2-3 мкг. Влияет на кроветворение и предохраняет от злокачественной ангемии Т. Аддисона-А. Бирмера.
7) Виатмин Вс - фолиевая кислота (фолацин), антианемический. Содержится в салате, шпинате, капусте, томатах, моркови, пшенице, печени, мясе, яйцах. Синтезируется в толстом кишечнике микрофлорой. Суточная потребность - 3 мг. Влияет на синтез нуклеиновых кислот, кроветворение и предохраняет от мегалобластной анемии.
8) Витамин Р - рутин (цитрин), капилляроукрепляющий витамин. Содержится в лимонах, гречневой крупе, черной смородине, черноплодной рябине, плодах шиповника. Суточная потребность - 50 мг. Уменьшает проницаемость и ломкость капилляров, усиливает действие витамина С и способствует накоплению его в организме.
9) Витамин В5 (РР) - никотиновая кислота (никотинамид, ниацин), противопеллагрический. Содержится в дрожжах, свежих овощах, мясе. Суточная потребность - 15 мг. Синтезируется в толстом кишечнике из аминокислоты триптофана. Предохраняет от пеллагры: дерматита, диареи (поноса), деменции (нарушения психики).
Жирорастворимые витамины.
1) Витамин А - ретинол, противоксерофтальмический. Содержиится в рыбьем жире, печени трески и палтуса. Суточная потребность - 1,5 мг. Способствует росту и предохраняет от куриной, или ночной, слепоты (гемералопии), сухости роговицы глаза (ксерофтальмии), размягчения и некроза роговицы (кератомаляции). Предшественником витамина А является каротин, содержащийся в растениях: моркови, абрикосах, листьях петрушки.
2) Витамин D - кальциферол, противорахитический. Содержится в коровььем масле, желтке яйца, рыбьем жире. Суточная потребность - 5-10 мкг, для детей грудного возраста - 10-25 мкг. Регулирует обмен кальция и фосфора в организме и предохраняет от рахита. Предшественником витамина D в организме является 7-дегидро-холестерин, который под действием ультрафиолетовых лучей в тканях (в коже) превращается в витамин D.
3). Витамин Е - токоферол, противостерильный витамин. Содержится в салате, петрушке, растительном масле, овсяной муке, кукурузе. Суточная потребность - 10-15 мг. Обеспечивает функцию размножения, нормальное протекание беременности. При его отсутсттвии происходит дегенерация мышц, развиваются мышечная слабость и костная атрофия.
4). Витамин К - викасол (филлохинон), антигеморрагический витамин. Содержится в листьях шпината, салата, капусты, крапивы, в томатах, ягодах рябины, в печени. Синтезируется микрофлорой толстого кишечника. Для всасывания необходима желчьь. Суточная потребность - 0,2-0,3 мг. Усиливает биосинтез протромбина в печени и способствует свертыванию крови.
5). Витамин F - комплекс ненасыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой, арахидоновой) необходим для нормального жирового обмена в организме. Суточная потребность -10-12 г.
Почти все известные элементы круглосуточно работают на благо здоровья человека. Минеральные соли обеспечивают постоянство кислотно-щелочного баланса и регулируют обмен веществ.
Активная роль минеральных солей в обменных процессах организма и регуляции его функций не оставляет сомнений в их необходимости. Эндогенный синтез их невозможен, ввиду чего они стоят особняком относительно других веществ подобной функциональности, например, гормонов и даже витаминов.
Управление жизненно важными процессами организма человека осуществляется путем поддержания кислотно-щелочного баланса, определенной концентрации тех или иных минеральных солей, взаимного соотношения их количества. Эти показатели влияют на активность и выработку гормонов, ферментов, определяют течение биохимических реакций.
Человеческое тело получает и использует практически все известные таблице Менделеева элементы, однако значение и функции большинства из них пока неизвестны. Принято разделение микроэлементов на две группы в зависимости от уровня их востребованности:
- микроэлементы;
- макроэлементы.
Все минеральные соли постоянно выводятся из организма, в той же мере они должны восполняться с пищей, иначе проблемы со здоровьем неизбежны.
Поваренная соль
Наиболее известная из минеральных солей, играющая важную роль на каждом столе, без присутствия ее не обходится практически ни одно блюдо. Химически представляет собой хлорид натрия.
Хлор участвует в образовании соляной кислоты, необходимой для пищеварения, защиты от глистной инвазии и являющейся составной частью желудочного сока. Недостаток хлора крайне негативно влияет на процесс переваривания пищи, провоцирует развитие мочевого отравления крови.
Натрий – крайне важный элемент, осуществляет регуляцию количества воды в организме, влияет на функционирование нервной системы человека. Удерживает в клетках тканей и кровеносной системе магний и известь. Играет ключевую роль в регуляции обмена минеральных солей и воды в организме, являясь основным внеклеточным катионом.
Калий
Калий вместе с натрием определяет функцию головного мозга, способствует его питанию глюкозой, поддерживает возбудимость мышечной и нервной тканей. Без калия невозможно сосредоточиться, мозг оказывается неспособен приняться за работу.
Необходимо влияние солей калия на переваривание крахмала, липидов, они участвуют в формировании мышц, обеспечивая их силу и крепость. Также он оказывает влияние на обмен минеральных солей и воды в организме, будучи основным внутриклеточным катионом.
Магний
Значение магния для человека и всех видов обмена веществ крайне велико. Помимо этого, он обеспечивает проводимость волокон нервных клеток, осуществляет регуляцию ширины просвета сосудов кровеносной системы, участвует в работе кишечника. Является протектором для клеток, укрепляя их мембраны и минимизируя последствия стрессовых воздействий. Соли магния обеспечивают прочность скелета и зубов, стимулируют выделение желчи.
Недостаток солей магния приводит к повышенной раздражительности, нарушениям таких функций высшей нервной деятельности, как память, внимание, расстройствам работы всех органов и их систем. Излишки магния организм эффективно выводит посредством кожи, кишечника и почек.
Марганец
Соли марганца предохраняют печень человека от ожирения, способствуют снижению уровня холестерина, принимают активное участие в обмене углеводов и жиров. Известно также их положительное влияние на функции нервной системы, выносливость мышц, процесс кроветворения, развитие костей. Марганец повышает свертываемость крови, помогает усвоению витамина B1.
Кальций
В первую очередь кальций необходим для формирования и развития костной ткани. Благодаря этому элементу происходит стабилизация мембран нервных клеток, а правильное количество его по отношению к калию обеспечивает нормальную деятельность сердца. Способствует он также усвоению фосфора, протеинов, а соли кальция в составе крови оказывают влияние на ее свертываемость.
Железо
Общеизвестна роль железа для процессов клеточного дыхания, поскольку он является составной частью гемоглобина и миоглобина мышц. Недостаток железа служит причиной кислородного голодания, последствия которого ударяют по всему организму. Особенно уязвим к этому фактору оказывается мозг, мигом теряющий работоспособность. Усвоение солей железа повышается с помощью аскорбиновой, лимонной кислоты, падает вследствие болезней пищеварительного тракта.
Медь
Соли меди работают в тесной связке с железом и аскорбиновой кислотой, участвуя в процессах кроветворения, клеточного дыхания. Даже при достаточном количестве железа дефицит меди приводит к малокровию и кислородному голоданию. Качество протекания процессов кроветворения и психическое здоровье человека также зависят от этого элемента.
Недостаток фосфора при обеспечении сбалансированного питания практически исключается. Однако следует учитывать, что излишек его неблагоприятно сказывается на количестве солей кальция и снабжении ими организма. В его сфере ответственности находятся процессы производства энергии и тепла из питательных веществ.
Формирование костной и нервной систем без фосфора и его солей невозможно, он также необходим для поддержания адекватной функции почек, печени, сердца, синтеза гормонов.
Фтор
Фтор является частью зубной эмали и костей и способствует сохранению их здоровья. Достаточное количество его солей в рационе беременной женщины уменьшает риск развития кариеса зубов ее ребенка в будущем. Велика их роль в процессах регенерации кожи, заживления ран, они улучшают усвоение железа организмом, помогают работе щитовидной железы.
Йод
Основная роль йода – его участие в работе щитовидной железы и синтезе ее гормонов. Некоторая часть йода находится в крови, яичниках и мышцах. Он укрепляет иммунную систему человека, участвует в развитии организма, помогает регулировать температуру тела.
Построение ногтей, кожных покровов и волос, нервной и мышечной тканей невозможно без солей кремния. Он также имеет большое значение для развития костной ткани и формирования хрящей, поддержания эластичности сосудистых стенок. Недостаток его создает риск развития сахарного диабета и атеросклероза.
Хром
Хром выполняет функцию регулятора инсулина, контролирует активность ферментной системы, занятой в обмене глюкозы, синтезе белков и жирных кислот. Недостаточное его количество может легко привести к диабету, а также является фактором риска в отношении развития инсульта.
Кобальт
Участие кобальта в процессах обеспечения поступления в мозг кислорода обязывает сделать на нем особый акцент. В организме представлен в двух формах: связанная, в составе витамина B12, именно в этом виде он и исполняет свою роль в синтезе эритроцитов; витаминонезависимая.
Цинк
Цинк обеспечивает протекание липидного и белкового обмена, является частью около 150 биологически активных веществ, вырабатываемых организмом. Крайне важен он для благополучного развития детей, поскольку участвует в формировании связей между клетками мозга, обеспечивает благополучное функционирование нервной системы. Также соли цинка задействованы в эритропоэзе, нормализуют функции эндокринных желез.
Сера
Сера присутствует практически везде в организме, во всех его тканях и моче. Недостаток серы способствует развитию раздражительности, нарушению функциональности нервной системы, развитию опухолей, кожных заболеваний.
Минеральные соли в водном растворе клетки диссоциируют на катионы и анионы; некоторые из них могут включаться в комплексы с различными органическими соединениями. Содержание неорганических ионов обычно не превышает 1 % от массы клетки. Катионы солей, такие как калий, натрий, обеспечивают раздражимость клеток. Кальций способствует сцеплению клеток между собой. Анионы слабых кислот отвечают за буферные свойства цитоплазмы, поддерживая в клетках слабощелочную реакцию.
Ниже в качестве примера приводится биологическая роль важнейших химических элементов клетки:
Кислород Компонент органических веществ, воды, анионов неорганических кислот
Углерод Компонент всех органических веществ, углекислого газа, угольной кислоты;
Водород Компонент воды, органических веществ, в форме протона регулирует кислотность среды и обеспечивает формирование трансмембранного потенциала;
Азот Компонент нуклеотидов, аминокислот, пигментов фотосинтеза и многих витаминов;
Сера Компонент аминокислот (цистеин, цистин, метионин), витамина В 1 и некоторых коферментов;
Фосфор Компонент нуклеиновых кислот, пирофосфата, ортофосфорной кислоты, нуклеотидтрифосфатов, некоторых коферментов;
Кальций Участвует в передаче сигналов в клетке;
Калий Влияет на активность ферментов белкового синтеза, участвует в процессах фотосинтеза;
Магний Активатор энергетического обмена и синтеза ДНК, входит в состав молекулы хлорофилла, необходим для сборки микротрубочек веретена деления;
Железо Компонент многих ферментов, участвует в биосинтезе хлорофилла, в процессах дыхания и фотосинтеза;
Медь Компонент некоторых ферментов, участвует в процессах фотосинтеза;
Марганец Является компонентом или регулирует активность некоторых ферментов, участвует в ассимиляции азота и в процессе фотосинтеза;
Молибден Компонент нитратредуктазы, участвует в фиксации молекулярного азота;
Кобальт Компонент витамина В 12 , участвует в азотфиксации
Бор Регулятор роста растений, активатор восстановительных ферментов дыхания;
Цинк Компонент некоторых пептидаз, участвует в синтезе ауксинов (растительных гормонов) и спиртовом брожении.
Существенным является не только содержание элементов, но и их соотношение. Так в клетке поддерживается высокая концентрация ионов К + и низкая Na + , в окружающей среде (морская вода, межклеточная жидкость, кровь) наоборот.
Основные наиболее важные биологические функции минеральных элементов:
1. Поддержание кислотно-щелочного равновесия в клетке;
2. Создание буферных свойств цитоплазмы;
3. Активация ферментов;
4. Создание осмотического давления в клетке;
5. Участие в создании мембранных потенциалов клеток;
6. Образование внутреннего и наружного скелета (простейшие, диатомовые водоросли).
2. Органические вещества
Органические вещества составляют от 20 до 30 % массы живой клетки. Из них примерно 3% приходится на долю низкомолекулярных соединений: аминокислот, нуклеотидов, витаминов, гормонов, пигментов и некоторых других веществ. Основную же часть сухого вещества клетки составляют органические макромолекулы: белки, нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. В животных клетках, как правило, преобладают белки, в растительных - полисахариды. Существуют определенные различия в соотношении этих соединений и между клетками прокариот и эукариот (табл. 1)
Таблица 1
|
Соединение |
% от массы живой клетки |
|
|
Бактерии |
Животные |
|
|
Полисахариды | ||
2.1. Белки - важнейшие незаменимые азотсодержащие органические соединения клетки. Белковые тела играют решающую роль и в построении живой материи и в осуществлении всех процессов жизнедеятельности. Это –главные носители жизни, благодаря тому, что они обладают рядом особенностей, к числу наиболее важных из которых относятся: неисчерпаемое многообразие структуры и вместе с тем ее высокая видовая уникальность; широкий диапазон физических и химических превращений; способность в ответ на внешнее воздействие обратимо и закономерно изменять конфигурацию молекулы; склонность ко образованию надмолекулярных структур, комплексов с другими химическими соединениями; наличие биологической активности - гормональной, ферментативной, патогенной и др.
Белки представляют собой полимерные молекулы, построенные из 20 аминокислот * , расположенных в различной последовательности и соединенных пептидной связью (С-N-одинарная и С=N- двойная). Если количество аминокислот в цепочке не превышает двадцати, такая цепочка называется олигопептидом, от20 до 50 - полипептидом**, более 50 - белком.
Масса белковых молекул колеблется от 6 тыс. до 1 млн и более дальтон (дальтон - единица молекулярной массы, равная массе атома водорода –(1,674x10 -27 кг). В клетках бактерий содержится до трех тысяч различных белков, в организме человека это разнообразие возрастает до пяти миллионов.
Белки содержат 50-55% углерода, 6,5- 7,3% водорода, 15-18% азота, 21-24% кислорода, до 2,5% серы. В составе некоторых белков обнаружены фосфор, железо, цинк, медь и другие элементы. В отличие от других элементов клетки для большинства белков характерна постоянная доля азота (в среднем 16% от сухого вещества). Этот показатель используют при расчете белка по азоту: (масса азота × 6,25). (100: 16 = 6,25).
Молекулы белка имеют несколько структурных уровней.
Первичная структура - это последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Вторичная структура α-спираль или складчатая β-структура, которые формируются за счет стабилизации молекулы электростатическими водородными связями, которые образуются между -С=О и –NН -группами аминокислот.
Третичная структура - пространственная организация молекулы, определяемая первичной структурой. Она стабилизируется водородными, ионными и дисульфидными (-S-S-) связями, которые образуются между серосодержащими аминокислотами, а также гидрофобными взаимодействиями.
Четвертичную структуру имеют только белки, состоящие из двух или нескольких полипептидных цепей, она формируется при объединении отдельных белковых молекул в одно целое. Определенная пространственная организация (глобулярная или фибриллярная) необходима для высокоспецифичной работы белковых молекул. Большинство белков активны только в форме, обеспечиваемой третичной или четвертичной структурой. Вторичной структуры достаточно для функционирования лишь немногих структурных белков. Это фибриллярные белки, а большинство ферментов и транспортных белков имеют глобулярную форму.
Белки, состоящие только из полипептидных цепей, называют простыми (протеины), а имеющие в своем составе компоненты другой природы - сложными (протеиды). Например, в молекуле гликопротеинов содержится углеводныйфрагмент, в молекулу металлопротеинов входят ионы металлов и т.д.
По растворимости в отдельных растворителях: водорастворимые; растворимые в солевых растворах - альбумины, спирторастворимые - альбумины; растворимые в щелочах - глютелины.
Аминокислоты по своей природе амфотерны. Если аминокислота имеет несколько карбоксильных групп, то преобладают кислотные свойства, если несколько аминогрупп - основные. В зависимости от преобладания тех или иных аминокислот, белки также могут иметь основные или кислотные свойства. У глобулярных белков имеется изоэлектрическая точка - значение рН, при котором суммарный заряд белка равен нулю. При более низких значениях рН белок имеет положительный заряд, при более высоких - отрицательный. Поскольку электростатическое отталкивание препятствует слипанию белковых молекул, в изоэлектрической точке растворимость становится минимальной и белок выпадает в осадок. Например, белок молока казеина имеет изоэлектрическую точку при рН 4,7. Когда молочнокислые бактерии подкисляют молоко до этого значения, казеин выпадает в осадок и молоко "сворачивается".
Денатурацией белка называется нарушение третичной и вторичной структуры под действием изменения рН, температуры, некоторых неорганических веществ и т.д. Если при этом первичная структура не была нарушена, то при восстановлении нормальных условий происходит ренатурация - самопроизвольное восстановление третичной структуры и активности белка. Это свойство имеет большое значение при производстве сухих пищевых концентратов и медицинских препаратов, которые содержат денатурированный белок.
*Аминокислоты-соединения, содержащие одну карбоксильную и одну аминную группы, связанные с одним атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь - какой-либо радикал. Известно более 200 аминокислот, но в образовании белков участвуют 20, называемых основными или фундаментальными. В зависимости от радикала аминокислоты делятся на неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин), полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин) и полярные заряженные (основные: аргинин, гистидин, лизин, кислые: аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Неполярные аминокислоты гидрофобны, и построенные из них белки ведут себя как капли жира. Полярные аминокислоты гидрофильны.
**Пептиды могут быть получены в результате реакций поликондесации аминокислот, а также при неполном гидролизе белков. Выполняют в клетке регуляторные функции. Ряд гормонов (окситоцин, вазопрессин) являются олигопептидами. Это брадикидин (пептид боли) это опиаты (естественные наркотики - эндорфины, энкефалины) человеческого организма, которые обладают обезболивающим действием. (Наркотики разрушают опиаты, поэтому человек становится очень чувствительным к малейшим нарушениям в организме - ломка). Пептидами являются некоторые токсины (дифтерийный), антибиотики (грамицидин А).
Функции белков:
1. Структурная . Белки служат строительным материалом для всех органелл клетки и некоторых внеклеточных структур.
2. Каталитическая. Благодаря особому строению молекулы или наличию активных групп многие белки обладают способностью каталитически ускорять ход химических реакций. От неорганических катализаторов ферменты отличаются высокой специфичностью, работой в узких температурных рамках (от 35 до 45° С), при слабощелочном рН и атмосферном давлении. Скорость реакций, катализируемых ферментами, намного выше скорости, обеспечиваемой неорганическими катализаторами.
3. Двигательная . Специальные сократительные белки обеспечивают все виды движения клеток. Жгутики прокариот построены из флагеллинов, а жгутики эукариотических клеток - из тубулинов.
4. Транспортная . Транспортные белки переносят вещества в клетку и из клетки. Например, белки порины способствуют переносу ионов; гемоглобин переносит кислород, альбумин - жирные кислоты. Транспортную функцию осуществляют белки - переносчики плазматических мембран.
5. Защитная . Белки-антитела связывают и обезвреживают чужеродные для организма вещества. Группа антиоксидантных ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза) препятствует образованию свободных радикалов. Иммуноглобулины крови, фибрин, тромбин участвуют в свертываемости крови и тем самым останавливают кровотечения. Образование токсинов белковой природы, например, дифтерийного токсина или токсина Васillus turingiensis, в ряде случаев также можно рассматривать как средство защиты, хотя данные белки чаще служат для поражения жертвы в процессе добывания пищи.
6. Регуляторная . Регуляцию работы многоклеточного организма осуществляют гормоны белковой природы. Ферменты, управляя скоростями химических реакций, регулируют внутриклеточный метаболизм.
7. Сигнальная. В цитоплазматической мембране расположены белки, способные реагировать на изменения окружающей среды изменением своей конформацию. Эти сигнальные молекулы отвечают за передачу внешних сигналов в клетку.
8. Энергетическая . Белки могут служить резервом запасных веществ, используемых с целью получения энергии. Расщепление 1 грамма белка обеспечивает выделение 17,6 кДж энергии.