§ 6. Неорганические вещества клетки

Вспомните!

Что такое неорганические вещества?

Неорганические вещества – это минеральные, входящие в состав живой и неживой природы, в отличие от органических, основа которые углерод и входят в состав только живых организмов.

Какими физическими и химическими свойствами обладает вода?

Физические:

Придаёт клетке упругость и объём

Обеспечивает теплоёмкость

Обладает высокой теплопроводностью

Химические:

Универсальный растворитель

Водные растворы образуют внутреннюю среду клетки

Средство транспорта для растворённых веществ в клетку и из неё

Служит средой, в которой протекают химические реакции

Является ускорителем многих химических процессов

Что называют ионами, анионами и катионами?

Ионы – заряженные частицы

Анионы – отрицательно заряженные ионы

Катион – положительно зараженные ионы

Вопросы для повторения и задания

1. Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обусловливающие её биологическое значение?

Свойства воды определяются ее уникальным химическим строением. Молекула воды имеет угловое строение, атомы водорода расположены под углом 104,5о. Такое расположение атом определяет ее полярность, полярные молекулы называются диполем. У атома водорода в молекуле воды сосредоточен положительный заряд, а со стороны кислорода – отрицательный. Так как кислород обладает более высокой электроотрицательностью, он смещает электронную плотность от водородов при образовании ковалентной полярной связи. Диполь работает как магнит в клетке, с одной стороны положительный заряд, с другой стороны – отрицательный заряд (рис. ). Благодаря такой полярности молекулы воды соединяются друг с другом и с другими молекулами, являясь уникальным растворителем в клетках минеральных солей. Благодаря этому вода участвует в обменных процессах, образуя ионы.

2. В чём заключается биологическая роль воды?

Придаёт клетке упругость и объём

Универсальный растворитель

Водные растворы образуют внутреннюю среду клетки

Средство транспорта для растворённых веществ в клетку и из неё

Служит средой, в которой протекают химические реакции

Является ускорителем многих химических процессов

Обеспечивает теплоёмкость

Обладает высокой теплопроводностью

3. Какие вещества называют гидрофильными; гидрофобными? Приведите примеры.

Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде (рис. 11). Такие соединения называют гидрофильными (от греч. hydros — вода и phileo — люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Когда вещество переходит в раст вор, его реакционная способность увеличивается. Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. hydros — вода и phobos — страх), к ним относятся, в частности, жиры (липиды), жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.

4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне?

Анионы слабых кислот (HCO3–, HPO42–) участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Это называется буферностью клетки.

5. Объясните, почему жизнедеятельность клетки возможна только при определённом значении pH.

Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (K+), натрия (Na+), кальция (Ca2+), магния (Mg2+) и анионами соляной (Сl–), угольной (HCO3–), фосфорной (HPO42- , H2PO4-) и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20—30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.

6. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.

Минеральные соли выполняют важнейшие функции в организмах всех царств:

• Создают кислую или щелочную реакцию среды – буферность клетки

• Ca2+ входит в состав костей и зубов, участвует в свёртывании крови

• K+ и Na+ обеспечивают раздражимость клеток

• Cl– входит в состав желудочного сока

• Mg2+ содержится в хлорофилле

• I – компонент тироксина (гормона щитовидной железы)

• Fe2+ входит в состав гемоглобина

• Медь, марганец, бор участвуют в кроветворении, фотосинтезе, влияют на рост растений

• Присутствуют в виде твёрдых нерастворимых солей минеральные соединения встречаются в некоторых растениях (например, в клетках инжира).

Естественно, без таких основных функций невозможно нормального функционирования организма.

Подумайте! Вспомните!

1. Почему при работе в горячих цехах для утоления жажды рекомендуют пить минеральную или подсоленную воду?

При высокой температуре человек сильно потеет и теряет некоторый ионный состав достаточно быстро. При этом питьё в виде минеральной и подсоленной воды восполнит состав основных ионов клетки: хлориды, ионы натрия.

2. Известно, что ионный состав внутреннего содержимого клетки имеет большое сходство с ионным составом морской воды. Какой вывод можно из этого сделать?

Это сходство говорить о происхождении живых клеток. Известно, что первые клетки образовались в воде морей и океанов, господствующих в первое время формирования царств живых организмов.

3. Как изменяется количество воды в теле человека с возрастом?

Количество воды уменьшается, клетки истощаются, высыхают, эластичность теряется.

4. Вспомните из курса биологии растений, какие структуры покровной ткани растений обеспечивают испарение воды. Каков принцип их работы?

Устьица. Устьица — это отверстия в эпидермисе, через которые происходит газообмен. Они находятся в основном на листьях, но имеются также и на стеблях. Каждое устьице окружено двумя замыкающими клетками, которые в отличие от обычных эпидермальных клеток содержат хлоропласты. Замыкающие клетки контролируют величину отверстия устьица за счет изменения своей тургесцентности. На свету при достаточном увлажнении устьица открыты, в темноте или при недостатке воды — закрыты. Механизм работы устьиц обусловлен следующими особенностями строения замыкающих клеток: они содержат хлоропласты, в то время как остальные клетки эпидермы их не содержат; замыкающие клетки имеют утолщенную стенку со стороны устьичной щели. На свету идет процесс фотосинтеза только в замыкающих клетках; образующиеся сахара повышают концентрацию клеточного сока, что в силу законов осмоса вызывает поступление воды в эти клетки. Повышается тургорное давление, и клетки начинают разбухать, увеличиваясь в объеме. Но этому препятствует клеточная стенка, особенно ее сторона, обращенная к устьичной щели, — утолщенная. В результате замыкающие клетки растягиваются в сторону основной эпидермы, где стенки более тонкие, а толстые следуют за всей клеткой, — устьице открывается. Ночью, когда фотосинтез не происходит, замыкающие клетки возвращаются на место и смыкаются — устьице закрывается. Отмечено, что при открывании устьиц в замыкающие клетки перемещаются ионы калия, которые также определяют увеличение тургорного давления и объема клеток.

5. Выполните исследовательскую работу «Изучение процесса осмоса в растительных клетках». Исследуйте влияние гипо- и гипертонических растворов на мембрану типичной вакуолизированной растительной клетки.

Осмотические явления в растительной клетке. Плазмолиз. Осмотическое давление

Все биологические мембраны являются полупроницаемыми, одни вещества (воду, газы) они пропускают, а другие (крупные заряженные молекулы, к примеру, глюкозу) — нет. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается одним из признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует поступление веществ внутрь и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за липидной природы мембрана даже мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и менее «избирательной», чем мембрана живой.

Избирательность транспорта через проницаемую мембрану ведет к возникновению в клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют: плазмалемма — мембрана, разделяющая цитоплазму и внеклеточную среду, и тонопласт — мембрана, разделяющая цитоплазму и клеточный сок, представляющий собой содержимое вакуоли.

Осмос — диффузия воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества.

Представим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной, в одной половине сосуда находится более концентрированный раствор соли (к примеру, 1M NaCl), в другой — менее концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта объем раствора в каждой из половин одинаков, а концентрация соли различается (рис. 1A).

Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул воды.

Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит в отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но интенсивность перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы — покрыты гидратной «шубой». Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически связываются с ионами хлора и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине сосуда концентрация Na+ и Cl- больше, соответственно больше воды требуется для гидратирования этих ионов (рис. 1). В связи с этим вода интенсивнее переходит из отсека с малой концентрацией соли в отсек с большой концентрацией. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате уровень раствора в первом понижается, а в последнем повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис. 1B). Заметим, что изменение объема жидкости и концентрации соли связано с перераспределением только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для ионов натрия и хлора.

Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией соли давление (толстая стрелка на рис.1B), диффузия воды замедлится. Давление, при котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением. Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое давление раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление — очень важная величина, характеризующая осмос.

В физической химии осмотическое давление обозначается буквой π и вычисляется по простой формуле:

π = CRT,

где C — концентрация раствора,

R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(К.моль);

T — абсолютная температура (K).

Проанализируем это выражение. R — постоянная величина, константа, которая никак не влияет на осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную величину, поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком температурном диапазоне. Следовательно, осмотическое давление раствора зависит только от его концентрации, причем зависимость линейная: чем больше концентрация соли (или другого осмотически активного вещества, не проходящего через полупроницаемую мембрану) в растворе, тем больше его осмотическое давление. В изученной ситуации осмотическое давление раствора NaCl 0,01M значительно меньше, чем осмотическое давление раствора с концентрацией 1M.

Если осмотическое давление раствора больше, чем давление исследуемой жидкости, раствор называют гипертоническим; если меньше — гипотоническим, если такое же — изотоническим.

В приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01M NaCl является гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1M NaCl. Широко используемый в медицинской практике физиологический раствор, является изотоническим по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом растворе и плазме крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление.

Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень значительным. К примеру, осмотическое давление жидкостей человеческого тела в среднем равно семи (!) атмосферам. Именно за счет осмотического давления вода из корней деревьев доходит до листьев.

Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» — начнется переход растворителя из отсека с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это явление носит название обратного осмоса и находит широкое применение в производстве фильтров для очистки питьевой воды.

Тургор растительной клетки. Если поместить взрослые клетки растений (в составе ткани, к примеру, эпидермиса) в гипотонические условия, они не лопнут, поскольку каждая клетка растения окружена более или менее толстой клеточной стенкой. Она служит ригидной структурой, не позволяющей притекающей воде разорвать клетку. Если бы клеточная стенка и плазматическая мембрана клетки могли растягиваться, вода входила бы в клетку до тех пор, пока концентрация осмотически активных веществ снаружи и внутри клетки не выровнялась бы. В реальности клеточная стенка — прочная нерастяжимая структура, и в гипотонических условиях входящая в клетку вода давит на клеточную стенку, плотно прижимая к ней плазмалемму. Давление протопласта изнутри на клеточную стенку называется тургорным давлением. Клетки растений обладают тургесцентностью. Тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды в клетку. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку называется тургор.

Клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях, поскольку их содержимое богато осмотически активными веществами, большая часть которых (органические кислоты, сахара, солb, низкомолекулярные пигменты) входят в состав клеточного сока, расположенного внутри вакуоли. Вакуоли — органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана, ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с плазмалеммой. Она обладает избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью запасания или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. С помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент осмолярности — клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор.

Тургор — показатель оводненности и состояния водного режима растений. Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. За счет тургора органы растений находятся в выпрямленном, упругом состоянии. Увядание растения — понижение тургорного давления его клеток.

Плазмолиз. Виды плазмолиза. Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Он характерен, главным образом, для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой.

В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления.

При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше, чем в клеточном соке, — скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость ее диффузии в клетку из вне.

Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.

Известно, что живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы — цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Роль их заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм. При уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.

Принцип метода. Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.

В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери воды цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый.

Цель работы: изучить формы плазмолиза на препарате эпидермиса лука.

Ход работы: взять два чистых предметных стекла, капнуть на одно из них 1M KNO3 на другое — 1M Ca(NO3)2, в каждую каплю поместить кожицу лук, накрыть покровным стеклом. Через пять-десять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом (окуляр х15, объектив х 8), потом на большом (окуляр х15, объектив х 40) увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза.

В растворе нитрата калия возникает главным образом выпуклый плазмолиз (рис. 2 Г), в растворе нитрата кальция — судорожный плазмолиз (рис.2 Д). Ион калия (очень медленно по сравнению с водой проходящий через мембрану за счет наличия калиевых каналов) уменьшает вязкость цитоплазмы, способствуя ее отделению от клеточной стенки, вследствие чего возникает выпуклый плазмолиз. Ион кальция, напротив, повышает вязкость цитоплазмы, увеличивая силы ее сцепления с клеточной стенкой, что вызывает преимущественно судорожный плазмолиз. Оба описанных вида плазмолиза обычно предваряются вогнутым плазмолизом.

Рис. 2 Плазмолиз растительной клетки: А — клетка в состоянии тургора; Б — уголковый; В — вогнутый; Г — выпуклый; Д — судорожный. 1 — оболочка, 2 — вакуоль, 3 — цитоплазма, 4 — ядро, 5 — нити Гехта.

Сделать вывод.

Материалы и оборудование: 1) лук (Allium cepa L.), эпидермис; 2) 1М раствор KNO3; 3) 1М раствор Са(NО3)2; 4) предметные и покровные стекла; 5) скальпель, бритва; 6) препаровальные иглы; 7) фильтровальная бумага; 8) микроскоп.