Образование кристаллов льда в клетках может приводить к их повреждению и гибели. Известно, что растворы разных веществ замерзают при более низкой температуре, чем чистая вода. Поэтому некоторые организмы накапливают в своих тканях вещества, предотвращающие замерзание и образование кристаллов льда. Так, лягушки способны оживать после вмерзания в лёд. Это обеспечивается повышенным содержанием в их клетках глюкозы и некоторых других веществ.
§ 8. Минеральные вещества и их роль в клетке
1. Какие вещества называются минеральными?
2. Какой процесс называется диссоциацией?
3. Что такое ионы?
Минеральные вещества клетки. Большая часть минеральных веществ клетки находится в виде солей, диссоциированных на ионы, либо в твёрдом 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. Они используются для образования опорных структур клетки (например, минеральный скелет радиолярий) и организма – минерального вещества костной ткани (соли кальция и фосфора), раковин моллюсков (соли кальция), хитина (соли кальция) и др.
Неорганические ионы, имеющие немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки, представлены катионами (К+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH) и анионами (Cl-, HPO, Н2РО, НСО, NO, PO, СО) минеральных солей. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде различна. В результате образуется разность потенциалов между содержимым клетки и окружающей её средой, обеспечивающая такие важные процессы, как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.
По своей реакции растворы могут быть кислыми, основными и нейтральными. Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нём ионов Н+. Эту концентрацию выражают при помощи водородного показателя – рН («пэ-аш»). Нейтральной реакции жидкости отвечает рН = 7,0, кислой реакции – рН < 7,0 и основной – рН > 7,0. Протяжённость шкалы рН – 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 бикарбонатная система, состоящая из Н2СO3 и HCO4- 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 (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Со) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их. Например, ион Fe входит в состав гемоглобина крови, ион Zn – гормона инсулина. При их недостатке нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.
Буферная система.
1. В каком виде минеральные вещества представлены в живых организмах?
2. Какова роль неорганических ионов в клетке?
3. Какова роль ионов в буферных системах организма?
4. Почему недостаток или отсутствие ионов некоторых металлов приводит к нарушению жизнедеятельности клеток?
Важную роль для жизнедеятельности организмов играют неорганические кислоты и их соли. Так, соляная кислота входит в состав желудочного сока и создаёт условия для переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению из организма нерастворимых в воде веществ.
§ 9. Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки
1. Какие вещества, относящиеся к углеводам, вам известны?
2. Какую роль играют углеводы в живом организме?
Углеводы и их классификация. Углеводы, или сахариды, входят в состав клеток всех живых организмов. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых растительных клетках может достигать до 90 %.
Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды (от греч. monos – один) – бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.
Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза (рис. 8).
Рибоза входит в состав РНК, АТФ, витаминов группы В, ряда ферментов. Дезоксирибоза входит в состав ДНК. Глюкоза (виноградный сахар) является мономером полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы). Она есть в клетках всех организмов. Фруктоза входит в состав олигосахаридов, например сахарозы. В свободном виде содержится в клетках растений. Галактоза также входит в состав некоторых олигосахаридов, например лактозы.
Рис. 8. Моносахариды
Олигосахариды (от греч. oligos – немного) образованы двумя (тогда их называют дисахариды) или несколькими моносахаридами, связанными ковалентно друг с другом с помощью гликозидной связи. Большинство олигосахаридов растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды: сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) (рис. 9).
Полисахариды (от греч. poly – много) являются полимерами и состоят из неопределённо большого (до нескольких сотен или тысяч) числа остатков молекул моносахаридов, соединённых ковалентными связями. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. Интересно, что крахмал, гликоген и целлюлоза, играющие важную роль в живых организмах, построены из мономеров глюкозы, но связи в их молекулах различны. Кроме того, у целлюлозы цепи не ветвятся, а у гликогена они ветвятся сильнее, чем у крахмала (рис. 10).
С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и исчезает сладкий вкус.
Некоторые углеводы способны образовывать комплексы с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды).
Функции углеводов. Основная функция углеводов – энергетическая. При их ферментативном расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При полном расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж.
Рис. 9. Дисахариды
Рис. 10. Схема строения полисахаридов
Углеводы выполняют запасающую функцию. При избытке они накапливаются в клетке в качестве запасающих веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом как источник энергии. Усиленное расщепление углеводов происходит, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе, длительном голодании.
Очень важной является структурная, или строительная, функция углеводов. Они используются в качестве строительного материала. Так, целлюлоза благодаря особому строению нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. В среднем 20–40 % материала клеточных стенок растений составляет целлюлоза, а волокна хлопка – почти чистая целлюлоза, и именно поэтому они используются для изготовления тканей.
Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых простейших и грибов. В качестве важного компонента наружного скелета хитин встречается у отдельных групп животных, например у членистоногих.
Углеводы выполняют защитную функцию. Так, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений, например слив, вишен), препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов.