Fig. 2. legături de hidrogen între moleculele de apă
Dacă se toarnă în apă o pulbere a unui compus legături polarizați între atomii de substanță care transportă o sarcină pozitivă parțială și atomii de oxigen de apă are loc atracția electrostatică; ea are loc, de asemenea, între atomii de hidrogen din apă și substanța din atomii de întrebare care au o sarcină parțială negativă. În cazul în care moleculele substanței se va lega apa mai puternic decât unul de altul, atunci acesta este dizolvat (de exemplu, deoarece cristalele se vor comporta NaCl sau zaharoză). În cazul în care o conexiune mai puternică va substanțe moleculare cu altele, numai pulberea se udă în apă (de exemplu, sticlă la sol).
Atunci când este pus în apă compusul cu legături nepolare - spune, cărbune, moleculele de apă nu va interacționa cu această substanță. Ele sunt mult mai „profitabile“, pentru a forma legături de hidrogen cu altele, o astfel de substanță, așa cum ar fi fost forțat să iasă din apă și nu se va dizolva. În cazul în care substanța este un lichid, acesta va fi separat de apă (de exemplu, kerosen).
Compuși cu legături covalente hidrofobe nepolare se numesc (de hidro greacă -. Apa, phobos - frică, adică „teamă de apă.“.). Substanțe hidrofobe solide nu sunt umectate cu apă. Substanțele cu covalente polare și legături ionice sau sunt ușor solubile în apă, sau bine umectată, acestea sunt numite hidrofile (din phileo grecesc. - Iubirea).
Fig. 3. Apa fierbinte pe o suprafață hidrofobă (în stânga) și hidrofile substanță (dreapta)
Apa îndeplinește alte funcții importante. Astfel, acesta intră imediat într-o multitudine de reacții chimice - de exemplu, în sistemul digestiv determină hidroliza (descompunerea sub acțiunea apei) a diferitelor substanțe nutritive - proteine, grăsimi, carbohidrați. Ca parte a sângelui transferurile de apă de căldură de la locurile de producție sale la toate părțile corpului. Datorită capacității mari de căldură absoarbe excesul de căldură generată în cursul reacțiilor biochimice și previne supraîncălzirea corpului. Apa are o mare de căldură latentă de evaporare, iar această proprietate este folosită pentru răcirea corpului (câine gâfâind scoate limba din doar la evaporarea apei se răcește, și cu ea întregul corp). În cele din urmă, apă și substanțe dizolvate în ea creează presiunea turgescenței.
Organismele vii conțin multe elemente chimice diferite. De exemplu, un adult cu o greutate de 70 kg, are următoarea compoziție elementară:
Tabelul 1. Compoziția elementară aproximativă a corpului uman
O mulțime de fosfor și calciu este în oase. Calciul joaca, de asemenea, un rol important în reglarea diferitelor procese fiziologice și biochimice - contracția musculară, coagularea sângelui, diviziunea celulară și altele. Fosforul este o parte a acidului nucleic, nucleotide, și diferiți compuși bogate in energie. Este de asemenea implicat în reglarea activității enzimei.
sodiu, potasiu și clor sunt implicate în crearea presiunii osmotice necesară în citoplasmă celulelor și în fluidele extracelulare, în menținerea potențialului electric pe membrana exterioara, in procesele de excitare a celulelor nervoase și musculare.
Sulful este o parte din proteine și unele polizaharide structurale.
ioni de magneziu, zinc și mangan sunt necesare pentru anumite enzime. In magneziu celulele vegetale incluse în pigment clorofilă.
Ionul feros Fe 2+ este o componentă esențială a hemoglobinei - proteina care transporta oxigen in sange si de mioglobină - proteine stocate de oxigen in muschi. Mai mult decât atât, ionii de fier și cupru sunt parte a enzimelor biooxidation.
Cobalt ion este o componentă esențială a vitaminei B12. care este necesar pentru anumite enzime.
Iodul este parte a hormonilor tiroidieni - tiroxina si triiodotironina.
Concentrarea multor ioni poate varia în interiorul celulei și exterior:
Tabelul 2. Concentrațiile de ioni anorganici în fluidele corpului uman (în mM)
Diferența dintre concentrațiile intracelulare și extracelulare ale ionilor de potasiu și clor joacă un rol critic în stabilirea sarcinii electrice pe membrana celulelor - t n .. potențial de repaus. Toate celulele eucariote vii de pe partea exterioară a membranei exterioare are o sarcină pozitivă, iar pe interior - negativ. Această diferență de potențial variază foarte mult între diferitele tipuri de celule: nervoase in celulele musculare striate si celulele pe care le este în intervalul de 50-100 mV, în celulele musculare netede este mai mică de 30 mV, iar fibroblaste este chiar mai mic. Se presupune că o astfel de distribuire a taxelor corespunzătoare valorii negative a potențialului de membrană, adică. E., Într-un potențial tipic membranei celulei nervoase umane este -75 mV.
Pentru a înțelege modul în care există un potențial de membrană, imaginați-vă că celula este inconjurata de membrana complet impermeabil - „punga de plastic“. In interiorul celulei, concentrația ridicată de K + potasiu cationi și anioni organici A - - acizii nucleici și proteinele sunt multe în condiții fiziologice sunt anioni (clasele 5 și 7 Cm.). În afara celulei concentrația de ioni de potasiu este scăzută, nu există nici un acid nucleic care nu este disponibilă, și un anion de echilibrare încărcătura de K +. Acesta este CI -. Nici o taxă pe membrana nu este: atât în interiorul celulelor și cantitatea de anioni în afara strict egal cu numărul de cationi, cele două părți ale membranei este neutră din punct de vedere electric.
Acum, imaginați-vă că, în locul unei celule pungă de plastic este înconjurată de o membrană exterioară normală. Această membrană este impermeabilă la molecule mari de proteine și acizi nucleici, deci anionii A - nu pot părăsi celula. Cu toate acestea, această membrană are proteină specială - canalele de potasiu, care fac permeabil la ionii de K +. În cazul în care el va trece prin aceste canale? Desigur, de cealaltă parte în cazul în care o mulțime de ea în direcția în care nu este de ajuns - adică, din interior spre exteriorul celulei. Dar va neîmpiedicat această mișcare? Nu, foarte curând va începe să contracara câmpul electric: o particulă încărcată pozitiv iese din celulă, și perechea încărcată negativ Un său - rămâne în celulă. Prin urmare, membrana va fi potențialul electric, iar mai mult va ieși din K + ioni. potențialul de membrană mai mare, cu atât mai puternic va interfera cu ieșirea ulterioară a cationului. Curând va veni echilibrul: unii dintre K + ionii din celulă și încărcătura membranei, astfel încât câmpul electric va preveni eliberarea în continuare a acestui ion.
Fig. 4. Schema potențialului de membrană. Partea stângă a celulei (intern analog mediu celular) conține o mare parte a ionilor K + și anioni mari A -. iar pe partea dreapta - câteva dintre acestea și alți ioni. La pasul 1, membrana celulară devine permeabilă la ionii de potasiu (prezente ca membrana celulelor exterioare), dar a rămas impermeabil pentru anioni mari. După unele dintre ionii K + din celulă, un potențial electric apărut pe membrana, iar sistemul a intrat într-o stare de echilibru dinamic (etapa 2)
Celulele nervoase și musculare au proprietatea de excitabilitate - capacitatea de a schimba dramatic magnitudinea potențialului de membrană ca răspuns la anumiți stimuli. Acestea potențial membrana celulelor în starea normală, non-excitat, numit potențialul de repaus, iar schimbarea sa bruscă bruscă în excitație - un potențial de acțiune. În procesul de dezvoltare a excitației rol crucial al ionilor de sodiu.
Celulele din afara corpului animalului ion multe Na +. In repaus, membrana celulară este substanțial impermeabilă la sodiu, deci nu contribuie în mod semnificativ la formarea potențialului de membrană. Cu toate acestea, pe membrana celulelor nervoase și musculare au proteine speciale - canalelor de sodiu dependente de voltaj. Ei au o serie de proprietăți interesante. In timp ce un potențial de membrană este negativ (-50 mV, și chiar de mai jos), aceste canale sunt închise, prin care trece un curent. Dar, de îndată ce potențialul atinge o valoare de prag (în celula nervoasă este de la -50 mV), aceste canale deschise. direcționează fluxul de cationi de Na + în celulă - de fapt, există mai multe afară decât în interior. Acest influx de ioni de sodiu rapid va provoca depolarizarea membranei, iar apoi polarizarea opusă +35 mV.
Dar, de îndată ce membrana va reveni polarizată, canale închise. Mai mult decât atât, în timp ce ei nu vor fi în măsură să răspundă la stimuli noi - secțiunea membrană „odihnă“. Un K + ioni va fi lansat spre exterior: de fapt, acestea sunt mult mai mici decât în exterior decât în interior, potențialul de membrană este departe de valoarea de echilibru -75 mV. Deoarece potențialul de ieșire al K + este redusă, iar celula revine la starea sa inițială.
Un astfel de potențial de membrană de spargere este numită acțiune potențială, și este un impuls nervos. Lungimea sa este de numai 1 milisecundă în nervi, de 10 ms în mușchii scheletici și 200 ms în mușchiul cardiac. Potențialul de acțiune se propagă rapid de-a lungul celulei excitabil - in unele neuroni viteza de transfer de excitație este de 120 m / s. Cu toate acestea, în conformitate cu alte potențiale neuroni de acțiune se transmite lent la 0,5 m / s (nota, dacă te-a lovit un picior gol caramida, semnalul tactil ajunge la creier aproape imediat, dar durerea numai după un anumit timp).
Fig. 5. Potențialul de acțiune
Problema poate apărea: în excitarea celulei a inclus o anumită cantitate de ioni de Na + și a publicat un număr de K +. Acest lucru înseamnă că, în cazul în care mai multe zeci de impulsuri trec printr-un neuron, concentrațiile interne și externe ale acestor ioni vor fi egale, iar nervul opri de lucru? Pentru a evita acest lucru, in membrana exterioara are proteina speciala, Na + / K + -ATPaza. Această pompă de ioni care pompa de ioni de celule și ioni de Na + în pompare K + (cm. Lecția 9). Acesta vă permite să restaurați compoziția ionică a celulelor excitabile.
Concentrațiile de ioni anorganici pot varia in celule individuale si organite. Astfel, în cavitatea concentrației ionilor endoplasmic reticulum calciu Ca2 + este foarte mare - un milimoli câteva / litru, în timp ce în citoplasmă, este foarte scăzută (aproximativ 0,01 micromoli / L). La excitarea celulelor musculare de pe membrana reticulului endoplasmatic deschise canalele speciale de calciu, ionii ies din această organelle în citoplasmă, în cazul în care crește de concentrare. Creșterea concentrației de Ca 2+ începe procesul de contracție musculară.
Pentru cursul multor reacții biochimice este aciditate foarte importantă, și anume concentrația ionilor H +. Pentru ao estima folosind așa-numitul exponent de ioni de hidrogen (pH este desemnat). pH =-LG [H +], unde [H +] - concentrația ionilor de H +. În soluții neutre pH = 7, la pH acid <7, а у щелочных рН> 7. citoplasmă celulelor a avut un pH de 7,2-7,4, soluția este aproape neutru. In alte organite pH-ului poate fi diferit: in lizozomii este acid și în matricea mitocondrială - alcalin. Celula suporta aciditatea mediului diferitelor organite la un nivel constant. In multe fluide fiziologice conțin substanțe cu acțiune de tamponare - previn schimbarea pH-ului.
acțiunea tamponarea au, în special, un amestec de forme nedisociat și disociate ale acizilor slabi la valori de pH apropiat d K-LG. Să ne amintim că Kd - este disociere acidă constantă, adică, echilibrul de reacție constantă ON ↔ H + + A .. -.
Să considerăm, de exemplu, comportamentul de acetat de sodiu și acid acetic la un pH de aproximativ 5 (K d CH3 COOH-LG este de aproximativ 4,8). Soluția va fi prezentă în cantități aproape egale de ioni CH3 COO - și molecule nedisociate CH3 COOH. Dacă, la această soluție se adaugă un acid puțin, H nou adăugat + ionii se vor lega ionii CH3 COO -. disponibil în soluție, și acidificarea este aproape nu se întâmplă - pH-ul scade foarte ușor. Dacă nu se adaugă acid și alcaline, apoi moleculele CH3 COOH se va disocia, iar ionii H + formați sunt neutralizate prin adăugarea de alcalii, în care pH-ul este, de asemenea, lăsat aproape neschimbat (crește foarte ușor). Prin urmare, la un pH de aproximativ 5, soluția are o mare capacitate de tamponare. De notat că pentru pH-ul fiziologic (de exemplu, aproximativ 7 ..), Soluția nu este tamponată aproape toate moleculele de acid acetic sunt disociate și adăugând brusc o creștere de pH alcalin.
Pentru a schimba pH-ul în organite enzimele utilizate adesea transportă activ ioni H + prin membrană.
Soluți muta in volum a celulelor datorită mișcării aleatoare, haotică a moleculelor. Mișcarea pasivă a unei substanțe dintr-o regiune cu o concentrație mai mare a regiunilor de concentrație mai mică se numește difuzie.
Viteza de difuzie a particulelor este mai mare, cu atât mai mic dimensiunea lor. Greutatea moleculară medie de câteva sute de Daltoni (1 Dalton = 1 amu) se deplasează până la 10 microni (dimensiunea medie a celulei animale) timp de aproximativ 0,1-0,2 secunde. Viteza de difuzie a moleculelor mari (proteine, acizi nucleici) este substanțial mai mică, dar încă suficient pentru nevoile celulei. Chiar și cele mai mari - organitele - în așa fel încât să se deplaseze prea încet, astfel încât celula utilizează sisteme de transport specializate pentru a le muta.
Membranele celulare sunt permeabile la apă, dar impermeabilă la multe substanțe intracelulare. Dacă ați pus cușcă în apă pură, aceste substanțe nu vor ieși din cușcă, dar apa va intra în ea din cauza concentrației sale în celula de mai jos. O astfel de difuzie a solventului prin membrana este impermeabilă la soluți numit osmoza. Din cauza celulelor umane Osmoza nu poate fi în apă distilată: va intra în celulă, se umfla de celule și exploziile rapid. Dacă celulele umane plasate într-o soluție cu concentrație mare de sare, apa va ieși din ele, iar celulele psihiatru. Celulele de plante și microbi au un perete celular gros, care le permite să rămână intacte.