2.3. Неорганические вещества клетки

Определения и обозначения

Вода — основное неорганическое вещество клетки, полярная молекула, в которой один участок имеет небольшой положительный, а другой — отрицательный заряд. Благодаря этому вода взаимодействует со многими веществами и образует водородные связи. Она нужна клетке как среда реакций, участник обмена и средство переноса веществ.

Минеральные соли — неорганические соединения, которые находятся в клетке в виде ионов или нерастворённых соединений. Ионы — заряженные частицы, возникающие при распаде соли в воде. Растворённые соли влияют на работу клетки, а нерастворимые могут укреплять её структуры.

Макроэлементы — химические элементы, содержащиеся в клетке в сравнительно больших количествах и необходимые для построения веществ и поддержания жизненных процессов. К ним относятся, например, кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера. Их атомы входят в состав клеточных соединений, а некоторые участвуют в регуляции процессов.

Осмос — направленное перемещение молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. Полупроницаемая мембрана пропускает воду, но не все растворённые частицы. Осмос помогает объяснить поступление воды в клетку и её выход из неё.

Как это устроено

Полярность воды объясняется неравномерным распределением заряда в её молекуле. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частицам и полярным участкам других молекул, окружают их и помогают распределиться в растворе. Водородные связи удерживают молекулы воды друг возле друга, но могут временно разрываться и образовываться вновь. Благодаря этому вода растворяет многие вещества, и реагенты в клетке могут взаимодействовать в общей жидкой среде.

Вода переносит растворённые вещества внутри клетки и между клетками, потому что они движутся вместе с водным раствором. Она помогает сохранять форму клетки: в растительной клетке давление содержимого на клеточную стенку создаёт тургор. Высокая теплоёмкость воды означает, что для её нагревания нужно много энергии, поэтому температура клетки меняется не слишком резко. В реакциях обмена вода может расходоваться или образовываться, например при расщеплении веществ.

Часть минеральных солей растворяется в клеточной жидкости и распадается на ионы; другие соли остаются в виде твёрдых соединений. Ионы притягивают молекулы воды и тем самым влияют на осмотическое давление — воздействие, связанное с движением воды через мембрану. Соотношение ионов помогает клетке поддерживать подходящую кислотность среды, от которой зависит форма и активность ферментов. Различия в количестве ионов внутри и снаружи клетки также создают электрические свойства, важные, например, для нервных и мышечных клеток.

Через полупроницаемую мембрану при осмосе движется прежде всего вода, а не растворённые вещества. Если снаружи раствор более разбавленный, чем внутри клетки, вода поступает в неё; в растительной клетке это усиливает тургор. Если снаружи раствор более концентрированный, вода выходит, и протопласт — содержимое клетки с мембраной — отходит от клеточной стенки: это плазмолиз. При чрезмерном поступлении воды клетка может набухнуть и разрушиться, если её оболочка не выдержит давления.

Сравнивать растворы нужно относительно содержимого клетки и учитывать, какие частицы пропускает мембрана. Гипотонический раствор содержит меньше растворённых веществ, чем клетка, гипертонический — больше, а изотонический — примерно столько же. Поэтому направление осмоса нельзя определить по одному слову «концентрированный»: важно, где концентрация выше и проницаема ли мембрана для конкретных веществ. Это объясняет, почему изменение состава окружающей среды может влиять на объём и состояние клетки.

Неорганические вещества клетки: свойства и функции

Сначала определите форму, в которой вещество находится в клетке: это помогает отличить растворённые ионы от твёрдых соединений. Затем сопоставьте свойство с функцией, а функцию — с примером. Такая последовательность не позволяет смешивать, например, роль воды как среды реакций и опорное значение нерастворимых солей.

Разбор задач

Задача 1. Назовите неорганические вещества клетки, которые обеспечивают среду для химических реакций, поддерживают осмотическое давление и входят в состав твёрдых структур организма. Здесь требуется соотнести три функции с формами неорганических веществ, а не искать одно вещество, выполняющее их все. Для этого важно различать воду, растворённые ионы и нерастворимые соли.

1. Среду, в которой протекает большинство клеточных реакций, создаёт вода.
2. Осмотическое давление зависит от растворённых частиц, поэтому его поддерживают ионы минеральных солей.
3. Твёрдые структуры могут содержать нерастворимые минеральные соединения, например соли кальция.

Ответ: воду, растворённые минеральные соли и нерастворимые минеральные соединения соответственно.

Задача 2. Что произойдёт с растительной клеткой, помещённой сначала в гипотонический, а затем в гипертонический раствор? Гипотонический раствор менее концентрирован растворёнными веществами, чем содержимое клетки, а гипертонический — более концентрирован. Следовательно, нужно отдельно определить направление движения воды в каждом случае.

1. В гипотоническом растворе вода поступает в клетку через мембрану, так как концентрация растворённых веществ выше внутри.
2. Поступающая вода повышает давление содержимого клетки на стенку и поддерживает тургор.
3. В гипертоническом растворе вода выходит из клетки, а протопласт отходит от стенки — происходит плазмолиз.

Ответ: сначала клетка набухает и приобретает тургор, затем теряет воду и подвергается плазмолизу. Клеточная стенка ограничивает чрезмерное увеличение объёма растительной клетки.

Задача 3. Клетка массой 80 г содержит 70% воды. Найдите массу воды и массу остальных веществ. Процент показывает, какую часть общей массы составляет вода; сначала переведём его в десятичную дробь. Затем вычтем массу воды из полной массы клетки, чтобы найти остаток.

1. Переводим процент в долю: 70% = 0,70.
2. Находим массу воды: 80 г × 0,70 = 56 г.
3. Вычитаем её из массы клетки: 80 г − 56 г = 24 г.
4. Проверяем: 56 г + 24 г = 80 г, значит, расчёт согласуется с условием.

Ответ: масса воды — 56 г, остальных веществ — 24 г.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все минеральные соли растворены в клетке. Её допускают, потому что именно растворённые ионы чаще обсуждают при объяснении клеточных процессов. Проверьте себя: вспомните примеры твёрдых структур, в состав которых входят минеральные соединения, например кости или раковины.

Ошибка — называть осмосом перемещение растворённых частиц через мембрану. Путаница возникает потому, что речь идёт о растворе и его концентрации, но при осмосе движутся главным образом молекулы воды. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какая именно частица проходит через полупроницаемую мембрану.

Ошибка — утверждать, что вода всегда выходит из клетки в концентрированный раствор, не сравнив концентрации по обе стороны мембраны. Такое обобщение забывает, что направление зависит от относительной концентрации и проницаемости мембраны. Сравните раствор снаружи с содержимым клетки: вода движется к стороне с большей концентрацией растворённых веществ.

Ошибка — сводить все функции воды к растворению веществ. Это происходит, если запомнить только одно свойство воды и не связать её с обменом и состоянием клетки. Проверьте себя, перечислив также транспорт, участие в реакциях, терморегуляцию и поддержание формы клетки.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о строении атома и химической связи, свойствах растворов и концентрации веществ, а также о клеточной мембране. Они помогают объяснить полярность воды, распад солей на ионы и избирательную проницаемость мембраны. Позже эти представления понадобятся при изучении обмена веществ, мембранного транспорта, фотосинтеза и клеточного дыхания. Осмос также объясняет поглощение воды корнями, её движение по растению и поддержание тургора.

Что запомнить

• Вода составляет значительную часть массы клетки и служит средой большинства клеточных реакций.
• Полярность делает воду хорошим растворителем для многих веществ.
• Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов и нерастворимых соединений.
• Ионы солей поддерживают осмотическое давление, кислотно-щелочное равновесие и активность ферментов.
• Осмос — движение воды через полупроницаемую мембрану к раствору с большей концентрацией растворённых веществ.
• Тургор поддерживается поступлением воды в растительную клетку, а плазмолиз возникает при её выходе.
• Недостаток или избыток отдельных ионов нарушает жизнедеятельность клетки.