§8. Минеральные вещества и их роль в клетке

Организм человека устроен очень сложно. Он состоит из огромного количества различных веществ, клеток, витаминов. Минеральные вещества должны постоянно находиться в организме человека, так как их роль в различных процессах велика. Они принимают участие в образовании гормонов, ферментов, помогают человеку активно жить и функционировать. Ни один орган не может обойтись без этих веществ, так как они в определенном количестве должны присутствовать почти в каждой клеточке.

Что такое минеральные вещества?

Многим из тех, кто следит за своим здоровьем, знакомо утверждение, что витамины и минеральные вещества служат основой правильного питания. Витамины практически никогда не синтезируются организмом самостоятельно, поэтому должны поступать вместе с пищей. В то же время они являются важным биологическим регулятором многих жизненно важных процессов организма. Витамины и минеральные вещества очень тесно связаны между собой, так как по своему химическому составу они могут дополнять друг друга, иногда заменять, обеспечивая полноценную жизнь человеку.

Для чего они нужны организму?

Важную роль выполняют минеральные вещества: тканестроительную функцию, принимают участие в пластических биопроцессах, а также обеспечивают и поддерживают многие ферментативные реакции человеческого организма. Но наиболее важной их функцией является проведение электрохимических импульсов в нервных волокнах и мышечных тканях.

Все минеральные вещества разделяют на макроэлементы и микроэлементы. К микроэлементам причисляют цинк, йод, фтор, марганец, а к макроэлементам - кальций, магний, фосфор, калий, железо, хлор. Не всегда человек может пополнить запас минеральных веществ в организме только с помощью питания, иногда целесообразным является применение различных добавок к питанию и лекарственных препаратов. Это происходит при интенсивных физических нагрузках, периоде авитаминоза весной, а также, когда жизненные условия не соответствуют общепринятым нормам. В таких случаях минеральные вещества клетки уменьшаются в своем количестве, что приводит иногда к необратимым последствиям.

Значение кальция, где он содержится?

Кальций является необычайно важным макроэлементом. Он обеспечивает нормальную проводимость нервной и мышечной тканей, кислотно-щелочной баланс, а также выполняет строительную функцию для костной и хрящевой тканей, в которых находится до 98% всех запасов кальция в организме человека. Среднедневная его норма для организма взрослого составляет 800-1000 мг. Для обеспечения потребности в кальции необходимо употреблять творог, молоко, яйца, сыр, цветную капусту, орехи, семена кунжута и мака, пшеничные отруби, овощи и зелень.

Вопреки всеобщему мнению, в продуктах с высоким содержанием молочного жира (сливочное масло, сметана, сливки), содержание этого вещества низкое. Правильное усвоение кальция организмом происходит в сочетании с витамином D. Самым оптимальным условием для поступления этого элемента в организм является вода и минеральные вещества, а именно сочетание кальция, магния, фосфора, витамина C и витамина D. Особое внимание специалисты уделяют содержанию Са в организме детей. Ведь этот элемент обеспечивает рост и развитие практически всех органов подрастающего организма. Если содержание кальция у детей ниже нормы, могут возникнуть серьезные проблемы с опорно-двигательным аппаратом (рахит), нарушаются рост и здоровье зубов, появляются тенденции к патологическим процессам в желудочно-кишечном тракте. Но высокий показатель наличия в организме этого микроэлемента также чреват проблемами со здоровьем, особенно он вреден для почек и печени. Поэтому важен баланс этого вещества в клетках и системах.

Фосфор в организме и пище

На примере фосфора также легко оценить значение минеральных веществ для здоровья человека. Как мы отметили выше, баланс фосфора тесно зависит от баланса кальция. В биологических процессах фосфор отвечает за образование ферментов, благодаря которым высвобождается и усваивается энергия из пищи. Кроме этого, фосфор поддерживает правильный липидный и энергетический обмен, а также стабилизирует уровень холестерина в крови. Дневная норма фосфора составляет 1000-1500 мг. Лучше данный макроэлемент усваивается из продуктов животного происхождения. Для получения суточной потребности желательно включить в рацион рыбу, кисломолочные продукты, пивные дрожжи, тыквенные семечки, овсяные хлопья, орехи, говяжью печень, яйца, мясо кролика, свеклу, картофель, капусту, морковь, яблоки, клубнику, смородину, арбуз, груши. Дневная норма фосфора содержится, к примеру, в 150 граммах твердого сыра, 350 граммах овсяных хлопьев или 125 граммах тыквенных семечек.

Важная роль магния, содержание в продуктах

Магний, в отличие от фосфора, усваивается лучше как раз из продуктов растительного происхождения. Он способствует правильному усвоению фосфора, кальция, балансирует остальные минеральные и органические вещества. Магний важен для работы сердечно-сосудистой системы, поскольку помогает укреплять стенки кровеносных сосудов и обладает мочегонным эффектом, что способствует стабилизации артериального давления.

Особенно важен этот микроэлемент для работы нервной системы. Все минеральные вещества в организме так или иначе влияют на ее работу. Но от количества магния в нервных клетках зависят такие процессы, как возбудимость, торможение, скорость нервных импульсов, восприятие их мозгом и реакция на них. Магний передает информацию от периферии к отделам центральной нервной системы. Многим беременным рекомендуют принимать лекарственные препараты с содержанием этого вещества для улучшения работы нервной и сердечно-сосудистой систем. Для тех, кто испытывает постоянные стрессы на работе или дома, истощен физически и морально, также полезен этот элемент.

Как показывает таблица минеральных веществ, представленная ниже, суточная норма магния колеблется в пределах 300-500 мг. Алкоголь, никотин, жирная пища и кофеин существенно ухудшают усвоение магния. Наиболее богаты на его содержание гречневая каша (одна ее порция обеспечит для организма суточную потребность), бананы, тыквенные семечки. Помимо этого, магний содержится в пшеничных отрубях, овсянке, кальмарах и креветках, сухих бобах, камбале, шпинате, картофеле белокочанной капусте.

Значение натрия и калия для работы организма, из каких продуктов их можно получить?

Важным является тот факт, что в поваренной соли минеральные вещества тоже содержатся. За сутки нужно употребить 10-15 грамм поваренной соли, чтобы обеспечить организму дневной запас натрия (3-6 грамм). В организме этот макроэлемент транспортирует минеральные вещества клетки и участвует в регулировании водно-солевого обмена. Но важно не переборщить с употреблением этого продукта, так как его чрезмерное количество пагубно влияет на работу некоторых органов и может спровоцировать накопление песка и образование камней в почках, желчном пузыре и так далее.

Калий является важным элементом для поддержания здоровой работы сердца и сосудов. Правильное соотношения калия и кальция позволяет наладить полноценное функционирование сердечной мышцы. Калий и натрий содержится в хлебе, бобовых, кураге, яблоках.

Содержится ли в нас железо?

Железо - еще один жизненно важный микроэлемент. Благодаря ему в организме образуется белок гемоглобин, который соединяется с кислородом и доставляет его в клетки, а затем выводит углекислый газ. Таким образом, роль минеральных веществ, в частности железа, состоит в кислородном питании организма. Железо также способствует правильной кроветворной функции. В организме взрослого человека находится 10-30 мкмоль/литр железа. Очень богат железом такой фрукт, как айва, большое его содержание в яблоках, красном мясе и субпродуктах.

Женщинам железо нужнее, чем мужчинам, так как представительницы слабого пола живут циклично и приблизительно раз в месяц теряют этот микроэлемент в большом количестве. Для восполнения его запасов нужно употреблять вышеуказанные продукты. Нехватка железа в организме приводит к анемии.

Важность хлора для человека

Важность хлора для организма состоит в том, что он является составляющим желудочного сока и плазмы крови. Вместе с натрием и калием этот макроэлемент поддерживает водно-солевой и кислотно-щелочной обмен. До 90% дневной нормы хлора поступает в организм вместе с обычной поваренной солью. При нарушении обмена хлора, натрия и калия нарушается работа сердца, появляются отеки, и человек страдает от перепадов артериального давления.

Йод - лекарственный препарат или важный микроэлемент для организма?

Йод с детства знаком каждому благодаря своим антисептическим свойствам. Но еще он является полезным микроэлементом. Пищу, богатую йодом, необходимо употреблять для правильной работы щитовидной железы. Йод входит в состав гормонов, продуцируемых щитовидной железой, поэтому напрямую влияет на правильную работу эндокринной системы. Дневная норма употребления йода составляет 100-200 мг. Наиболее богаты йодом морская капуста и рыба, но в современных условиях жизни достаточно тяжело обеспечить баланс йода в организме. Поэтому рекомендуется принимать специальные препараты, повышающие его содержание.

Содержание и получение организмом фтора

Это микроэлемент, который входит в состав эмали поверхности зубов, а значит, отвечает за их здоровье и красоту. Организму необходимо 2-3 миллиграмма фтора в сутки, эта потребность обеспечивается благодаря употреблению различных сортов чая, морепродуктов и орехов.

Какие еще микроэлементы важны для нас?

Составленная нами таблица минеральных веществ содержит основные элементы и поможет лучше разобраться в потребности организма в микро- и макроэлементах.

Кроме названных выше, к списку жизненно необходимых элементов относится цинк и марганец. Цинк является составляющим ферментов, поддерживающих окислительно-восстановительные реакции организма, а марганец участвует в энергетических реакциях и влияет на усвоение многих витаминов.

Можно отметить, что минеральные вещества в питании очень важны для вашего здоровья, поскольку обеспечивают все процессы жизнедеятельности. Употребление правильной суточной нормы минералов - это залог здоровья.

1. Какие вещества называются минеральными?

Ответ. Минеральные вещества химические элементы, необходимые живому организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности (кальций фосфор калий магний)

Магний - жизненно важный элемент, от его участия расслабляются мышцы. Магнием тормозится возбуждение нервных окончаний, участвует во многих каталитических процессах, обладает способностью стимулировать перистальтику кишечника, тем самым способствует выводу шлаков (и холестерина в том же числе) и повышает выделение желчи. Магний оказывает сосудорасширяющее действие, улучшает кровоснабжение сердечной мышцы.

Калий - это минеральное вещество, которое необходимо для нормального функционирования клеток периферической и центральной нервной системы, для поддержания осмотического давления, для нормального функционирования всех мышц. Им способствуется выведение воды из организма, а следовательно, и вредных продуктов метаболизма.

Натрий. Поваренная соль необходима нашему организму. Является она составной частью крови и тканевой жидкости. В организм с пищей поступает необходимое её количество.

Фосфор - важнейший элемент, входящий в состав белков нуклеиновых кислот, костной ткани; влияет он на рост и восстановительные процессы в тканях. Фосфор нужен для костей, необходим и в мышцах. Аккумулятор энергии человека - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Когда человек трудится, эта кислота распадается, отдавая заложенную в ней энергию.

Жизненно важный элемент - сера, значимость которого в первую очередь определяется тем, что входит он в состав белков в виде серосодержащих аминокислот (цистеина и метионина), а также - в состав некоторых гормонов и витаминов. Удовлетворяется потребность человеком в сере (около 1 г в день) при обычном суточном рационе.

Хлор - это тоже жизненно важный элемент, который участвует для образования желудочного сока, формирует плазму, активизирует ряд ферментов. Содержание хлора в пищевых продуктах колеблется в пределах 2-160 мг/%. Без добавления поваренной соли рацион содержал бы 1,6 г хлора.

Необходимое для кроветворения - железо, им обеспечивается транспортировка из легких кислорода к тканям. Входит железо в состав гемоглобина - красный пигмент крови. Образуются красные кровяные тельца в костном мозге; поступают они в кровь и в ней циркулируют в течение 6 недель. Распадаются потом на составные части, а железо, которое содержалось в них, поступает в селезенку и печень, откладываясь там «до востребования».

Цинк входит в состав крови и мышечной ткани. Это элемент необходим, значимостью которого определяется то что входит он в состав гормона поджелудочной железы инсулина, регулируется содержание сахара в крови. Он также важен для полноценного заживлении ран участвует в регуляции артериального давления и способствует образованию простагландинов, обладающих противовоспалительным действием; помогает выводить из организма холестерин.

2. Какой процесс называется диссоциацией?

Ответ. Электролитическая диссоциация - процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или при плавлении.

Диссоциация на ионы происходит вследствие взаимодействия растворённого вещества с растворителем; по данным спектроскопических методов, это взаимодействие носит в значительной мере химический характер. Наряду с сольватирующей способностью молекул растворителя определённую роль в электролитической диссоциации играет также макроскопическое свойство растворителя - его диэлектрическая проницаемость

3. Что такое ионы?

Ответ. Ион - частица, в которой общее число протонов не эквивалентно общему числу электронов. Ион, в котором общее число протонов больше общего числа электронов, имеет положительный заряд и называется катионом. Ион, в котором общее число протонов меньше общего общего числа электронов имеет отрицательный заряд и называется анионом.

В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и в плазме (в частности, в межзвёздном пространстве).

Вопросы после §8

1. В каком виде минеральные вещества представлены в живых организмах?

Ответ. 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.

2. Какова роль неорганических ионов в клетке?

Ответ. 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.

3. Какова роль ионов в буферных системах организма?

Ответ. 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

4. Почему недостаток или отсутствие ионов некоторых металлов приводит к нарушению жизнедеятельности клеток?

Ответ. 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.

>>> микроэлементы

Минеральные вещества играют исключительно важную роль в жизни живых организмов. Наряду с органическими веществами минералы входят в состав органов и тканей, а также участвуют в процессе обмена веществ.

В общей сложности в организме человека определяется до 70 химических элементов. Из них 43 элемента являются абсолютно необходимыми для нормального протекания обмена веществ.

Все минеральные вещества, исходя от их количественного содержания в организме человека, принято разделять на несколько подгрупп: макроэлементы, микроэлементы и ультраэлементы.

Макроэлементы представляют собой группу неорганических химических веществ, присутствующих в организме в значительных количествах (от нескольких десятков граммов до нескольких килограммов). К группе макроэлементов относятся натрий, калий, кальций , фосфор и др.

Микроэлементы встречаются в организме в гораздо меньших количествах (от нескольких граммов до десятых долей грамма и менее). К таким веществам относятся: железо, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, кремний, фтор, йод и др. Особой подгруппой микроэлементов являются ультрамикроэлементы, содержащиеся в организме в исключительно малых количествах (золото, уран, ртуть и др.).

Роль минеральных веществ в организме

Минеральные (неорганические) вещества входящие в структуру организма выполняют множество важных функций. Многие макро и микроэлементы являются кофакторами ферментов и витаминов . Это значит, что без молекул минеральных веществ витамины и ферменты неактивны и не могут катализировать биохимические реакции (основная роль ферментов и витаминов). Активация ферментов происходит посредством присоединения к их молекулам атомов неорганических (минеральных) веществ, при этом присоединенный атом неорганического вещества становится активным центром всего ферментативного комплекса. Так, например, железо из молекулы гемоглобина способно связывать кислород, для того чтобы переносить его к тканям, многие пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин) для активации требуют присоединения атома цинка и т.д.

Многие минеральные вещества являются незаменимыми структурными элементами организма – кальция и фосфор слагают основную массу минерального вещества костей и зубов, натрий и хлор являются основными ионами плазмы, а калий, в больших количествах содержится внутри живых клеток.

Вся совокупность макро и микроэлементов обеспечивает процессы роста и развития организма. Минеральные вещества играют важную роль в регуляции иммунных процессов, поддерживают целостность клеточных мембран, обеспечивают дыхание тканей.

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма, предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях органах на физиологическом уровне. Даже небольшие отклонения от нормы могут повлечь самые тяжелые последствия для здоровья организма.

Источники минеральных веществ

Основным источником минеральных веществ для человека, является потребляемая вода и пища. Одни минеральные элементы распространены повсеместно, а другие встречаются реже, и в меньших количествах. В наши дни, при условии нарушенной экологии, лучшим источником могут быть БАД (биологически активные добавки) и очищенная минерализованная вода.

Различные пищевые продукты содержат различное количество минеральных веществ. Так, например, в коровьем молоке и молочных продуктах содержится более 20 различных минералов, среди них наиболее важными являются железо, марганец, фтор, цинк, йод. Мясо и мясные продукты содержат такие микроэлементы как серебро, титан, медь, цинк, а морские продукты – йод, фтор, никель.

Как уже упоминалось выше, постоянство внутренней среды (содержание в организме различных веществ) имеет огромное значение для нормального функционирования организма. Несмотря на широкую распространенность минеральных веществ в природе, нарушения в организме, связанные с их недостатком (или реже с избытков) встречаются довольно часто. Заболевания, вызванные недостачей минеральных веществ чаще всего встречаются в определенных регионах земного шара, где в силу геологических особенностей природная концентрация того или иного микроэлемента ниже чем в других районах. Хорошо известны так называемые эндемические зоны йододефицита, в которых часто встречается такое заболевание как Зоб – следствие недостатка йода.

Однако, гораздо чаще дефицит минеральных веществ в организме встречается из-за неправильного (несбалансированного) питания , а также в определенные периоды жизни и при некоторых физиологических и патологических состояниях, когда потребность в минеральных веществах возрастает (период роста у детей, беременность , кормления грудью, различные острые и хронические заболевания, менопауза и пр.).

Краткая характеристика наиболее важных минеральных веществ

Натрий – является самым распространенным ионом плазмы – жидкой части крови. На долю этого элемента приходится основная доля в создании осмотического давления плазмы. Поддержание нормального осмотического давления и объема циркулирующей крови – это жизненно важный процесс, который реализуется главным образом благодаря регуляции абсорбции или секреции (выделения) натрия на уровне почек . При снижении объема циркулирующей крови (например, при обезвоживании или после кровопотери) на уровне почек запускается сложный процесс, целью которого является сохранение и накопление ионов натрия в организме. Параллельно с ионами натрия в организме задерживается вода, (ионы металлов притягивают молекулы воды) вследствие чего объем циркулирующей крови восстанавливается. Также натрий участвует в электрической деятельности нервной и мышечной ткани. Благодаря разнице концентрации натрия между кровью и внутриклеточной средой живые клетки могут генерировать электрический ток лежащий в основе деятельности нервной системы, мышц и других органов. Дефицит натрия встречается очень редко. Обычно он возникает в случае сильного обезвоживания или крупной потери крови. Распространенность натрия в природе (поваренная соль состоит из натрия и хлора), делает возможным быстрое восполнение резервов организма в этом элементе. При некоторых заболеваниях (например, при гипертонии) рекомендуется снижать потребление соли (следовательно, натрия) для того, чтобы немого снизить объем циркулирующей крови и понизить артериальное давление .

Калий – является основным ионом внутриклеточной среды. Его концентрация в крови во много раз меньше чем внутри клеток. Этот факт является очень важным для нормального функционирования клеток организма. Подобно натрию, калий участвует в регуляции электрической деятельности органов и тканей. Концентрация калия в крови и внутри клеток поддерживается с большой точностью. Даже небольшие изменения концентрации этого элемента в крови способно вызвать серьезные нарушения деятельности внутренних органов (например, сердца). По сравнению с натрием калий менее распространен в природе, однако встречается в достаточных количествах. Основным источником калия для человека являются свежие овощи и фрукты.

Кальций . Общая масса кальция в организме взрослого человека составляет примерно 4 килограмма. Причем основная его часть сконцентрирована в костной ткани. Соли кальция и фосфорной кислоты являются минеральной основой костей. Помимо минералов, кости содержат и некоторое количество белков, образующих своеобразную сеть на которой осаждаются минеральные соли. Белки придают костям гибкость и упругость, а минеральные соли – твердость и жесткость. Несколько граммов кальция содержится в различных органах и тканях. Здесь кальций играет роль регулятора внутриклеточных процессов. Так, например, кальций участвует в механизмах передачи нервного импульса от одной нервной клетки к другой, участвует в механизме сокращения мышц и сердца и пр. Основным источником кальция для человека являются продукты животного происхождения. Особенно богаты кальцием молочные продукты. Кальция абсолютно необходим для нормального протекания процесса обмена веществ. Недостаток кальция является довольно распространенным явлением. Чаще всего он возникает вследствие неправильного питания (употребление малого количества молочных продуктов), а также во время беременности или кормления грудью. У детей недостаток кальция может развиться в период интенсивного роста.

Железо . В организме взрослого человека содержится около 4 граммов железа, причем основная масса его сконцентрирована в крови. Железо является незаменимым компонентом гемоглобина – пигмента эритроцитов, переносящего кислород о легких к тканям. Также железо входит в состав ферментов обеспечивающих клеточное дыхание (употребление кислорода клетками). Основным источником железа для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. Железом богаты яблоки, гранаты, мясо, печень. Дефицит железа проявляется анемией, а также шелушением кожи, расслоением ногтей, появлением трещин на губах, ломкостью волос. Чаще всего от недостатка железа страдают дети и женщины детородного возраста. Причиной недостатка железа у детей является неправильное питание и быстрый рост организма. У женщин дефицит железа развивается из-за постоянной потери крови во время менструации. Особенно опасен дефицит железа во время беременности. Анемия, как проявление недостатка железа, может вызвать даже гибель плода, из-за недостатка кислорода.

Различные заболевания пищеварительного тракта (хронические гастриты , энтериты) также могут привести способствовать развитию дефицита железа.

Йод – является незаменимым для человека микроэлементом. Основная роль йода в организме человека заключается в том, что йод является активной частью гормонов щитовидной железы. Гормоны щитовидной железы регулируют энергетические процессы организма – образование тепла, рост и развитие. При недостатке йода возникает тяжелое состояние – гипотиреоз, названное так из-за недостатка гормонов щитовидной железы (для их синтеза необходим йод). Основным источником йода для человека являются молоко, мясо, свежие овощи, рыба и морские продукты. Дефицит йода возникает в основном из-за неправильного питания. В некоторых регионах земного шара (например, Урал) гипотиреоз возникает особенно часто. Это связано с недостатком содержание йода в почве и воде.

Фтор полезен для организма только в небольших количествах. При низких концентрациях фтор стимулирует развитие и рост зубов, костной ткани, образование клеток крови, повышение иммунитета. Недостаток фтора повышает риск заболевания кариесом (особенно у детей) и негативно сказывается на иммунитете. В больших дозах фтор может вызывать заболевание флюороз, проявляющееся изменениями скелета. Основным источником фтора являются свежи овощи и молоко, а так же питьевая вода.

Медь . Роль меди в организме заключается в активации тканевых ферментов, которые участвуют в дыхании клеток и превращении веществ. Также важно отметить положительное влияние меди на процесс кроветворения. При помощи меди происходит перенос железа в костный мозг и созревание эритроцитов. При недостатке меди происходит нарушение развития костной и соединительной ткани, также тормозится умственное развитие детей, увеличиваются печень и селезенка, развивается анемия. Хлеб и мучные продукты, чай, кофе, фрукты и грибы являются основными источниками меди для человека.

Цинк входит в состав многих ферментов, оказывает стимулирующее действие процесс полового созревания, образования костей, распада жировой ткани. Недостаток цинка развивается довольно редко. Иногда дефицит цинка возникает при избыточном потреблении мучных продуктов, препятствующих всасыванию цинка из кишечника. Недостаток цинка (особенно в детском возрасте) может привести к тяжелым нарушениям развития: торможение полового созревания, выпадение волос, деформация скелета. Достаточные для человека количества цинка содержатся в печени животных, мясе, яичных желтках, сырах, горохе.

Кобальт – является фактором активации витамина В12, поэтому этот элемент незаменим для нормального протекания процесса образования крови. Также кобальт стимулирует синтез белков и рост мышц, активирует некоторые ферменты перерабатывающие углеводы . Недостаток кобальта может проявиться анемией (малокровие). Основными источниками кобальта являются хлеб и мучные продукты, фрукты и овощи, молоко, бобовые.

Библиография:

• Идз М.Д. Витамины и минеральные вещества, Спб. : Комплект, 1995
• Минделл Э. Справочник по витаминам и минеральным веществам, М. : Медицина и питание: Техлит, 1997
• Беюл Е.А Cправочник по диетологии, М.: Медицина, 1992

Читать еще:

Из этого урока вы узнаете о роли минеральных соединений микро - и макроэлементов в жизнедеятельности живых организмов. Вы познакомитесь с водородным показателем среды - рН, узнаете, как этот показатель связан с физиологией организма, каким образом в организме поддерживается постоянный рН среды. Выясните роль неорганических анионов и катионов в процессах обмена веществ, узнаете подробности о функциях катионов Na, K и Са в организме, а также какие другие металлы входят в состав нашего тела и каковы их функции.

Введение

Тема: Основы цитологии

Урок: Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки

1. Введение. Минеральные вещества в клетке

Минеральные вещества составляют от 1 до 1,5% от сырой массы клетки, и находятся в клетки в виде солей дислоцированных на ионы, либо в твердом состоянии (рис. 1).

Рис. 1. Химический состав клеток живых организмов

В цитоплазме любой клетки находятся кристаллические включения, которые представлены слаборастворимыми солями кальция и фосфора; кроме них могут находиться оксид кремния и другие неорганические соединения, которые участвуют в образовании опорных структур клетки - в случае минерального скелета радиолярий - и организма, то есть образуют минеральное вещество костной ткани.

2. Неорганические ионы: катионы и анионы

Неорганические ионы, имеют значение для жизнедеятельности клетки (рис. 2).

Рис. 2. Формулы основных ионов клетки

Катионы - калий, натрий, магний и кальций.

Анионы - хлорид анион, гидрокарбонат анион, гидрофосфат анион, дигидрофосфат анион, карбонат анион, фосфат анион и нитрат анион.

Рассмотрим значение ионов.

Ионы, располагаясь по разные стороны клеточных мембран, образуют так называемый трансмембранный потенциал. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой. Так, концентрация ионов калия (К+) в клетке в 20-30 раз выше, чем в окружающей среде; а концентрация ионов натрия (Na+) в десять раз ниже в клетке, чем в окружающей среде.

Благодаря существованию градиентов концентрации , осуществляются многие жизненно важные процессы, такие как сокращение мышечных волокон, возбуждение нервных клеток, перенос веществ через мембрану.

Катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы. Ионы калия уменьшают вязкость и увеличивают текучесть, ионы кальция (Са2+) обладают противоположным действием на цитоплазму клетки.

Анионы слабых кислот - гидрокарбонат анион (НСО3-), гидрофосфат анион (НРО42-) - участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки, то есть pH среды . По своей реакции растворы могут быть кислыми , нейтральными и основными .

Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (рис. 3).

Рис. 3. Определение кислотности раствора при помощи универсального индикатора

Эту концентрацию выражают с помощью водородного показателя pH, протяженность шкалы от 0 до 14. Нейтральная среда pH - около 7. Кислая - меньше 7. Основная - больше 7. Быстро определить pH среды можно с помощью индикаторных бумажек, или полосок (см. видео).

Мы опускаем индикаторную бумажку в раствор, затем полоску вынимаем и сразу же сравниваем окрашивание индикаторной зоны полоски с цветами стандартной шкалы сравнения, которая входит в комплект, оценивая схожесть окрашивания и определяя значение pH (см. видео).

3. рН среды и роль ионов в его поддержании

Значение pH в клетке примерно равняется 7.

Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.

Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам её содержимого. Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют.

Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью. Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов. Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.

Некоторые органические соединения, в частности белки, также обладают буферными свойствами.

Катионы магния, кальция, железа, цинка, кобальта, марганца входят в состав ферментов и витаминов (см. видео).

Катионы металлов входят в состав гормонов.

Цинк входит в состав инсулина. Инсулин - это гормон поджелудочной железы, который регулирует уровень глюкозы в крови.

Магний входит в состав хлорофилла.

Железо входит в состав гемоглобина.

При недостатке этих катионов нарушается процессы жизнедеятельности клетки.

4. Ионы металлов как кофакторы

Значение ионов натрия и калия

Ионы натрия и калия распределены по всему объему организма, при этом ионы натрия входят, в основном, в состав межклеточной жидкости, а ионы калия содержатся внутри клеток: 95% ионов калия содержатся внутри клеток , а 95% ионов натрия содержатся в межклеточных жидкостях (рис. 4).

С ионами натрия связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, а также перенос, или транспорт таких веществ как аминокислот и сахара через мембранну.

Значение кальция в организме человека

Кальций является одним из самых распространенных элементов в организме человека. Основная масса кальция входит в состав костей и зубов. Фракция вне костного кальция составляет 1% от общего количества кальция в организме. Внекостный кальций влияет на свертываемость крови, а также нервно-мышечную возбудимость и сокращение мышечных волокон.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система играет роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, кроме этого она поддерживает баланс в просвете канальцев почек, а также внутриклеточной жидкости.

Фосфатная буферная система состоит из дигидрофосфата и гидрофосфата. Гидрофосфат связывает, то есть нейтрализует протон. Дигидрофосфат высвобождает протон и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами.

Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови (Рис. 5).

Буферная система крови

В организме человека всегда имеются определенные условия для сдвига нормальной реакции среды ткани, например, крови, в сторону ацидоза (закисления) или алкалоза (раскисления - смещения рН в большую сторону).

В кровь поступают различные продукты, например, молочная кислота, фосфорная кислота, сернистая кислота, образующиеся в результате окисления фосфорорганических соединений либо серосодержащих белков. При этом реакция крови, может сдвигаться в сторону кислых продуктов.

При употреблении мясных продуктов, в кровь поступают кислые соединения. При употреблении растительной пищи, в кровь поступают основания.

Тем не менее, pH крови остается на определенном постоянном уровне.

В крови имеются буферные системы , которые поддерживают pH на определенном уровне.

К буферным системам крови относятся:

Карбонатная буферная система,

Фосфатная буферная система,

Буферная система гемоглобина,

Буферная система белков плазмы (Рис. 6).

Взаимодействие этих буферных систем создает определенное постоянное pH крови.

Таким образом, сегодня мы с вами рассмотрели минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.

Домашнее задание

Какие химические вещества называют минеральными? Каково значение минеральных веществ для живых организмов? Из каких веществ в основном состоят живые организмы? Какие катионы входят в состав живых организмов? Каковы их функции? Какие анионы входят в состав живых организмов? Какова их роль? Что такое буферная система? Какие буферные системы крови вам известны? С чем связано содержание минеральных веществ в организме?

1. Химический состав живых организмов.

2. Википедия.

3. Биология и медицина.

4. Образовательный центр.

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.

Неорганические ионы, или минеральные вещества, выполняют в организме следующие функции:

1. Биоэлектрическая функция. Эта функция связана с воз­никновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны создаёт в разных клетках потенциал порядка 60-80 мВ. Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заряжена отрицательно. Электрический потен­циал мембраны тем выше, чем больше содержание белка и его иониза­ция (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (диффузия ионов Na + и К + через мембрану внутрь клетки затруд­нена). Данная функция неорганических ионов используется для регуля­ции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных) и для проведения нервных импульсов.

2. Осмотическая функция используется для регуляции осмо­тического давления. Живая клетка подчиняется закону изоосмополярности: во всех средах организма, между которыми есть свободный обмен водой, устанавливается одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установится новое равновесие и новый уровень осмотического давления.

3. Структурная функция обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов взаимодействуют с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул и тем са­мым обеспечивают наряду с другими факторами поддержание опреде­лённых конформаций этих молекул. Поскольку биологическая активность биополимеров зависит от их конформаций, то нормальное осуществление белками их функций, беспрепятственная реализация информации, зало­женной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных ком­плексов, формирование субклеточных структур и другие процессы не­мыслимы без участия катионов и анионов.

4. Регуляторная функция заключается в том, что ионы ме­таллов являются активаторами ферментов и тем самым регулируют ско­рость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное дей­ствие катионов. Косвенное заключается в том, что ионы металлов часто необходимы для действия другого регулятора, например, гормона. При­ведём несколько примеров. Формирование активной формы инсулина невозможно без ионов цинка. Третичная структура РНК в огромной сте­пени определяется ионной силой раствора, а такие катионы, как Сr 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ ,Mn 2+ и другие, непосредственно участвуют в формирова­нии спиральной структуры нуклеиновых кислот. Концентрация ионов Мg 2+ влияет на формирование такой надмолекулярной структуры, как рибосомы.

5. Транспортная функция проявляется в участии некоторых металлов (в составе металлопротеидов) в переносе электронов или про­стых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов в дыхательной цепи, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его пе­реносе.

6. Энергетическая функция связана с использованием фос­фат-анионов в образовании АТФ и АДФ (АТФ - основной носитель энер­гии в живых организмах).

7. Механическая функция. Например, катион Са +2 и фосфат-анион входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.

8. Синтетическая функция. Многие неорганические ионы ис­пользуются в синтезах сложных молекул. Например, ионы йода I¯ участ­вуют в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион (SО 4) 2- - в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в ор­ганизме вредных органических спиртов и кислот). Важное значение в механизме защиты от токсического действия пероксида имеет селен. Он образует селеноцистеин - аналог цистеина, в котором вместо атомов серы атомы селена. Селеноцистеин является составной частью фермента глутатион-пероксидазы, катализирующей восстановление пероксида во­дорода глутатионом (трипептид - γ-глутамил-цистеинилглицин)

Важно отметить, что в известных пределах возможна взаимоза­меняемость некоторых ионов. При недостатке какого-то иона металла он может заменяться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, ион натрия заме­щается ионом лития; ион кальция - ионом стронция; ион молибдена - ионом ванадия; ион железа - ионом кобальта; иногда ионы магния - ио­нами марганца.

Благодаря тому, что минеральные вещества активируют дейст­вие ферментов, они влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим, в чём выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, уг­леводов и липидов от наличия тех или иных неорганических ионов.