Welche Stoffe bewirken eine Zellpufferung? Kombination aller Zellkomponenten in einer einzigen Umgebung. Zytoplasma ist eine dynamische Struktur: Manchmal ist in Zellen eine kreisförmige Bewegung des Zytoplasmas erkennbar – eine Zyklose, an der Organellen und Einschlüsse beteiligt sind

Zytoplasma. - ein obligatorischer Teil der Zelle, der zwischen der Plasmamembran und dem Zellkern eingeschlossen ist und eine zähflüssige, farblose Grundsubstanz des Zytoplasmas darstellt; Organellen sind permanente Bestandteile des Zytoplasmas und Einschlüsse sind vorübergehende Bestandteile des Zytoplasmas. Die chemische Zusammensetzung des Zytoplasmas ist vielfältig. Seine Basis ist Wasser (60-50 % der Gesamtmasse des Zytoplasmas). Das Zytoplasma ist reich an Proteinen; das Zytoplasma kann Fette und fettähnliche Substanzen sowie verschiedene organische und anorganische Verbindungen enthalten.

Das Zytoplasma reagiert alkalisch. Eines der charakteristischen Merkmale des Zytoplasmas ist die ständige Bewegung (Zyklose). Der Nachweis erfolgt vor allem durch die Bewegung von Zellorganellen, beispielsweise Chloroplasten. Wenn die Bewegung des Zytoplasmas stoppt, stirbt die Zelle ab, da sie nur durch ständige Bewegung ihre Funktionen erfüllen kann.

Die Hauptsubstanz des Zytoplasmas – Hyaloplasma (Zytosol) – ist farblose, schleimige, dicke und transparente kolloidale Lösung. Darin finden alle Stoffwechselvorgänge statt, es sorgt für die Verbindung des Zellkerns und aller Organellen. Abhängig vom Vorherrschen des flüssigen Teils oder großer Moleküle im Hyaloplasma werden zwei Formen des Hyaloplasmas unterschieden: Sol – flüssigeres Hyaloplasma und Gel – dickeres Hyaloplasma. Zwischen ihnen sind gegenseitige Übergänge möglich: Das Gel verwandelt sich leicht in ein Sol und umgekehrt.

Funktionen von Hyaloplasma:

Kombination aller Zellkomponenten in einer einzigen Umgebung

Umgebung für chemische Reaktionen

Umgebung für die Existenz und Funktion von Organellen.

Hyaloplasma und Ergastoplasma. Ultrastruktur und funktionelle Bedeutung.

Hyaloplasma(von griechisch hyalos – Glas und Plasma), das Hauptplasma, die Matrix des Zytoplasmas, ein komplexes farbloses kolloidales System in einer Zelle, das zu reversiblen Übergängen vom Sol zum Gel fähig ist. Die Zusammensetzung von G. umfasst lösliche Proteine ​​(Enzyme der Glykolyse, Aktivierung von Aminosäuren während der Proteinbiosynthese, viele ATPasen usw.), lösliche RNA, Polysaccharide und Lipide. Durch G. erfolgt der Transport von Aminosäuren, Fettsäuren, Nukleotiden, Zuckern und anorganischen Stoffen. Ionen, ATP-Transfer. Die Zusammensetzung von G. wird durch Puffer und Osmotik bestimmt. Zelleigenschaften.
Zytoplasma

Das Zytoplasma eukaryotischer Zellen besteht aus halbflüssigen Inhalten und Organellen. Die wichtigste halbflüssige Substanz des Zytoplasmas wird Hyaloplasma (von griechisch hyalos – Glas) oder Matrix genannt. Hyaloplasma ist ein wichtiger Teil der Zelle, ihrer inneren Umgebung.

Es handelt sich um ein komplexes kolloidales System, das aus Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten, Wasser und anderen Substanzen besteht. Das Hyaloplasma enthält in gelöstem Zustand eine Vielzahl von Aminosäuren, Nukleotiden und anderen Bausteinen von Biopolymeren, viele Zwischenprodukte, die bei der Synthese und dem Abbau von Makromolekülen entstehen, sowie Ionen anorganischer Verbindungen wie Na-, K-, Ca2+ Mg2-, Cl-, NS03, NR042 usw.

Obwohl Hyaloplasma im Elektronenmikroskop als homogene Substanz erscheint, ist es nicht homogen. Hyaloplasma besteht aus zwei Phasen – flüssig und fest. Die flüssige Phase ist eine kolloidale Lösung verschiedener Proteine ​​und anderer Substanzen. Die flüssige Phase enthält ein System dünner (-2 nm dicker) Proteinfilamente – Mikrotrabekel, die das Zytoplasma in verschiedene Richtungen durchqueren; Dabei handelt es sich um das sogenannte mikrotrabekuläre System (Abb. 1.7).

Das mikrotrabekuläre System verbindet alle intrazellulären Strukturen. An der Kreuzung oder Verbindung der Enden von Mikrotrabekeln befinden sich Gruppen von Ribosomen.

Mit dem mikrotrabekulären System sind filamentöse Proteinkomplexe oder Filamente (dünne Filamente) verbunden – Mikrotubuli und Mikrofilamente.

Mikrotubuli, Mikrofilamente und das Mikrotrabekelsystem bilden das intrazelluläre Zytoplasmaskelett (Zytoskelett), das die Platzierung aller Strukturkomponenten der Zelle organisiert

Die Funktionen des Hyaloplasmas sind wie folgt:

1) Es ist die innere Umgebung der Zelle, in der viele chemische Prozesse ablaufen.

2) Vereint alle Zellstrukturen und sorgt für die chemische Wechselwirkung zwischen ihnen.

3) Bestimmt die Position der Organellen in der Zelle.

4) Sorgt für den intrazellulären Stofftransport und die Bewegung von Organellen (z. B. die Bewegung von Chloroplasten in Pflanzenzellen).

5) Es ist der Hauptbehälter und Bewegungsbereich für ATP-Moleküle. 6) Bestimmt die Form der Zelle.

Ergastoplasma Bereiche des Zytoplasmas pflanzlicher und tierischer Zellen, Bereiche, die reich an Ribonukleinsäure sind (z. B. Berg-Klumpen in Leberzellen, Nissl-Körperchen in Neuronen). Im Elektronenmikroskop werden diese Bereiche als geordnete Elemente des körnigen endoplasmatischen Retikulums beobachtet.
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Plasmamembran, ihre Funktionen. Moderne Vorstellungen über die Plasmamembran.

Zellmembran(oder Zytolemma oder Plasmalemma oder Plasmamembran) trennt den Inhalt einer Zelle von der äußeren Umgebung und gewährleistet so deren Integrität; regulieren den Austausch zwischen Zelle und Umwelt; Intrazelluläre Membranen unterteilen die Zelle in spezielle geschlossene Kompartimente – Kompartimente oder Organellen, in denen bestimmte Umweltbedingungen aufrechterhalten werden.

Funktionen

Barriere- sorgt für einen regulierten, selektiven, passiven und aktiven Stoffwechsel mit der Umwelt. Beispielsweise schützt die Peroxisomenmembran das Zytoplasma vor für die Zelle gefährlichen Peroxiden. Selektive Permeabilität bedeutet, dass die Permeabilität einer Membran für verschiedene Atome oder Moleküle von deren Größe, elektrischer Ladung und chemischen Eigenschaften abhängt. Die selektive Permeabilität sorgt dafür, dass die Zelle und Zellkompartimente von der Umgebung getrennt und mit den notwendigen Stoffen versorgt werden.

Transport- Der Transport von Stoffen in die Zelle und aus der Zelle erfolgt durch die Membran. Der Transport durch Membranen gewährleistet: Zufuhr von Nährstoffen, Entfernung von Stoffwechselendprodukten, Sekretion verschiedener Substanzen, Bildung von Ionengradienten, Aufrechterhaltung eines optimalen pH-Werts und einer optimalen Ionenkonzentration in der Zelle, die für die Funktion zellulärer Enzyme notwendig sind.

Partikel, die aus irgendeinem Grund nicht in der Lage sind, die Phospholipid-Doppelschicht zu passieren (z. B. aufgrund hydrophiler Eigenschaften, da die Membran im Inneren hydrophob ist und keine hydrophilen Substanzen durchlässt, oder aufgrund ihrer Größe), aber für die Zelle notwendig sind , können durch spezielle Trägerproteine ​​(Transporter) und Kanalproteine ​​oder durch Endozytose in die Membran eindringen.

Beim passiven Transport durchqueren Substanzen die Lipiddoppelschicht ohne Energieaufwand entlang eines Konzentrationsgradienten durch Diffusion. Eine Variante dieses Mechanismus ist die erleichterte Diffusion, bei der ein bestimmtes Molekül einer Substanz dabei hilft, die Membran zu passieren. Dieses Molekül verfügt möglicherweise über einen Kanal, der nur den Durchgang einer Substanzart zulässt.

Der aktive Transport erfordert Energie, da er gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgt. Auf der Membran befinden sich spezielle Pumpproteine, darunter die ATPase, die aktiv Kaliumionen (K+) in die Zelle hineinpumpt und Natriumionen (Na+) aus ihr herauspumpt.

Matrix - sorgt für eine bestimmte relative Lage und Orientierung der Membranproteine, deren optimale Interaktion.

mechanisch - sorgt für die Autonomie der Zelle, ihrer intrazellulären Strukturen und auch für die Verbindung mit anderen Zellen (im Gewebe). Zellwände spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der mechanischen Funktion und bei Tieren auch der Interzellularsubstanz.

Energie - während der Photosynthese in Chloroplasten und der Zellatmung in Mitochondrien funktionieren in ihren Membranen Energieübertragungssysteme, an denen auch Proteine ​​beteiligt sind;

Rezeptor - Einige in der Membran vorkommende Proteine ​​​​sind Rezeptoren (Moleküle, mit deren Hilfe die Zelle bestimmte Signale wahrnimmt).

Beispielsweise wirken im Blut zirkulierende Hormone nur auf Zielzellen, die über Rezeptoren verfügen, die diesen Hormonen entsprechen. Neurotransmitter (Chemikalien, die für die Weiterleitung von Nervenimpulsen sorgen) binden auch an spezielle Rezeptorproteine ​​in Zielzellen.

enzymatisch - Membranproteine ​​sind oft Enzyme. Beispielsweise enthalten die Plasmamembranen von Darmepithelzellen Verdauungsenzyme.

Umsetzung der Erzeugung und Leitung von Biopotentialen.

Mit Hilfe der Membran wird eine konstante Ionenkonzentration in der Zelle aufrechterhalten: Die Konzentration des K+-Ions innerhalb der Zelle ist viel höher als außerhalb, und die Konzentration von Na+ ist viel niedriger, was sehr wichtig ist, da dies gewährleistet die Aufrechterhaltung der Potentialdifferenz auf der Membran und die Erzeugung eines Nervenimpulses.

Zellmarkierung- Auf der Membran befinden sich Antigene, die als Marker fungieren – „Markierungen“, die die Identifizierung der Zelle ermöglichen. Dabei handelt es sich um Glykoproteine ​​(also Proteine ​​mit daran befestigten verzweigten Oligosaccharid-Seitenketten), die die Rolle von „Antennen“ spielen. Aufgrund der unzähligen Konfigurationen der Seitenketten ist es möglich, für jeden Zelltyp einen spezifischen Marker herzustellen. Mit Hilfe von Markern können Zellen andere Zellen erkennen und mit ihnen zusammenarbeiten, beispielsweise bei der Bildung von Organen und Geweben. Dadurch kann das Immunsystem auch fremde Antigene erkennen.

Nach modernen Vorstellungen Die zentrale Schicht einer solchen Membran ist eine flüssige Lipiddoppelschicht mit Einschlüssen von Intramembranproteinen. Es wird angenommen, dass membranassoziierte Proteine ​​kugelförmig sind. Einige von ihnen befinden sich auf der Poloberfläche der Membran oder sind sowohl von außen als auch von innen teilweise in ihre Monoschicht eingetaucht. Hierbei handelt es sich um sogenannte periphere Proteine, die funktionell mit der Membran verbunden sind und durch nichtkovalente Bindungen auf ihrer Oberfläche gehalten werden. Andere, integrale Proteine ​​passieren die gesamte Dicke der Membran, einschließlich ihrer inneren unpolaren Schichten. In integralen Proteinen ist die Abfolge der Aminosäurereste so verteilt, dass hydrophobe Aminosäurereste Strukturen bilden, die die Membran durchdringen, und hydrophile funktionelle Domänen auf der inneren und/oder äußeren Oberfläche der Membran bilden. Somit bilden funktionell unterschiedliche Membranproteine ​​eine einzigartige Mosaikstruktur in der flüssigkristallinen Phospholipid-Doppelschicht. Dieses Mosaik ist nicht streng festgelegt, was es verschiedenen Klassen von PL und kleineren Lipiden der Membran ermöglicht, während der lateralen Diffusion bestimmte Cluster (Abschnitte der Oberflächenmonoschicht der Membran) zu bilden.

Die Plasmamembran enthält viele Glykolipide, deren polare Kohlenhydratanteile (Mono- und Oligosaccharidreste) sich auf ihrer Oberfläche befinden, wodurch sie spezifische Funktionen wie die Rezeption (zelluläre Erkennung) und immunchemische Reaktionen erfüllen können. Die aus der Doppelschicht herausragenden hydrophilen Oligosaccharidabschnitte der Glykolipide bilden in eukaryotischen Zellen eine Art Außenhülle – die Glykokalyx.

Auch die Wasserschicht, die die Außenseite der Monoschicht aus Phospholipiden und Membranproteinen bedeckt, spielt eine gewisse Rolle bei der Stabilisierung der Lipiddoppelschicht. Solche Wassermonoschichten werden aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den polaren „Köpfen“ der PL und Wassermolekülen auf der Membranoberfläche gehalten. In einer Doppelschicht können sich einzelne Lipidmoleküle bewegen (laterale Diffusion), was der Membran Fließfähigkeit und Flexibilität verleiht. Einzelne PL-Moleküle können sich je nach Länge ihrer Fettsäureketten mithilfe eines Flip-Flop-Mechanismus zwischen der äußeren und inneren Monoschicht der Membran bewegen.

All dies weist darauf hin, dass die Doppelschichtmembran ein einziges dynamisches und selbstregulierendes System ist

BM-Modelle.

1.4 Entwicklung von Ideen über die Struktur von Membranen

Das Vorhandensein von Membranen um lebende Zellen wurde vor mehr als hundert Jahren in den Arbeiten von K. Nägeli nachgewiesen, der 1855 entdeckte, dass intakte Zellen ihr Volumen ändern können, wenn sich der osmotische Druck der Umgebung ändert. Diese Studien wurden von E. Overton fortgesetzt, der zeigte, dass unpolare Moleküle die Zellmembran leichter passieren als polare Verbindungen.

Basierend auf diesen Beobachtungen schlug er zunächst vor, dass die Zellmembran von Natur aus Lipide sei. Die Entwicklung von Ideen über die Struktur von Membranen kam dank der Arbeiten von E. Gorter und F. Grendel aus dem Jahr 1925 erheblich voran. Diese Autoren stellten erstmals das Konzept einer Lipiddoppelschicht vor. Die Idee entstand aus einem einfachen Experiment. Die Lipide der roten Blutkörperchen wurden mit Aceton extrahiert und anschließend wurde daraus ein dünner Film auf der Wasseroberfläche gewonnen.

Mit einem Schwimmkörper wurde eine Schicht aus Lipidmolekülen an der Wasser-Luft-Grenzfläche komprimiert, bis diese Schicht einer weiteren Kompression zu widerstehen begann; Dieses Phänomen wurde durch die Bildung eines dicht gepackten monomolekularen Lipidfilms erklärt. Die Messung der von den Lipiden eingenommenen Fläche und der Vergleich mit der Oberfläche der roten Blutkörperchen, aus denen die Lipide extrahiert wurden, ergab ein Verhältnis von 2:1. Daraus wurde geschlossen, dass die Membran der roten Blutkörperchen aus Lipidmolekülen besteht, die in zwei Schichten angeordnet sind. Anscheinend erwies sich diese Schlussfolgerung von Gorter E. und Grendel F. nur aufgrund der gegenseitigen Kompensation von Fehlern als richtig (erstens werden bei der Extraktion mit Aceton nicht alle Lipide extrahiert, und zweitens haben sie die Oberfläche von Erythrozyten unterschätzt getrocknete Zellen, um es zu bestimmen). Historisch gesehen war diese Arbeit jedoch von großer Bedeutung, da sich das Konzept einer Lipiddoppelschicht als strukturelle Grundlage biologischer Membranen tatsächlich als richtig herausstellte. Die Idee, dass Proteine ​​mit Membranen verbunden sind, wurde zehn Jahre später von G. Danielli im Zusammenhang mit der Notwendigkeit geäußert, die scheinbare Diskrepanz zwischen der Oberflächenspannung an den Grenzflächen Öl-Wasser und Membran-Wasser zu erklären. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Membran aus einer Lipiddoppelschicht besteht, und es wurde vermutet, dass sich das Protein auf ihrer Oberfläche befindet – das Danielli-Davison- oder „Sandwich“-Modell (Abbildung 1.2).

1 – hydrophobe Kohlenwasserstoffketten; 2 – polar

hydrophile Gruppen des Moleküls; 3 – polare Poren, entlang derer

Stoffe diffundieren in die Zelle

Abbildung 1.2 – Modell der Struktur biologischer Membranen

Danielli–Davison

Abbildung 1.2 zeigt eine bimolekulare Lipidschicht, die auf beiden Seiten von Proteinmonoschichten umgeben ist. Es war sehr erfolgreich

Modell und im Laufe der nächsten 30 Jahre wurden zahlreiche experimentelle Daten, insbesondere solche, die mithilfe von Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie gewonnen wurden, vollständig bestätigt

seine Angemessenheit. Die Hauptbestandteile einer biologischen Membran sind Lipide und Proteine; die Frage nach der relativen Position dieser

Komponenten in einer Membran sind Gegenstand vieler Debatten geworden, da festgestellt wurde, dass Membranen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen.

Im Jahr 1959 schlug Robertson J.D. vor, dass alle Zellmembranen nach einem einzigen Prinzip aufgebaut seien, und formulierte das Konzept einer einheitlichen (oder einheitlichen) Membran (Abbildung 1.3).

Abbildung 1.3 – Einheitsdiagramm der asymmetrischen Struktur der Robertson-Biomembran.

Das vorgeschlagene Modell ähnelt in vielerlei Hinsicht dem klassischen Modell von Danielli J.: Die Membran basiert auf einer Lipiddoppelschicht, und Nicht-Lipid-Komponenten (hauptsächlich Proteine) liegen in vollständig entfalteter Konformation auf der Oberfläche der Doppelschicht und binden zu Lipiden aufgrund elektrostatischer und hydrophober Wechselwirkungen. Robertsons Modell spiegelt ein weiteres wichtiges Strukturmerkmal der Membran wider – ihre Asymmetrie.

Spätere Fortschritte in der Membranologie, die zur Bildung moderner Vorstellungen über die Struktur von Biomembranen führten, wurden größtenteils dank Fortschritten bei der Untersuchung der Eigenschaften von Membranproteinen erzielt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen mit der Gefrierspaltungsmethode zeigten, dass kugelförmige Partikel in die Membranen eingebettet waren, und Biochemikern gelang es mithilfe von Detergenzien, die Membranen in den Zustand funktionell aktiver „Partikel“ zu dissoziieren. Daten aus Spektralstudien zeigten, dass Membranproteine ​​durch einen hohen Gehalt an α-Helices gekennzeichnet waren und dass sie wahrscheinlich eher Kügelchen bildeten als sich als Monoschicht auf der Oberfläche der Lipiddoppelschicht zu verteilen. Die unpolaren Eigenschaften von Membranproteinen ließen auf das Vorhandensein hydrophober Kontakte zwischen den Proteinen und der inneren unpolaren Region der Lipiddoppelschicht schließen. Gleichzeitig wurden Methoden entwickelt, die es ermöglichten, die Fließfähigkeit der Lipiddoppelschicht aufzudecken. Singer und Nicholson führten all diese Ideen zusammen, indem sie 1972 ein neues Modell der molekularen Organisation von Biomembranen vorschlugen – das Fluid-Mosaik-Modell (Abbildung 1.4).

1 – Kohlenhydratfragmente von Glykoproteinen; 2 – Lipiddoppelschicht;

3 – integrales Protein; 4 – „Köpfe“ von Phospholipiden;

5 – peripheres Protein; 6 – Cholesterin;

7 – Fettsäure-„Schwänze“ von Phospholipiden.

Abbildung 1.4 – Modell einer flüssigen Mosaikmembran

Sänger und Nicholson

Nach dem Fluid-Mosaik-Modell:

1) Die strukturelle Basis von Biomembranen ist eine Lipiddoppelschicht, in der sich die Kohlenwasserstoffketten von Phospholipidmolekülen in einem flüssigkristallinen Zustand befinden.

2) Proteinmoleküle, die sich durch die Membran bewegen können, werden in die Lipiddoppelschicht eingetaucht oder eingebettet, die die Viskosität von Pflanzenöl hat.

Im Gegensatz zu früheren Modellen, die Membranen als Systeme aus starr fixierten Komponenten betrachten, stellt das Fluidmosaikmodell die Membran als „Meer“ aus flüssigen Lipiden dar, in dem „Eisberge“ aus Proteinen schwimmen. Abhängig von der Stärke der Verbindung mit der Membran werden Proteine ​​​​im Mosaikmodell in zwei Typen unterteilt: periphere und integrale.

Zu den peripheren Proteinen zählen Proteine, die aufgrund polarer und ionischer Wechselwirkungen mit der Membran verbunden sind und sich unter milden Bedingungen relativ leicht von dieser trennen lassen, beispielsweise beim Waschen mit Pufferlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten oder Ionenstärken oder Lösungen, die komplexierende Substanzen enthalten, wie z als EDTA.

Integrale Proteine ​​haben große hydrophobe Bereiche auf ihrer Oberfläche und befinden sich innerhalb der Membran. Um integrale Proteine ​​zu isolieren, muss zunächst die Lipiddoppelschicht aufgebrochen werden.

Das Fluid-Mosaik-Modell der Struktur von Biomembranen ist mittlerweile allgemein anerkannt, man sollte jedoch bedenken, dass es immer noch eine vereinfachte und schematische Darstellung eines so komplexen und vielseitigen Systems wie einer biologischen Membran ist. Eines der Postulate dieses Modells ist die Annahme einer freien Bewegung von Protein- und Lipidmolekülen in der zweidimensionalen Phase der Lipiddoppelschicht. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass nicht alle Proteine ​​und Lipide frei beweglich sind und ihre Beweglichkeit teilweise stark eingeschränkt ist. In vielen Membranen befinden sich integrale Proteine ​​aufgrund der hohen Proteinkonzentration aufgrund ihrer Aggregation, der Bildung von Lipiddomänen sowie der Wechselwirkung von Proteinen mit dem Zytoskelett, das durch die inneren Strukturen der Zelle gebildet wird, an festen Positionen.

In einigen Membranen können erhebliche Mengen an Lipiden in einem hochgeordneten Zustand oder umgekehrt in Nicht-Doppelschichtphasen vorliegen. Dies bedeutet, dass die Verteilung der Lipide entlang der Membranoberfläche nicht homogen ist, wie es bei ihrer freien Diffusion nach dem Flüssigkeitsmosaikmodell zu erwarten wäre, sondern weitgehend heterogen.

Darüber hinaus erklärt das Fluidmosaikmodell nicht die hohe Heterogenität der Lipidzusammensetzung biologischer Membranen. Es ist zu beachten, dass sich die Lipide biologischer Membranen nicht nur in der Struktur polarer Gruppen, sondern auch im Grad der Ungesättigtheit und Länge der Kohlenwasserstoffketten sowie in der Art ihrer Bindung an den Glycerinrest (Ester, Ether) unterscheiden und Vinyletherbindungen). Die Lipidzusammensetzung biologischer Membranen ist stets äußerst heterogen und an ihrem Aufbau sind Hunderte chemisch individueller Lipidmoleküle beteiligt. Diese Tatsache stimmt nicht mit der Idee der passiven Rolle von Lipiden bei der Funktion von Membranen als Strukturmatrix überein, in der sich Membranproteine ​​​​befinden. Dennoch verwenden sie derzeit noch das Flüssigmosaik-Modell der Membranstruktur, allerdings in einer komplizierteren Form, die neue, spezifische, bisher unbekannte Muster widerspiegelt.

Frage 1. Welche Merkmale der räumlichen Organisation von Wassermolekülen bestimmen ihre biologische Bedeutung?

Wassermoleküle sind Dipole – Strukturen, in denen sich am Pluspol zwei Wasserstoffatome und am Minuspol ein Sauerstoffatom befinden. Die positiven und negativen Pole verschiedener Wassermoleküle ziehen sich gegenseitig an. Dies führt zur Bildung sogenannter Wasserstoffbrückenbindungen, die für die hohe Wärmekapazität des Wassers sowie die Besonderheiten der Prozesse zur Änderung seines Aggregatzustands (Schmelzen, Verdampfen) sorgen. Darüber hinaus interagieren H20-Dipole aktiv mit allen Molekülen, die über geladene Stellen verfügen. Dies bestimmt die wichtigste Eigenschaft von Wasser als universelles Lösungsmittel organischer und anorganischer Stoffe.

Frage 2. Welche biologische Rolle spielt Wasser?

Wasser erfüllt in einer Zelle viele wichtige Funktionen:

dient als universelles Lösungsmittel;
ist die Umgebung für die meisten in der Zelle ablaufenden Prozesse;
selbst ist an vielen biochemischen Reaktionen beteiligt – Hydrolyse organischer Substanzen, Energiefreisetzung beim Abbau von ATP, Photosynthese usw.;
Die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Wasser erleichtert es Organismen (einschließlich Warmblütern), das thermische Gleichgewicht mit der Umgebung aufrechtzuerhalten.
hohe Verdunstungsintensität schützt Lebewesen vor Überhitzung;
die nahezu vollständige Inkompressibilität von Wasser gewährleistet die Formerhaltung einzelner Zellen und ganzer Organismen;
Die Viskosität verleiht dem Wasser schmierende Eigenschaften.
Eine hohe Oberflächenspannung erleichtert den Stofftransport in Pflanzengefäßen. Frage 3. Welche Stoffe werden als hydrophil bezeichnet? Hydrophob?

Hydrophile Stoffe sind Stoffe, die sich gut in Wasser lösen. Dazu gehören Salze, Aminosäuren, Zucker, Proteine ​​und einfache Alkohole. Ihre Moleküle enthalten in der Regel geladene Abschnitte (Alkoholgruppen, Aminogruppen etc.); Beim Auflösen hydrophiler Substanzen entstehen häufig geladene Teilchen – Ionen. Hydrophobe Stoffe hingegen sind in Wasser schlecht oder gar nicht löslich. Hierzu zählen vor allem Fette und fettähnliche Verbindungen sowie Polysaccharide (Chitin, Cellulose).

Frage 4. Welche Stoffe halten den pH-Wert der Zelle auf einem konstanten Niveau?

Die Fähigkeit, das Säure-Basen-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, also den pH-Wert konstant zu halten, wird durch die sogenannten Puffereigenschaften der Zelle gewährleistet. Dies bedeutet, dass bei Zugabe geringer Mengen an Säuren oder Laugen die Konzentration der Wasserstoffionen (auch als pH-Wert bezeichnet) im Zytoplasma nahezu unverändert bleibt. Dieser Effekt wird durch das Vorhandensein negativ geladener Ionen in der Zelle erreicht – Rückstände schwacher Säuren (hauptsächlich HCO3 und HPO2|4). Bei Ansäuerung (überschüssige H + -Ionen) können diese Ionen in H 2 C0 3 bzw. H 2 P0 4 umgewandelt werden. Im Gegensatz dazu sind HCO3 und HPO2|4 bei H+-Mangel (Alkalisierung des Zytoplasmas) in der Lage, einen Teil ihrer Wasserstoffionen abzugeben. Die Puffereigenschaften der Zelle sind sehr wichtig, da die meisten biologisch aktiven Substanzen (insbesondere Enzymproteine) nur bei einem genau definierten pH-Wert reagieren können.

Frage 5. Erzählen Sie uns etwas über die Rolle von Mineralsalzen im Leben einer Zelle.

Mineralsalze und ihre Bestandteile sind an vielen zellulären Prozessen beteiligt. Somit sorgen die Reste schwacher Säuren (HCO3, HPO2|4) für seine Puffereigenschaften. Die Bewegung von Na +, K +, Ca 2+, C1-Ionen durch Zellmembranen liegt allen elektrischen Phänomenen zugrunde, die in lebenden Organismen beobachtet werden (bis hin zu den Entladungen elektrischer Fische); Ohne diese können sich die Muskelfasern nicht zusammenziehen und das Nervengewebe kann keine Signale weiterleiten. Phosphorsäurereste werden für die Synthese von Nukleotiden und Phospholipiden benötigt. Calcium- und Magnesiumphosphate sind an der Knochenbildung beteiligt und Calciumcarbonat ist die Grundlage der Muschelschalen.

PUFFERENDE EIGENSCHAFTEN, die Fähigkeit vieler Stoffe, die Veränderung der aktiven Reaktion einer Lösung abzuschwächen, die ohne sie eingetreten wäre, wenn der Lösung Säuren oder Laugen zugesetzt würden. Dieser stabilisierende Effekt auf die Lösungsreaktion wird als Puffereffekt bezeichnet.

Pufferaktion

Wenn bis zehn Kubikmeter cm Wenn Sie eine dezinormale Lösung von Essigsäure hinzufügen, fügen Sie nach und nach eine Lösung von Natriumhydroxid mit der gleichen Konzentration hinzu. Der Säuregehalt der Lösung, bestimmt durch die Konzentration der darin enthaltenen freien Wasserstoffionen, nimmt ab. Beim Hinzufügen von 10 Kubikmetern cm NaOH, der Prozess der Bindung einer Säure mit einem Alkali, der Neutralisationsprozess, wird abgeschlossen, die gesamte Essigsäure wird in das entsprechende Salz umgewandelt – Natriumacetat, und die kombinierten H- und OH-Ionen ergeben Wassermoleküle. Bei weiterer Zugabe von NaOH überwiegen freie Hydroxylionen – eine alkalische Reaktion. Die hier eingefügte Kurve (siehe Abbildung 1, durchgezogene Linie) gibt die Veränderungen in der Reaktion wieder, ausgedrückt als pH-Wert (Wasserstoffwert, siehe), die während der Neutralisation von Essigsäure beobachtet wurden.

Abbildung 1. Ändern der Antwort (Pufferungseigenschaften in Aktion)

Die gestrichelte Linie in derselben Abbildung stellt die entsprechende Änderung der Reaktion (pH) dar, wenn NaOH zu dezinormaler Salzsäure hinzugefügt wird. Wenn Sie beide Kurven vergleichen und sehen, wie viel Alkali für die gleiche Reaktionsänderung erforderlich war, beispielsweise um den pH-Wert von 4 auf 5 zu ändern, fallen die Ergebnisse sehr unterschiedlich aus: im ersten Fall etwa 5 Kubikmeter cm NaOH, im zweiten finden sich subtile Spuren davon. Die Menge an Alkali (bzw. Säure), die für eine bestimmte Reaktionsänderung erforderlich ist, ist ein Maß für die Stabilität der Lösungsreaktion und das Ausmaß ihrer Pufferwirkung. Im ersten Fall ist es sehr bedeutsam, im zweiten völlig unbedeutend. Wenn die Anzahl der Grammäquivalente Alkali (bzw. Säure), die einem Liter der Testlösung zugesetzt werden, mit dem Zeichen DV und die daraus resultierende Änderung der Reaktion mit DR bezeichnet wird, dann ist nach Van-Slyke die Pufferung Die Wirkung entspricht dem Verhältnis dieser Größen: Pufferwirkung = Verhältnis von DV zu DRN. Der Unterschied in der Sehne der Kurven für beide oben diskutierten Lösungen ist auf die Eigenschaften beider Säuren zurückzuführen. Salzsäure gehört zu den starken Säuren, die vollständig in ihre Ionen dissoziieren. Im Gegenteil, Essigsäure ist relativ schwach dissoziiert: Nur ein kleiner Teil ihrer Moleküle (etwa 1,3 % in einer dezinormalen Lösung) zerfällt und erzeugt Wasserstoffionen, die die saure Reaktion der Lösung bestimmen. Daher reagiert Essigsäure deutlich weniger sauer (höherer pH-Wert) als Salzsäure bei gleicher molekularer Konzentration. Bei Zugabe von NaOH binden die Hydroxylionen des Alkalis Wasserstoffionen. Aufgrund der allgemeinen Bedingungen des chemischen Gleichgewichts führt die Entfernung von Dissoziationsprodukten jedoch zum Zerfall neuer, zuvor nicht dissoziierter Moleküle, wobei immer mehr H-Ionen anstelle der durch Alkali gebundenen freigesetzt werden. Somit verfügt Essigsäure (im Gegensatz zu vollständig dissoziierter Salzsäure) neben freien, aktiven H-Ionen, die die aktive Reaktion der Lösung bestimmen, in ihren undissoziierten Molekülen auch über Reserven, Reservewasserstoffionen, Reservesäuren, die dazu fähig sind den Verlust an freien Ionen schnell wieder auffüllen. Diese Säurereserven (oder alkalische, wenn die Lösung Reserve-OH-Ionen freisetzen und zugesetzte Säuren binden kann) bestimmen ihre Pufferwirkung; je bedeutender es ist, desto mehr Reserveionen werden für eine gegebene Reaktionsänderung mobilisiert. Der Name selbst (Pufferwirkung) wurde in Analogie zu Eisenbahnpuffern gegeben, die die Härte mechanischer Stöße abmildern. Ein korrekterer Vergleich wäre mit Gefäßen unterschiedlichen Fassungsvermögens, bei denen die Zugabe der gleichen Flüssigkeitsmenge unterschiedliche Änderungen des Füllstands hervorruft. Je größer das Fassungsvermögen des Gefäßes, desto mehr Flüssigkeit wird für einen bestimmten Pegelanstieg benötigt; Ebenso hängt die Menge an Alkali (oder Säure), die für eine bestimmte Änderung des „Niveaus“ der Reaktion erforderlich ist, von der Anzahl der Reserve-H- oder O-H-Ionen („Pufferkapazität“) ab.

Pufferlösungen

Die elektrolytische Dissoziation schwacher Säuren und Laugen nimmt in Gegenwart von Salzen, die mit ihnen ein gemeinsames Ion haben, stark ab. Beispielsweise wird Essigsäure in Gegenwart ihres Natriumsalzes (Natriumacetat, das wie Essigsäure ein Acetat-Ion ergibt) viel weniger dissoziiert und erzeugt deutlich weniger Wasserstoffionen als in einer reinen Lösung. Die Konzentration der Wasserstoffionen ist direkt proportional zur Konzentration der Essigsäuremoleküle und umgekehrt proportional zur Konzentration der Acetationen. Da Neutralsalze zu starken Elektrolyten gehören, die fast vollständig in ihre Ionen dissoziieren, kann man mit hinreichender Näherung anstelle der Konzentration der Acetationen einfach die Konzentration des entsprechenden Salzes nehmen. Die Konzentration von Wasserstoffionen in einer solchen Lösung, die eine schwache Säure und ihr Salz enthält, wird dann durch eine einfache Formel ausgedrückt (in der rechteckige Klammern die Konzentration der darin enthaltenen Substanzen angeben): [H"] = K [Säure] / [ Salz] (1).

In ähnlicher Weise wird in einer Mischung aus einem schwachen Alkali und seinem Salz die Konzentration von Hydroxylionen (aus der sich die eng verwandte Konzentration von H-Ionen und die Reaktion der Lösung genauso einfach berechnen lässt) durch einen ähnlichen Ausdruck bestimmt: [H"] = K [Alkali] / [Salz] (2).

Für eine genauere Berechnung wäre es notwendig, den Nenner in beiden Formeln leicht zu verkleinern, indem man ihn mit dem Dissoziationsgrad des Salzes (einem Wert kleiner als eins) multipliziert. Solche Mischungen verfügen über besonders große Reservemengen an leicht mobilisierbaren H- und OH-Ionen und dementsprechend über eine besonders große Pufferwirkung. Gleichzeitig machen sie die Lösungsreaktion sowohl gegen Laugen als auch gegen Säuren beständig. So ändert beispielsweise eine Mischung aus Essigsäure mit Natriumacetat (erhalten durch teilweise Neutralisation von Essigsäure mit Natriumhydroxid, siehe Abbildung), wie wir gesehen haben, ihre Reaktion bei Alkalisierung relativ wenig. Ebenso wird die Wirkung einer starken Säure, beispielsweise Salzsäure, abgeschwächt, da sie sich mit Natrium verbindet und so eine äquivalente Menge schwacher Essigsäure aus ihrem Salz verdrängt. Lösungen solcher Mischungen einer schwachen Säure oder Lauge mit dem entsprechenden Salz, sogenannte Pufferlösungen, haben aufgrund der einfachen Berechnung ihrer Reaktion anhand der angegebenen Formeln (1) und (2) besondere Bedeutung erlangt. Die Konstante K in diesen Formeln stellt eine für jede Säure oder Lauge charakteristische Konstante dar – die sogenannte. Dissoziationskonstante. Wenn eine Säure und ihr Salz in gleichen (äquivalenten) Konzentrationen vorliegen, dann wird die Konzentration der Wasserstoffionen offensichtlich numerisch gleich der Dissoziationskonstante ([H"] = K). Somit ist die Dissoziationskonstante einer Säure (bzw , also ein Alkali) gibt direkt den durchschnittlichen Reaktionsbereich an, in dem die Pufferwirkung einer bestimmten Mischung auftritt. An diesem Punkt ist die Pufferwirkung mehr als besonders stark. Die folgende Tabelle zeigt den pH-Wert einiger Pufferlösungen : eine Mischung aus Essigsäure und Natriumacetat (Acetatmischung), monometallischem (primärem) und dimetallischem (sekundärem) Natriumphosphat (NaH 2 PO 4 und Na 2 HPO 4) und Ammoniak mit Ammoniumchlorid.

Tabelle der pH-Puffermischungen.
Essigsäure
Molverhältnis
Essigsäure. N / A
32:1 3,2 16:1 3,5 8:1 3,8 4:1 4,1 2:1 4,4 1:1 4,7 1:2 5,0 1:4 5,3 1:8 5,6 1:16 5,9 1:32 6,2 Primäres Phosphat
Sekundäres Phosphat
Chlor. Ammonium
Ammianus
1 4 7 0 3 7 3,3 8,0 8,3 8,6 8,9 9,2 9,5 9,8 10,1 10,4 10,7 11,0

Aus den Formeln (1) und (2) lässt sich eine sehr wichtige Eigenschaft von Pufferlösungen direkt ableiten: Die Reaktion der Puffermischung hängt (in erster Näherung) allein vom Verhältnis und ihren Komponenten ab und nicht von deren absoluter Konzentration. Daher war es in der angegebenen Tabelle möglich, ohne die Konzentrationen von Säure (oder Alkali) und Salz anzugeben, sondern uns auf die Angabe ihres Verhältnisses zu beschränken. Eine Verdünnung der Pufferlösung hat keinen Einfluss auf die Reaktion. Das Gleiche gilt natürlich nicht für die Pufferwirkung. Bei dieser Reaktion ist sie umso bedeutsamer, je höher die Pufferkonzentration ist. Die betrachteten Eigenschaften von Pufferlösungen bestimmen ihre wichtigsten praktischen Anwendungen:

1. Viele biochemische und biologische Prozesse reagieren sehr empfindlich auf selbst geringfügige Änderungen in der Reaktion (siehe und). Dabei entstehen oft große Mengen an sauren oder alkalischen Produkten, die ihren weiteren Verlauf verändern oder sogar ganz zum Erliegen bringen können. Um solche Prozesse genau zu untersuchen, ist es notwendig, sie unter Bedingungen durchzuführen, die die Möglichkeit erheblicher Schwankungen in der Reaktion ausschließen. Zu diesem Zweck werden Pufferlösungen verwendet, die hier als Reaktionsregulatoren dienen. Diese Methode wurde von Sorensen (1909) verwendet, um die Wirkung einer aktiven Reaktion auf die Aktivität von Enzymen zu untersuchen. Abhängig von der Menge der erzeugten sauren oder alkalischen Produkte einerseits und dem gewünschten Grad der Reaktionskonstanz andererseits ist es erforderlich, Lösungen mit mehr oder weniger starker Pufferwirkung zu verwenden.
2. In anderen Fällen ist das Ausmaß der Pufferwirkung nicht besonders wichtig und die Verwendung von Pufferlösungen basiert auf der Fähigkeit, stabile Lösungen jeder gewünschten Reaktion herzustellen (siehe Tabelle). Mit Hilfe von Indikatoren – Substanzen, die je nach aktiver Reaktion der Lösung ihre Farbe ändern – ist es möglich, die untersuchte Lösung mit einer Reihe von Pufferlösungen einer bekannten Reaktion zu vergleichen. Indem man feststellt, in welcher dieser Lösungen ein bestimmter Indikator die gleiche Farbe annimmt wie in der Testlösung, kann man die Reaktion des letzteren bestimmen. Daher werden hier Puffer als Standardlösungen verwendet, mit denen die Reaktion gemessen wird. Die Verwendung solcher Standardpufferlösungen bildet die Grundlage der Indikator- oder kolorimetrischen Methode zur Messung von Reaktionen. Andere Puffersysteme. Andere Chem. Systeme können auch eine mehr oder weniger große Pufferwirkung haben. Sie kann beispielsweise von der Ausfällung der zugesetzten Lauge oder Säure abhängen. Wenn dem Meerwasser also Natriumhydroxid zugesetzt wird, wird die Lösung alkalisch, bis ihr pH-Wert etwa 8,6 beträgt. Während dieser Reaktion beginnt Mg(OH) 2 auszufallen, das aus Magnesiumsalzen und zugesetztem NaOH gebildet wird; Ein weiterer Anstieg der Alkalität wird gestoppt, bis das gesamte Magnesium aus der Lösung gefallen ist. Darüber hinaus können auch unlösliche Stoffe (z. B. Tierkohle) zugesetzte Säuren oder Laugen durch Adsorption einfangen. Schließlich haben Proteine ​​und andere amphotere Substanzen eine sehr starke Pufferwirkung (siehe). Aufgrund ihrer dualen („amphoteren“) Natur können sie sowohl Säuren als auch Laugen binden. Der amphotere Charakter zellulärer Kolloide ist für die Aufrechterhaltung der intrazellulären Reaktion von großer Bedeutung.

Meerwasserpuffer

Reaktionsänderungen haben einen großen Einfluss auf Lebensphänomene; Leben ist für die meisten Organismen nur in einem bestimmten, relativ engen Konzentrationsbereich von H- und OH-Ionen möglich. Daher spielen Puffer in der Natur eine große Rolle bei der Aufrechterhaltung der Konstanz der lebensnotwendigen Reaktion. Meerwasser, das die natürliche äußere Umgebung der meisten Wasserorganismen darstellt, hat eine sehr erhebliche Pufferwirkung, die von der darin enthaltenen Bikarbonatmischung abhängt – einer Kombination aus Kohlendioxid und Natriumbikarbonat (Natriumbikarbonat). Durch die Anwesenheit dieses Puffers bleibt die übliche leicht alkalische Reaktion des Meerwassers erhalten und die Reaktionsschwankungen von Wasserorganismen, die bei der Photosynthese CO 2 aufnehmen oder saure Stoffwechselprodukte freisetzen, werden abgemildert.

Puffereigenschaften von Blut

Von besonderem Interesse sind die Puffereigenschaften der inneren Umgebung des Körpers, insbesondere des Blutes. Das Blut reagiert leicht alkalisch und zeichnet sich durch große Konstanz aus. Selbst in vitro behält Blut seine Reaktion stabil bei und hat eine sehr große Pufferwirkung. Um die gleiche Alkalisierung der Lösung zu bewirken, müssen mehrere Zehnmal mehr Natriumhydroxid hinzugefügt werden als zu destilliertem Wasser, und für die gleiche Ansäuerung mehrere Hundert Mal mehr HCl. Wie im Meerwasser ist der Hauptpuffer des Blutserums eine Bikarbonatmischung – eine Kombination aus CO 2 und NaHCO 3. Die Konzentration an H-Ionen, die es liefert, wird ungefähr wie folgt bestimmt: [H"] = K [CO 2 ] / (3), wobei K etwa 3 * 10 -7 entspricht. Das Serum enthält jedoch im Vergleich zu Bicarbonaten auch Phosphate , ihre Anzahl und ihre Rolle sind gering. Hinsichtlich der Pufferwirkung ist die Bikarbonatlösung dem Blutserum recht ähnlich.

Beispielsweise lösen beide Flüssigkeiten die gleiche Menge CO 2, proportional zu seinem Partialdruck in der Umgebungsluft. Wenn sich dieser Druck ändert, wie Formel (3) zeigt, ändert sich die Konzentration der Wasserstoffionen in ihnen um den gleichen Betrag. Vollblut mit seinen gebildeten Bestandteilen zeigt unter gleichen Bedingungen eine deutlich größere Konstanz der Reaktion. Diese im Vergleich zum Serum zusätzliche Pufferwirkung beruht auf amphoteren Proteinsubstanzen im Blut, insbesondere auf Hb in Erythrozyten. Letztere ist eine sehr schwache Säure, so schwach, dass ihr saurer Charakter bei einem Überschuss an CO 2 nicht zum Ausdruck kommt. Wenn jedoch der Druck des letzteren beispielsweise im arteriellen Blut abnimmt, zersetzt Oxyhämoglobin wie eine Säure eine bestimmte Menge Bikarbonat und verdrängt CO 2 daraus. Dadurch verringert sich der Nenner in Formel (3) und der Effekt des reduzierten CO 2 -Gehalts wird teilweise kompensiert.

Somit hat Hb einen erheblichen Einfluss auf die Kohlendioxid-Bindungskurve und damit auf die Blutreaktion. Insbesondere mildert es Unterschiede, die mit unterschiedlichen CO 2 -Drücken im arteriellen und venösen Blut verbunden sind. In jedem Fall wird die Blutreaktion letztlich vollständig durch das Verhältnis von Kohlendioxid und Bikarbonat bestimmt, also das Verhältnis von freiem (gelöstem) CO 2 und chemisch gebundenem CO 2. Ersteres wird leicht aus dem Blut ausgeschieden, letzteres kann durch den Abbau von Bicarbonaten durch Säuren verdrängt werden. Beide Größen – die Menge an freiem und gebundenem CO 2 – charakterisieren gemeinsam die Puffereigenschaften und Reaktion des Blutes. Ihre Messung ist in letzter Zeit weit verbreitet und wichtig geworden.

Blut hat hinsichtlich seiner Reaktion die gleichen Eigenschaften wie andere Pufferlösungen. Wir haben gesehen, dass die Reaktion einer Puffermischung durch das Verhältnis der Säure und ihres Salzes und nicht durch deren absolute Konzentration bestimmt wird. Dementsprechend bleibt die Blutreaktion auch bei wiederholter Verdünnung mit einer isotonischen NaCl-Lösung (oder einer anderen pufferfreien Lösung) praktisch unverändert. Diese Eigenschaft des Blutes wird häufig bei der Messung seiner Reaktion genutzt, indem zu diesem Zweck eine kleine Menge Blut, verdünnt mit einer NaCl-Lösung, verwendet wird. Es macht auch intravenöse Infusionen verschiedener sogenannter Arzneimittel unschädlich. „Salzlösungen“, die oft eine abnormale Reaktion hervorrufen, die für den Körper tödlich wäre, wenn eine kleine Beimischung von Blut ihn nicht näher an die physiologische Norm bringen würde. Wenn dem Blut in vitro Alkali zugesetzt wird, wird dieses durch Kohlendioxid neutralisiert; im Gegenteil, jede Säure reagiert mit Bicarbonat und wird unter Bildung eines Neutralsalzes durch eine äquivalente Menge CO 2 ersetzt, die sie aus dem Bicarbonat verdrängt. Dies erklärt eine bemerkenswerte Tatsache, die bereits mehr als einmal die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen hat: Durch die Einführung verschiedener Säuren in das Blut (in vivo) – von der schwächsten bis zur stärksten – erweist es sich als völlig unmöglich, unterschiedliche zu erreichen (laut Stärke der verwendeten Säure) Veränderungen der Blutreaktion.

Solange eine gewisse Menge Bikarbonatpuffer im Blut verbleibt, sind die Veränderungen in der Reaktion in allen Fällen gleichermaßen unbedeutend. Dann tritt gleichzeitig mit einer starken Unterbrechung der Reaktion der Tod ein. Diese groben experimentellen Effekte liefern ein klares Bild davon, was unter natürlichen Bedingungen im Körper passiert. Die überwiegende Mehrheit der Stoffwechselprodukte ist saurer Natur (Phosphor-, Kohlen-, Milch-, Butter- und andere Säuren). Blutpuffer sollen seine normale Reaktion vor diesen Säuren schützen, die kontinuierlich aus dem Gewebe gelangen. Letzteres ist leicht alkalisch, das heißt, es zeichnet sich durch einen leichten Überschuss an aktiven Hydroxylionen aus. Der Wasserstoffindex (pH) des Blutes beträgt durchschnittlich 7,4, die Konzentration der H-Ionen beträgt 0,44 * 10 -7, die Konzentration der OH-Ionen beträgt etwa 7 * 10 -7 (bei 37°). Im Vergleich zu dieser unbedeutenden Konzentration an freien OH-Ionen ist die Anzahl der Reserveionen, die zur Bindung zugesetzter Säuren freigesetzt werden können, sehr groß (ca. 2 * 10 -2). Ihre Zahl ist jedoch bei weitem nicht so konstant wie die aktive Blutreaktion und kann insbesondere unter pathologischen Bedingungen starken Veränderungen unterliegen.

Alkalische Lösungen stellen nur die erste Barriere gegen saure Produkte dar, die von außen zugeführt oder im Körper produziert werden. Die dadurch hervorgerufene Reaktionsstörung wird durch Blutpuffer um ein Vielfaches abgeschwächt, kann von ihnen aber nicht vollständig beseitigt werden: Durch die Bindung eines Teils der Bicarbonatmoleküle und die Freisetzung von CO 2 verschiebt sich das Ausgangsverhältnis dieser Hauptpuffermischung. Eine subtilere Regulierung der Reaktion erfolgt durch die Lunge. Jede Erhöhung der Wasserstoffionenkonzentration stimuliert das Atemzentrum und erhöht sofort die Belüftung der Lunge (siehe). Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Atemzentrums gegenüber H-Ionen arbeitet der Lungenregulationsapparat ungewöhnlich genau: Indem er dem Blut je nach aktiver Reaktion größere oder kleinere Mengen CO 2 entzieht, stellt er automatisch das normale Verhältnis wieder her zwischen ihm und Bikarbonat.

Blutpuffer schützen den Körper vor starken Reaktionsschwankungen, die für ihn katastrophal wären; Das Atemschutzgerät sorgt für ein konstantes Verhältnis der Komponenten der Puffermischung (auch bei plötzlichen Änderungen ihrer absoluten Konzentration) und damit für die exakte Konstanz der aktiven Reaktion. Eine besonders starke pathologische Anreicherung nichtflüchtiger Säuren und eine entsprechende Abnahme der Reservealkalität werden bei beobachtet. Dies führt jedoch in der Regel nicht zu einer Veränderung der aktiven Blutreaktion: Durch eine verstärkte Belüftung der Lunge wird eine Senkung des CO2-Gehalts erreicht, die in den meisten Fällen die Abnahme der Bikarbonatkonzentration ausgleicht („kompensierte Azidose“). Das gegenteilige Phänomen ist die kompensierte Alkalose, bei der der Anstieg der alkalischen Reserven durch einen proportionalen Anstieg des CO 2 -Drucks ausgeglichen wird. Veränderungen des CO 2 -Gehalts in der Alveolarluft der Lunge können in beiden Fällen als direkter Indikator für Veränderungen der Bikarbonatkonzentration im Blut dienen. Die Gesamtmenge an Puffern im Blut nimmt im ersten Fall ab, im zweiten Fall steigt sie, die aktive Reaktion bleibt jedoch nahezu konstant.

MALM, vorsätzliche Selbstverletzung mit dem Ziel, den Verlust oder die Schwächung der Funktion eines Organs herbeizuführen ...

Molekulare Organisationsebene von Lebewesen

Dies ist die unterste Organisationsebene von Lebewesen, dargestellt durch einzelne Moleküle organischer und anorganischer Substanzen, aus denen die Körperzellen bestehen. Das Leben kann als eine organisatorische Hierarchie der Materie dargestellt werden. In Lebewesen bilden die Elemente sehr komplexe organische Moleküle, aus denen wiederum Zellen und daraus der gesamte Organismus entstehen. Die lebenswichtige Aktivität aller lebenden Systeme manifestiert sich in der Wechselwirkung von Molekülen verschiedener chemischer Substanzen.

Chemische Organisation der Zelle. Elementarzusammensetzung von Zellen. Anorganische Stoffe: Wasser und Mineralsalze

Grundfragen der Theorie

Elementarzusammensetzung der Zelle

In der belebten Natur wurden mehr als 80 chemische Elemente entdeckt, von denen 27 bestimmte Funktionen erfüllen.

Makronährstoffe	Mikroelemente	Ultramikroelemente
99 %	10 -3 %	10 -6 %
98 % – biogen: O, C, H, N K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, P	B, Mn, Zn, Cu, Co, F, I, Br, Mo	U, Au, Be, Hg, Se, Ra, Cs

Einige Organismen sind intensive Akkumulatoren bestimmter Elemente: Bakterien können Mangan, Algen – Jod, Wasserlinsen – Radium, Weichtiere und Krebstiere – Kupfer, Wirbeltiere – Eisen ansammeln.

Jedes der chemischen Elemente erfüllt eine wichtige Funktion in der Zelle.

Element	Biologische Rolle
ER	sind im Wasser enthalten.
C, O, H, N	sind Bestandteil von Proteinen, Lipiden, Nukleinsäuren und Polysacchariden.
K, Na, Cl	sorgen für die Weiterleitung von Nervenimpulsen.
Ca	Bestandteil von Knochen, Zähnen, notwendig für die Muskelkontraktion, Bestandteil der Blutgerinnung, Mittler im Wirkungsmechanismus von Hormonen.
Mg	ein struktureller Bestandteil von Chlorophyll, unterstützt die Funktion von Ribosomen und Mitochondrien.
Fe	Strukturbestandteil des Hämoglobins, Myoglobin.
S	ist Bestandteil schwefelhaltiger Aminosäuren und Proteine.
P	Teil von Nukleinsäuren und Knochengewebe.
B	für einige Pflanzen notwendig.
Mn, Zn, Cu	Enzymaktivatoren beeinflussen Gewebeatmungsprozesse.
Zn	ist Bestandteil von Insulin.
Cu	ist Teil oxidativer Enzyme und transportiert Sauerstoff im Gewebe von Mollusken.
Co	ist Bestandteil von Vitamin B 12.
F	ist Teil des Zahnschmelzes.
ICH	ist Bestandteil von Thyroxin.

Zellchemikalien

Die einzigartige Struktur des Wassers, seine Eigenschaften und seine Rolle in der Tierwelt

Struktur und Eigenschaften von Wasser	Biologische Funktionen von Wasser
1. Kleine Wassermoleküle, das Wassermolekül ist nichtlinear.	1. Wasser ist das Medium für biochemische Reaktionen in Zellen. 2. Wasser ist ein Elektronendonator, eine Quelle für Wasserstoffionen und freien Sauerstoff während der Photosynthese. 3. Wasser ist für die Hydrolyse von Makromolekülen zu Monomeren, beispielsweise bei der Verdauung, notwendig. 4. Wasser bestimmt den pH-Wert der Umgebung, der durch die Konzentration von H + und OH – bestimmt wird.
2. Polarität, Wassermolekül - Dipol.	5. Wasser ist ein universelles Lösungsmittel für polare Stoffe. Aufgrund ihrer Löslichkeit in Wasser werden alle Stoffe in hydrophile (wasserlösliche) und hydrophobe (unlösliche) Stoffe eingeteilt. 6. Wasser ist ein Medium zum Transport von Stoffen.
3. Die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen, die Beweglichkeit von Wassermolekülen. … - Wasserstoffverbindung.	7. Wasser hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität und erfüllt in lebenden Organismen die Funktion der Thermoregulierung (da es viel E benötigt, um Wasserstoffbrückenbindungen aufzubrechen). 8. Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus (da viele Wasserstoffbrückenbindungen entstehen), Eis ist leichter als Wasser, schwimmt auf seiner Oberfläche, das „schwerste Wasser“ liegt bei t +4 0, was den Wasserbewohnern im Winter das Leben rettet.
4. Intermolekulare Kohäsionskräfte verhindern, dass Wasser komprimiert wird.	9. Wasser dient der Formerhaltung von Organismen (hydrostatisches Skelett, Turgordruck). 10. Wasser ist ein Schmiermittel in biologischen Systemen (Gelenkflüssigkeit, Pleuraflüssigkeit, Schleim).

Mineralsalze, ihre Bedeutung

Mineralsalze liegen in der Zelle entweder dissoziiert in Ionen oder in festem Zustand vor.

Salzmoleküle in einer wässrigen Lösung zerfallen in Kationen und Anionen. Ihre Bedeutung:

1. Der Unterschied zwischen der Menge an Kationen und Anionen an der Oberfläche und im Inneren der Zelle sorgt für die Entstehung eines Aktionspotentials, das der Entstehung von Nerven- und Muskelerregung zugrunde liegt.

2. Der Unterschied in der Ionenkonzentration auf verschiedenen Seiten der Membran ist für den aktiven Stofftransfer durch die Membran verantwortlich.

3. Die Puffereigenschaften der Zelle hängen von der Salzkonzentration in der Zelle ab.

Puffereigenschaften der Zelle
↓	↓
Phosphatpuffersystem	Bikarbonat-Puffersystem
Phosphorsäureanionen(H 2 RO 4, NRO 4 2-)	Kohlensäureanionen(NSO 3 -)
pH-Wert intrazellulär Umfeldauf der Ebene 6,9	pH-Wert extrazellulär Umfeldauf der Ebene 7,4

4. Beteiligen Sie sich an der Aktivierung von Enzymen, der Erzeugung von osmotischem Druck in der Zelle, an den Prozessen der Muskelkontraktion, der Blutgerinnung usw.

Somit besteht die Funktion von Mineralsalzen in einer Zelle darin, ein konstantes inneres Milieu aufrechtzuerhalten und lebenswichtige Prozesse sicherzustellen.

Im festen Zustand sind Mineralsalze Ca 3 (PO 4) 2 (Calciumphosphat) Teil der Interzellularsubstanz von Knochengewebe und Molluskenschalen und sorgen für die Festigkeit dieser Formationen.

Pufferung und Osmose.
Salze in lebenden Organismen liegen in gelöstem Zustand in Form von Ionen vor – positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen.

Die Konzentration von Kationen und Anionen in der Zelle und in ihrer Umgebung ist nicht gleich. Die Zelle enthält ziemlich viel Kalium und sehr wenig Natrium. Im extrazellulären Milieu, zum Beispiel im Blutplasma, im Meerwasser hingegen gibt es viel Natrium und wenig Kalium. Die Reizbarkeit der Zellen hängt vom Konzentrationsverhältnis der Ionen Na+, K+, Ca 2+ und Mg 2+ ab. Der Unterschied in der Ionenkonzentration auf verschiedenen Seiten der Membran sorgt für einen aktiven Stofftransfer durch die Membran.

Im Gewebe vielzelliger Tiere ist Ca 2+ Teil der Interzellularsubstanz, die für den Zusammenhalt der Zellen und deren geordnete Anordnung sorgt. Der osmotische Druck in der Zelle und ihre Puffereigenschaften hängen von der Salzkonzentration ab.

Puffer ist die Fähigkeit einer Zelle, die leicht alkalische Reaktion ihres Inhalts auf einem konstanten Niveau zu halten.

Es gibt zwei Puffersysteme:

1) Phosphatpuffersystem – Phosphorsäureanionen halten den pH-Wert der intrazellulären Umgebung bei 6,9

2) Bicarbonat-Puffersystem – Kohlensäureanionen halten den pH-Wert der extrazellulären Umgebung auf einem Niveau von 7,4.

Betrachten wir die Reaktionsgleichungen, die in Pufferlösungen auftreten.

Wenn die Zellkonzentration steigt H+ , dann verbindet sich das Wasserstoffkation mit dem Carbonatanion:

Mit zunehmender Konzentration der Hydroxidanionen erfolgt deren Bindung:

H + OH – + H 2 O.

Auf diese Weise kann das Carbonatanion eine konstante Umgebung aufrechterhalten.

Osmotisch bezeichnen die Phänomene, die in einem System auftreten, das aus zwei Lösungen besteht, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind. In einer Pflanzenzelle übernehmen die Grenzschichten des Zytoplasmas die Rolle semipermeabler Filme: Plasmalemma und Tonoplast.

Plasmalemma ist die äußere Membran des Zytoplasmas neben der Zellmembran. Tonoplast ist die innere Membran des Zytoplasmas, die die Vakuole umgibt. Vakuolen sind Hohlräume im Zytoplasma, die mit Zellsaft gefüllt sind – einer wässrigen Lösung aus Kohlenhydraten, organischen Säuren, Salzen, niedermolekularen Proteinen und Pigmenten.

Die Stoffkonzentrationen im Zellsaft und in der äußeren Umgebung (Boden, Gewässer) sind meist nicht gleich. Ist die intrazelluläre Stoffkonzentration höher als in der äußeren Umgebung, gelangt Wasser aus der Umgebung schneller in die Zelle, genauer gesagt in die Vakuole, als in die entgegengesetzte Richtung. Mit einer Vergrößerung des Zellsaftvolumens durch den Eintritt von Wasser in die Zelle erhöht sich dessen Druck auf das Zytoplasma, das eng an der Membran anliegt. Wenn eine Zelle vollständig mit Wasser gesättigt ist, hat sie ihr maximales Volumen. Der Zustand der inneren Spannung einer Zelle, der durch einen hohen Wassergehalt und den sich entwickelnden Druck des Zellinhalts auf ihre Membran verursacht wird, wird als Turgor bezeichnet. Turgor sorgt dafür, dass Organe ihre Form behalten (z. B. Blätter, nicht verholzte Stängel) und Position im Raum sowie ihre Widerstandsfähigkeit gegen die Einwirkung mechanischer Faktoren. Wasserverlust geht mit einem Rückgang des Turgors und Welke einher.

Befindet sich die Zelle in einer hypertonen Lösung, deren Konzentration größer ist als die Konzentration des Zellsafts, dann übersteigt die Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers aus dem Zellsaft die Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers aus der umgebenden Lösung in die Zelle. Durch die Wasserabgabe aus der Zelle verringert sich das Zellsaftvolumen und der Turgor nimmt ab. Eine Abnahme des Volumens der Zellvakuole geht mit der Trennung des Zytoplasmas von der Membran einher Plasmolyse.

Während der Plasmolyse verändert sich die Form des plasmolysierten Protoplasten. Zunächst bleibt der Protoplast nur an bestimmten Stellen hinter der Zellwand zurück, am häufigsten in den Ecken. Die Plasmolyse dieser Form wird als eckig bezeichnet

Dann bleibt der Protoplast weiterhin hinter den Zellwänden zurück und hält an bestimmten Stellen Kontakt mit ihnen; die Oberfläche des Protoplasten zwischen diesen Punkten hat eine konkave Form. In diesem Stadium wird die Plasmolyse als konkav bezeichnet. Nach und nach löst sich der Protoplast vollflächig von den Zellwänden und nimmt eine abgerundete Form an. Diese Art der Plasmolyse wird als konvexe Plasmolyse bezeichnet.

Wenn eine plasmolysierte Zelle in eine hypotonische Lösung gegeben wird, deren Konzentration geringer ist als die Konzentration des Zellsafts, gelangt Wasser aus der umgebenden Lösung in die Vakuole. Durch eine Vergrößerung des Vakuolenvolumens erhöht sich der Druck des Zellsaftes auf das Zytoplasma, das sich den Zellwänden zu nähern beginnt, bis es seine ursprüngliche Position einnimmt – es wird passieren Deplasmolyse

Aufgabe Nr. 3
Beantworten Sie nach dem Lesen des angegebenen Textes die folgenden Fragen.
1) Bestimmung der Pufferkapazität

2) Die Konzentration welcher Anionen bestimmt die Puffereigenschaften der Zelle?

3) die Rolle der Pufferung in der Zelle

4) Reaktionsgleichung in einem Bicarbonat-Puffersystem (auf einer Magnettafel)

5) Definition von Osmose (Beispiele nennen)

6) Bestimmung von Plasmolyse- und Deplasmolyse-Objektträgern