урок 6 Минеральные вещества

1. Минеральные вещества клетки, их биологическая роль

10 класс
(углубленный уровень)

2.

Общая характеристика минеральных веществ
Минеральные вещества – это неорганические ионы и соли, которые
находятся в клетке в растворённом (диссоциированном) или твёрдом
(например, кристаллы оксалата кальция) состоянии.
Общее содержание в клетке: 1–2 % от сухой массы (у растений
до 5–6 %).
Значение
• Поддержание осмотического давления и pH.
• Участие в ферментативных реакциях (кофакторы).
• Создание мембранных потенциалов.
• Структурная функция (кости, раковины, клеточные стенки
растений).

3.

4.

Формы минеральных веществ в клетке
Нерастворимые соли – фосфаты,
карбонаты, оксалаты.
• Входят в состав костей, зубов,
раковин моллюсков,
клеточных стенок растений.
• Обеспечивают механическую
прочность.
Растворимые ионы – K⁺, Na⁺,
Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻, HCO₃⁻, HPO₄²⁻.
• Поддерживают pH,
осмотическое давление.
• Активируют ферменты,
участвуют в сигнальных
системах.

5.

Ионы калия (K⁺) и натрия (Na⁺)
• Создают разность потенциалов на мембране (трансмембранный
потенциал клетки).
• Разность потенциалов – это основа возбудимости нервных и мышечных
клеток, проведения импульса.
• Активизируют ферменты белкового синтеза и фотосинтеза.
• Стимулируют рост растений, выработку гормонов.
Калий-натриевый насос
• K⁺– главный внутриклеточный катион,
Na⁺ – внеклеточный
• Na⁺/K⁺-АТФаза выкачивает 3 Na⁺ наружу,
закачивает 2 K⁺ внутрь.

6.

Ионы кальция (Са2+)
Входят в состав костей, дентина и эмали зубов.
Являются компонентом клеточных стенок растений.
Регулируют сокращение скелетных мышц.
Влияют на реакции свёртывания крови.
Запускают процесс экзоцитоза и генную экспрессию.
Строение костной ткани
Клетки растений
Строение клеточной стенки

7.

Ионы хлора (СI- )
Ионы магния (Mg2+)
• Входят в состав желудочного
сока, активируют фермент
пепсин и обеззараживают пищу.
• Осуществляют транспорт ионов
через мембраны.
• Входят в состав молекулы
хлорофилла.
• Содержатся в костях и зубах
животных.
• Принимают участие в синтезе
ДНК.
• Активизируют энергетический
обмен в клетке.
Транспорт ионов через мембрану
Хлоропласт
Химическая структура
хлорофилла

8.

Ионы железа (Fe2+)
• Входят в состав гемоглобина, обеспечивают транспорт O₂ от лёгких к
тканям и миоглобина – белка, связывающего O₂ в скелетных и
сердечной мышцах.
• Входят в состав хрусталика и роговицы глаза.
• Являются активаторами ферментов.
• Участвуют в синтезе хлорофилла (растения).
Недостаток железа в организме животных приводит к железодефицитной
анемии.
Эритроцит
Гемоглобин
Химическая структура гема

9.

Ионы йода (I-)
• Входят в состав гормонов щитовидной железы: тироксин (T₄) и
трийодтиронин (T₃).
• Тироксин и трийодтиронин обеспечивают регуляцию основного обмена,
теплопродукции, потребления O₂.
Недостаток йодсодержащих гормонов приводит к развитию эндемического
зоба, гипотиреоза, кретинизма.
Избыток йодсодержащих гормонов вызывает развитие гипертиреоза
(базедовой болезни).
Щитовидная
железа
Химическая структура
тироксина
Эндемический зоб
Нормальная щитовидная
железа

10.

Важнейшие процессы с участием ионов
Осмотическая регуляция
• клетка поддерживает объём за счёт K⁺ и Cl-.
Мембранный потенциал
• создаётся разницей концентраций K⁺ (внутри) и Na⁺ (снаружи),
работа Na⁺/K⁺-АТФазы.
Проведение нервного импульса
• возбуждение клетки начинается с быстрого входа ионов натрия
внутрь, а завершается выходом ионов калия, который
восстанавливает исходное состояние мембраны.
Сигнальные системы
• Ca²⁺ – универсальный сигнал, ионы кальция появляются внутри
клетки после любого раздражения.

11.

Буферные системы клетки
Поддержание pH – работа фосфатной, карбонатной и белковой буферных
систем
Фосфатная буферная система (внутри клетки, pH 6,9–7,4):
H⁺ + HPO₄²⁻ → H₂PO₄⁻ (связывание избытка H⁺)
OH⁻ + H₂PO₄⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O (связывание избытка OH⁻)
Карбонатная буферная система (плазма крови, pH ≈ 7,4):
H⁺ + HCO₃⁻ → H₂CO₃ → CO₂ + H₂O
Белковая буферная система: аминогруппы и карбоксильные группы
связывают H⁺ и OH⁻.
Все буферные системы работают одновременно, создавая
гомеостаз pH.

12.

Нарушения ионного баланса
K⁺
Гипокалиемия (недостаток калия): мышечная слабость, аритмии.
Са2+
Гипокальциемия (недостаток кальция): судороги, остеопороз.
Mg2+
Дефицит магния: судороги, тремор, аритмии.
I-
Дефицит йода: эндемический зоб, кретинизм.
Fe2+
Дефицит железа: анемия (нарушение синтеза гемоглобина).
Ионный гомеостаз – основа здоровья.

13.

Вопросы для самопроверки
1. Почему K⁺ – главный внутриклеточный катион, а
Na⁺ – внеклеточный?
2. Какие два основных аниона формируют буферные
системы клетки и крови?.
3. Приведите примеры микроэлементов, входящих в
состав дыхательных ферментов.

14.

Вопросы для самопроверки
1. Почему K⁺– главный внутриклеточный катион, а Na⁺ – внеклеточный?
Это связано с работой Na⁺/K⁺-АТФазы, которая активно выкачивает
из клетки 3 иона Na⁺ и закачивает внутрь 2 иона K⁺, создавая
градиент концентрации.
2. Какие два основных аниона формируют буферные системы клетки и
крови? Фосфат-ионы (HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻) – главный внутриклеточный
буфер, а гидрокарбонат-ионы (HCO₃⁻) – основной буфер крови.
3. Приведите примеры микроэлементов, входящих в состав
дыхательных ферментов. Железо, медь, марганец.

15.

Выводы
✓ Нерастворимые соли (фосфаты, карбонаты) – механическая
опора.
✓ Растворимые ионы – регуляторы pH, осмоса, ферментов,
мембранного потенциала.
✓ K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻ – ключевые катионы и анионы клетки.
.
✓ Микроэлементы (Fe, I, Cu, Zn, Mn, Co и др.) – кофакторы
ферментов и гормонов.
✓ Буферные системы (фосфатная, карбонатная, белковая)
поддерживают pH.
✓ Дисбаланс ионов вызывает тяжёлые заболевания.

16.

Основные катионы клетки
Катион
Основные функции
K⁺
главный внутриклеточный катион, регулирует осмотическое
давление, активирует ферменты, участвует в генерации потенциала
покоя
Na⁺
в основном находится во внеклеточной среде, регулирует транспорт
глюкозы и аминокислот, нервный импульс
Ca²⁺
запускает сокращение мышц, экзоцитоз, свёртывание крови
Mg²⁺
стабилизирует структуру АТФ, входит в состав хлорофилла,
поддерживает структуру рибосом
H⁺
участвует в создании градиента протонов (митохондрии,
хлоропласты), определяет pH среды

17.

Основные анионы клетки
Анион
Основные функции
Гидрокарбонат-ион
HCO₃⁻
буферная система крови (поддержание pH крови 7,35–7,45),
транспорт CO₂
Гидрофосфат-ион/
дигидрофосфат-ион
HPO₄²⁻ / H₂PO₄⁻
фосфатный буфер (внутриклеточный), компонент энергоёмких
соединений
хлорид-ион
Cl⁻
поддержание осмотического давления, активация ферментов
желудочного сока
Сульфат-ион
SO₄²⁻
входят в состав веществ, придающих прочность хрящам и
регулирующих свёртывание крови, а также участвуют в
обезвреживании ядов в печени, связываясь с токсинами
Анионы органических
кислот (цитрат, лактат)
метаболическое депо, буферные свойства, перенос электронов
(цикл Кребса)