Роль катионов и анионов в клетке

Экспертиза РАН

Проведена экспертиза
Российской Академией Наук

Подробнее

Материал ОГЭ/ЕГЭ

База знаний для подготовки к ЕГЭ и ОГЭ, проверенная Российской Академией наук

Подробнее

Катио́н — положительно заряженный ион. Характеризуется величиной положительного электрического заряда.

Анио́н — отрицательно заряженный ион. Характеризуется величиной отрицательного электрического заряда.

Катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы) играют ключевую роль в жизнедеятельности клетки, участвуя в различных процессах.

Мембранный потенциал

Схема возникновения потенциала клеточной мембраны. Различия в концентрациях ионов по обе стороны мембраны вызывают возникновение мембранного потенциала.

Разность концентраций катионов и анионов внутри и вне клетки создаёт электрический градиент — мембранный потенциал. Основные ионы, участвующие в его формировании:

Катионы: калий ( ${\ce {K^+}}$ ), натрий ( ${\ce {Na^+}}$ ), кальций ( ${\ce {Ca^{2+}}}$ ), магний ( ${\ce {Mg^{2+}}}$ ).
Анионы: хлор (Cl^-), фосфат (PO₄³⁻), сульфат (SO₄²-).

Ионы калия в высокой концентрации находятся внутри клетки, а ионы натрия и хлора — снаружи. Этот градиент поддерживается ионными насосами и каналами в мембране.

Равновесный потенциал для иона рассчитывается по уравнению Нернста:

$E_{i}={\dfrac {RT}{zF}}\ln {\dfrac {[i]_{1}}{[i]_{2}}}$ ,

где:

$E_{i}$ — равновесный потенциал иона;
$R$ — универсальная газовая постоянная;
$T$ — абсолютная температура;
$z$ — заряд иона;
$F$ — постоянная Фарадея;
$[i]_{1}$ и $[i]_{2}$ — концентрации иона по обе стороны мембраны.

Функции катионов и анионов

Катионы натрия ( ${\ce {Na^+}}$ ): участвуют в генерации потенциала действия, осморегуляции, передаче нервных импульсов.
Катионы калия ( ${\ce {K^+}}$ ): поддерживают мембранный потенциал покоя, необходимы для работы мышц и нервов.
Кальций ( ${\ce {Ca^{2+}}}$ ): участвует в мышечном сокращении, свёртывании крови, передаче сигналов.
Магний ( ${\ce {Mg^{2+}}}$ ): является кофактором многих ферментов, участвует в синтезе ДНК.
Анионы хлора (Cl^-): поддерживают осмотический баланс, участвуют в формировании желудочного сока.

Заключение

Катионы и анионы являются неотъемлемой частью клеточных процессов, влияя на биохимические реакции, энергетический обмен и передачу сигналов. Химический состав клетки, включающий различные биомолекулы и ионы, обеспечивает её жизнедеятельность и взаимодействие с окружающей средой.

Литература

Рохлов В. С. , Трофимов С. Б. , Теремов А. В. Биология. 9-й класс: учебник: издание в pdf-формате (рус.). — Москва: Просвещение, 2022.
Пасечник В. В. и др. Биология. 10 класс : учеб. для общеобразоват. организаций : углубл. уровень (рус.) / Пасечник В. В.. — М.: Просвещение, 2019.
Пасечник В. В. и др. Биология. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций: углубл. уровень (рус.) / Пасечник В.В.. — М.: Просвещение, 2019.
Теремов А. В. , Петросова Р. А. Биология. Биологические системы и процессы: учебное пособие для общеобразовательных организаций (углублённый уровень). В 2 ч. Ч. 1 (рус.). — М.: Мнемозина, 2018.
Теремов А. В., Петросова Р. А. Биология. Биологические системы и процессы: учебное пособие для общеобразовательных организаций (углублённый уровень). В 2 ч. Ч. 2 (рус.). — М.: Мнемозина, 2018.