Các chất vô cơ trong cơ thể sống

Trong thành phần chất sống, các chất vô cơ chiếm tỉ lệ nhiều hơn các chất hữu cơ. Chúng gồm có nước các acid, base, muối và các chất khí hòa tan. Trong số này nước chiếm tỷ lệ cao nhất và quan trọng nhất cho sự sống.

Nước (H₂O)

Trong bất kỳ cơ thể sinh vật nào nước cũng chiếm phần lớn, cá biệt như con sứa nước chiếm 98%, ở động vật có vú nước chiếm 2/3 trọng lượng cơ thể. Nước là chất vô cơ đơn giản, có số lượng lớn trên hành tinh, nó có những tính chất lý hóa đặc biệt nên chiếm phần lớn chất sống và có lẽ sự sống bắt nguồn từ môi trường nước. Cơ thể sinh vật được sinh ra, phát triển, chết đều ở trong môi trường nước dù là ở dạng này hay dạng khác.

Về mặt hóa học phân tử nước có một nguyên tử Oxygen và hai hydrogen. Điện tích chung của phân tử nước trung hòa, nhưng các điện tử phân bố không đối xứng nên làm phân tử nước phân cực. Nhân của nguyên tử Oxygen kéo một phần các điện tử của Hydrogen làm cho vùng nhân trở nên hơi có điện tích âm ở hai góc, còn nhân của các nguyên tử Hydrogen trở nên hơi điện dương. Do sự phân cực, hai phân tử nước ở kề nhau có thể tạo thành liên kết hydro. Các phân tử nước tập hợp lại thành mạng lưới nhờ các liên kết hydro. Bản chất dịnh vào nhau của các phân tử nước xác định phần lớn các tính chất đặc biệt của nó, như sức căng bề mặt, nhiệt năng cao, hấp thu nhiều nhiệt lượng, ít thay đổi nhiệt…

Do bản chất phân cực, các phân tử nước tập hợp xung quanh các ion và các phân tử khác phân cực. Các chất tham gia với các liên kết hydro của nước gọi là ưa nước và dễ hòa tan trong nước. Các phân tử không phân cực làm đứt mạng lưới liên kết hydro của nước. Chúng là các phân tử kỵ nước. Các phân tử kỵ nước có thể đẩy các phân tử nước để đứng kề nhau.

Lượng nước trong cơ thể nhiều hay ít, tăng hay giảm tùy thuộc vào giai đoạn phát triển và trao đổi chất của sinh vật. Lúc còn non, nước chiếm tỷ lệ cao hơn lúc già. Nước cũng thay đổi trong các cơ quan khác nhau.

Ví dụ : Ở chất xám nước chiếm 85% , chất trắng 75%, ở xương 20% và men răng chỉ có 10%.

– Nước có vai trò hết sức quan trọng đối với cơ thể sống :

+ 95% nước ở dạng tự do có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa và trao đổi chất trong tế bào, giữa tế bào và môi trường. Các chất hóa học tan trong nước nhờ nước mà phân phối đều, chúng có cơ hội gặp nhau để rồi phản ứng với nhau.

+ 5% nước ở dạng liên kết bằng các liên kết khác nhau hay kết hợp với các thành phần khác như protein …

Khi nước trong tế bào giảm thấp xuống thì các hoạt động trong tế bào cũng bị giảm.

Ví dụ : amip mất nước co lại trong nang. Do vậy người ta dùng phương pháp chống ẩm để ức chế không cho vi khuẩn hoạt động và bảo quản sinh vật.

Nước có vai trò trong điều hòa nhiệt độ. Nước có nhiệt dung cao, hấp thu nhiều năng lượng nóng lên chậm, khi tỏa nhiệt cũng chậm làm nhiệt độ thay đổi không đột ngột.

Nước làm cho môi trường ôn hòa – động vật và thực vật phát triển tạo môi trường ngoài và trong cho cơ thể.

Sức căng bề mặt của nước lớn do vậy nước mao dẫn từ đất lên cây. Hiện tượng này cũng giúp máu lưu thông trong cơ thể động vât.

Do tầm quan trọng như vậy nên nước là một nhân tố giới hạn trong sinh môi. Những nơi ít nước như sa mạc thì sự sống nghèo nàn, vùng rừng mưa nhiệt đới, vùng bãi triều của sông, biển là những nơi nhiều nước thì sự sống phong phú hơn.

Các chất vô cơ khác

Trong cơ thể ngoài nước ra còn có các chất vô cơ khác như acid, base, muối vô cơ và các nguyên tố kim loại. Ở động vật có xương, bộ xương chứa nhiều chất vô cơ nhất (khoảng 1/10 trọng lượng cơ thể, chủ yếu là Ca). Các chất vô cơ thường gặp là NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO4, NaH2PO4, …các kim loại như I, Zn, Fe, Co, … ở dạng vô cơ, có trong chất hữu cơ hay gắn với protein . Chúng có số lượng rất ít, được coi là dấu vết, nhưng giữ vai trò trọng yếu trong nhiều chất hữu cơ như Fe, trong Heme của Hemoglobin trong máu, cobalt trong vitamin B₁₂ …

Đặc điểm quan trọng của chúng là tính chất điện phân cho ra các cation(+) và các anion(-) từ đó chúng kết hợp với ion H⁺ và OH^– để làm thay đổi pH môi trường. Các cation và anion có thể kết hợp với nhau tạo thành acid, base hay trung tính:

H⁺ + HCO₃^– → H₂CO₃ có tính acid

NH₄⁺ + OH^– → NH₄OH có tính base

Tuy nồng độ thấp, nhưng muối có vai trò đáng kể trong tế bào và cơ thể.

Sự cân bằng các muối giúp cho hoạt động sinh lí xảy ra bình thường. Khi các muối bị giảm bất thường thì gây rối loạn.

Ví dụ : Ca trong máu giảm quá mức bình thường gây co giật. Hoạt động tim rối loạn khi nồng độ K⁺,Na⁺, Ca⁺ mất cân bằng.

NaCl duy trì áp suất thẩm thấu, giữ nước trong mô, khi muối trong mô tăng, áp suất thẩm thấu tăng do đó mô phải giữ nước để giảm áp suất thẩm thấu.

Các khí hòa tan

Dịch cơ thể chứa các khí hòa tan:

– Khí CO₂ chỉ chiếm 0,03% trong không khí. Trong cơ thể sinh vật lượng CO₂ có thể nhiều hơn do quá trình oxy hóa chất hữu cơ sinh ra. Ở thực vật khí CO₂ được sử dụng để làm nguồn nguyên liệu tổng hợp các chất hữu cơ.

– Oxygen có nhiều trong không khí (20-21%) hòa tan khá nhiều trong tế bào, tham gia vào các phản ứng oxy hóa để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động của sinh vật.

Nitrogen có nhiều trong không khí (79%) nhưng là khí trơ, chỉ có một số vi sinh vật có khả năng cố định nitơ trong không khí. Các sinh vật khác sử dụng nitrogen ở dạng hợp chất mà không sử dụng ở dạng khí.