Сад і тарілка

Молекулярна біологія харчування

кухонна сіль

Що відбувається, коли ви поєднуєте хлор (отруйний газ) з натрієм (токсичним металом)? Ви отримуєте кухонну сіль (хлорид натрію), кристал, який розчиняється у двох основних поживних речовинах. Як дві токсичні речовини перетворюються на поживні речовини? Вони поєднуються як атоми, а розділяються як іони.

Коли атоми натрію та хлору з’єднуються, утворюючи хлорид натрію (NaCl), вони переносять електрон. Атом натрію (Na) переносить один електрон в атом хлору (Cl), так що вони обидва мають повні зовнішні оболонки. З наповненими зовнішніми оболонками вони вже не є хімічно активними і не можуть утворювати ковалентні зв’язки, щоб стати частиною молекули. Однак при перенесенні електрона вони стають електрично зарядженими і поєднуються в солі завдяки утворенню іонних зв’язків.

Зараз іон натрію має лише десять електронів, але все ще має одинадцять протонів. Це порушує баланс зарядів між протонами та електронами, в результаті чого атом натрію має чистий позитивний заряд. Коли це трапляється, атом називається а позитивний іон. Хлористий іон зараз має вісімнадцять електронів і сімнадцять протонів, тому він став негативний іон.

Оскільки іон натрію має позитивний заряд, а іон хлору - негативний, вони притягуються один до одного і утворюють іонний зв’язок. Іони утворюють солі, а не молекули, але вони виконують багато важливих функцій у харчуванні.

Натрій і хлор є дуже реакційноздатними у своїх доіонних станах. Вони будуть переносити електрони і (в сухих умовах) утворювати солі при зустрічі один з одним. Кожен реагуватиме з іншими елементами, якщо не знайде один одного першим, тому рідко зустрічається в природі в їх реактивних станах.

Зазвичай вони надходять на наші тарілки разом як кухонна сіль (або це розчинені іони). Однак у нашому тілі вони не пов’язані між собою як сіль, а знову розчиняються у воді в окремі іони. І хоча вони доповнюють одне одного в багатьох біологічних процесах, вони також мають свою окрему роль.

Ми вже бачили, що відбувається, коли натрій і хлорид поєднуються. Зараз ми розглянемо кожен з них окремо. Спочатку ми розглянемо їх як реактивні атоми і з’ясуємо, чому вони токсичні в такому стані. Тоді ми розглянемо їх у їх іонній формі та з’ясуємо, чому вони мають харчову цінність.

Коли більшість людей думає про натрій, вони думають про кухонну сіль. Хоча кухонна сіль містить іонізовану форму натрію (у поєднанні з хлоридом), неіонізований "металевий" натрій має зовсім інші хімічні властивості, ніж іони натрію в кухонній солі. Тут ми розглядаємо хімічні властивості натрію в його реакційно-здатному (токсичному) стані, а в наступному розділі розглядаємо натрій у його іонному (харчовому) стані.

Атом натрію (Na) має одинадцять протонів та одинадцять електронів, що дає йому нейтральний (збалансований) електричний заряд. Однак у зовнішній оболонці він має лише один електрон, що робить його хімічно реактивним. Щоб бути хімічно стабільним, він повинен мати повну зовнішню оболонку. Позбутися одного зовнішнього електрона простіше, ніж придбати ще сім електронів, тому, схоже, відмовитись від електрона.

Зовнішні електрони кожного атома натрію не бажані жодним з атомів натрію, тому утворюється хмара небажаних електронів. Випадковий рух електронів у цій хмарі спричиняє зміну електричних властивостей окремих атомів, що в свою чергу призводить до того, що атоми м'яко притягуються один до одного. Ці невеликі електричні дисбаланси ініціюють зв’язування металів при кімнатній температурі, змушуючи атоми злипатися в м’який метал, який можна розрізати ножем.

Поєднання металевих атомів натрію між собою відносно не відбувається. Щоб зрозуміти, чому металевий натрій настільки реактивний, давайте подивимося, що відбувається при контакті з водою.

Вода (H2O) - це молекула, що складається з двох атомів водню, ковалентно зв’язаних з атомом кисню. Ці зв’язки утворюються тому, що атому кисню потрібні два електрони, щоб заповнити свою зовнішню оболонку, а кожному атому водню потрібен один електрон. Утворення молекули води зручно заповнює зовнішні оболонки всіх трьох атомів, саме тому молекули води утворюються з двох газів.

Натрій металевий у воді

Молекулярні зв’язки, утворені атомами водню та кисню у воді, настільки слабкі, що часто розпадаються через випадкову теплову енергію. Отже, коли натрій хоче позбутися зайвого електрона, вода є легкою мішенню. Один з водневих/кисневих зв’язків у воді легко руйнується, і атом натрію віддає свій небажаний електрон, заповнюючи вільний простір у зовнішній оболонці кисню. Оскільки донорний електрон перейшов із стану високої енергії навколо натрію в нижчий енергетичний стан навколо кисню, виділяється додаткова енергія. Це відео ScienceFix демонструє, наскільки вибухонебезпечною може бути хімічна реакція.

Поварена сіль містить натрій в іонній формі. Ось чому він не вибухає при контакті з водою і чому має харчову цінність. Він доповнює хлорид-іон, оскільки вони мають протилежні заряди, які врівноважують один одного в багатьох біологічних процесах. Натрій також доповнює калій, оскільки, хоча вони обидва є позитивними іонами, вони також хімічно відрізняються. Хімічні відмінності між натрієм і калієм корисні для контролю дифузії через наші клітинні мембрани, тоді як електростатичні відмінності між натрієм та хлоридом важливі для підтримання електричного дисбалансу в цих самих клітинних мембранах. Щоб побачити, як натрій використовує ці відмінності, щоб забезпечити передачу сигналу в нервових та м’язових клітинах, див. Статтю про дифузію.

Натрій є необхідною поживною речовиною в клітинах тварин, але можна отримати занадто багато корисної речі. Хоча низький рівень натрію може спричинити м’язові судоми через те, що нервові та м’язові клітини не можуть контролювати передачу та прийом сигналу, занадто велика кількість натрію може спричинити такі проблеми, як високий кров’яний тиск.

Коли ми споживаємо натрій, він всмоктується в кров і позаклітинний простір. Незважаючи на те, що для позаклітинних просторів норма концентрації натрію набагато вища, ніж у клітині (дисбаланс використовується для передачі сигналу), його можна зайняти занадто далеко. Якщо надто багато натрію накопичується в крові та позаклітинних рідинах, це розріджує концентрацію води поза клітинами. Вода буде дифундувати від високих концентрацій всередині клітини до нижчих концентрацій поза клітиною, включаючи кров. Це спричиняє зневоднення клітин та підвищення артеріального тиску.

Коли вода витікає з нервових клітин, які знаходяться в гіпоталамусі, осморецептори в цих клітинах викликають відчуття спраги. Вживаючи воду, ми розбавляємо натрій у крові, що зворотно повертає воду назад у клітини. Нирки контролюють рівень натрію в крові і з часом виводять надлишок натрію та води, поміщаючи їх у сечу. Незважаючи на цей коригуючий процес, звичайне надмірне споживання натрію може призвести до хронічного високого кров'яного тиску, оскільки нирки можуть лише так компенсувати.

Центр атома хлору (Cl) містить сімнадцять протонів, які оточені сімнадцятьма електронами, надаючи йому нейтральний (збалансований) електричний заряд. У його зовнішній оболонці сім електронів, і йому потрібен ще один, що робить його хімічно активним. Він заповнить свою зовнішню оболонку, поєднуючись з іншими атомами хлору, утворюючи невеликі молекули, але ці ковалентні зв’язки слабкі, і хлор відмовиться від них, коли контактує з елементом, з якого він може вкрасти електрон. Завдяки своїм хімічним властивостям це газ кімнатної температури, що робить його особливо небезпечним. Він настільки токсичний при вдиханні, що його застосовували як хімічну зброю у Першій світовій війні. Сьогодні ми використовуємо його в невеликих кількостях як дезінфікуючий засіб.

Коли атом хлору контактує з атомом водню, він утворює молекулу хлористого водню (HCl). Це дає можливість хлору заповнити свою зовнішню електронну оболонку електроном водню, але ядро ​​водню (протон) також приходить разом із ним. Коли хлороводень контактує з водою (H2O), він передає протон молекулі води, яка створює дві заряджені молекули (HCl стає Cl -, а H2O - H3O +). Ці дві молекули розчиняються в додаткових молекулах води, утворюючи сильнокислий розчин, який називається соляною кислотою. Якщо газовий хлор вдихати в легені, він поєднується з воднем (з молекул води), утворюючи хлористий водень, а потім реагує з водою, утворюючи соляну кислоту, завдаючи серйозної шкоди. Якщо хлористий водень виводиться в шлунок, він поєднується з водою з утворенням соляної кислоти, яка допомагає травленню. Яка різниця між токсином та поживною речовиною? Іноді це не що інше, як розташування!

Як тільки хлор потрапляє в його іонну форму (хлорид), він пропонує багато харчових переваг. Як негативний іон хлорид не тільки відіграє важливу роль у передачі сигналу, але також хімічно реагує з воднем та водою, утворюючи соляну кислоту, розчин, який допомагає травленню.

Соляна кислота створюється, коли тім’яні клітини, що вистилають шлунок, використовують хлористий іон (Cl -) як допоміжний засіб для травлення, поєднуючи його з іоном водню (протоном, Н +), щоб перетворитись на хлористий водень (HCl). Коли тім’яні клітини виділяють хлористий водень у шлунок, він хімічно реагує з водою. У цій реакції хлороводень розпадається назад на хлорид-іон, передаючи свій протон молекулі води. Молекула води (H2O) стає іоном гідронію (H3O +), коли отримує протон. У присутності додаткової води в шлунку ці два протилежно заряджені іони (хлорид та гідроній) залишаються розчиненими. Ця комбінація води, хлориду та гідронію утворює розчин, який називається соляною кислотою. Соляна кислота є основним інгредієнтом шлункової (шлункової) кислоти, яка перетравлює нашу їжу. Низький рівень РН шлункової кислоти (приблизно 1 або 2) денатурує (розгортає) білки в нашій їжі, щоб ферменти в шлунку могли розірвати (переварити) зв’язки, що утримують амінокислоти разом.

Хлорид (негативний іон) також взаємодіє з натрієм та калієм (обидва позитивні іони), створюючи та підтримуючи електростатичний дисбаланс, що робить можливим передачу сигналу та транспорт поживних речовин через клітинну мембрану. Я досліджую ці взаємодії (включаючи роль хлору) у статті про дифузію.

Більша частина хлоридів у нашому раціоні надходить із кухонної солі (хлориду натрію), але він присутній у великій кількості продуктів. У цільних продуктах він особливо багатий на помідори, салат та оливки.

Поварена сіль (хлорид натрію) є дуже важливою частиною нашого раціону. На додаток до своїх харчових якостей, він використовується як консервант та підсилювач смаку. Без нього багато хто з наших продуктів мали би дуже різний смак, навіть ті продукти, які ми не вважаємо соленими, як хліб та молоко. Це така важлива частина нашої дієти, що мова створив спеціалізований рецептор для його виявлення.

Слова сіль і кухонна сіль посилаються на дві різні речі. Сіль відноситься до цілого класу хімічних сполук, які утримуються разом іонними зв’язками (на відміну від молекули, яка утримується ковалентними зв’язками), тоді як кухонна сіль відноситься до певної сполуки (хлориду натрію).

І натрій, і хлорид (в іонній формі) поєднуються з іншими речовинами в інші солі, такі як хлорид калію або бікарбонат натрію (харчова сода). Солі також можуть створюватися з елементів, які не містять ні натрію, ні хлориду.

Слабкі іонні зв’язки між натрієм та хлоридом розчиняються завдяки сильнішій полярності молекули води, тому хлорид натрію не існує у вигляді солі всередині тіла. Хоча натрій і хлорид взаємодіють між собою в нашому тілі, вони діють як окремі елементи. Їх харчова цінність випливає не тільки з їх здатності реагувати один з одним, а й з іншими атомами або молекулами. Ці характеристики роблять можливими такі процеси, як регулювання тиску рідини та передача електричних імпульсів.

Чому рослини
З низьким вмістом натрію

Присутність хлориду, калію та натрію у правильних пропорціях створює середовище, яке дозволяє клітині виконувати свої біологічні функції. Це одна з причин, чому вони є важливою частиною раціону тварин. Однак натрій не є необхідною поживною речовиною для рослин. Хоча рослини можуть (і використовують) натрій, коли він доступний, вони віддають перевагу калію. І натрій, і калій є позитивними іонами, тому калій може заповнювати натрій, коли йдеться про такі функції, як електростатичний заряд. Проте вони все ще мають суттєві відмінності у своїх хімічних властивостях.

Натрій нам потрібен для встановлення градієнтів концентрації для передачі сигналів у нервових та м’язових клітинах. Рослини не мають таких типів клітин, тому їм не потрібен натрій для передачі сигналу. Тварини використовують натрієві/калієві насоси, щоб зменшити рівень тиску рідини всередині своїх тендітних клітинних стінок, щоб вони не лопнули. З іншого боку, рослини мають більш товсті клітинні стінки, які не тільки витримують надлишковий тиск, але й розраховують, що це допоможе зберегти структурну цілісність (саме тому листя в’яне, коли їм не вистачає води). Рослини використовують протонні насоси замість натрієвих/калієвих насосів для підтримки градієнтів протонів, тому вони не залежать від натрію для будь-яких критичних процесів.

Ще важливішим є токсичний вплив натрію на рослини. Натрій токсичний як для тварин, так і для рослин у високих концентраціях. Хоча тварини можуть компенсувати високий рівень споживання натрію, виводячи його з організму через нирки, рослини не мають такої можливості. Крім того, тварини можуть перестати споживати натрій, тоді як коріння рослин автоматично поглинають його з землі під час поглинання води. Якщо натрію у ґрунті у великих кількостях, рослина не зможе його не засвоїти і не матиме простого способу позбутися від нього, як тільки він поглинеться.

Досить високий рівень натрію витягне воду з клітин, що є смертельним для всього живого. Ось як це працює як консервант. Яловичина не псується, якщо її тримати сухою, оскільки бактерії не можуть підтримувати достатню кількість вологи в клітинах, щоб розмножуватися в присутності такої кількості солі. Ось чому люди не можуть вижити на морській воді. Наша нирка може вивести надлишок солі, але лише промивши її водою. Вміст натрію в морській воді настільки високий, що для її вимивання потрібно більше води, ніж у морській воді. Це компенсує різницю, використовуючи воду з вашого тіла, яка зневоднює вас.

Коріння рослин використовують осмос для підведення води до рослини. Це ще одна причина, чому надмірна кількість натрію в ґрунті шкідлива для рослин. Натрій змінює напрямок осмосу, витягуючи воду назад з рослини в грунт.

З усіх перерахованих вище причин у всіх свіжих фруктах та овочах мало натрію, а в багатьох - багато калію. У овочевих консервах багато натрію, оскільки він додається пізніше при обробці, щоб покращити смак. Рослина не поставила його туди.