Biologia moleculară a nutriției

învelișul exterior

Ce se întâmplă atunci când combinați clorul (un gaz otrăvitor) cu sodiul (un metal toxic)? Obțineți sare de masă (clorură de sodiu), un cristal care se dizolvă în doi nutrienți esențiali. Cum se transformă două substanțe toxice în nutrienți? Se combină ca atomi și se separă ca ioni.

Când atomii de sodiu și de clor se reunesc pentru a forma clorură de sodiu (NaCl), aceștia transferă un electron. Atomul de sodiu (Na) transferă un electron către atomul de clor (Cl), astfel încât ambii să aibă cochilii exterioare complete. Cu învelișurile exterioare umplute, acestea nu mai sunt active din punct de vedere chimic și nu pot forma legături covalente pentru a deveni parte a unei molecule. Cu transferul electronului, însă, acestea devin încărcate electric și se combină în săruri prin formarea de legături ionice.

Ionul de sodiu are acum doar zece electroni, dar are încă unsprezece protoni. Acest lucru supără echilibrul sarcinilor dintre protoni și electroni, ceea ce face ca atomul de sodiu să aibă o sarcină netă pozitivă. Când se întâmplă acest lucru, atomul este numit a ion pozitiv. Ionul clorură are acum optsprezece electroni și șaptesprezece protoni, așa că devine un ion negativ.

Deoarece ionul de sodiu are o sarcină pozitivă, iar ionul de clor are o sarcină negativă, sunt atrași unul de celălalt și formează o legătură ionică. Ionii formează săruri, nu molecule, dar îndeplinesc multe funcții importante în nutriție.

Sodiul și clorul sunt ambele foarte reactive în stările lor pre-ionice. Vor transfera electroni și (în condiții de uscare) vor forma săruri atunci când se vor întâlni. Fiecare va reacționa cu alte elemente dacă nu se regăsește mai întâi, așa că rareori se găsesc în natură în stările lor reactive.

De obicei ajung pe farfurii împreună ca sare de masă (sau sunt ioni dizolvați). Cu toate acestea, în corpul nostru, ele nu sunt legate împreună ca sare, ci se dizolvă înapoi în ioni individuali în apă. Și, deși se completează reciproc în multe procese biologice, au și rolurile lor separate de jucat.

Am văzut deja ce se întâmplă atunci când sodiul și clorura se combină. Acum ne vom uita la fiecare dintre ele individual. Mai întâi le vom examina ca atomi reactivi și vom vedea de ce sunt toxici în această stare. Apoi le vom analiza în forma lor ionică și vom afla de ce au valoare nutritivă.

Când majoritatea oamenilor se gândesc la sodiu, se gândesc la sarea de masă. În timp ce sarea de masă conține o formă ionizată de sodiu (în combinație cu clorură), sodiul „metalic” neionizat are un set foarte diferit de proprietăți chimice decât ionii de sodiu din sarea de masă. Examinăm aici proprietățile chimice ale sodiului în starea sa reactivă (toxică) și privim sodiul în starea sa ionică (nutrițională) în secțiunea următoare.

Atomul de sodiu (Na) are unsprezece protoni și unsprezece electroni, conferindu-i o încărcare electrică neutră (echilibrată). Cu toate acestea, are un singur electron în învelișul său exterior, ceea ce îl face reactiv chimic. Pentru a fi stabil din punct de vedere chimic, trebuie să aibă un înveliș exterior complet. Este mai ușor să scapi de un electron exterior decât să achiziționezi încă șapte electroni, așa că pare să renunțe la electron.

Electronii externi ai fiecărui atom de sodiu nu sunt doriți de niciunul dintre atomii de sodiu, așa că se formează un nor de electroni nedoriti. Mișcarea aleatorie a electronilor din acest nor provoacă schimbări în proprietățile electrice ale atomilor individuali, care la rândul lor determină ca atomii să fie ușor atrași unul de celălalt. Aceste mici dezechilibre electrice inițiază legături metalice la temperatura camerei, determinând adunarea atomilor într-un metal moale pe care îl puteți tăia cu un cuțit.

Combinația dintre atomii de sodiu metalici între ei este relativ lipsită de evenimente. Pentru a înțelege de ce sodiul metalic este atât de reactiv, să vedem ce se întâmplă când intră în contact cu apa.

Apa (H2O) este o moleculă formată din doi atomi de hidrogen legați covalent de un atom de oxigen. Aceste legături se formează deoarece atomul de oxigen are nevoie de doi electroni pentru a-și umple învelișul exterior și fiecare atom de hidrogen are nevoie de un electron. Formarea moleculei de apă umple în mod convenabil cochiliile exterioare ale celor trei atomi, motiv pentru care moleculele de apă se formează din cele două gaze.

Sodiu metalic în apă

Legăturile moleculare formate de atomii de hidrogen și oxigen din apă sunt atât de slabe încât deseori se separă din cauza energiei termice aleatorii. Deci, atunci când sodiul vrea să scape de electronul său suplimentar, apa este o țintă ușoară. Una dintre legăturile de hidrogen/oxigen din apă este ușor de rupt, iar atomul de sodiu își donează electronul nedorit, umplând spațiul liber din învelișul exterior al oxigenului. Deoarece electronul donat s-a mutat de la o stare de energie ridicată în jurul sodiului la o stare de energie mai mică în jurul oxigenului, se eliberează energie suplimentară. Acest videoclip ScienceFix arată cât de explozivă poate fi reacția chimică.

Sarea de masă conține sodiu în forma sa ionică. De aceea nu explodează la contactul cu apa și de ce are valoare nutritivă. Completează ionul clorură deoarece au sarcini opuse care se echilibrează reciproc în multe procese biologice. Sodiul completează, de asemenea, potasiul, deoarece, deși sunt amândoi ioni pozitivi, aceștia sunt, de asemenea, chimic diferiți. Diferențele chimice dintre sodiu și potasiu sunt utile în controlul difuziei în membranele noastre celulare, în timp ce diferențele electrostatice dintre sodiu și clorură sunt importante pentru menținerea unui dezechilibru electric între aceleași membrane celulare. Pentru a vedea cum sodiul utilizează aceste diferențe pentru a permite transmiterea semnalului în celulele nervoase și musculare, consultați articolul despre difuzie.

Sodiul este un nutrient esențial în celulele animale, dar este posibil să obțineți prea mult dintr-un lucru bun. În timp ce nivelurile scăzute de sodiu pot provoca crampe musculare din cauza faptului că celulele nervoase și musculare nu pot controla transmiterea și recepția semnalului, prea mult sodiu poate provoca probleme precum hipertensiunea arterială.

Când consumăm sodiu, acesta este absorbit în fluxul sanguin și în spațiile extracelulare. Deși este normal ca spațiile extracelulare să aibă o concentrație mult mai mare de sodiu decât se găsește în interiorul celulei (dezechilibrul este utilizat pentru transmiterea semnalului), acesta poate fi dus prea departe. Dacă se acumulează prea mult sodiu în fluxul sanguin și în fluidele extracelulare, acesta va dilua concentrațiile de apă în afara celulelor. Apa se va difuza de la concentrații mari în interiorul celulei la concentrații mai mici în afara celulei, inclusiv fluxul sanguin. Acest lucru determină deshidratarea celulelor și tensiunea arterială mai mare.

Când apa curge din celulele nervoase situate în hipotalamus, osmoreceptorii din aceste celule declanșează senzația de sete. Bând apă, diluăm sodiul din sânge, care inversează fluxul de apă înapoi în celule. Rinichii monitorizează nivelurile de sodiu din sânge și în cele din urmă elimină excesul de sodiu și apă, plasându-le în urină. În ciuda acestui proces de corecție, consumul excesiv de sodiu de rutină poate duce la hipertensiune arterială cronică, deoarece rinichii pot compensa atât de mult.

Centrul atomului de clor (Cl) conține șaptesprezece protoni care sunt înconjurați de șaptesprezece electroni, oferindu-i o încărcare electrică neutră (echilibrată). Are șapte electroni în învelișul său exterior și mai are nevoie de unul, ceea ce îl face activ din punct de vedere chimic. Își va umple învelișul exterior prin asocierea cu alți atomi de clor pentru a forma molecule mici, dar aceste legături covalente sunt slabe, iar clorul le va abandona atunci când va intra în contact cu un element din care poate fura un electron. Datorită proprietăților sale chimice, este un gaz la temperatura camerei, ceea ce îl face deosebit de periculos. Este atât de toxic atunci când este inhalat, încât a fost folosit ca armă chimică în primul război mondial. Îl folosim astăzi în cantități mici ca dezinfectant.

Când un atom de clor intră în contact cu un atom de hidrogen, formează o moleculă de clorură de hidrogen (HCl). Acest lucru permite clorului să-și umple învelișul exterior de electroni cu electronul hidrogenului, dar nucleul hidrogenului (un proton) vine, de asemenea, pentru călătorie. Când clorura de hidrogen intră în contact cu apa (H2O) transferă protonul către molecula de apă, care creează două molecule încărcate (HCl devine Cl -, iar H2O devine H3O +). Aceste două molecule se dizolvă în molecule de apă suplimentare pentru a forma o soluție foarte acidă numită acid clorhidric. Dacă clorul gazos este inhalat în plămâni, acesta se va combina cu hidrogen (din moleculele de apă) pentru a crea clorură de hidrogen, și apoi va reacționa cu apa pentru a forma acid clorhidric, provocând daune grave. Dacă clorura de hidrogen este excretată în stomac, aceasta se combină cu apa pentru a forma acid clorhidric, un ajutor pentru digestie. Care este diferența dintre o toxină și un nutrient? Uneori nu este altceva decât locația!

Odată ce obțineți clorul în forma sa ionică (clorură), acesta oferă multe beneficii nutriționale. Ca ion negativ, clorura joacă nu numai un rol important în transmiterea semnalului, dar reacționează și chimic cu hidrogenul și apa pentru a crea acid clorhidric, o soluție care ajută la digestie.

Acidul clorhidric este creat atunci când celulele parietale care acoperă stomacul folosesc ionul clorură (Cl -) ca un ajutor pentru digestie, combinându-l cu un ion hidrogen (un proton, H +) pentru a deveni clorură de hidrogen (HCl). Când celulele parietale secretă clorura de hidrogen în stomac, reacționează chimic cu apa. În această reacție, clorura de hidrogen se descompune în ionul clorură prin transferarea protonului său la molecula de apă. Molecula de apă (H2O) devine ion de hidroniu (H3O +) atunci când câștigă protonul. În prezența apei suplimentare în stomac, acești doi ioni încărcați în mod opus (clorură și hidroniu) rămân dizolvați. Această combinație de apă, clorură și hidroniu formează soluția numită acid clorhidric. Acidul clorhidric este principalul ingredient al acidului gastric (stomacal), care digeră mâncarea noastră. Nivelul scăzut de PH al acidului gastric (aproximativ 1 sau 2) denaturează (desfășoară) proteinele din alimentele noastre, astfel încât enzimele din stomac să poată rupe (digera) legăturile care țin aminoacizii împreună.

Clorura (un ion negativ) interacționează, de asemenea, cu sodiul și potasiul (ambii ioni pozitivi) pentru a crea și menține dezechilibrele electrostatice care fac posibilă transmiterea semnalului și transportul nutrienților prin membrana celulară. Examin aceste interacțiuni (inclusiv rolul clorului), în articolul despre difuzie.

Cea mai mare parte a clorurii din dieta noastră provine din sare de masă (clorură de sodiu), dar este prezentă într-o mare varietate de alimente. În alimentele integrale este deosebit de bogată în roșii, salată verde și măsline.

Sarea de masă (clorură de sodiu) este o parte foarte importantă a dietei noastre. În plus față de calitățile sale nutritive, este folosit ca conservant și intensificator de aromă. Multe dintre alimentele noastre ar avea un gust foarte diferit fără el, chiar și alimente despre care nu credem că sunt sărate, cum ar fi pâinea și laptele. Este o parte atât de importantă a dietei noastre, limba a dezvoltat un receptor specializat pentru a o detecta.

Cuvintele sare și sare de masă se referă la două lucruri diferite. Sarea se referă la o întreagă clasă de compuși chimici care sunt ținuți împreună prin legături ionice (spre deosebire de o moleculă, care este ținută împreună prin legături covalente), în timp ce sarea de masă se referă la un compus specific (clorură de sodiu).

Atât sodiul, cât și clorura (sub formă ionică) se combină cu alte substanțe în alte tipuri de săruri, cum ar fi clorura de potasiu sau bicarbonatul de sodiu (bicarbonat de sodiu). Sărurile pot fi create și din elemente care nu includ nici sodiu, nici clorură.

Legăturile ionice slabe dintre sodiu și clorură sunt dizolvate de polaritatea mai puternică a moleculei de apă, astfel încât clorura de sodiu nu există ca sare în corp. În timp ce sodiul și clorura interacționează între ele în corpul nostru, ele acționează ca elemente separate. Valoarea lor nutritivă este derivată nu numai din capacitatea lor de a reacționa unul cu celălalt, ci și cu alți atomi sau molecule. Aceste caracteristici fac posibile procese precum reglarea presiunii fluidelor și transmiterea impulsurilor electrice.

De ce sunt plantele
Sarac in sodiu

Prezența clorurii, potasiului și sodiului în proporțiile potrivite creează un mediu care permite celulei să își îndeplinească funcțiile biologice. Acesta este unul dintre motivele pentru care sunt o parte esențială a dietelor animalelor. Cu toate acestea, sodiul nu este un nutrient esențial pentru plante. În timp ce plantele pot (și pot) folosi sodiu când este disponibil, preferă potasiul. Atât sodiul, cât și potasiul sunt ioni pozitivi, astfel încât potasiul poate completa sodiu atunci când vine vorba de funcții precum sarcina electrostatică. Cu toate acestea, ele încă au diferențe semnificative în ceea ce privește proprietățile lor chimice.

Avem nevoie de sodiu pentru a seta gradienți de concentrație pentru transmiterea semnalelor în celulele nervoase și musculare. Plantele nu au aceste tipuri de celule, deci nu au nevoie de sodiu pentru transmiterea semnalului. Animalele folosesc pompe de sodiu/potasiu pentru a reduce nivelul de presiune a fluidelor în interiorul pereților lor celulari fragili, pentru a le împiedica să explodeze. Plantele, pe de altă parte, au pereți celulari mai groși, care nu numai că rezistă presiunii suplimentare, dar se bazează pe aceasta pentru a ajuta la menținerea integrității structurale (de aceea frunzele se ofilesc atunci când nu primesc suficientă apă). Plantele folosesc pompe de protoni în loc de pompe de sodiu/potasiu pentru a menține gradienții de protoni, deci nu depind de sodiu pentru orice proces critic.

Și mai important este efectul toxic al sodiului asupra plantelor. Sodiul este toxic atât pentru animale cât și pentru plante în concentrații mari. În timp ce animalele pot compensa nivelurile ridicate de aport de sodiu, eliminându-l din corp prin rinichi, plantele nu au această opțiune. În plus, animalele pot opri consumul de sodiu, în timp ce rădăcinile plantelor îl absorb automat din sol în timpul absorbției apei. Dacă sodiul este în sol în cantități mari, planta nu va avea nici un mod de a nu-l absorbi și nici o modalitate ușoară de a scăpa de el odată ce este absorbită.

Niveluri suficient de ridicate de sodiu vor scoate apa din celule, ceea ce este mortal pentru toate viețuitoarele. Așa funcționează ca conservant. Carnea de vită nu se strică dacă este păstrată uscată, deoarece bacteriile nu pot menține suficientă umiditate în celulele lor pentru a procrea în prezența atâtor sare. De aceea, oamenii nu pot supraviețui cu apa mării. Rinichiul nostru poate elimina excesul de sare, dar numai prin spălarea cu apă. Conținutul de sodiu al apei de mare este atât de mare, încât necesită mai multă apă pentru a o spăla decât este conținut în apa de mare. Face diferența prin utilizarea apei din corpul tău, care te deshidratează.

Rădăcinile plantelor folosesc osmoza pentru a aduce apa în plantă. Acesta este un alt motiv pentru care prea mult sodiu din sol este dăunător plantelor. Sodiul inversează direcția osmozei, trăgând apa înapoi din plantă și în sol.

Din toate motivele de mai sus, toate fructele și legumele proaspete au un conținut scăzut de sodiu, iar multe sunt bogate în potasiu. Conserve de legume au mult sodiu, deoarece se adaugă mai târziu atunci când sunt procesate pentru a avea un gust mai bun. Planta nu a pus-o acolo.