Протоплазма — это внутренняя, «живая» часть клетки (цитоплазма + ядро), представляющая собой высокоорганизованную коллоидную систему. Её физико-химические свойства обеспечивают обмен веществ, передачу сигналов, движение и деление клетки. Коротко — это открытая, динамичная, неравновесная система с тонко настроенными параметрами воды, ионов, белков и мембран.

Состав и общая организация

• Вода: 70–90% массы. Есть свободная (растворитель, диффундирует) и связанная (адсорбирована на белках и мембранах, задаёт структуру гелей).

• Биополимеры: белки (ферменты, структурные), нуклеиновые кислоты, полисахариды; липиды формируют мембраны.

• Низкомолекулярные метаболиты: АТФ, аминокислоты, сахара, коферменты.

• Ионы: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻, HCO₃⁻, фосфаты и др.; их распределение резко неравномерно по мембранам.

Коллоидно-дисперсные свойства

• Гетерогенность и коллоидность: макромолекулы в воде образуют коллоидные растворы с частицами нанометрово-сотни нанометров. Отсюда — Броуновское движение, диффузия, седиментация при центрифугировании.

• Соль-гель переходы: цитоплазма способна реверсивно менять «текучесть» (золь) на «упругую» сетку (гель). Это база амёбоидного движения, цитокинеза, реорганизации цитоскелета.

• Тиксотропия и вязкоупругость: вязкость снижается при сдвиге и времени; после покоя восстанавливается. Позволяет клетке быть и прочной, и податливой.

• Поверхностные явления: высокое поверхностное натяжение на границах фаз и ζ-потенциал частиц влияют на агрегацию/стабильность коллоидов.

Вода и её состояния

• Связанная вода формирует гидратные оболочки, стабилизирует белки, ограничивает локальную диффузию.

• Осмотически активная свободная вода определяет объём клетки; изменения её доли → набухание/плазмолиз (у растений).

Кислотно-основные и буферные свойства

• pH цитозоля обычно близок к нейтральному (около 7,0–7,4 у животных клеток; в органеллах — иные значения, напр. в лизосомах ~5).

• Буферность: фосфатная, бикарбонатная, белковая буферные системы удерживают pH при метаболических сдвигах.

• Амфотерность белков: наличие кислотных/основных групп даёт им способность связывать/отдавать протоны; изоэлектрическая точка влияет на растворимость и заряд.

Ионные и осмотические свойства

• Осмотическое давление высоко (эквивалент ~0,3 осм у животных клеток); поддержание изотонии критично для объёма.

• Ионные градиенты: [K⁺] внутри высока, [Na⁺] и [Ca²⁺] снаружи выше; поддерживаются насосами (Na⁺/K⁺-АТФаза, Ca²⁺-помпы). Они задают:

  • Мембранный потенциал,

  • возбудимость,

  • вторично-активный транспорт (симпорты/антипорты).

• Кальциевые микродомены: кратковременные пики Ca²⁺ — универсальный сигнал для сокращения, секреции, экзоцитоза.

Окислительно-восстановительные и энергетические параметры

• Eh (редокс-потенциал) цитозоля — восстановительный (за счёт систем GSH/GSSG, NADH/NAD⁺), в ЭПС/аппарате Гольджи — более окислительный (для формирования дисульфидных мостиков).

• Высокоэнергетические соединения: АТФ, ГТФ, креатинфосфат; хемиосмотический градиент H⁺ в митохондриях/хлоропластах.

• Метаболические флюксации: постоянные неравновесные потоки вещества и энергии (открытая система).

Диффузионно-транспортные характеристики

• Диффузия определяет перемещение малых молекул; крупные — через активный транспорт, везикуляцию, моторные белки по цитоскелету (кинезины, динеин, миозины).

• Селективная проницаемость мембран: липидный бислой + каналы/переносчики задают кондуктанс, электроселективность, водный транспорт (аквапорины).

Электрические свойства

• Заряд макромолекул (pH-зависим) и ионная сила среды управляют их взаимодействиями и агрегатным состоянием.

• Электрофоретическая подвижность коллоидных частиц — проявление заряда и гидратации.

• Ёмкостные свойства мембран: каждая мембрана — конденсатор; ёмкость и сопротивление определяют временные константы возбуждения.

Реологические и структурные параметры

• Вязкость цитозоля выше, чем у воды, и неоднородна по клетке; локально регулируется сборкой/разборкой цитоскелета (актин, микротрубочки, промежуточные филаменты).

• Микро- и нанокомпартментализация: ферменты и субстраты собраны в мультиферментные комплексы, конденсаты без мембран (жидко-жидкие фазовые разделения) образуют «тельца» типа стресс-гранул.

Адсорбционно-коагуляционные явления

• Адсорбция на мембранах/белках направляет реакции (эффект «поверхностного катализа»).

• Коацервация и фазовое разделение биополимеров создают временные реакционные объёмы, ускоряя метаболизм без мембран.

• Солевой эффект: ионная сила может вызывать «высаливание»/«высаливание» (solubility ↑/↓), меняя растворимость белков.

Термодинамические особенности

• Открытость и неравновесность: постоянный обмен веществом/энергией, поддержание порядка за счёт диссипации.

• Самоорганизация: из локальных взаимодействий возникают упорядоченные структуры (микротрубочки, актиновый кортикальный слой).

Практические следствия свойств протоплазмы

• Изотонические условия (~0,9% NaCl для животных клеток) предотвращают лизис/плазмолиз.

• Температурные и pH-сдвиги меняют вязкость, активность ферментов, фазовые состояния.

• Ионные модуляторы (Ca²⁺, Mg²⁺, pH, АТФ) тонко регулируют сборку цитоскелета и динамику органелл.

Итог: протоплазма — структурированная коллоидная система с регулируемыми водой, ионами, pH, редокс-состоянием и полимерными сетями. Её ключевые физико-химические характеристики — буферность, осмотичность, ионные градиенты, вязкоупругость, тиксотропия, фазовые переходы «золь↔гель», поверхностные и адсорбционные эффекты, а также неравновесные энергетические потоки — совместно обеспечивают все жизненные проявления клетки.