Къде е водата в клетката. Водата и нейното биологично значение. Какво е значението на водата като разтворител

IN земната коранамерени около 100 химически елементи, но само 16 от тях са необходими за цял живот. Най-разпространени в растителните организми са четири елемента - водород, въглерод, кислород, азот, които образуват различни вещества. Главни компоненти растителна клеткаса вода, органични и минерални вещества.

вода- основата на живота. Съдържанието на вода в растителните клетки варира от 90 до 10%. Това е уникално вещество поради своите химични и физични свойства. Водата е необходима за процеса на фотосинтеза, транспорт на вещества, клетъчен растеж, тя е средата за много био химична реакция, универсален разтворител и др.

Минерали (пепел)- вещества, които остават след изгаряне на парче от орган. Съдържанието на пепелни елементи варира от 1% до 12% сухо тегло. Почти всички елементи, които изграждат водата и почвата, се намират в растението. Най-често срещаните са калий, калций, магнезий, желязо, силиций, сяра, фосфор, азот (макроелементи) и мед, алуминий, хлор, молибден, бор, цинк, литий, злато (микроелементи). Минералите играят важна роля в живота на клетките - те са част от аминокиселини, ензими, АТФ, електротранспортни вериги, необходими са за стабилизиране на мембраната, участват в метаболитни процеси и др.

органична материярастителните клетки се делят на: 1) въглехидрати, 2) протеини, 3) липиди, 4) нуклеинова киселина, 5) витамини, 6) фитохормони, 7) продукти на вторичния метаболизъм.

Въглехидратисъставляват до 90% от веществата, изграждащи растителната клетка. Разграничаване:

Монозахариди (глюкоза, фруктоза). Монозахаридите се образуват в листата по време на фотосинтезата и лесно се превръщат в нишесте. Те се натрупват в плодовете, по-рядко в стъблата, луковиците. Монозахаридите се транспортират от клетка на клетка. Те са енергиен материал, участват в образуването на гликозиди.

Дизахаридите (захароза, малтоза, лактоза и др.) се образуват от две частици монозахариди. Натрупват се в корените и плодовете.

Полизахаридите са полимери, които са много разпространени в растителните клетки. Тази група вещества включва нишесте, инулин, целулоза, хемицелулоза, пектин, калоза.

Нишестето е основното резервно веществорастителна клетка. Първичното нишесте се образува в хлоропластите. В зелените части на растението той се разделя на моно- и дизахариди и се транспортира по флоема на вените до растящите части на растението и органите за съхранение. В левкопластите на органите за съхранение вторичното нишесте се синтезира от захароза под формата на нишестени зърна.

Молекулата на нишестето е съставена от амилоза и амилопектин. Линейните амилозни вериги, състоящи се от няколко хиляди глюкозни остатъци, могат да се разклоняват спирално и по този начин да приемат по-компактна форма. В разклонения полизахарид амилопектин, компактността се осигурява от интензивно разклоняване на веригата поради образуването на 1,6-гликозидни връзки. Амилопектинът съдържа приблизително два пъти повече глюкозни остатъци от амилозата.

С разтвор на Лугол водна суспензия на амилоза дава тъмно син цвят, суспензия на амилопектин - червено-виолетово, суспензия на нишесте - синьо-виолетово.

Инулинът е полимер на фруктозата, запасен въглехидрат от семейството на астровите. Намира се в клетките в разтворена форма. Не оцветява с йоден разтвор, оцветява в червено с β-нафтол.

Целулозата е полимер на глюкозата. Целулозата съдържа около 50% от въглерода в растението. Този полизахарид е основният материал на клетъчната стена. Молекулите на целулозата са дълги вериги от глюкозни остатъци. Множество ОН групи стърчат от всяка верига. Тези групи са насочени във всички посоки и образуват водородни връзки със съседни вериги, което осигурява твърдо кръстосано свързване на всички вериги. Веригите се комбинират помежду си, образувайки микрофибрили, а последните се комбинират в по-големи структури - макрофибрили. Якостта на опън на тази конструкция е много висока. Макрофибрилите, разположени на слоеве, са потопени в циментираща матрица, състояща се от пектинови вещества и хемицелулози.

Целулозата не се разтваря във вода, с разтвор на йод дава жълт цвят.

Пектините са съставени от галактоза и галактуронова киселина. Пектиновата киселина е полигалактуронова киселина. Те са част от матрицата на клетъчната стена и осигуряват нейната еластичност. Пектините формират основата на средната ламина, която се образува между клетките след делене. Оформете гелове.

Хемицелулозите са високомолекулни съединения със смесен състав. Те са част от матрицата на клетъчната стена. Те не се разтварят във вода, хидролизират в кисела среда.

Калозата е аморфен полимер на глюкоза, намиращ се в различни части на растителното тяло. Калозата се образува в ситовидните тръби на флоема и също се синтезира в отговор на увреждане или неблагоприятни ефекти.

Агар-агарът е полизахарид с високо молекулно тегло, намиращ се в морски водорасли. Разтваря се в гореща вода, а след охлаждане се втвърдява.

катерицимакромолекулни съединения, състоящи се от аминокиселини. Елементен състав - C, O, N, S, P.

Растенията са способни да синтезират всички аминокиселини от повече прости вещества. 20-те основни аминокиселини изграждат цялото разнообразие от протеини.

Сложността на структурата на протеините и изключителното разнообразие на техните функции затрудняват създаването на една единствена ясна класификация на протеините на която и да е основа. По състав протеините се делят на прости и сложни. Прости - състоят се само от аминокиселини, сложни - състоят се от аминокиселини и небелтъчен материал (простетична група).

Простите протеини включват албумини, глобулини, хистони, проламини и глутенини. Албумините са неутрални протеини, разтворими във вода, рядко се срещат в растенията. Глобулините са неутрални протеини, неразтворими във вода, разтворими в разредени солеви разтвори, разпространени в семената, корените, стъблата на растенията. Хистоните са неутрални протеини, разтворими във вода, локализирани в ядрата на всички живи клетки. Проламини - разтворими в 60-80% етанол, открити в зърнени култури. Глутенините са разтворими в алкални разтвори, намират се в зърнени култури, зелени части на растения.

Комплексните включват фосфопротеини (простетичната група е фосфорна киселина), ликопротеини (въглехидрати), нуклеопротеини (нуклеинова киселина), хромопротеини (пигмент), липопротеини (липид), флавопротеини (FAD), металопротеини (метал).

Белтъчините играят важна роля в живота на растителния организъм и в зависимост от изпълняваната функция белтъчините се делят на структурни протеини, ензими, транспортни протеини, контрактилни протеини, складови протеини.

Липиди – органична материянеразтворим във вода и разтворим в органични разтворители (етер, хлороформ, бензен). Липидите се делят на истински мазнини и липоиди.

Истински мазнини - естеримастни киселини и всякакъв алкохол. Те образуват емулсия във вода, хидролизират при нагряване с алкали. Те са резервни вещества, натрупват се в семената.

Липоидите са вещества, подобни на мазнини. Те включват фосфолипиди (те са част от мембраните), восъци (те образуват защитно покритие върху листата и плодовете), стероли (те са част от протоплазмата, участват в образуването вторични метаболити), каротеноиди (червени и жълти пигменти, необходими за защита на хлорофила, придаване на цвят на плодове, цветя), хлорофил (основният пигмент на фотосинтезата)

Нуклеинова киселина- генетичният материал на всички живи организми. Нуклеиновите киселини (ДНК и РНК) са изградени от мономери, наречени нуклеотиди. Нуклеотидната молекула се състои от петвъглеродна захар, азотна основа и фосфорна киселина.

витамини- сложни органични вещества от различни химичен състав. Имат висока физиологична активност - необходими са за синтеза на белтъчини, мазнини, за работата на ензимите и др. Витамините се делят на мастноразтворими и водоразтворими. Мастноразтворимите витамини включват витамини А, К, Е и водоразтворимите витамини С и витамини от група В.

Фитохормони- нискомолекулни вещества с висока физиологична активност. Имат регулиращ ефект върху процесите на растеж и развитие на растенията в много ниски концентрации. Фитохормоните се делят на стимуланти (цитокинини, ауксини, гиберелини) и инхибитори (етилен и абцизини).

Съдържанието на вода в различните растителни органи варира в доста широки граници. Тя варира в зависимост от условията на околната среда, възрастта и вида на растенията. По този начин съдържанието на вода в листата на марулята е 93-95%, царевицата - 75-77%. Количеството вода не е еднакво в различните органи на растенията: листата на слънчогледа съдържат 80-83% вода, стъблата - 87-89%, корените - 73-75%. Съдържанието на вода, равно на 6-11%, е характерно предимно за въздушно сухи семена, в които жизнените процеси са инхибирани.

Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парообразно състояние. Листата са основните изпарителни органи на растението. В тази връзка е естествено най-голямо количество вода да запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние се намира вода различни частиклетки: клетъчна мембрана, вакуола, протоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където нейното съдържание достига 98%. При най-високо съдържание на вода съдържанието на вода в протоплазмата е 95%. Най-ниското водно съдържание е характерно за клетъчните мембрани. Количественото определяне на водното съдържание в клетъчните мембрани е трудно; очевидно варира от 30 до 50%.

Формите на водата в различните части на растителната клетка също са различни. Вакуоларният клетъчен сок е доминиран от вода, задържана от съединения с относително ниско молекулно тегло (осмотично свързани) и свободна вода. В обвивката на растителната клетка водата е свързана главно от високополимерни съединения (целулоза, хемицелулоза, пектинови вещества), т.е. колоидно свързана вода. В самата цитоплазма има свободна вода, колоидно и осмотично свързана. Водата, намираща се на разстояние до 1 nm от повърхността на протеиновата молекула, е здраво свързана и няма правилна шестоъгълна структура (колоидно свързана вода). Освен това в протоплазмата има известно количество йони и следователно част от водата е осмотично свързана.

Физиологичното значение на свободната и свързаната вода е различно. Повечето изследователи смятат, че интензивността на физиологичните процеси, включително скоростта на растеж, зависи преди всичко от съдържанието на свободна вода. Съществува пряка зависимост между съдържанието на свързана вода и устойчивостта на растенията към неблагоприятни външни условия. Тези физиологични корелации не винаги се наблюдават.

Растителната клетка абсорбира вода според законите на осмозата. Осмозата се наблюдава при наличието на две системи с различни концентрации на вещества, когато те комуникират с полупропусклива мембрана. В този случай, според законите на термодинамиката, концентрациите се изравняват поради веществото, за което мембраната е пропусклива.

Когато се разглеждат две системи с различни концентрации на осмотично активни вещества, следва, че изравняването на концентрациите в системи 1 и 2 е възможно само поради движението на водата. В система 1 концентрацията на вода е по-висока, така че водният поток е насочен от система 1 към система 2. Когато се постигне равновесие, реалният поток ще бъде нула.

Растителната клетка може да се разглежда като осмотична система. Клетъчната стена, заобикаляща клетката, има известна еластичност и може да се разтяга. Във вакуолата се натрупват водоразтворими вещества (захари, органични киселини, соли), които имат осмотична активност. Тонопластът и плазмалемата изпълняват функцията на полупропусклива мембрана в тази система, тъй като тези структури са селективно пропускливи и водата преминава през тях много по-лесно от веществата, разтворени в клетъчния сок и цитоплазмата. Следователно, ако влезе клетка заобикаляща среда, където концентрацията на осмотично активни вещества ще бъде по-малка от концентрацията вътре в клетката (или клетката е поставена във вода), водата, според законите на осмозата, трябва да влезе в клетката.

Способността на водните молекули да се движат от едно място на друго се измерва с водния потенциал (Ψw). Според законите на термодинамиката водата винаги се движи от област с по-висок воден потенциал към област с по-нисък потенциал.

Воден потенциал(Ψ в) е индикатор за термодинамичното състояние на водата. Молекулите на водата имат кинетична енергия, те се движат произволно в течност и водна пара. Водният потенциал е по-голям в системата, където концентрацията на молекулите е по-висока и общата им кинетична енергия е по-голяма. Чистата (дестилирана) вода има максимален воден потенциал. Водният потенциал на такава система условно се приема за нула.

Единиците за воден потенциал са единици за налягане: атмосфери, паскали, барове:

1 Pa = 1 N/m 2 (N-нютон); 1 бар=0,987 atm=10 5 Pa=100 kPa;

1 atm = 1,0132 бара; 1000 kPa = 1 MPa

Когато друго вещество се разтвори във вода, концентрацията на водата намалява, кинетичната енергия на водните молекули намалява и водният потенциал намалява. Във всички разтвори водният потенциал е по-нисък от този на чистата вода, т.е. при стандартни условия се изразява като отрицателна стойност. Количествено това намаление се изразява с величина, наречена осмотичен потенциал(Ψ осм.). Осмотичният потенциал е мярка за намаляването на водния потенциал поради наличието на разтворени вещества. Колкото повече молекули на разтвореното вещество има в разтвора, толкова по-нисък е осмотичният потенциал.

Когато водата навлезе в клетката, нейният размер се увеличава, хидростатичното налягане вътре в клетката се увеличава, което принуждава плазмалемата да се притиска към клетъчната стена. Клетъчната стена от своя страна упражнява противоналягане, което се характеризира с потенциал за налягане(Ψ налягане) или хидростатичен потенциал, той обикновено е положителен и колкото по-голям е, толкова повече вода има в клетката.

По този начин водният потенциал на клетката зависи от концентрацията на осмотично активни вещества - осмотичния потенциал (Ψ osm.) И потенциала на налягане (Ψ налягане).

При условие, че водата не натиска клетъчната мембрана (състояние на плазмолиза или увяхване), обратното налягане на клетъчната мембрана е нула, водният потенциал е равен на осмотичния:

Ψ в. = Ψ osm.

Когато водата навлезе в клетката, се появява обратното налягане на клетъчната мембрана, водният потенциал ще бъде равен на разликата между осмотичния потенциал и потенциала на налягането:

Ψ в. = Ψ osm. + Ψ налягане

Разликата между осмотичния потенциал на клетъчния сок и обратното налягане на клетъчната мембрана определя водния поток във всеки един момент.

При условие, че клетъчната мембрана е опъната до краен предел, осмотичният потенциал е напълно балансиран от противоналягането на клетъчната мембрана, водният потенциал става нула и водата престава да тече в клетката:

- Ψ осм. = Ψ налягане , Ψ c. = 0

Водата винаги тече в посока на по-отрицателен воден потенциал: от системата, където енергията е по-голяма, към системата, където енергията е по-малка.

Водата може също да навлезе в клетката поради силите на набъбване. Протеините и другите вещества, които изграждат клетката, имайки положително и отрицателно заредени групи, привличат водни диполи. Клетъчната стена, която съдържа хемицелулози и пектинови вещества, и цитоплазмата, в която високомолекулните полярни съединения съставляват около 80% от сухата маса, са способни да набъбват. Водата прониква в набъбващата структура чрез дифузия, движението на водата следва концентрационен градиент. Силата на подуване се обозначава с термина матричен потенциал(Ψ мат.). Зависи от наличието на високомолекулни компоненти на клетката. Потенциалът на матрицата винаги е отрицателен. Голямо значениеΨ мат. има, когато водата се абсорбира от структури, в които няма вакуоли (семена, меристемни клетки).

Водата е най-често срещаното съединение на Земята и в живите организми. Съдържанието на вода в клетките зависи от естеството на метаболитните процеси: колкото по-интензивни са те, толкова по-високо е съдържанието на вода.

Средно клетките на възрастен човек съдържат 60-70% вода. При загуба на 20% вода организмите умират. Без вода човек може да живее не повече от 7 дни, докато без храна не повече от 40 дни.

Ориз. 4.1. Пространствената структура на водната молекула (H 2 O) и образуването на водородна връзка

Водната молекула (H 2 O) се състои от два водородни атома, които са ковалентно свързани с кислородни атоми. Молекулата е полярна, защото е огъната под ъгъл и ядрото на кислородния атом дърпа споделените електрони до този ъгъл, така че кислородът придобива частично отрицателен заряд, а водородните атоми в отворените краища стават частично положителни заряди. Молекулите на водата могат да бъдат привлечени една към друга чрез положителни и отрицателни заряди, образувайки водородна връзка (фиг.4.1.).

Поради уникалната структура на водните молекули и способността им да се свързват една с друга чрез водородни връзки, водата има редица свойства, които определят нейната важна роля в клетката и организма.

Водородните връзки причиняват относително високи температури на кипене и изпарение, висок топлинен капацитет и топлопроводимост на водата и свойството на универсален разтворител.

Водородните връзки са 15-20 пъти по-слаби от ковалентните връзки. В течно състояние водородните връзки се образуват или разрушават, което причинява движението на водните молекули, нейната течливост.

Биологична роля H 2 O

Водата определя физични свойстваклетки - нейният обем, еластичност (тургор). Клетката съдържа 95-96% свободна вода и 4-5% свързана.Свързаната вода образува водни (солватни) обвивки около определени съединения (например протеини), предотвратявайки тяхното взаимодействие помежду си.

безплатна водае добър разтворител за много неорганични и органични полярни вещества. Веществата, които са силно разтворими във вода, се наричат хидрофилен. Например алкохоли, киселини, газове, повечето соли на натрий, калий и др. За хидрофилните вещества енергията на свързване между техните атоми е по-малка от енергията на привличане на тези атоми към водните молекули. Поради това техните молекули или йони лесно се интегрират в обща системаводородни връзки на водата.

Водата като универсален разтворител играе изключително важна роля, тъй като повечето химични реакции протичат във водни разтвори. Проникването на вещества в клетката и отстраняването на отпадните продукти от нея в повечето случаи е възможно само в разтворен вид.

Водата не разтваря неполярни (незаредени) вещества, тъй като не може да образува водородни връзки с тях. Веществата, които са неразтворими във вода, се наричат хидрофобен . Те включват мазнини, мастноподобни вещества, полизахариди, каучук.

Някои органични молекули имат двойни свойства: в някои области те са полярни групи, а в други - неполярни. Такива вещества се наричат амфипатичен или амфифилен. Те включват протеини, мастни киселини, фосфолипиди, нуклеинови киселини. Амфифилните съединения играят важна роля в организирането биологични мембрани, сложни надмолекулни структури.

Водата участва пряко в реакциите хидролиза– разделяне органични съединения. В същото време, под действието на специални ензими за свободни валенции органични молекули OH йони се присъединяват - и Х + вода. В резултат на това те образуват нови вещества с нови свойства.

Водата има висок топлинен капацитет (т.е. способността да абсорбира топлина при малки промени в собствената си температура) и добра топлопроводимост. Благодарение на тези свойства температурата вътре в клетката (и тялото) се поддържа на определено ниво със значителни промени в температурата на околната среда.

важно биологично значениеза функционирането на растенията, хладнокръвните животни има факта, че под въздействието на разтворени вещества (въглехидрати, глицерол) водата може да промени свойствата си, по-специално точките на замръзване и кипене.

Свойствата на водата са толкова важни за живите организми, че е невъзможно да си представим съществуването на живот, такъв какъвто го познаваме, не само на Земята, но и на която и да е друга планета без достатъчно количество вода.

МИНЕРАЛНА СОЛ

Те могат да бъдат в разтворено и неразтворено състояние. Молекули на минерални соли в воден разтворразграждат се на катиони и аниони.