Съдържание на вода в различни клетки. Разпределение на водата в клетката и в тялото. Воден баланс на растенията. Учене на нов материал

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%.

Форми на вода в различни части растителна клеткасъщо 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. В тази връзка, ако клетката попадне в околната 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 притиска 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).

Жизнената дейност на клетките, тъканите и органите на растенията се дължи на наличието на вода. Водата е конституционна субстанция. Определяйки структурата на цитоплазмата на клетките и нейните органели, поради полярността на молекулите, той е разтворител на органични и неорганични органични съединенияучаства в метаболизма и действа като фонова среда, в която протичат всички биохимични процеси. Лесно прониквайки през черупките и мембраните на клетките, водата циркулира свободно в растението, осигурявайки преноса на вещества и по този начин допринасяйки за единството на метаболитните процеси на тялото. Поради високата си прозрачност, водата не пречи на абсорбцията слънчева енергияхлорофил.

Състоянието на водата в растителните клетки

Водата в клетката е представена в няколко форми, те са коренно различни. Основните са конституционна, солватна, капилярна и резервна вода.

Някои от водните молекули, влизащи в клетката, образуват водородни връзки с редица радикални молекули органична материя. Водородните връзки са особено лесни за образуване на такива радикали:

Тази форма на водата се нарича конституционен . Съдържа се от клетка с якост до 90 хиляди barr.

Поради факта, че водните молекули са диполи, те образуват твърди агрегати със заредени молекули на органични вещества. Такава вода, свързана с молекулите на органичните вещества на цитоплазмата чрез силите на електрическото привличане, се нарича солват . В зависимост от вида на растителната клетка солватната вода представлява от 4 до 50% от общото й количество. Солватната вода, подобно на конституционната вода, няма подвижност и не е разтворител.

Голяма част от водата в клетката е капилярна , защото се намира в кухините между макромолекулите. Солватът и капилярната вода се задържат от клетката със сила, наречена матричен потенциал. То е равно на 15-150 бара.

резерва наречена вода във вакуолите. Съдържанието на вакуолите е разтвор на захари, соли и редица други вещества. Следователно резервната вода се задържа от клетката със сила, която се определя от величината на осмотичния потенциал на вакуолното съдържание.

Поемане на вода от растителните клетки

Тъй като в клетките няма активни носители на водните молекули, нейното движение в и извън клетките, както и между съседните клетки, се извършва само по законите на дифузията. Следователно градиентите на концентрацията на разтвореното вещество се оказват основните двигатели за водните молекули.

Растителните клетки, в зависимост от тяхната възраст и състояние, абсорбират вода чрез последователно включване на три механизма: имбибиция, солватация и осмоза.

впиване . Когато семената покълнат, те започват да абсорбират вода поради механизма на поглъщане. В същото време свободните водородни връзки на органичните вещества на протопласта се запълват и водата се доставя активно от заобикаляща средав клетка. В сравнение с други сили, действащи в клетките, силите на поглъщане са колосални. За някои водородни връзки те достигат стойност от 90 хиляди barr. В същото време семената могат да набъбнат и да покълнат в относително сухи почви. След като всички празни водородни връзки се запълнят, впиването спира и се активира следният механизъм на абсорбция на вода.

хидратация . В процеса на солватация абсорбцията на вода става чрез изграждане на хидратни слоеве около молекулите на протопластите органични вещества. Общото съдържание на вода в клетката продължава да се увеличава. Интензивността на солватация зависи основно от химичен съставпротопласт. Колкото повече хидрофилни вещества има в клетката, толкова по-пълно се използват силите на солватация. Хидрофилността намалява в серията: протеини -> въглехидрати -> мазнини. Ето защо най-голямото числовода на единица тегло чрез солватация абсорбира протеинови семена (грах, боб, боб), междинно - нишесте (пшеница, ръж), а най-малките - маслодайни семена (лен, слънчоглед).

Силите на солватация са по-ниски по мощност от силите на имбибиция, но все още са доста значителни и достигат 100 bar. До края на процеса на разтваряне съдържанието на вода в клетката е толкова голямо, че капилярната влага се утаява и започват да се появяват вакуоли. Въпреки това, от момента на тяхното образуване, солватацията спира и по-нататъшното усвояване на водата е възможно само поради осмотичния механизъм.

Осмоза . Осмотичният механизъм на поемане на вода работи само в клетки, които имат вакуола. Посоката на движение на водата в този случай се определя от съотношението на осмотичните потенциали на разтворите, включени в осмотичната система.

Осмотичният потенциал на клетъчния сок, означен с R,се определя по формулата:

Р = iRct,

Където R -осмотичен потенциал на клетъчния сок

Р-газова константа, равна на 0,0821;

T -температура по скалата на Келвин;

аз- изотоничен коефициент, показващ естеството на електролитната дисоциация на разтворените вещества.

Самото изотонично съотношение е равно на

И= 1 + α ( н + 1),

където α - степен на електролитна дисоциация;

П -броя на йоните, на които молекулата се дисоциира. За неелектролити П = 1.

Осмотичният потенциал на почвения разтвор обикновено се означава с гръцката буква π.

Водните молекули винаги се движат от среда с по-нисък осмотичен потенциал към среда с по-висок осмотичен потенциал. Така че, ако клетката е в почвения (външен) разтвор при R>π, тогава водата влиза в клетките. Потокът на вода в клетката спира, когато осмотичните потенциали са напълно изравнени (вакуоларният сок се разрежда на входа на абсорбцията на вода) или когато клетъчната мембрана достигне границите на разтегливост.

Така клетките получават вода от околната среда само при едно условие: осмотичният потенциал на клетъчния сок трябва да бъде по-висок от осмотичния потенциал на околния разтвор.

Ако Р< π, има изтичане на вода от клетката във външния разтвор. В процеса на загуба на течност обемът на протопласта постепенно намалява, той се отдалечава от мембраната и в клетката се появяват малки кухини. Такова състояние се нарича Плазмолиза . Етапите на плазмолиза са показани на фиг. 3.18.

Ако съотношението на осмотичните потенциали съответства на условието P = π, тогава дифузията на водните молекули изобщо не се случва.

Голямо количество фактически материали показват, че осмотичният потенциал на клетъчния сок на растенията варира в доста широки граници. В селскостопанските растения, в клетките на корените, обикновено се намира в амплитуда от 5-10 бара, в клетките на листата може да се повиши до 40 бара, а в клетките на плодовете - до 50 бара. При растенията солончак осмотичният потенциал на клетъчния сок достига 100 бара.

Ориз. 3.18.

А - клетка в състояние на тургор; B - ъглова; B - вдлъбнат; G - изпъкнал; D - конвулсивен; E - капачка. 1 - черупка; 2 - вакуола; 3 - цитоплазма; 4 - сърцевина; 5 - Hecht нишки

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 включват в обща системаводородни връзки на водата.

Водата като универсален разтворител играе изключително важна роля, тъй като повечето химична реакциясреща се 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, нуклеинова киселина. Амфифилните съединения играят важна роля в организирането биологични мембрани, сложни надмолекулни структури.

Водата участва пряко в реакциите хидролиза- разграждане на 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.

Свойства на водата и нейната роля в клетката:

На първо място сред веществата на клетката е водата. Той съставлява около 80% от масата на клетката. Водата е двойно по-важна за живите организми, тъй като е необходима не само като компонент на клетките, но за мнозина и като местообитание.

1. Водата определя физичните свойства на клетката – нейния обем, еластичност.

2. Много химични процеси протичат само във воден разтвор.

3. Водата е добър разтворител: много вещества влизат в клетката от външната среда във воден разтвор, а във воден разтвор отпадъчните продукти се отстраняват от клетката.

4. Водата има висок топлоемкост и топлопроводимост.

5. Водата има уникално свойство: когато се охлади от +4 до 0 градуса, тя се разширява. Следователно ледът е по-лек от течната вода и остава на повърхността си. Това е много важно за организмите, живеещи в водна среда.

6. Водата може да бъде добър лубрикант.

Биологичната роля на водата се определя от малкия размер на нейните молекули, тяхната полярност и способността да се свързват помежду си чрез водородни връзки.

Биологични функции на водата:

транспорт. Водата осигурява движението на веществата в клетката и тялото, усвояването на веществата и отделянето на метаболитни продукти. В природата водата пренася отпадъчни продукти в почвите и водните тела.

метаболитни. Водата е среда за всички биохимични реакции, донор на електрони по време на фотосинтезата; той е необходим за хидролизата на макромолекулите до техните мономери.

водата участва в образуването на смазочни течности и слуз, секрети и сокове в тялото.

С много малко изключения (кости и зъбен емайл), водата е преобладаващият компонент на клетката. Водата е необходима за метаболизма (обмяната) на клетката, тъй като физиологичните процеси протичат изключително във водната среда. Молекулите на водата участват в много ензимни реакции на клетката. Например, разграждането на протеини, въглехидрати и други вещества става в резултат на тяхното взаимодействие с вода, катализирано от ензими. Такива реакции се наричат ​​реакции на хидролиза.

Водата служи като източник на водородни йони по време на фотосинтезата. Водата в клетката е в две форми: свободна и свързана. Свободната вода съставлява 95% от цялата вода в клетката и се използва главно като разтворител и като дисперсионна среда за колоидната система на протоплазмата. Свързаната вода, която представлява само 4% от цялата клетъчна вода, е хлабаво свързана с протеините чрез водородни връзки.

Поради асиметричното разпределение на заряда, водната молекула действа като дипол и следователно може да бъде свързана както от положително, така и от отрицателно заредени протеинови групи. Диполното свойство на водната молекула обяснява нейната способност да се ориентира в електрическо поле, да се прикрепя към различни молекули и участъци от молекули, които носят заряд. Това води до образуването на хидрати.

Благодарение на високия си топлинен капацитет водата абсорбира топлината и по този начин предотвратява внезапните температурни колебания в клетката. Съдържанието на вода в организма зависи от неговата възраст и метаболитната активност. Той е най-висок в ембриона (90%) и постепенно намалява с възрастта. Съдържанието на вода в различните тъкани варира в зависимост от тяхната метаболитна активност. Например в сивото вещество на мозъка водата е до 80%, а в костите до 20%. Водата е основното средство за движение на веществата в тялото (кръвоток, лимфа, възходящи и низходящи потоци на разтвори през съдовете на растенията) и в клетката. Водата служи като "смазка", необходима навсякъде, където има триещи се повърхности (например в ставите). Водата има максимална плътност при 4°C. Следователно ледът, който има по-ниска плътност, е по-лек от водата и плува на повърхността й, което предпазва резервоара от замръзване. Това свойство на водата спасява живота на много водни организми.