Solujen vesipitoisuus vaihtelee. Kasvisolun kemiallinen koostumus. Mikä on veden merkitys liuottimena

Vettä on elävissä soluissa, ksyleemin kuolleissa elementeissä ja solujen välisissä tiloissa. Solujen välisissä tiloissa vesi on höyrytilassa. Lehdet ovat kasvin tärkeimmät haihdutuselimet. Tässä suhteessa on luonnollista, että suurin määrä vettä täyttää lehtien solujen väliset tilat. Nestemäisessä tilassa vesi on sisällä erilaisia osia solut: solukalvo, vakuoli, protoplasma. Vakuolit ovat vesirikkain osa solua, jossa sen pitoisuus on 98%. Korkeimmalla vesipitoisuudella protoplasman vesipitoisuus on 95 %. Alhaisin vesipitoisuus on ominaista solukalvoille. Vesipitoisuuden kvantitatiivinen määrittäminen solukalvoissa on vaikeaa; ilmeisesti se vaihtelee 30-50%.

Myös veden muodot kasvisolun eri osissa ovat erilaisia. Tyhjiösolumahlaa hallitsevat suhteellisen alhaisen molekyylipainon yhdisteiden (osmoottisesti sitoutuneiden) pidättämä vesi ja vapaa vesi. Kasvisolun kuoressa vettä sitovat pääasiassa korkeapolymeeriset yhdisteet (selluloosa, hemiselluloosa, pektiiniaineet), eli kolloidisesti sitoutunut vesi. Itse sytoplasmassa on vapaata vettä, joka on sitoutunut kolloidisesti ja osmoottisesti. Jopa 1 nm:n etäisyydellä proteiinimolekyylin pinnasta oleva vesi on tiukasti sitoutunutta, eikä sillä ole säännöllistä kuusikulmaista rakennetta (kolloidisesti sidottu vesi). Lisäksi protoplasmassa on tietty määrä ioneja, minkä seurauksena osa vedestä on sitoutunut osmoottisesti.

Vapaan ja sitoutuneen veden fysiologinen merkitys on erilainen. Useimmat tutkijat uskovat, että fysiologisten prosessien intensiteetti, mukaan lukien kasvunopeudet, riippuu ensisijaisesti vapaan veden pitoisuudesta. Sitoutuneen veden pitoisuuden ja kasvien kestävyyden välillä on suora korrelaatio haitallisia ulkoisia olosuhteita vastaan. Näitä fysiologisia korrelaatioita ei aina havaita.

Kasvisolu imee vettä osmoosin lakien mukaisesti. Osmoosia havaitaan kahden järjestelmän läsnä ollessa, joissa on eri ainepitoisuudet, kun ne ovat yhteydessä puoliläpäisevän kalvon kanssa. Tässä tapauksessa termodynamiikan lakien mukaan pitoisuudet tasoittuvat johtuen aineesta, jolle kalvo on läpäisevä.

Tarkasteltaessa kahta järjestelmää, joissa on eri pitoisuudet osmoottisesti aktiivisia aineita, seuraa, että pitoisuuksien tasaaminen järjestelmissä 1 ja 2 on mahdollista vain veden liikkeen ansiosta. Järjestelmässä 1 veden pitoisuus on suurempi, joten veden virtaus suunnataan järjestelmästä 1 järjestelmään 2. Kun tasapaino saavutetaan, todellinen virtaus on nolla.

Kasvisolua voidaan pitää osmoottisena järjestelmänä. Solua ympäröivällä soluseinällä on tietty elastisuus ja sitä voidaan venyttää. Vakuoliin kerääntyy vesiliukoisia aineita (sokerit, orgaaniset hapot, suolat), joilla on osmoottista aktiivisuutta. Tonoplasti ja plasmalemma suorittavat tässä järjestelmässä puoliläpäisevän kalvon tehtävää, koska nämä rakenteet ovat selektiivisesti läpäiseviä ja vesi kulkee niiden läpi paljon helpommin kuin solumahlaan ja sytoplasmaan liuenneet aineet. Tältä osin, jos solu joutuu ympäristöön, jossa osmoottisesti aktiivisten aineiden pitoisuus on pienempi kuin solun sisällä oleva pitoisuus (tai solu sijoitetaan veteen), veden on osmoosin lakien mukaan päästävä soluun .

Vesimolekyylien kykyä liikkua paikasta toiseen mitataan vesipotentiaalilla (Ψw). Termodynamiikan lakien mukaan vesi siirtyy aina korkeamman vesipotentiaalin alueelta pienemmän potentiaalin alueelle.

Veden potentiaali(Ψ в) on veden termodynaamisen tilan indikaattori. Vesimolekyyleillä on kineettistä energiaa, ne liikkuvat satunnaisesti nesteessä ja vesihöyryssä. Vesipotentiaali on suurempi järjestelmässä, jossa molekyylien konsentraatio on suurempi ja niiden kineettinen kokonaisenergia on suurempi. Puhtaalla (tislatulla) vedellä on suurin vesipotentiaali. Tällaisen järjestelmän vesipotentiaali on ehdollisesti nolla.

Vesipotentiaalin yksiköt ovat paineen yksiköitä: ilmakehät, pascalit, baarit:

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

1 atm = 1,0132 bar; 1000 kPa = 1 MPa

Kun toinen aine liukenee veteen, veden pitoisuus pienenee, vesimolekyylien liike-energia pienenee ja vesipotentiaali pienenee. Kaikissa ratkaisuissa vesipotentiaali on pienempi kuin puhtaalla vedellä, ts. standardiolosuhteissa se ilmaistaan negatiivisena arvona. Määrällisesti tämä lasku ilmaistaan suurella, jota kutsutaan osmoottinen potentiaali(Ψ osm.). Osmoottinen potentiaali on mitta vesipotentiaalin vähenemisestä liuenneiden aineiden läsnäolon vuoksi. Mitä enemmän liuenneita molekyylejä liuoksessa on, sitä pienempi on osmoottinen potentiaali.

Kun vesi pääsee soluun, sen koko kasvaa, hydrostaattinen paine solun sisällä kasvaa, mikä pakottaa plasmalemman painautumaan soluseinää vasten. Soluseinä puolestaan kohdistaa vastapainetta, jolle on tunnusomaista painepotentiaali(Ψ paine) tai hydrostaattinen potentiaali, se on yleensä positiivinen ja mitä suurempi, sitä enemmän vettä kennossa on.

Siten solun vesipotentiaali riippuu osmoottisesti aktiivisten aineiden pitoisuudesta - osmoottisesta potentiaalista (Ψ osm.) ja painepotentiaalista (Ψ paine).

Edellyttäen, että vesi ei paina solukalvoa (plasmolyysi tai kuihtumistila), solukalvon vastapaine on nolla, vesipotentiaali on yhtä suuri kuin osmoottinen:

Ψ sisään. = Ψ osm.

Kun vettä tulee soluun, solukalvon vastapaine ilmestyy, vesipotentiaali on yhtä suuri kuin osmoottisen potentiaalin ja painepotentiaalin välinen ero:

Ψ sisään. = Ψ osm. + Ψ paine

Solumehun osmoottisen potentiaalin ja solukalvon vastapaineen välinen ero määrää veden virtauksen kulloinkin.

Edellyttäen, että solukalvo on venynyt äärirajoille, osmoottinen potentiaali tasapainotetaan täysin solukalvon vastapaineella, vesipotentiaali muuttuu nollaan ja vesi lakkaa virtaamasta soluun:

- Ψ osm. = Ψ paine , Ψ c. = 0

Vesi virtaa aina negatiivisemman vesipotentiaalin suuntaan: järjestelmästä, jossa energiaa on enemmän, järjestelmään, jossa energiaa on vähemmän.

Vesi voi myös päästä soluun turpoamisvoimien vuoksi. Proteiinit ja muut solun muodostavat aineet, joissa on positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita ryhmiä, houkuttelevat vesidipoleja. Hemiselluloosia ja pektiiniaineita sisältävä soluseinä ja sytoplasma, jossa suurimolekyylisiä polaarisia yhdisteitä muodostavat noin 80 % kuivamassasta, voivat turvota. Vesi tunkeutuu paisumisrakenteeseen diffuusion kautta, veden liike seuraa pitoisuusgradienttia. Turpoamisvoimaa ilmaistaan termillä matriisipotentiaalia(Ψ mat.). Se riippuu solun suurimolekyylisten komponenttien läsnäolosta. Matriisipotentiaali on aina negatiivinen. Hyvin tärkeäΨ matto. on, kun vesi imeytyy rakenteisiin, joissa ei ole tyhjiöitä (siemenet, meristeemisolut).

Veden ominaisuudet ja sen rooli solussa:

Ensimmäisenä solun aineista on vesi. Se muodostaa noin 80 % solun massasta. Vesi on kaksinkertainen merkitys eläville organismeille, koska se on välttämätön paitsi solujen osana, myös monille ja elinympäristönä.

1. Vesi määrää fyysiset ominaisuudet solut - sen tilavuus, joustavuus.

2. Monet kemialliset prosessit tapahtuvat vain vesiliuos.

3. Vesi on hyvä liuotin: monet aineet tulevat soluun ulkoympäristöstä vesiliuoksessa, ja vesiliuoksessa solusta poistuvat jätetuotteet.

4. Vedellä on korkea lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus.

5. Vedellä on ainutlaatuinen ominaisuus: kun se jäähdytetään +4 astetta 0 asteeseen, se laajenee. Siksi jää on kevyempää kuin nestemäinen vesi ja pysyy sen pinnalla. Tämä on erittäin tärkeää alueella eläville organismeille vesiympäristö.

6. Vesi voi olla hyvä voiteluaine.

Veden biologisen roolin määrää sen molekyylien pieni koko, niiden napaisuus ja kyky yhdistyä keskenään vetysidoksilla.

Veden biologiset toiminnot:

kuljetus. Vesi varmistaa aineiden liikkumisen solussa ja kehossa, aineiden imeytymisen ja aineenvaihduntatuotteiden erittymisen. Luonnossa vesi kuljettaa jätetuotteita maaperään ja vesistöihin.

metabolinen. Vesi on väliaine kaikelle biolle kemialliset reaktiot, elektronin luovuttaja fotosynteesissä; se on välttämätöntä makromolekyylien hydrolyysille monomeereiksi.

vesi osallistuu voitelunesteiden ja liman, salaisuuksien ja mehujen muodostumiseen kehossa.

Hyvin harvoja poikkeuksia (luu ja hammaskiille) lukuun ottamatta vesi on solun hallitseva komponentti. Vesi on välttämätön solun aineenvaihduntaan (vaihtoon), koska fysiologiset prosessit tapahtuvat yksinomaan vesiympäristössä. Vesimolekyylit ovat mukana monissa solun entsymaattisissa reaktioissa. Esimerkiksi proteiinien, hiilihydraattien ja muiden aineiden hajoaminen tapahtuu entsyymien katalysoiman vuorovaikutuksen seurauksena veden kanssa. Tällaisia reaktioita kutsutaan hydrolyysireaktioksi.

Vesi toimii vetyionien lähteenä fotosynteesin aikana. Vettä solussa on kahdessa muodossa: vapaana ja sitoutuneena. Vapaa vesi muodostaa 95 % kaikesta solun vedestä ja sitä käytetään pääasiassa liuottimena ja protoplasman kolloidisen järjestelmän dispersioväliaineena. Sitoutunut vesi, jonka osuus kaikesta soluvedestä on vain 4 %, on liitetty löyhästi proteiineihin vetysidoksilla.

Epäsymmetrisestä varausjakaumasta johtuen vesimolekyyli toimii dipolina ja voi siksi sitoutua sekä positiivisesti että negatiivisesti varautuneisiin proteiiniryhmiin. Vesimolekyylin dipoliominaisuus selittää sen kyvyn orientoitua sähkökentässä, kiinnittyä erilaisiin molekyyleihin ja molekyylien osiin, joissa on varaus. Tämä johtaa hydraattien muodostumiseen.

Suuren lämpökapasiteetin ansiosta vesi imee lämpöä ja estää siten äkilliset lämpötilanvaihtelut kennossa. Kehon vesipitoisuus riippuu sen iästä ja aineenvaihdunnan aktiivisuudesta. Se on korkein alkiossa (90 %) ja vähenee vähitellen iän myötä. Eri kudosten vesipitoisuus vaihtelee riippuen niiden metabolisesta aktiivisuudesta. Esimerkiksi aivojen harmaassa aineessa vettä on jopa 80 % ja luissa jopa 20 %. Vesi on tärkein väline aineiden liikuttamiseen kehossa (verenvirtaus, imusolmukkeet, liuosten nousevat ja laskevat virtaukset kasvien verisuonten läpi) ja solussa. Vesi toimii "voiteluaineena", välttämätön kaikkialla, missä on hankauspintoja (esimerkiksi saumoissa). Veden suurin tiheys on 4°C. Siksi jää, jonka tiheys on pienempi, on vettä kevyempää ja kelluu pinnallaan, mikä suojaa säiliötä jäätymiseltä. Tämä veden ominaisuus säästää monien vesieliöiden hengen.

Kasvien solujen, kudosten ja elinten elintärkeä toiminta johtuu veden läsnäolosta. Vesi on perustuslaillinen aine. Määrittämällä solujen sytoplasman ja sen organellien rakenteen, se on molekyylien polaarisuuden vuoksi orgaanisten ja epäorgaaniset yhdisteet osallistuu aineenvaihduntaan ja toimii taustaympäristönä, jossa kaikki biokemialliset prosessit tapahtuvat. Helposti tunkeutuessaan solujen kuorien ja kalvojen läpi, vesi kiertää vapaasti kaikkialla kasvissa varmistaen aineiden siirtymisen ja siten edistäen kehon aineenvaihduntaprosessien yhtenäisyyttä. Korkean läpinäkyvyytensä ansiosta vesi ei häiritse imeytymistä aurinkoenergia klorofylli.

Veden tila kasvisoluissa

Vettä solussa on useissa muodoissa, ne ovat pohjimmiltaan erilaisia. Tärkeimmät ovat perustuslaillinen, solvaatti-, kapillaari- ja varavesi.

Jotkut soluun saapuvista vesimolekyyleistä muodostavat vetysidoksia useiden radikaalimolekyylien kanssa eloperäinen aine. Vetysidokset muodostavat erityisen helposti tällaisia radikaaleja:

Tätä veden muotoa kutsutaan perustuslaillinen . Sen sisällä on kenno, jonka vahvuus on jopa 90 tuhatta barria.

Koska vesimolekyylit ovat dipoleja, ne muodostavat kiinteitä aggregaatteja varautuneiden orgaanisten aineiden molekyylien kanssa. Tällaista vettä, joka liittyy sytoplasman orgaanisten aineiden molekyyleihin sähköisen vetovoiman avulla, kutsutaan ns. solvaatti . Solvaattiveden osuus kasvisolutyypistä riippuen on 4-50 % sen kokonaismäärästä. Solvaattivedellä, kuten perustuslaillisella vedellä, ei ole liikkuvuutta eikä se ole liuotin.

Suuri osa solun vedestä on kapillaari , koska se sijaitsee makromolekyylien välisissä onteloissa. Solvaatti- ja kapillaarivettä pidättelee solu voimalla, jota kutsutaan matriisipotentiaaliksi. Se vastaa 15-150 baria.

Varata jota kutsutaan tyhjiöissä olevaksi vedeksi. Vakuolien sisältö on sokereiden, suolojen ja useiden muiden aineiden liuos. Siksi solu pidättää varaveden voimalla, jonka määrää tyhjiösisällön osmoottisen potentiaalin suuruus.

Kasvisolujen vedenotto

Koska soluissa ei ole aktiivisia kantajia vesimolekyyleille, sen liikkuminen soluihin ja soluista sekä naapurisolujen välillä tapahtuu vain diffuusion lakien mukaisesti. Siksi liuenneiden aineiden pitoisuusgradientit osoittautuvat vesimolekyylien päätekijöiksi.

Kasvisolut iästä ja tilastaan riippuen imevät vettä käyttämällä kolmea peräkkäistä mekanismia: imbibition, solvatation ja osmoosin.

imeytys . Kun siemenet itävät, ne alkavat imeä vettä imeytymismekanismin ansiosta. Tässä tapauksessa protoplastin orgaanisten aineiden tyhjät vetysidokset täyttyvät ja vesi pääsee aktiivisesti soluun ympäristöstä. Verrattuna muihin soluissa toimiviin voimiin, imeytymisvoimat ovat valtavat. Joidenkin vetysidosten kohdalla ne saavuttavat arvon 90 tuhatta barria. Samaan aikaan siemenet voivat turvota ja itää suhteellisen kuivassa maaperässä. Kun kaikki vapaat vetysidokset on täytetty, imeytyminen pysähtyy ja seuraava veden imeytymismekanismi aktivoituu.

ratkaisu . Solvataatioprosessissa veden absorptio tapahtuu rakentamalla hydraatiokerroksia protoplastisten orgaanisten aineiden molekyylien ympärille. Solun kokonaisvesipitoisuus jatkaa kasvuaan. Solvataation intensiteetti riippuu olennaisesti protoplastin kemiallisesta koostumuksesta. Mitä enemmän hydrofiilisiä aineita solussa on, sitä paremmin solvataatiovoimat käytetään. Hydrofiilisyys laskee sarjassa: proteiinit -> hiilihydraatit -> rasvat. Siksi suurin määrä vesi painoyksikköä kohden absorboi proteiinisiemeniä (herneet, pavut, pavut), välituotteena - tärkkelystä (vehnä, ruis) ja pienin - öljysiemeniä (pellava, auringonkukka).

Solvataatiovoimat ovat teholtaan huonompia kuin imeytysvoimat, mutta ne ovat silti melko merkittäviä ja saavuttavat 100 baarin. Solvataatioprosessin lopussa solun vesipitoisuus on niin suuri, että kapillaarikosteus laskeutuu ja tyhjiöitä alkaa muodostua. Solvataatio pysähtyy kuitenkin niiden muodostumishetkestä lähtien, ja veden imeytyminen edelleen on mahdollista vain osmoottisen mekanismin ansiosta.

Osmoosi . Vedenoton osmoottinen mekanismi toimii vain soluissa, joissa on vakuoli. Veden liikkeen suunta tässä tapauksessa määräytyy osmoottiseen järjestelmään sisältyvien liuosten osmoottisten potentiaalien suhteen.

Solumehun osmoottinen potentiaali, jota merkitään R, määräytyy kaavalla:

R = iRct,

Missä R - solumehlan osmoottinen potentiaali

R- kaasuvakio yhtä suuri kuin 0,0821;

T - lämpötila Kelvinin asteikolla;

i- isotoninen kerroin, joka osoittaa liuenneiden aineiden elektrolyyttisen dissosiaation luonteen.

Itse isotoninen suhde on yhtä suuri kuin

Ja= 1 + α ( n + 1),

missä α - elektrolyyttisen dissosiaation aste;

P - ionien lukumäärä, joihin molekyyli hajoaa. Ei-elektrolyyteille P = 1.

Maa-aineksen osmoottinen potentiaali on yleensä merkitty kreikkalaisella kirjaimella π.

Vesimolekyylit siirtyvät aina alhaisemman osmoottisen potentiaalin väliaineesta väliaineeseen, jolla on korkeampi osmoottinen potentiaali. Joten, jos solu on maaperässä (ulkoinen) ratkaisu klo R>π, jolloin vesi pääsee soluihin. Veden virtaus soluun pysähtyy, kun osmoottiset potentiaalit ovat täysin tasaantuneet (tyhjiömehu laimennetaan veden imeytymisen sisäänkäynnissä) tai kun solukalvo saavuttaa venyvyysrajat.

Siten solut saavat vettä ympäristöstä vain yhdellä ehdolla: solumehlan osmoottisen potentiaalin on oltava suurempi kuin ympäröivän liuoksen osmoottinen potentiaali.

Jos R< π, kennosta virtaa vettä ulkoiseen liuokseen. Nestehäviön aikana protoplastin tilavuus pienenee vähitellen, se siirtyy pois kalvosta ja soluun ilmestyy pieniä onteloita. Sellaista tilaa kutsutaan Plasmolyysi . Plasmolyysin vaiheet on esitetty kuvassa. 3.18.

Jos osmoottisten potentiaalien suhde vastaa ehtoa P = π, niin vesimolekyylien diffuusiota ei tapahdu ollenkaan.

Suuri määrä faktaaineistoa osoittaa, että kasvien solumehlan osmoottinen potentiaali vaihtelee melko laajoissa rajoissa. Maatalouskasveissa juurisoluissa se on yleensä amplitudissa 5-10 baaria, lehtisoluissa se voi nousta jopa 40 baariin ja hedelmäsoluissa - jopa 50 baariin. Solonchak-kasveissa solumehlan osmoottinen potentiaali saavuttaa 100 baarin.

Riisi. 3.18.

A - solu turgoritilassa; B - kulmikas; B - kovera; G - kupera; D - kouristeleva; E - korkki. 1 - kuori; 2 - vakuoli; 3 - sytoplasma; 4 - ydin; 5 - Hecht-langat

Vesi on maan yleisin kemiallinen yhdiste, sen suurin massa elävässä organismissa. Veden on arvioitu muodostavan 85 % keskimääräisen tilastollisen solun kokonaismassasta. Ihmissoluissa vettä on keskimäärin noin 64 %. Vesipitoisuus eri soluissa voi kuitenkin vaihdella merkittävästi: 10 %:sta hammaskiilteen soluissa 90 %:iin nisäkkään alkion soluissa. Lisäksi nuoret solut sisältävät enemmän vettä kuin vanhat. Joten vauvan soluissa vettä on 86%, vanhan ihmisen soluissa vain 50%.

Miehillä solujen vesipitoisuus on keskimäärin 63%, naisilla - hieman alle 52%. Mikä sen aiheutti? Osoittautuu, että kaikki on yksinkertaista. Naisen kehossa on paljon rasvakudosta, jonka soluissa on vähän vettä. Siksi naisen kehon vesipitoisuus on noin 6-10 % pienempi kuin miehen.

Veden ainutlaatuiset ominaisuudet johtuvat sen molekyylin rakenteesta. Kemiasta tiedät, että vety- ja happiatomien erilainen elektronegatiivisuus on syy kovalenttisen polaarisen sidoksen esiintymiseen vesimolekyylissä. Vesimolekyyli on kolmion muotoinen (87), jossa sähkövaraukset sijaitsevat epäsymmetrisesti, ja se on dipoli (muista tämän termin määritelmä).

Johtuen yhden vesimolekyylin vetyatomin sähköstaattisesta vetovoimasta toisen molekyylin happiatomiin, vesimolekyylien välille syntyy vetysidoksia.

Rakenteen ja fysiikan ominaisuudet - Kemialliset ominaisuudet vesi (veden kyky olla yleinen liuotin, vaihteleva tiheys, korkea lämpökapasiteetti, korkea pintajännitys, juoksevuus, kapillaarisuus jne.), jotka määräävät sen biologisen merkityksen.

Mitä toimintoja vesi suorittaa kehossa Vesi on liuotin. Vesimolekyylin polaarinen rakenne selittää sen ominaisuudet liuottimena. Vesimolekyylit ovat vuorovaikutuksessa kemikaalien kanssa, joiden alkuaineissa on sähköstaattisia sidoksia, ja hajottavat ne anioneiksi ja kationeiksi, mikä johtaa kemiallisiin reaktioihin. Kuten tiedät, monet kemialliset reaktiot tapahtuvat vain vesiliuoksessa. Samalla vesi pysyy inerttinä, joten sitä voidaan käyttää kehossa toistuvasti. Vesi toimii väliaineena erilaisten aineiden kuljettamiseen kehossa. Sitä paitsi, lopputuotteet aineenvaihdunta erittyy elimistöstä pääasiassa liuenneena.

Elävissä olennoissa on kaksi päätyyppiä ratkaisuja. (Muista ratkaisujen luokittelu.)

Niin sanottu todellinen liuos, kun liuottimen molekyylit ovat samankokoisia kuin liuenneen aineen molekyylit, ne liukenevat. Tämän seurauksena tapahtuu dissosiaatiota ja muodostuu ioneja. Tässä tapauksessa liuos on homogeeninen ja koostuu tieteellisesti yhdestä nestefaasista. Tyypillisiä esimerkkejä ovat mineraalisuolojen, happojen tai alkalien liuokset. Koska tällaisissa liuoksissa on varautuneita hiukkasia, ne pystyvät johtamaan sähköä ja ovat elektrolyyttejä, kuten kaikki kehossa olevat liuokset, mukaan lukien selkärankaisten veri, joka sisältää monia mineraalisuoloja.

Kolloidinen liuos on tapaus, jossa liuotinmolekyylit ovat kooltaan paljon pienempiä kuin liuenneen aineen molekyylit. Tällaisissa liuoksissa aineen hiukkaset, joita kutsutaan kolloidisiksi, liikkuvat vapaasti vesipatsassa, koska niiden vetovoima ei ylitä niiden sidosten voimaa liuotinmolekyyleihin. Tällaista ratkaisua pidetään heterogeenisena, eli se koostuu kahdesta faasista - nestemäisestä ja kiinteästä. Kaikki biologiset nesteet ovat seoksia, jotka sisältävät todellisia ja kolloidisia liuoksia, koska ne sisältävät sekä mineraalisuoloja että valtavia molekyylejä (esimerkiksi proteiineja), joilla on kolloidisten hiukkasten ominaisuuksia. Siksi minkä tahansa solun sytoplasma, eläinten veri tai imusolmuke ja nisäkkäiden maito sisältävät samanaikaisesti ioneja ja kolloidisia hiukkasia.

Kuten luultavasti muistat, biologiset järjestelmät noudattavat kaikkia fysiikan ja kemian lakeja, joten biologisissa ratkaisuissa havaitaan fysikaalisia ilmiöitä, joilla on merkittävä rooli organismien elämässä.

Veden ominaisuudet

Diffuusio (latinasta Difusio - leviäminen, leviäminen, hajoaminen) biologisissa liuoksissa ilmenee taipumuksena tasata liuenneiden aineiden rakenteellisten hiukkasten (ionien ja kolloidisten hiukkasten) pitoisuutta, mikä lopulta johtaa aineen tasaiseen jakautumiseen liuoksessa. Difuusion ansiosta monet yksisoluiset olennot saavat ruokaa, happea ja ravinteita kuljetetaan eläinten kehon läpi ilman verta ja hengityselimiä(muista millaisia eläimiä ne ovat). Lisäksi monien aineiden kuljetus soluihin tapahtuu juuri diffuusion ansiosta.

Toinen fyysinen ilmiö- Osmoosi (kreikasta. Osmoosi - push, paine) - liuottimen liikkuminen puoliläpäisevän kalvon läpi. Osmoosi aiheuttaa veden liikkumisen liuoksesta, jossa on alhainen pitoisuus liuenneita aineita ja korkea H20-pitoisuus liuoksessa. korkea pitoisuus liuenneet aineet ja alhainen vesipitoisuus. SISÄÄN biologiset järjestelmät ah, tämä ei ole muuta kuin veden kuljettamista solutasolla. Siksi osmoosilla on tärkeä rooli monissa biologisia prosesseja. Osmoosin voima varmistaa veden liikkeen kasvi- ja eläinorganismeissa, minkä ansiosta niiden solut vastaanottavat ravinteita ja ylläpitää pysyvää muotoa. On huomattava, että mitä suurempi ero aineen pitoisuudessa on, sitä suurempi on osmoottinen paine. Siksi, jos solut asetetaan hypotoniseen liuokseen, ne turpoavat ja räjähtävät jyrkän veden virtauksen vuoksi.

1. Mikä on veden rakenne?

Vastaus. Vesimolekyylillä on kulmikas rakenne: sen muodostavat ytimet muodostuvat tasakylkinen kolmio, jonka tyvessä on kaksi vetyä ja huipussaan happiatomi. Ydinvälinen O-N etäisyydet lähellä 0,1 nm, vetyatomien ytimien välinen etäisyys on 0,15 nm. Kuudesta elektronista, jotka muodostavat vesimolekyylin happiatomin ulomman elektronikerroksen, kaksi elektroniparia muodostaa kovalenttisia elektroneja O-N liitännät, ja loput neljä elektronia ovat kaksi jakamatonta elektroniparia.

Vesimolekyyli on pieni dipoli, jonka navoissa on positiivisia ja negatiivisia varauksia. Vetyytimien lähellä on elektronitiheyden puute, ja molekyylin vastakkaisella puolella, lähellä happiydintä, on ylimääräinen elektronitiheys. Tämä rakenne määrää vesimolekyylin napaisuuden.

2. Mikä on veden määrä (%) eri soluissa?

Veden määrä vaihtelee eri kudoksissa ja elimissä. Joten ihmisellä aivojen harmaassa aineessa sen pitoisuus on 85% ja luukudoksessa - 22%. Elimistön korkein vesipitoisuus havaitaan alkiokausi(95 %) ja vähenee vähitellen iän myötä.

Vesipitoisuus eri kasvien elimissä vaihtelee melko suurissa rajoissa. Se vaihtelee ympäristöolosuhteiden, iän ja kasvien tyypin mukaan. Siten salaatin lehtien vesipitoisuus on 93-95%, maissi - 75-77%. Veden määrä ei ole sama kasvien eri elimissä: auringonkukan lehdet sisältävät 80-83% vettä, varret - 87-89%, juuret - 73-75%. Vesipitoisuus, joka on 6-11 %, on tyypillistä pääasiassa ilmakuiville siemenille, joissa elintärkeät prosessit estyvät. Vettä on elävissä soluissa, ksyleemin kuolleissa elementeissä ja solujen välisissä tiloissa. Solujen välisissä tiloissa vesi on höyrytilassa. Lehdet ovat kasvin tärkeimmät haihdutuselimet. Tässä suhteessa on luonnollista, että suurin määrä vettä täyttää lehtien solujen väliset tilat. Nestemäisessä tilassa vettä löytyy solun eri osista: solukalvosta, tyhjiöstä, sytoplasmasta. Vakuolit ovat vesirikkain osa solua, jossa sen pitoisuus on 98%. Suurimmalla vesipitoisuudella sytoplasman vesipitoisuus on 95 %. Alhaisin vesipitoisuus on ominaista solukalvoille. Vesipitoisuuden kvantitatiivinen määrittäminen solukalvoissa on vaikeaa; ilmeisesti se vaihtelee 30-50%. Myös veden muodot kasvisolun eri osissa ovat erilaisia.

3. Mikä on veden rooli elävissä organismeissa?

Vastaus. Vesi on kaikkien elävien organismien pääkomponentti. Sillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia rakenteellisista ominaisuuksista johtuen: vesimolekyylit ovat dipolin muotoisia ja niiden väliin muodostuu vetysidoksia. Useimpien elävien organismien solujen keskimääräinen vesipitoisuus on noin 70 %. Solussa olevaa vettä on kahdessa muodossa: vapaana (95 % kaikesta soluvedestä) ja sitoutuneena (4-5 % proteiineihin liittyneenä).

Vesitoiminnot:

1. Vesi liuottimena. Monet solun kemialliset reaktiot ovat ionisia, joten ne tapahtuvat vain vesiympäristössä. Veteen liukenevia aineita kutsutaan hydrofiilisiksi (alkoholit, sokerit, aldehydit, aminohapot), liukenemattomiksi - hydrofobisiksi (rasvahapot, selluloosa).

2. Vesi reagenssina. Vesi on mukana monissa kemiallisissa reaktioissa: polymerisaatioreaktioissa, hydrolyysissä, fotosynteesiprosessissa.

3. Kuljetustoiminto. Siihen liuenneiden aineiden liikkuminen kehon läpi sen eri osiin ja tarpeettomien tuotteiden poistaminen kehosta.

4. Vesi lämmön stabilointiaineena ja termostaattina. Tämä toiminto johtuu sellaisista veden ominaisuuksista kuin korkea lämpökapasiteetti - se pehmentää merkittävien lämpötilan muutosten vaikutusta kehoon. ympäristöön; korkea lämmönjohtavuus - antaa kehon säilyttää saman lämpötilan koko tilavuutensa ajan; korkea haihtumislämpö - käytetään kehon viilentämiseen hikoilun aikana nisäkkäillä ja haihtuessa kasveilla.

5. Rakenteellinen toiminta. Solujen sytoplasma sisältää 60-95% vettä, ja juuri hän antaa soluille normaalin muodon. Kasveissa vesi ylläpitää turgoria (endoplasman kalvon elastisuutta), joissakin eläimissä se toimii hydrostaattisena luurankona (meduusana)

Kysymykset § 7:n jälkeen

1. Mikä on vesimolekyylin rakenteen erityispiirre?

Vastaus. Veden ainutlaatuiset ominaisuudet määräytyvät sen molekyylin rakenteen mukaan. Vesimolekyyli koostuu O-atomista, joka on sitoutunut kahteen H-atomiin polaarisesti kovalenttiset sidokset. Elektronien tyypillinen järjestely vesimolekyylissä antaa sille sähköisen epäsymmetrian. Elektronegatiivisempi happiatomi houkuttelee vetyatomien elektroneja voimakkaammin, minkä seurauksena vesimolekyylin yhteiset elektroniparit siirtyvät sitä kohti. Siksi, vaikka vesimolekyyli kokonaisuudessaan ei ole varautunut, kummallakin kahdella vetyatomilla on osittain positiivinen varaus (merkitty 8+) ja happiatomilla on osittain negatiivinen varaus (8-). Vesimolekyyli on polarisoitunut ja se on dipoli (sillä on kaksi napaa).

Yhden vesimolekyylin happiatomin osittain negatiivista varausta vetää puoleensa muiden molekyylien osittain positiiviset vetyatomit. Siten jokaisella vesimolekyylillä on taipumus vetysidokselle neljän viereisen vesimolekyylin kanssa.

2. Mikä on veden merkitys liuottimena?

Vastaus. Molekyylien polaarisuuden ja vetysidosten muodostamiskyvyn ansiosta vesi liuottaa helposti ioniyhdisteitä (suoloja, happoja, emäksiä). Liukenee hyvin veteen ja joihinkin ionittomiin, mutta polaarisiin yhdisteisiin, eli joiden molekyylissä on varautuneita (polaarisia) ryhmiä, kuten sokereita, yksinkertaisia alkoholeja, aminohappoja. Aineita, jotka liukenevat hyvin veteen, kutsutaan hydrofiilisiksi (kreikan sanasta hygros - märkä ja philia - ystävyys, taipumus). Kun aine liukenee, sen molekyylit tai ionit voivat liikkua vapaammin ja siten aineen reaktiivisuus kasvaa. Tämä selittää, miksi vesi on tärkein väliaine, jossa useimmat kemialliset reaktiot tapahtuvat, ja kaikki hydrolyysireaktiot ja lukuisat redox-reaktiot tapahtuvat veden suoralla osallisuudella.

Aineita, jotka ovat huonosti tai täysin veteen liukenemattomia, kutsutaan hydrofobisiksi (kreikan sanasta phobos - pelko). Näihin kuuluvat rasvat nukleiinihapot, jotkut proteiinit ja polysakkaridit. Tällaiset aineet voivat muodostaa rajapintoja veden kanssa, joissa tapahtuu monia kemiallisia reaktioita. Siksi se, että vesi ei liukene ei-polaarisia aineita, on myös erittäin tärkeää eläville organismeille. Veden fysiologisesti tärkeisiin ominaisuuksiin kuuluu sen kyky liuottaa kaasuja (O2, CO2 jne.).

3. Mikä on veden lämmönjohtavuus ja lämpökapasiteetti?

Vastaus. Vedellä on korkea lämpökapasiteetti, eli kyky absorboida lämpöenergiaa nostamalla minimaalisesti omaa lämpötilaansa. Veden korkea lämpökapasiteetti suojaa kehon kudoksia nopealta ja voimakkaalta lämpötilan nousulta. Monet organismit viilentävät itseään haihduttamalla vettä (kasveissa hikoilu, eläimillä hikoilu).

4. Miksi veden katsotaan olevan ihanteellinen neste solulle?

Vastaus. Solun korkea vesipitoisuus on sen toiminnan tärkein edellytys. Kun suurin osa vedestä menetetään, monet organismit kuolevat ja joukko yksisoluisia ja tasaisia monisoluiset organismit menettää tilapäisesti kaikki elonmerkit. Tätä tilaa kutsutaan keskeytetyksi animaatioksi. Nesteytymisen jälkeen solut heräävät ja aktivoituvat uudelleen.

Vesimolekyyli on sähköisesti neutraali. Mutta sähkövaraus molekyylin sisällä se on jakautunut epätasaisesti: vetyatomien (tarkemmin protonien) alueella positiivinen varaus on vallitseva, alueella, jossa happi sijaitsee, negatiivinen varaustiheys on suurempi. Siksi vesihiukkanen on dipoli. Vesimolekyylin dipoliominaisuus selittää sen kyvyn orientoitua sähkökentässä, kiinnittyä erilaisiin molekyyleihin ja molekyylien osiin, joissa on varaus. Tämän seurauksena muodostuu hydraatteja. Veden kyky muodostaa hydraatteja johtuu sen yleisistä liukenemisominaisuuksista. Jos vesimolekyylien vetovoima aineen molekyyleihin on suurempi kuin vesimolekyylien välinen vetovoima, aine liukenee. Tästä riippuen erotetaan hydrofiiliset (kreikaksi hydros - vesi ja phileo - rakkaus) aineet, jotka liukenevat hyvin veteen (esimerkiksi suolat, emäkset, hapot jne.) ja hydrofobisia (kreikaksi hydros - vesi ja fobos - pelko) ) aineet, tuskin tai ollenkaan veteen liukenevat (rasvat, rasvan kaltaiset aineet, kumi jne.). Osa solukalvot Sisältää rasvamaisia aineita, jotka rajoittavat siirtymistä ulkoisesta ympäristöstä soluihin ja takaisin sekä solun yhdestä osasta toiseen.

Suurin osa solussa tapahtuvista reaktioista voi tapahtua vain vesiliuoksessa. Vesi on suora osallistuja moniin reaktioihin. Esimerkiksi proteiinien, hiilihydraattien ja muiden aineiden hajoaminen tapahtuu entsyymien katalysoiman vuorovaikutuksen seurauksena veden kanssa. Tällaisia reaktioita kutsutaan hydrolyysireaktioksi (kreikaksi hydros - vesi ja lyysi - halkeaminen).

Vedellä on korkea lämpökapasiteetti ja samalla suhteellisen korkea nesteiden lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet tekevät vedestä ihanteellisen nesteen ylläpitämään solun ja organismin lämpötasapainoa.

Vesi on tärkein ympäristö solun biokemiallisten reaktioiden virtaukselle. Se on fotosynteesin aikana vapautuvan hapen ja vedyn lähde, jota käytetään assimilaatiotuotteiden palauttamiseen. hiilidioksidi. Ja lopuksi, vesi on tärkein aineiden kuljetusväline kehossa (veren ja imusolmukkeiden virtaus, liuosten nousevat ja laskevat virtaukset kasvien suonten läpi) ja solussa.

5. Mikä on veden rooli solussa?

Solun elastisuuden varmistaminen. Solun veden menettämisen seuraukset ovat lehtien kuivuminen, hedelmien kuivuminen;

Kemiallisten reaktioiden kiihtyminen, joka johtuu aineiden liukenemisesta veteen;

Aineiden liikkumisen varmistaminen: useimpien aineiden pääsy soluun ja niiden poisto solusta liuosten muodossa;

Monien hajoamisen varmistaminen kemialliset aineet(useita suoloja, sokereita);

Osallistuminen useisiin kemiallisiin reaktioihin;

Osallistuminen lämpösäätelyprosessiin kyvyn hidastaa lämmitystä ja hidasta jäähdytystä.

6. Mitkä veden rakenteelliset ja fysikaalis-kemialliset ominaisuudet määräävät sen biologinen rooli häkissä?

Vastaus. Veden rakenteelliset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät sen biologiset toiminnot.

Vesi on hyvä liuotin. Molekyylien polaarisuuden ja vetysidosten muodostamiskyvyn ansiosta vesi liuottaa helposti ioniyhdisteitä (suoloja, happoja, emäksiä).

Vedellä on korkea lämpökapasiteetti, eli kyky absorboida lämpöenergiaa nostamalla minimaalisesti omaa lämpötilaansa. Veden korkea lämpökapasiteetti suojaa kehon kudoksia nopealta ja voimakkaalta lämpötilan nousulta. Monet organismit viilentävät itseään haihduttamalla vettä (kasveissa hikoilu, eläimillä hikoilu).

Vedellä on myös korkea lämmönjohtavuus, mikä varmistaa tasaisen lämmön jakautumisen koko kehossa. Tämän seurauksena korkea ominaislämpökapasiteetti ja korkea lämmönjohtavuus tekevät vedestä ihanteellisen nesteen ylläpitämään solun ja organismin lämpötasapainoa.

Vesi ei käytännössä puristu, luo turgoripainetta, määrää solujen ja kudosten tilavuuden ja elastisuuden. Joten hydrostaattinen luuranko ylläpitää pyöreämatojen, meduusojen ja muiden organismien muotoa.

Vedelle on ominaista biologisten järjestelmien pintajännitysvoiman optimaalinen arvo, joka syntyy vetysidosten muodostumisesta vesimolekyylien ja muiden aineiden molekyylien välille. Pintajännityksen voimasta johtuen kasveissa tapahtuu kapillaariveren virtausta, liuosten nousevia ja laskevia virtoja.

Tietyissä biokemiallisissa prosesseissa vesi toimii substraattina.