Жасушалардағы судың мөлшері бастап өзгереді. Өсімдік жасушасының химиялық құрамы. Судың еріткіш ретіндегі маңызы қандай

Су тірі жасушаларда, ксилеманың өлі элементтерінде және жасушааралық кеңістікте болады. Жасушааралық кеңістікте су бу күйінде болады. Жапырақтар - өсімдіктің негізгі булану мүшесі. Осыған байланысты судың ең көп мөлшері жапырақтардың жасушааралық кеңістіктерін толтыруы заңды. Сұйық күйде су болады әртүрлі бөліктержасушалар: жасуша мембранасы, вакуоль, протоплазма. Вакуольдер жасушаның суға ең бай бөлігі болып табылады, онда оның мөлшері 98% жетеді. Судың ең жоғары мөлшері кезінде протоплазмадағы су мөлшері 95% құрайды. Ең аз су мөлшері жасуша мембраналарына тән. Жасуша мембраналарындағы судың мөлшерін сандық анықтау қиын; шамасы, ол 30-дан 50% дейін ауытқиды.

Өсімдік жасушасының әртүрлі бөліктеріндегі судың формалары да әртүрлі. Вакуольді жасуша шырынында салыстырмалы түрде төмен молекулалық қосылыстар (осмотикалық байланысқан) және бос су ұсталған су басым болады. Өсімдік жасушасының қабығында су негізінен жоғары полимерлі қосылыстармен (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектинді заттар), яғни коллоидты байланысқан сумен байланысады. Цитоплазманың өзінде коллоидты және осмостық байланысқан бос су болады. Белок молекуласының бетінен 1 нм-ге дейінгі қашықтықта орналасқан су берік байланысқан және дұрыс алтыбұрышты құрылымға ие емес (коллоидты байланысқан су). Сонымен қатар протоплазмада иондардың белгілі бір мөлшері болады, демек, судың бір бөлігі осмостық байланыста болады.

Еркін және байланысқан судың физиологиялық маңызы әртүрлі. Зерттеушілердің көпшілігі физиологиялық процестердің қарқындылығы, соның ішінде өсу қарқыны, ең алдымен, бос судың құрамына байланысты деп санайды. Байланысқан судың құрамы мен өсімдіктердің қолайсыз сыртқы жағдайларға төзімділігі арасында тікелей байланыс бар. Бұл физиологиялық корреляциялар әрдайым байқалмайды.

Өсімдік жасушасы осмос заңдары бойынша суды сіңіреді. Осмос заттардың концентрациясы әртүрлі екі жүйенің қатысуымен, олар жартылай өткізгіш мембранамен байланысқанда байқалады. Бұл жағдайда термодинамика заңдары бойынша концентрациялар мембрана өткізгіш болып табылатын заттың есебінен теңестіріледі.

Осмостық белсенді заттардың концентрациясы әртүрлі екі жүйені қарастырған кезде 1 және 2 жүйелердегі концентрацияларды теңестіру тек су қозғалысының арқасында мүмкін болатыны шығады. 1-жүйеде судың концентрациясы жоғары, сондықтан су ағыны 1-жүйеден 2-жүйеге бағытталады. Тепе-теңдікке жеткенде нақты ағын нөлге тең болады.

Өсімдік жасушасын осмостық жүйе ретінде қарастыруға болады. Жасушаны қоршап тұрған жасуша қабырғасы белгілі серпімділікке ие және созылуы мүмкін. Вакуольде осмостық белсенділігі бар суда еритін заттар (қант, органикалық қышқылдар, тұздар) жиналады. Тонопласт пен плазмалемма бұл жүйеде жартылай өткізгіш мембрана қызметін атқарады, өйткені бұл құрылымдар селективті өткізгіш болып табылады және олар арқылы су жасуша шырынында және цитоплазмада еріген заттарға қарағанда әлдеқайда жеңіл өтеді. Осыған байланысты, егер жасуша осмостық белсенді заттардың концентрациясы жасуша ішіндегі концентрациядан аз болатын (немесе жасуша суға орналастырылған) қоршаған ортаға түссе, осмос заңдары бойынша су жасушаға енуі керек. .

Су молекулаларының бір жерден екінші жерге ауысу қабілеті су потенциалымен (Ψw) өлшенеді. Термодинамика заңдары бойынша су әрқашан су потенциалы жоғары аймақтан потенциалы төмен аймаққа ауысады.

Су потенциалы(Ψ в) – судың термодинамикалық күйінің көрсеткіші. Су молекулаларының кинетикалық энергиясы бар, олар сұйық және су буында ретсіз қозғалады. Молекулалардың концентрациясы жоғары және олардың жалпы кинетикалық энергиясы жоғары жүйеде су потенциалы үлкен болады. Таза (дистильденген) судың максималды су потенциалы бар. Мұндай жүйенің су потенциалы шартты түрде нөл ретінде қабылданады.

Су потенциалының өлшем бірліктері қысым бірліктері: атмосфера, паскаль, бар:

1 Па = 1 Н/м 2 (Н-Ньютон); 1 бар=0,987 атм=10 5 Па=100 кПа;

1 атм = 1,0132 бар; 1000 кПа = 1 МПа

Суда басқа зат ерігенде судың концентрациясы төмендейді, су молекулаларының кинетикалық энергиясы төмендейді, су потенциалы төмендейді. Барлық ерітінділерде су потенциалы таза суға қарағанда төмен, яғни. стандартты жағдайларда ол теріс мән ретінде көрсетіледі. Сандық түрде бұл төмендеу деп аталатын шамамен көрсетіледі осмостық потенциал(Ψ осм.). Осмостық потенциал – еріген заттардың болуына байланысты су потенциалының төмендеуінің өлшемі. Ерітіндідегі еріген заттың молекулалары неғұрлым көп болса, осмостық потенциал соғұрлым аз болады.

Жасушаға су түскенде оның мөлшері ұлғаяды, жасуша ішіндегі гидростатикалық қысым жоғарылайды, бұл плазмалемманы жасуша қабырғасына басуға мәжбүр етеді. Жасуша қабырғасы, өз кезегінде, сипатталатын қарсы қысым көрсетеді қысым потенциалы(Ψ қысым) немесе гидростатикалық потенциал, ол әдетте оң және неғұрлым көп болса, жасушадағы су соғұрлым көп болады.

Сонымен, жасушаның су потенциалы осмостық белсенді заттардың концентрациясына – осмостық потенциалға (Ψ осм.) және қысым потенциалына (Ψ қысым) байланысты.

Жасуша мембранасына су баспаған жағдайда (плазмолиз немесе солу күйі), жасуша мембранасының кері қысымы нөлге тең болса, су потенциалы осмостыққа тең болады:

Ψ in. = Ψ осм.

Жасушаға су кірген кезде жасуша мембранасының кері қысымы пайда болады, су потенциалы осмостық потенциал мен қысым потенциалы арасындағы айырмашылыққа тең болады:

Ψ in. = Ψ осм. + Ψ қысым

Жасуша шырынының осмостық потенциалы мен жасуша мембранасының кері қысымы арасындағы айырмашылық кез келген уақыттағы су ағынын анықтайды.

Жасуша мембранасы шегіне дейін созылған жағдайда, осмостық потенциал жасуша мембранасының қарсы қысымымен толығымен теңестіріледі, су потенциалы нөлге айналады және су жасушаға ағуды тоқтатады:

- Ψ осм. = Ψ қысым , Ψ c. = 0

Су әрқашан теріс су потенциалының бағыты бойынша ағып тұрады: энергиясы көп жүйеден энергиясы аз жүйеге.

Ісіну күштерінің әсерінен су жасушаға да түсуі мүмкін. Оң және теріс зарядталған топтары бар ақуыздар және жасушаны құрайтын басқа заттар су дипольдерін тартады. Құрамында гемицеллюлозалар мен пектин заттары бар жасуша қабырғасы және құрғақ массаның 80% жуығын құрайтын жоғары молекулалы полярлы қосылыстардан тұратын цитоплазма ісінуге қабілетті. Су ісіну құрылымына диффузия арқылы енеді, судың қозғалысы концентрация градиентімен жүреді. Ісіну күші терминмен белгіленеді матрицалық потенциал(Ψ мат.). Бұл жасушаның жоғары молекулалық компоненттерінің болуына байланысты. Матрицалық потенциал әрқашан теріс болады. Үлкен мәнΨ мат. вакуольдері жоқ құрылымдар (тұқымдар, меристема жасушалары) суды сіңіргенде болады.

Судың қасиеттері және оның жасушадағы рөлі:

Жасуша заттарының ішінде бірінші орында су. Ол жасуша массасының шамамен 80% құрайды. Су тірі организмдер үшін екі есе маңызды, өйткені ол тек жасушалардың құрамдас бөлігі ретінде емес, көптеген адамдар үшін және тіршілік ету ортасы ретінде қажет.

1. Су анықтайды физикалық қасиеттеріжасушалар – оның көлемі, серпімділігі.

2. Көптеген химиялық процестер тек онда жүреді сулы ерітінді.

3. Су жақсы еріткіш: жасушаға сыртқы ортадан көптеген заттар сулы ерітіндіде түседі, ал сулы ерітіндіде жасушадан қалдық өнімдер жойылады.

4. Судың жылу сыйымдылығы және жылу өткізгіштігі жоғары.

5. Судың бірегей қасиеті бар: +4 градустан 0 градусқа дейін салқындаған кезде ол кеңейеді. Сондықтан мұз сұйық судан жеңіл және оның бетінде қалады. Бұл тіршілік ететін организмдер үшін өте маңызды су ортасы.

6. Су жақсы майлаушы бола алады.

Судың биологиялық рөлі оның молекулаларының кішігірім мөлшерімен, полярлығымен және бір-бірімен сутегі байланыстары арқылы қосылу қабілетімен анықталады.

Судың биологиялық қызметі:

тасымалдау. Су жасуша мен ағзадағы заттардың қозғалуын, заттардың сіңуін және зат алмасу өнімдерінің шығарылуын қамтамасыз етеді. Табиғатта су қалдық өнімдерді топыраққа және су қоймаларына тасымалдайды.

метаболикалық. Су барлық био үшін орта болып табылады химиялық реакциялар, фотосинтездегі электронды донор; макромолекулалардың мономерлеріне гидролизденуі үшін қажет.

су денеде майлаушы сұйықтықтар мен шырышты, құпияларды және шырындарды қалыптастыруға қатысады.

Өте аз ерекшеліктерді қоспағанда (сүйек және тіс эмаль), су жасушаның басым құрамдас бөлігі болып табылады. Су жасушаның метаболизмі (алмасу) үшін қажет, өйткені физиологиялық процестер тек су ортасында жүреді. Су молекулалары жасушаның көптеген ферментативті реакцияларына қатысады. Мысалы, белоктардың, көмірсулардың және басқа заттардың ыдырауы олардың ферменттермен катализделген сумен әрекеттесуі нәтижесінде жүреді. Мұндай реакциялар гидролиз реакциялары деп аталады.

Су фотосинтез кезінде сутегі иондарының көзі ретінде қызмет етеді. Жасушадағы су екі түрде болады: бос және байланысқан. Бос су жасушадағы барлық судың 95% құрайды және негізінен протоплазманың коллоидтық жүйесі үшін еріткіш және дисперсиялық орта ретінде пайдаланылады. Барлық жасуша суының 4%-ын ғана құрайтын байланысқан су белоктармен сутектік байланыс арқылы еркін байланысқан.

Зарядтың асимметриялық таралуына байланысты су молекуласы диполь ретінде әрекет етеді, сондықтан оң және теріс зарядталған ақуыз топтарымен байланыса алады. Су молекуласының дипольдік қасиеті оның электр өрісінде бағдарлану, зарядты тасымалдайтын әртүрлі молекулалар мен молекулалардың бөлімдеріне қосылу қабілетін түсіндіреді. Бұл гидраттардың пайда болуына әкеледі.

Су өзінің жоғары жылу сыйымдылығына байланысты жылуды сіңіреді және осылайша жасушадағы температураның күрт ауытқуын болдырмайды. Денедегі судың мөлшері оның жасына және метаболикалық белсенділігіне байланысты. Ол эмбрионда ең жоғары (90%) және жасына қарай бірте-бірте азаяды. Әртүрлі ұлпалардың су мөлшері олардың зат алмасу белсенділігіне байланысты өзгереді. Мысалы, мидың сұр затында су 80%-ға дейін, сүйектерде 20%-ға дейін болады. Су организмдегі (қан ағымы, лимфа, ерітінділердің өсімдіктердің тамырлары арқылы көтерілетін және төмендейтін ағындары) және жасушадағы заттарды жылжытудың негізгі құралы болып табылады. Су ысқылау беттері бар жерде (мысалы, буындарда) қажет «майлау» материалы ретінде қызмет етеді. Судың максималды тығыздығы 4 ° C температурада болады. Сондықтан тығыздығы төмен мұз судан жеңіл және оның бетінде қалқып жүреді, бұл су қоймасын қатып қалудан сақтайды. Судың бұл қасиеті көптеген су ағзаларының өмірін сақтайды.

Өсімдіктердің жасушаларының, ұлпаларының және мүшелерінің тіршілік әрекеті судың болуына байланысты. Су – конституциялық зат. Жасушалар мен оның органеллаларының цитоплазмасының құрылымын анықтай отырып, молекулалардың полярлығына байланысты ол органикалық және бейорганикалық қосылыстарзат алмасуға қатысады және барлық биохимиялық процестер жүретін фондық орта қызметін атқарады. Жасушалардың қабықтары мен мембраналары арқылы оңай еніп, су бүкіл өсімдікте еркін айналады, заттардың тасымалдануын қамтамасыз етеді және сол арқылы организмдегі метаболикалық процестердің бірлігіне ықпал етеді. Мөлдірлігі жоғары болғандықтан, су сіңіруге кедергі жасамайды күн энергиясыхлорофилл.

Өсімдік жасушаларындағы судың күйі

Жасушадағы су бірнеше формада ұсынылған, олар түбегейлі ерекшеленеді. Олардың негізгілері конституциялық, сольваттық, капиллярлық және резервтік сулар.

Жасушаға түсетін су молекулаларының бір бөлігі бірқатар радикалды молекулалармен сутектік байланыс түзеді. органикалық заттар. Сутегі байланыстары әсіресе оңай осындай радикалдарды түзеді:

Судың бұл түрі деп аталады конституциялық . Ол 90 мың барр-ге дейінгі беріктігі бар ұяшықтан тұрады.

Су молекулалары диполь болғандықтан органикалық заттардың зарядталған молекулалары бар қатты агрегаттар түзеді. Электрлік тартылыс күшімен цитоплазманың органикалық заттардың молекулаларымен байланысқан мұндай су деп аталады. сольват . Өсімдік жасушасының түріне байланысты сольват суы оның жалпы мөлшерінің 4-тен 50%-ға дейін құрайды. Сольват суы, конституциялық су сияқты, қозғалғыштығы жоқ және еріткіш емес.

Жасушаның суының көп бөлігі капилляр , өйткені ол макромолекулалар арасындағы қуыстарда орналасады. Сольват пен капиллярлық суды жасуша матрицалық потенциал деп аталатын күшпен ұстайды. Ол 15-150 барға тең.

Резерв вакуольдердің ішіндегі суды атайды. Вакуольдердің құрамы қанттардың, тұздардың және басқа да бірқатар заттардың ерітіндісі болып табылады. Сондықтан резервтік суды жасуша вакуольді құрамның осмостық потенциалының шамасымен анықталатын күшпен ұстайды.

Өсімдік жасушаларының суды қабылдауы

Жасушаларда су молекулаларының белсенді тасымалдаушылары болмағандықтан, оның жасушалардың ішіне және сыртына, сондай-ақ көрші жасушалар арасында қозғалысы тек диффузия заңдары бойынша жүзеге асырылады. Сондықтан еріген зат концентрациясының градиенттері су молекулаларының негізгі қозғаушы күші болып шығады.

Өсімдік жасушалары жасына және жағдайына байланысты суды үш механизмнің бірізді қосылуы арқылы сіңіреді: имбибиция, сольватация және осмос.

сіңіру . Тұқымдар өніп шыққанда, ол сіңіру механизмінің арқасында суды сіңіре бастайды. Бұл жағдайда протопласттың органикалық заттарының бос сутектік байланыстары толтырылады және су қоршаған ортадан жасушаға белсенді түрде түседі. Жасушаларда әрекет ететін басқа күштермен салыстырғанда имбибциялық күштер орасан зор. Кейбір сутектік байланыстар үшін олар 90 мың барр шамасына жетеді. Бұл кезде тұқымдар салыстырмалы түрде құрғақ топырақта ісініп, өне алады. Барлық бос сутегі байланыстары толтырылғаннан кейін имбибиция тоқтайды және суды сіңірудің келесі механизмі іске қосылады.

шешу . Сольватация процесінде суды сіңіру протопласт органикалық заттардың молекулаларының айналасында гидратация қабаттарын салу арқылы жүреді. Жасушаның жалпы су мөлшері арта береді. Сольватацияның қарқындылығы негізінен протопласттың химиялық құрамына байланысты. Жасушадағы гидрофильді заттар неғұрлым көп болса, соғұрлым сольватациялық күштер толық қолданылады. Гидрофильділік қатарда төмендейді: белоктар -> көмірсулар -> майлар. Сондықтан ең үлкен сансалмақ бірлігіне су сольватация арқылы белокты тұқымдарды (бұршақ, бұршақ, үрме бұршақ), аралық – крахмалды (бидай, қара бидай), ең кішісі – майлы дақылдарды (зығыр, күнбағыс) сіңіреді.

Шешім күштері имбибиция күштерінен төмен, бірақ олар әлі де айтарлықтай маңызды және 100 барға жетеді. Сольвация процесінің соңында жасушадағы су мөлшерінің көптігі сонша, капиллярлық ылғалдылық шөгеді де, вакуольдер пайда бола бастайды. Бірақ олар пайда болған сәттен бастап сольватация тоқтайды, ал суды одан әрі сіңіру тек осмостық механизмнің арқасында мүмкін болады.

Осмос . Суды сіңірудің осмостық механизмі вакуольі бар жасушаларда ғана жұмыс істейді. Бұл жағдайда су қозғалысының бағыты осмостық жүйеге кіретін ерітінділердің осмостық потенциалдарының қатынасымен анықталады.

Жасуша шырынының осмостық потенциалы, деп белгіленеді R,формуласымен анықталады:

Р = iRct,

Қайда R -жасуша шырынының осмостық потенциалы

R-газ тұрақтысы 0,0821 тең;

Т -Кельвин шкаласы бойынша температура;

мен- еріген заттардың электролиттік диссоциациясының сипатын көрсететін изотоникалық коэффициент.

Изотоникалық қатынастың өзі тең

Және= 1 + α ( n + 1),

мұндағы α - электролиттік диссоциация дәрежесі;

P -молекула диссоциацияланатын иондар саны. Электролиттер еместер үшін П = 1.

Топырақ ерітіндісінің осмостық потенциалы әдетте гректің π әрпімен белгіленеді.

Су молекулалары әрқашан осмостық потенциалы төмен ортадан осмостық потенциалы жоғары ортаға ауысады. Сонымен, жасуша топырақта (сыртқы) ерітіндіде болса R>π, содан кейін су жасушаларға енеді. Жасушаға судың ағуы осмостық потенциалдар толық теңестірілгенде (вакуольді шырын суды сіңірудің кіре берісінде сұйылтылған) немесе жасуша қабықшасы созылу шегіне жеткенде тоқтайды.

Осылайша, жасушалар қоршаған ортадан суды тек бір жағдайда алады: жасуша шырынының осмостық потенциалы қоршаған ерітіндінің осмостық потенциалынан жоғары болуы керек.

Егер Р< π, жасушадан сыртқы ерітіндіге судың шығуы бар. Сұйықтықты жоғалту барысында протопластың көлемі бірте-бірте азаяды, ол мембранадан алыстап, жасушада ұсақ қуыстар пайда болады. Мұндай мемлекет деп аталады Плазмолиз . Плазмолиз кезеңдері күріште көрсетілген. 3.18.

Егер осмостық потенциалдардың қатынасы P = π шартына сәйкес келсе, онда су молекулаларының диффузиясы мүлде болмайды.

Өсімдіктердің жасуша шырынының осмостық потенциалы айтарлықтай кең шектерде өзгеретінін фактілік материалдардың көп мөлшері көрсетеді. Ауылшаруашылық өсімдіктерінде тамыр жасушаларында әдетте 5-10 бар амплитудада жатады, жапырақ жасушаларында 40 барға дейін, ал жеміс жасушаларында 50 барға дейін көтерілуі мүмкін. Сортаң өсімдіктерде жасуша шырынының осмостық потенциалы 100 барға жетеді.

Күріш. 3.18.

А – тургор күйіндегі жасуша; B - бұрыштық; B - ойыс; G - дөңес; D - конвульсиялық; E - қалпақ. 1 - қабық; 2 – вакуоль; 3 - цитоплазма; 4 - өзек; 5 - Hecht жіптері

Су – жер бетіндегі ең көп таралған химиялық қосылыс, оның тірі организмдегі ең үлкен массасы. Орташа статистикалық ұяшықтың жалпы массасының 85% су құрайды деп бағаланады. Ал адам жасушаларында су орта есеппен шамамен 64% құрайды. Дегенмен, әртүрлі жасушалардағы судың мөлшері айтарлықтай өзгеруі мүмкін: тіс эмалінің жасушаларында 10% -дан сүтқоректілер эмбрионының жасушаларында 90% -ға дейін. Сонымен қатар, жас жасушаларда ескіге қарағанда көбірек су бар. Сонымен, нәресте жасушаларында су 86%, қарт адамның жасушаларында 50% ғана.

Еркектерде жасушалардағы су мөлшері орта есеппен 63%, әйелдерде - 52% -дан сәл аз. Оған не себеп болды? Барлығы қарапайым болып шықты. Әйел денесінде майлы тіндер көп, оның жасушаларында су аз. Сондықтан әйел денесінде су мөлшері ерлерге қарағанда шамамен 6-10% төмен.

Судың бірегей қасиеттері оның молекуласының құрылымына байланысты. Химия курсынан сіз сутегі мен оттегі атомдарының әртүрлі электртерістігі су молекуласында ковалентті полярлық байланыстың пайда болуына себеп болатынын білесіз. Су молекуласы үшбұрыштың (87) пішініне ие, онда электр зарядтары ассиметриялы орналасқан және диполь болып табылады (бұл терминнің анықтамасын есте сақтаңыз).

Бір су молекуласының сутегі атомының екінші молекуланың оттегі атомына электростатикалық тартылуына байланысты су молекулалары арасында сутектік байланыстар пайда болады.

Құрылымы мен физикалық ерекшеліктері — Химиялық қасиеттерісу (судың әмбебап еріткіш болу қабілеті, тығыздығы ауыспалы, жоғары жылу сыйымдылығы, жоғары беттік керілу, аққыштық, капиллярлық және т.б.), оның биологиялық маңызын анықтайды.

Су организмде қандай қызмет атқарады?Су еріткіш. Су молекуласының полярлық құрылымы оның еріткіш ретіндегі қасиеттерін түсіндіреді. Су молекулалары элементтері электростатикалық байланысы бар химиялық заттармен әрекеттеседі және оларды аниондар мен катиондарға ыдыратады, бұл химиялық реакцияларға әкеледі. Өздеріңіз білетіндей, көптеген химиялық реакциялар тек сулы ерітіндіде жүреді. Сонымен қатар, судың өзі инертті болып қалады, сондықтан оны денеде бірнеше рет қолдануға болады. Су ағзадағы әртүрлі заттарды тасымалдау үшін орта ретінде қызмет етеді. Сонымен қатар, соңғы өнімдерметаболизмі организмнен негізінен еріген күйінде шығарылады.

Тірі организмдердегі шешімдердің екі негізгі түрі бар. (Ерітінділердің жіктелуін есте сақтаңыз.)

Шынайы ерітінді деп аталады, еріткіштің молекулалары еріген заттың молекулаларымен бірдей болғанда, олар ериді. Нәтижесінде диссоциация жүреді және иондар түзіледі. Бұл жағдайда ерітінді біртекті және ғылыми тілде бір сұйық фазадан тұрады. Типтік мысалдар - минералды тұздардың, қышқылдардың немесе сілтілердің ерітінділері. Мұндай ерітінділерде зарядталған бөлшектер болғандықтан, олар өткізуге қабілетті электр тоғыжәне көптеген минералды тұздары бар омыртқалы жануарлардың қанын қоса, организмде кездесетін барлық ерітінділер сияқты электролиттер болып табылады.

Коллоидты ерітінді деп еріткіш молекулаларының мөлшері еріген заттың молекулаларынан әлдеқайда кіші болған жағдайды айтады. Мұндай ерітінділерде заттың коллоидты деп аталатын бөлшектері су бағанында еркін қозғалады, өйткені олардың тартылу күші олардың еріткіш молекулаларымен байланыс күшінен аспайды. Мұндай ерітінді гетерогенді болып саналады, яғни екі фазадан тұрады - сұйық және қатты. Барлық биологиялық сұйықтықтар шынайы және коллоидты ерітінділерді қамтитын қоспалар болып табылады, өйткені олардың құрамында минералды тұздар да, коллоидты бөлшектердің қасиеттері бар үлкен молекулалар (мысалы, белоктар) болады. Сондықтан кез келген жасушаның цитоплазмасында, жануарлардың қанында немесе лимфасында, сүтқоректілердің сүтінде бір мезгілде иондар мен коллоидтық бөлшектер болады.

Естеріңізде болса керек, биологиялық жүйелер физика мен химияның барлық заңдарына бағынады, сондықтан биологиялық ерітінділерде организмдер өмірінде маңызды рөл атқаратын физикалық құбылыстар байқалады.

Судың қасиеттері

Биологиялық ерітінділердегі диффузия (латын тілінен Difusio – таралу, таралу, таралу) еріген заттардың (иондар мен коллоидтық бөлшектердің) құрылымдық бөлшектерінің концентрациясын теңестіру тенденциясы ретінде көрінеді, бұл ақыр соңында ерітіндідегі заттың біркелкі таралуына әкеледі. Диффузияның арқасында көптеген біржасушалы тіршілік иелері қоректенеді, оттегі мен қоректік заттар қансыз және жануарлардың денесі арқылы тасымалданады. тыныс алу жүйелері(олардың қандай жануарлар екенін еске түсіру). Сонымен қатар, көптеген заттардың жасушаларға тасымалдануы диффузияның арқасында жүзеге асырылады.

Басқа физикалық құбылыс- осмос (грек тілінен. Osmosis - итеру, қысым) - еріткіштің жартылай өткізгіш мембрана арқылы қозғалуы. Осмос еріген заттардың төмен концентрациясы және ерітіндідегі H20 мөлшері жоғары ерітіндіден судың қозғалуын тудырады. жоғары концентрацияеріген заттар мен судың аз мөлшері. IN биологиялық жүйелербұл жасуша деңгейінде суды тасымалдаудан басқа ештеңе емес. Сондықтан осмос көптеген адамдарда маңызды рөл атқарады биологиялық процестер. Осмос күші өсімдіктер мен жануарлар организмдеріндегі судың қозғалысын қамтамасыз етеді, соның арқасында олардың жасушалары алады қоректік заттаржәне тұрақты пішінді сақтайды. Айта кету керек, заттың концентрациясының айырмашылығы неғұрлым көп болса, осмостық қысым соғұрлым жоғары болады. Сондықтан жасушаларды гипотоникалық ерітіндіге салса, олар судың күрт түсуінен ісініп, жарылып кетеді.

1. Судың құрылысы қандай?

Жауап. Су молекуласының бұрыштық құрылымы бар: оның құрамдас ядролары тең қабырғалы үшбұрыш, оның негізінде екі сутегі және шыңында оттегі атомы бар. Ядроаралық O-N қашықтықтары 0,1 нм-ге жақын, сутегі атомдарының ядролары арасындағы қашықтық 0,15 нм. Су молекуласындағы оттегі атомының сыртқы электронды қабатын құрайтын алты электронның екі электрон жұбы ковалентті O-N қосылымдары, ал қалған төрт электрон бөлінбеген екі электрон жұбы.

Су молекуласы - полюстерінде оң және теріс зарядтары бар шағын диполь. Сутегі ядроларының жанында электрон тығыздығы жетіспейді, ал молекуланың қарама-қарсы жағында, оттегі ядросының жанында электрон тығыздығы артық болады. Дәл осы құрылым су молекуласының полярлығын анықтайды.

2. Әртүрлі жасушалардағы судың мөлшері (%-бен) қандай?

Әр түрлі ұлпалар мен мүшелерде судың мөлшері әртүрлі. Сонымен, адамда мидың сұр затында оның мөлшері 85%, ал сүйек тінінде - 22%. Денедегі ең жоғары су мөлшері байқалады эмбриональды кезең(95%) және жасына қарай бірте-бірте азаяды.

Өсімдіктердің әртүрлі мүшелеріндегі су мөлшері өте кең шектерде өзгереді. Ол қоршаған орта жағдайларына, өсімдіктердің жасына және түріне байланысты өзгереді. Сонымен, салат жапырақтарында су мөлшері 93-95%, жүгеріде 75-77% құрайды. Өсімдіктердің әр түрлі мүшелерінде су мөлшері бірдей емес: күнбағыс жапырақтарында 80-83%, сабағында 87-89%, тамырында 73-75% су болады. Судың мөлшері 6-11%-ға тең, негізінен тіршілік процестері тежелетін ауада кептірілген тұқымдарға тән. Су тірі жасушаларда, ксилеманың өлі элементтерінде және жасушааралық кеңістікте болады. Жасушааралық кеңістікте су бу күйінде болады. Жапырақтар - өсімдіктің негізгі булану мүшесі. Осыған байланысты судың ең көп мөлшері жапырақтардың жасушааралық кеңістіктерін толтыруы заңды. Сұйық күйінде су жасушаның әртүрлі бөліктерінде: жасуша мембранасында, вакуольде, цитоплазмада болады. Вакуольдер жасушаның суға ең бай бөлігі болып табылады, онда оның мөлшері 98% жетеді. Судың ең жоғары мөлшері кезінде цитоплазмадағы су мөлшері 95% құрайды. Ең аз су мөлшері жасуша мембраналарына тән. Жасуша мембраналарындағы судың мөлшерін сандық анықтау қиын; шамасы, ол 30-дан 50% дейін ауытқиды. Өсімдік жасушасының әртүрлі бөліктеріндегі судың формалары да әртүрлі.

3. Судың тірі ағзалардағы рөлі қандай?

Жауап. Су барлық тірі организмдердің басым құрамдас бөлігі болып табылады. Ол құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты бірегей қасиеттерге ие: су молекулалары диполь түрінде болады және олардың арасында сутектік байланыстар пайда болады. Көптеген тірі организмдердің жасушаларындағы судың орташа мөлшері шамамен 70% құрайды. Жасушадағы су екі түрде болады: бос (барлық жасуша суының 95%-ы) және байланысқан (ақуыздармен байланысқан 4-5%).

Су функциялары:

1. Су еріткіш ретінде. Жасушадағы көптеген химиялық реакциялар иондық, сондықтан олар тек су ортасында жүреді. Суда еритін заттар гидрофильді (спирттер, қанттар, альдегидтер, амин қышқылдары), ерімейтіндер – гидрофобтылар (май қышқылдары, целлюлоза) деп аталады.

2. Реагент ретінде су. Су көптеген химиялық реакцияларға қатысады: полимерлену реакцияларына, гидролизге, фотосинтез процесіне.

3. Тасымалдау функциясы. Денеде еріген заттардың сумен бірге оның әртүрлі бөліктеріне өтуі және денеден қажет емес өнімдерді шығару.

4. Жылу тұрақтандырғыш және термостат ретінде су. Бұл функция судың жоғары жылу сыйымдылығы сияқты қасиеттеріне байланысты - ол температураның айтарлықтай өзгеруінің денеге әсерін жұмсартады қоршаған орта; жоғары жылу өткізгіштік - дененің бүкіл көлемінде бірдей температураны сақтауға мүмкіндік береді; буланудың жоғары жылуы - сүтқоректілерде терлеу және өсімдіктерде транспирация кезінде денені салқындату үшін қолданылады.

5. Құрылымдық функция. Жасушалардың цитоплазмасында 60-95% су болады және жасушаларға қалыпты пішінді береді. Өсімдіктерде су тургорды (эндоплазмалық мембрананың серпімділігін) сақтайды, кейбір жануарларда гидростатикалық қаңқа (медузалар) қызметін атқарады.

§ 7-ден кейінгі сұрақтар

1. Су молекуласының құрылысының ерекшелігі неде?

Жауап. Судың бірегей қасиеттері оның молекуласының құрылымымен анықталады. Су молекуласы екі Н атомымен полярлық байланысқан О атомынан тұрады коваленттік байланыстар. Су молекуласындағы электрондардың сипатты орналасуы оған электрлік асимметрия береді. Неғұрлым электртеріс оттегі атомы сутегі атомдарының электрондарын күштірек тартады, нәтижесінде су молекуласындағы электрондардың ортақ жұптары оған қарай ығысады. Сондықтан су молекуласы тұтас зарядталмағанымен, екі сутегі атомының әрқайсысы жартылай оң зарядты (8+ деп белгілейді), ал оттегі атомы ішінара теріс зарядты (8-) алып жүреді. Су молекуласы поляризацияланған және диполь (екі полюсі бар).

Бір су молекуласының оттегі атомының ішінара теріс заряды басқа молекулалардың жартылай оң сутегі атомдарымен тартылады. Осылайша, әрбір су молекуласы төрт көрші су молекуласымен сутегі байланысына бейім.

2. Судың еріткіш ретіндегі маңызы қандай?

Жауап. Молекулалардың полярлығы мен сутектік байланыс түзу қабілетіне байланысты су иондық қосылыстарды (тұздар, қышқылдар, негіздер) оңай ерітеді. Суда және кейбір иондық емес, бірақ полярлы қосылыстарда жақсы ериді, яғни молекуласында қанттар, жай спирттер, амин қышқылдары сияқты зарядталған (полярлық) топтар бар. Суда жақсы еритін заттарды гидрофильді (грек тілінен аударғанда hygros – ылғалды және philia – достық, бейімділік) деп атайды. Зат ерітіндіге түскенде оның молекулалары немесе иондары еркін қозғала алады, демек, заттың реактивтілігі артады. Бұл судың көптеген химиялық реакциялар жүретін негізгі орта екенін және барлық гидролиз реакциялары мен көптеген тотығу-тотықсыздану реакцияларының судың тікелей қатысуымен өтетінін түсіндіреді.

Суда нашар немесе толық ерімейтін заттарды гидрофобты деп атайды (грек тілінен аударғанда phobos – қорқыныш). Оларға майлар жатады нуклеин қышқылдары, кейбір белоктар мен полисахаридтер. Мұндай заттар сумен байланыс түзе алады, оларда көптеген химиялық реакциялар жүреді. Сондықтан судың полярлы емес заттарды ерітпеуі де тірі организмдер үшін өте маңызды. Судың физиологиялық маңызды қасиеттерінің қатарында оның газдарды (О2, СО2 және т.б.) еріту қабілеті бар.

3. Судың жылу өткізгіштігі мен жылу сыйымдылығы дегеніміз не?

Жауап. Судың жоғары жылу сыйымдылығы бар, яғни өзінің температурасының минималды жоғарылауымен жылу энергиясын сіңіру қабілеті. Судың жоғары жылу сыйымдылығы дене тіндерін температураның тез және күшті көтерілуінен қорғайды. Көптеген организмдер суды булану арқылы суытады (өсімдіктердегі транспирация, жануарларда терлеу).

4. Неліктен су жасуша үшін идеалды сұйықтық болып саналады?

Жауап. Жасушадағы судың көп болуы оның белсенділігінің ең маңызды шарты болып табылады. Судың көп бөлігін жоғалтумен көптеген организмдер өледі, ал бірқатар біржасушалы және тіпті көп жасушалы организмдерөмірдің барлық белгілерін уақытша жоғалтады. Бұл күй тоқтатылған анимация деп аталады. Ылғалдандырудан кейін жасушалар оянып, қайтадан белсенді болады.

Су молекуласы электрлік бейтарап. Бірақ электр зарядымолекуланың ішінде біркелкі таралмаған: сутегі атомдары (дәлірек айтқанда, протондар) аймағында оң заряд басым, оттегі орналасқан аймақта теріс заряд тығыздығы жоғары. Демек, судың бөлшегі диполь болып табылады. Су молекуласының дипольдік қасиеті оның электр өрісінде бағдарлану, зарядты тасымалдайтын әртүрлі молекулалар мен молекулалардың бөлімдеріне қосылу қабілетін түсіндіреді. Нәтижесінде гидраттар түзіледі. Судың гидрат түзу қабілеті оның әмбебап еріткіш қасиетіне байланысты. Егер су молекулаларының зат молекулаларына тартылу энергиясы су молекулаларының арасындағы тартылу энергиясынан үлкен болса, онда зат ериді. Осыған байланысты гидрофильді (грекше hydros – су және phileo – сүйіспеншілік) суда жақсы еритін (мысалы, тұздар, сілтілер, қышқылдар, т.б.) және гидрофобты (грекше hydros – су және phobos – қорқыныш) заттар бөлінеді. ) суда қиын немесе мүлде ерімейтін заттар (майлар, май тәрізді заттар, резеңке және т.б.). Бөлім жасуша мембраналарысыртқы ортадан жасушаларға және кері, сондай-ақ жасушаның бір бөлігінен екіншісіне өтуді шектейтін май тәрізді заттар кіреді.

Жасушада жүретін реакциялардың көпшілігі тек сулы ерітіндіде ғана жүруі мүмкін. Су көптеген реакциялардың тікелей қатысушысы. Мысалы, белоктардың, көмірсулардың және басқа заттардың ыдырауы олардың ферменттермен катализделген сумен әрекеттесуі нәтижесінде жүреді. Мұндай реакциялар гидролиз реакциялары (грекше hydros – су және lysis – бөліну) деп аталады.

Судың жоғары жылу сыйымдылығы және сонымен бірге сұйықтықтар үшін салыстырмалы түрде жоғары жылу өткізгіштігі бар. Бұл қасиеттер суды жасуша мен ағзаның жылулық тепе-теңдігін сақтау үшін тамаша сұйықтыққа айналдырады.

Су – жасушаның биохимиялық реакцияларының жүруінің негізгі ортасы. Ол фотосинтез кезінде бөлінетін оттегінің және ассимиляция өнімдерін қалпына келтіру үшін қолданылатын сутегінің көзі болып табылады. Көмір қышқыл газы. Ал, ақырында, су организмдегі (қан мен лимфа ағыны, ерітінділердің өсімдіктердің тамырлары арқылы көтерілетін және төмендейтін ағындары) және жасушадағы заттарды тасымалдаудың негізгі құралы болып табылады.

5. Жасушадағы судың рөлі қандай

Жасушаның серпімділігін қамтамасыз ету. Жасушаның суды жоғалтуының салдары жапырақтардың солуы, жемістердің кебуі;

Заттардың суда еруіне байланысты химиялық реакциялардың жылдамдауы;

Заттардың қозғалысын қамтамасыз ету: заттардың көпшілігінің жасушаға түсуі және оларды ерітінді түрінде жасушадан шығару;

Көптің ыдырауын қамтамасыз ету химиялық заттар(бірқатар тұздар, қанттар);

Бірқатар химиялық реакцияларға қатысу;

Баяу қыздыру және баяу салқындату қабілетіне байланысты терморегуляция процесіне қатысу.

6. Судың қандай құрылымдық және физика-химиялық қасиеттері оны анықтайды биологиялық рөліторда?

Жауап. Судың құрылымдық физикалық және химиялық қасиеттері оның биологиялық қызметтерін анықтайды.

Су жақсы еріткіш болып табылады. Молекулалардың полярлығы мен сутектік байланыс түзу қабілетіне байланысты су иондық қосылыстарды (тұздар, қышқылдар, негіздер) оңай ерітеді.

Судың жоғары жылу сыйымдылығы бар, яғни өзінің температурасының минималды жоғарылауымен жылу энергиясын сіңіру қабілеті. Судың жоғары жылу сыйымдылығы дене тіндерін температураның тез және күшті көтерілуінен қорғайды. Көптеген организмдер суды булану арқылы суытады (өсімдіктердегі транспирация, жануарларда терлеу).

Судың да жылу өткізгіштігі жоғары, бұл бүкіл денеге жылудың біркелкі таралуын қамтамасыз етеді. Демек, жоғары меншікті жылу сыйымдылығы мен жоғары жылу өткізгіштігі суды жасуша мен ағзаның жылулық тепе-теңдігін сақтау үшін тамаша сұйықтыққа айналдырады.

Су іс жүзінде қысылмайды, тургор қысымын жасайды, жасушалар мен тіндердің көлемі мен серпімділігін анықтайды. Сонымен, бұл дөңгелек құрттардың, медузаның және басқа да ағзалардың пішінін сақтайтын гидростатикалық қаңқа.

Су су молекулалары мен басқа заттардың молекулалары арасында сутектік байланыстардың түзілуіне байланысты пайда болатын биологиялық жүйелер үшін беттік керілу күшінің оңтайлы мәнімен сипатталады. Беттік керілу күшінің әсерінен капиллярлық қан ағымы, өсімдіктерде ерітінділердің көтерілетін және төмендейтін ағындары пайда болады.

Кейбір биохимиялық процестерде су субстрат ретінде әрекет етеді.