Unde este apa în celulă. Apa și semnificația ei biologică. Care este importanța apei ca solvent

ÎN Scoarta terestra găsit în jur de 100 elemente chimice, dar doar 16 dintre ele sunt necesare pentru viață. Cele mai frecvente în organismele vegetale sunt patru elemente - hidrogen, carbon, oxigen, azot, care formează diverse substanțe. Componentele principale celula plantei sunt apa, substanțele organice și minerale.

Apă- baza vietii. Conținutul de apă din celulele vegetale variază de la 90 la 10%. Este o substanță unică datorită proprietăților sale chimice și fizice. Apa este necesară pentru procesul de fotosinteză, transportul de substanțe, creșterea celulelor, este mediul pentru multe bio reacții chimice, solvent universal etc.

Minerale (cenusa)- substanțe care rămân după arderea unei bucăți dintr-un organ. Conținutul de elemente de cenușă variază de la 1% până la 12% greutate uscată. Aproape toate elementele care alcătuiesc apa și solul se găsesc în plantă. Cele mai frecvente sunt potasiu, calciu, magneziu, fier, siliciu, sulf, fosfor, azot (macroelemente) și cuprul, aluminiu, clor, molibden, bor, zinc, litiu, aurul (microelemente). Mineralele joacă un rol important în viața celulelor - fac parte din aminoacizi, enzime, ATP, lanțuri de transport de electroni, sunt necesare pentru stabilizarea membranei, participă la procesele metabolice etc.

materie organică Celulele vegetale sunt împărțite în: 1) carbohidrați, 2) proteine, 3) lipide, 4) acizi nucleici, 5) vitamine, 6) fitohormoni, 7) produse ale metabolismului secundar.

Carbohidrați alcătuiesc până la 90% din substanțele care alcătuiesc celula vegetală. Distinge:

Monozaharide (glucoză, fructoză). Monozaharidele se formează în frunze în timpul fotosintezei și sunt ușor transformate în amidon. Se acumulează în fructe, mai rar în tulpini, bulbi. Monozaharidele sunt transportate de la celulă la celulă. Sunt un material energetic, participă la formarea glicozidelor.

Dizaharidele (zaharoză, maltoză, lactoză etc.) sunt formate din două particule de monozaharide. Se acumulează în rădăcini și fructe.

Polizaharidele sunt polimeri care sunt foarte răspândiți în celulele vegetale. Acest grup de substanțe include amidon, inulină, celuloză, hemiceluloză, pectină, caloză.

Amidonul este principalul substanță de rezervă celula plantei. Amidonul primar se formează în cloroplaste. În părțile verzi ale plantei, este împărțit în mono- și dizaharide și transportat de-a lungul floemului venelor către părțile în creștere ale plantei și organele de depozitare. În leucoplastele organelor de depozitare, amidonul secundar este sintetizat din zaharoză sub formă de boabe de amidon.

Molecula de amidon este compusă din amiloză și amilopectină. Lanțurile liniare de amiloză, constând din câteva mii de reziduuri de glucoză, sunt capabile să se ramifice elicoidal și astfel să ia o formă mai compactă. În amilopectina polizaharidă ramificată, compactitatea este asigurată prin ramificare intensivă a lanțului datorită formării legăturilor 1,6-glicozidice. Amilopectina conține aproximativ de două ori mai multe reziduuri de glucoză decât amiloza.

Cu soluția Lugol, o suspensie apoasă de amiloză dă o culoare albastru închis, suspensie de amilopectină - roșu-violet, suspensie de amidon - albastru-violet.

Inulina este un polimer al fructozei, un carbohidrat de stocare din familia asterilor. Se găsește în celule într-o formă dizolvată. Nu se colorează cu soluție de iod, se colorează roșu cu β-naftol.

Celuloza este un polimer al glucozei. Celuloza conține aproximativ 50% din carbonul din plantă. Această polizaharidă este principalul material al peretelui celular. Moleculele de celuloză sunt lanțuri lungi de reziduuri de glucoză. Din fiecare lanț ies o multitudine de grupări OH. Aceste grupări sunt direcționate în toate direcțiile și formează legături de hidrogen cu lanțurile învecinate, ceea ce asigură o reticulare rigidă a tuturor lanțurilor. Lanțurile sunt combinate între ele, formând microfibrile, iar acestea din urmă sunt combinate în structuri mai mari - macrofibrile. Rezistența la tracțiune a acestei structuri este foarte mare. Macrofibrilele, situate în straturi, sunt scufundate într-o matrice de cimentare formată din substanțe pectinice și hemiceluloze.

Celuloza nu se dizolvă în apă, cu o soluție de iod dă o culoare galbenă.

Pectinele sunt compuse din galactoză și acid galacturonic. Acidul pectic este un acid poligalacturonic. Ele fac parte din matricea peretelui celular și îi asigură elasticitatea. Pectinele formează baza laminei mediane, care se formează între celule după diviziune. Formează geluri.

Hemicelulozele sunt compuși macromoleculari de compoziție mixtă. Ele fac parte din matricea peretelui celular. Nu se dizolvă în apă, se hidrolizează într-un mediu acid.

Caloza este un polimer amorf al glucozei care se găsește în diferite părți ale corpului plantei. Caloza se formează în tuburile site ale floemului și este, de asemenea, sintetizată ca răspuns la deteriorare sau efecte adverse.

Agar-agar este o polizaharidă cu greutate moleculară mare găsită în alge. Se dizolva in apa fierbinte, iar dupa racire se intareste.

Veverițe compuși macromoleculari formați din aminoacizi. Compoziția elementară - C, O, N, S, P.

Plantele sunt capabile să sintetizeze toți aminoacizii din mai mulți substanțe simple. Cei 20 de aminoacizi bazici alcătuiesc întreaga varietate de proteine.

Complexitatea structurii proteinelor și diversitatea extremă a funcțiilor lor fac dificilă crearea unei singure clasificări clare a proteinelor pe orice bază. După compoziție, proteinele sunt clasificate în simple și complexe. Simplu - este format numai din aminoacizi, complex - este format din aminoacizi și material neproteic (grup protetic).

Proteinele simple includ albumine, globuline, histone, prolamine și glutenine. Albuminele sunt proteine ​​neutre, solubile în apă, rar întâlnite în plante. Globulinele sunt proteine ​​neutre, insolubile in apa, solubile in solutii saline diluate, distribuite in seminte, radacini, tulpini ale plantelor. Histonele sunt proteine ​​neutre, solubile în apă, localizate în nucleele tuturor celulelor vii. Prolamine - solubile în 60-80% etanol, găsite în boabele de cereale. Gluteninele sunt solubile în soluții alcaline, se găsesc în boabele de cereale, părți verzi ale plantelor.

Cele complexe includ fosfoproteine ​​(grupul protetic este acid fosforic), licoproteine ​​(glucide), nucleoproteine ​​(acid nucleic), cromoproteine ​​(pigment), lipoproteine ​​(lipidice), flavoproteine ​​(FAD), metaloproteine ​​(metal).

Proteinele joacă un rol important în viața organismului vegetal și, în funcție de funcția îndeplinită, proteinele se împart în proteine ​​structurale, enzime, proteine ​​de transport, proteine ​​contractile, proteine ​​de depozitare.

Lipidele – materie organică insolubil în apă și solubil în solvenți organici (eter, cloroform, benzen). Lipidele sunt împărțite în grăsimi adevărate și lipoide.

Grăsimi adevărate - esteri acizi grași și orice alcool. Ele formează o emulsie în apă, se hidrolizează când sunt încălzite cu alcalii. Sunt substanțe de rezervă, se acumulează în semințe.

Lipoizii sunt substanțe asemănătoare grăsimilor. Acestea includ fosfolipide (fac parte din membrane), ceară (formă un înveliș protector pe frunze și fructe), steroli (fac parte din protoplasmă, participă la formare). metaboliți secundari), carotenoizi (pigmenți roșii și galbeni, necesari pentru protejarea clorofilei, dau culoare fructelor, florilor), clorofila (pigmentul principal al fotosintezei)

Acizi nucleici- materialul genetic al tuturor organismelor vii. Acizii nucleici (ADN și ARN) sunt formați din monomeri numiți nucleotide. O moleculă de nucleotide constă dintr-un zahăr cu cinci atomi de carbon, o bază azotată și acid fosforic.

vitamine- substanţe organice complexe de diverse compoziție chimică. Au o activitate fiziologică ridicată - sunt necesare pentru sinteza proteinelor, grăsimilor, pentru funcționarea enzimelor etc. Vitaminele sunt împărțite în liposolubile și solubile în apă. Vitaminele liposolubile includ vitaminele A, K, E și vitaminele C și B solubile în apă.

Fitohormonii- substante cu greutate moleculara mica cu activitate fiziologica ridicata. Au un efect reglator asupra proceselor de creștere și dezvoltare a plantelor în concentrații foarte mici. Fitohormonii sunt împărțiți în stimulenți (citokinine, auxine, gibereline) și inhibitori (etilenă și abscisine).

Conținutul de apă din diferite organe ale plantelor variază în limite destul de largi. Acesta variază în funcție de condițiile de mediu, vârsta și tipul plantelor. Astfel, conținutul de apă din frunzele de salată este de 93-95%, porumb - 75-77%. Cantitatea de apă nu este aceeași în diferite organe ale plantelor: frunzele de floarea soarelui conțin 80-83% apă, tulpini - 87-89%, rădăcini - 73-75%. Conținutul de apă, egal cu 6-11%, este tipic în principal pentru semințele uscate la aer, în care procesele vitale sunt inhibate.

Apa este conținută în celulele vii, în elementele moarte ale xilemului și în spațiile intercelulare. În spațiile intercelulare, apa este în stare de vapori. Frunzele sunt principalele organe de evaporare ale unei plante. În acest sens, este firesc ca cea mai mare cantitate de apă să umple spațiile intercelulare ale frunzelor. În stare lichidă, se află apa diverse părți celule: membrana celulara, vacuola, protoplasma. Vacuolele sunt partea cea mai bogată în apă a celulei, unde conținutul său ajunge la 98%. La cel mai mare conținut de apă, conținutul de apă din protoplasmă este de 95%. Cel mai scăzut conținut de apă este caracteristic membranelor celulare. Determinarea cantitativă a conținutului de apă din membranele celulare este dificilă; aparent, variază de la 30 la 50%.

Formele de apă din diferite părți ale celulei plantei sunt, de asemenea, diferite. Seva celulelor vacuolare este dominată de apa reținută de compuși cu greutate moleculară relativ mică (legați osmotic) și apă liberă. În învelișul unei celule vegetale, apa este legată în principal de compuși cu conținut ridicat de polimeri (celuloză, hemiceluloză, substanțe pectinice), adică apă legată coloidal. În citoplasmă însăși există apă liberă, legată coloidal și osmotic. Apa situată la o distanță de până la 1 nm de suprafața unei molecule de proteine ​​este ferm legată și nu are o structură hexagonală obișnuită (apă legată de coloidal). În plus, există o anumită cantitate de ioni în protoplasmă și, în consecință, o parte din apă este legată osmotic.

Semnificația fiziologică a apei libere și a apei legate este diferită. Majoritatea cercetătorilor consideră că intensitatea proceselor fiziologice, inclusiv ratele de creștere, depinde în primul rând de conținutul de apă liberă. Există o corelație directă între conținutul de apă legată și rezistența plantelor la condițiile externe nefavorabile. Aceste corelații fiziologice nu sunt întotdeauna observate.

O celulă vegetală absoarbe apa conform legilor osmozei. Osmoza se observă în prezența a două sisteme cu concentrații diferite de substanțe, atunci când acestea comunică cu o membrană semipermeabilă. În acest caz, conform legilor termodinamicii, concentrațiile se egalizează datorită substanței pentru care membrana este permeabilă.

Când se consideră două sisteme cu concentrații diferite de substanțe active osmotic, rezultă că egalizarea concentrațiilor în sistemele 1 și 2 este posibilă numai datorită mișcării apei. În sistemul 1, concentrația de apă este mai mare, astfel încât fluxul de apă este direcționat din sistemul 1 către sistemul 2. Când se atinge echilibrul, debitul real va fi zero.

Celula vegetală poate fi considerată un sistem osmotic. Peretele celular din jurul celulei are o anumită elasticitate și poate fi întins. Substantele solubile in apa (zaharuri, acizi organici, saruri) care au activitate osmotica se acumuleaza in vacuol. Tonoplasta și plasmalema îndeplinesc funcția unei membrane semipermeabile în acest sistem, deoarece aceste structuri sunt permeabile selectiv, iar apa trece prin ele mult mai ușor decât substanțele dizolvate în seva celulară și citoplasmă. Prin urmare, dacă intră o celulă mediu inconjurator, unde concentrația de substanțe active osmotic va fi mai mică decât concentrația din interiorul celulei (sau celula este pusă în apă), apa, conform legilor osmozei, trebuie să intre în celulă.

Capacitatea moleculelor de apă de a se deplasa dintr-un loc în altul este măsurată prin potențialul de apă (Ψw). Conform legilor termodinamicii, apa se deplasează întotdeauna dintr-o zonă cu un potențial mai mare de apă într-o zonă cu un potențial mai mic.

Potențialul apei(Ψ в) este un indicator al stării termodinamice a apei. Moleculele de apă au energie cinetică, se mișcă aleatoriu în lichid și vapori de apă. Potențialul apei este mai mare în sistemul în care concentrația de molecule este mai mare și energia lor cinetică totală este mai mare. Apa pură (distilată) are potenţialul maxim de apă. Potențialul de apă al unui astfel de sistem este luat în mod condiționat ca zero.

Unitățile de potențial apei sunt unități de presiune: atmosfere, pascali, bari:

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

Când o altă substanță este dizolvată în apă, concentrația apei scade, energia cinetică a moleculelor de apă scade, iar potențialul apei scade. În toate soluțiile, potențialul apei este mai mic decât cel al apei pure, adică. în condiții standard, se exprimă ca valoare negativă. Cantitativ, această scădere este exprimată printr-o cantitate numită potenţial osmotic(Ψ osm.). Potențialul osmotic este o măsură a reducerii potențialului de apă datorită prezenței substanțelor dizolvate. Cu cât sunt mai multe molecule de dizolvat în soluție, cu atât potențialul osmotic este mai mic.

Când apa intră în celulă, dimensiunea acesteia crește, presiunea hidrostatică din interiorul celulei crește, ceea ce forțează plasmalema să preseze pe peretele celular. Peretele celular, la rândul său, exercită o contrapresiune, care se caracterizează prin potenţial de presiune(presiunea Ψ) sau potențialul hidrostatic, este de obicei pozitiv și cu cât este mai mare, cu atât mai multă apă în celulă.

Astfel, potențialul de apă al celulei depinde de concentrația de substanțe active osmotic - potențialul osmotic (Ψ osm.) Și potențialul de presiune (Ψ presiunea).

Cu condiția ca apa să nu apese pe membrana celulară (starea de plasmoliză sau ofilire), contrapresiunea membranei celulare este zero, potențialul de apă este egal cu osmoticul:

Ψ în. = Ψ osm.

Pe măsură ce apa intră în celulă, apare contrapresiunea membranei celulare, potențialul de apă va fi egal cu diferența dintre potențialul osmotic și potențialul de presiune:

Ψ în. = Ψ osm. + Ψ presiune

Diferența dintre potențialul osmotic al sevei celulare și contrapresiunea membranei celulare determină fluxul de apă în orice moment dat.

Cu condiția ca membrana celulară să fie întinsă la limită, potențialul osmotic este complet echilibrat de contrapresiunea membranei celulare, potențialul de apă devine zero și apa încetează să curgă în celulă:

- Ψ osm. = Ψ presiune , Ψ c. = 0

Apa curge întotdeauna în direcția unui potențial de apă mai negativ: de la sistemul în care energia este mai mare până la sistemul în care energia este mai mică.

Apa poate pătrunde și în celulă din cauza forțelor de umflare. Proteinele și alte substanțe care alcătuiesc celula, având grupe încărcate pozitiv și negativ, atrag dipolii de apă. Peretele celular, care conține hemiceluloze și substanțe pectinice, și citoplasma, în care compușii polari cu molecule înalte reprezintă aproximativ 80% din masa uscată, sunt capabile să se umfle. Apa pătrunde în structura de umflare prin difuzie, mișcarea apei urmează un gradient de concentrație. Forța de umflătură este desemnată prin termen potenţial de matrice(Ψ mat.). Depinde de prezența componentelor cu molecule înalte ale celulei. Potențialul matricei este întotdeauna negativ. Mare importanțăΨ mat. are atunci când apa este absorbită de structuri în care nu există vacuole (semințe, celule meristeme).

Apa este cel mai comun compus de pe Pământ și în organismele vii. Conținutul de apă din celule depinde de natura proceselor metabolice: cu cât acestea sunt mai intense, cu atât este mai mare conținutul de apă.

În medie, celulele unui om adult conțin 60-70% apă. Odată cu pierderea a 20% din apă, organismele mor. Fără apă, o persoană poate trăi nu mai mult de 7 zile, în timp ce fără mâncare nu mai mult de 40 de zile.

Orez. 4.1. Structura spațială a moleculei de apă (H 2 O) și formarea unei legături de hidrogen

Molecula de apă (H 2 O) este formată din doi atomi de hidrogen care sunt legați covalent de atomi de oxigen. Molecula este polară deoarece este îndoită într-un unghi, iar nucleul atomului de oxigen trage electronii împărțiți în acest unghi, astfel încât oxigenul capătă o sarcină negativă parțială, iar atomii de hidrogen de la capete deschise devin sarcini parțial pozitive. Moleculele de apă pot fi atrase unele de altele prin sarcini pozitive și negative, formându-se legătură de hidrogen (Fig.4.1.).

Datorită structurii unice a moleculelor de apă și a capacității lor de a se lega între ele folosind legături de hidrogen, apa are o serie de proprietăți care îi determină rolul important în celulă și organism.

Legăturile de hidrogen provoacă temperaturi de fierbere și evaporare relativ ridicate, capacitate ridicată de căldură și conductivitate termică a apei și proprietatea unui solvent universal.

Legăturile de hidrogen sunt de 15-20 de ori mai slabe decât cele covalente. În stare lichidă, legăturile de hidrogen sunt fie formate, fie rupte, ceea ce determină mișcarea moleculelor de apă, fluiditatea acesteia.

Rolul biologic H2O

Apa determină proprietăți fizice celule - volumul său, elasticitatea (turgul). Celula conține 95-96% apă liberă și 4-5% legată. Apa legată formează învelișuri apoase (solvat) în jurul anumitor compuși (de exemplu, proteine), împiedicând interacțiunea acestora între ele.

apa gratis este un solvent bun pentru multe substanțe polare anorganice și organice. Substanțele care sunt foarte solubile în apă se numesc hidrofil. De exemplu, alcooli, acizi, gaze, majoritatea sărurilor de sodiu, potasiu etc. Pentru substanțele hidrofile, energia de legare între atomii lor este mai mică decât energia de atracție a acestor atomi la moleculele de apă. Prin urmare, moleculele sau ionii lor sunt ușor de integrat în sistem comun legături de hidrogen ale apei.

Apa ca solvent universal joacă un rol extrem de important, deoarece majoritatea reacțiilor chimice au loc în soluții apoase. Pătrunderea substanțelor în celulă și îndepărtarea deșeurilor din aceasta în cele mai multe cazuri este posibilă numai în formă dizolvată.

Apa nu dizolvă substanțele nepolare (neîncărcate), deoarece nu poate forma legături de hidrogen cu acestea. Substanțele care sunt insolubile în apă se numesc hidrofob . Acestea includ grăsimi, substanțe asemănătoare grăsimilor, polizaharide, cauciuc.

Unele molecule organice au proprietăți duble: în unele zone sunt grupări polare, iar în altele - nepolare. Astfel de substanțe sunt numite amfipatic sau amfifil. Acestea includ proteine, acizi grași, fosfolipide, acizi nucleici. Compușii amfifilici joacă un rol important în organizare membrane biologice, structuri supramoleculare complexe.

Apa este direct implicată în reacții hidroliză– despicare compusi organici. În același timp, sub acțiunea unor enzime speciale pentru a elibera valențe molecule organice ionii OH se unesc - si H + apă. Ca urmare, formează noi substanțe cu proprietăți noi.

Apa are o capacitate termică mare (adică capacitatea de a absorbi căldura cu modificări minore ale propriei temperaturi) și o conductivitate termică bună. Datorită acestor proprietăți, temperatura din interiorul celulei (și a corpului) este menținută la un anumit nivel cu modificări semnificative ale temperaturii ambientale.

Important semnificație biologică pentru funcționarea plantelor, animalele cu sânge rece are faptul că sub influența substanțelor dizolvate (carbohidrați, glicerol) apa își poate modifica proprietățile, în special punctele de îngheț și de fierbere.

Proprietățile apei sunt atât de importante pentru organismele vii încât este imposibil să ne imaginăm existența vieții, așa cum o cunoaștem, nu numai pe Pământ, ci și pe orice altă planetă fără o aprovizionare adecvată cu apă.

SARE MINERALĂ

Ele pot fi în stare dizolvată sau nedizolvată. Molecule de săruri minerale în soluție apoasă se descompun în cationi și anioni.