Conținutul de apă în diferite celule. Distribuția apei în celulă și în organism. Bilanțul hidric al plantelor. Învățarea de materiale noi
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%.
Forme ale apei în diferite părți celula 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. În acest sens, dacă celula intră în mediu, unde concentrația de substanțe active osmotic va fi mai mică decât concentrația din interiorul celulei (sau celula este plasată 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).
Activitatea vitală a celulelor, țesuturilor și organelor plantelor se datorează prezenței apei. Apa este o substanță constituțională. Determinarea structurii citoplasmei celulelor și a organelelor sale, datorită polarității moleculelor, este un solvent organic și non-organic. compusi organici implicat în metabolism și acționează ca un mediu de fundal în care au loc toate procesele biochimice. Pătrunzând cu ușurință prin învelișurile și membranele celulelor, apa circulă liber în întreaga plantă, asigurând transferul de substanțe și contribuind astfel la unitatea proceselor metabolice ale organismului. Datorită transparenței sale ridicate, apa nu interferează cu absorbția energie solara clorofilă.
Starea apei în celulele vegetale
Apa din celulă este prezentată în mai multe forme, ele sunt fundamental diferite. Principalele sunt apa constituțională, solvată, capilară și de rezervă.
Unele dintre moleculele de apă care intră în celulă formează legături de hidrogen cu un număr de molecule de radicali materie organică. Legăturile de hidrogen sunt deosebit de ușor de format astfel de radicali:
Această formă de apă se numește constituţional . Este conținut de o celulă cu o putere de până la 90 de mii de bari.
Datorită faptului că moleculele de apă sunt dipoli, ele formează agregate solide cu molecule încărcate de substanțe organice. O astfel de apă, asociată cu moleculele substanțelor organice ale citoplasmei prin forțele de atracție electrică, se numește solvat . În funcție de tipul de celulă vegetală, apa solvată reprezintă 4 până la 50% din cantitatea sa totală. Apa solvată, ca și apa constituțională, nu are mobilitate și nu este un solvent.
O mare parte din apa celulei este capilar , deoarece se află în cavităţile dintre macromolecule. Solvatul și apa capilară sunt reținute de celulă cu o forță numită potențial de matrice. Este egal cu 15-150 bar.
rezervă numită apă din interiorul vacuolelor. Conținutul de vacuole este o soluție de zaharuri, săruri și o serie de alte substanțe. Prin urmare, apa de rezervă este reținută de celulă cu o forță care este determinată de mărimea potențialului osmotic al conținutului vacuolar.
Absorbția de apă de către celulele plantelor
Deoarece nu există purtători activi pentru moleculele de apă în celule, mișcarea acesteia în și în afara celulelor, precum și între celulele învecinate, se realizează numai în conformitate cu legile difuziei. Prin urmare, gradienții de concentrație de soluți se dovedesc a fi principalii factori pentru moleculele de apă.
Celulele vegetale, în funcție de vârsta și starea lor, absorb apa utilizând includerea secvențială a trei mecanisme: imbibiție, solvatare și osmoză.
imbibiție . Când semințele germinează, aceasta începe să absoarbă apa datorită mecanismului de imbibiție. În același timp, legăturile de hidrogen libere ale substanțelor organice ale protoplastei sunt umplute, iar apa este furnizată în mod activ din mediu inconjuratorîntr-o celulă. În comparație cu alte forțe care operează în celule, forțele de imbibiție sunt colosale. Pentru unele legături de hidrogen, acestea ajung la o valoare de 90 de mii de bari. În același timp, semințele se pot umfla și germina în soluri relativ uscate. După ce toate legăturile de hidrogen libere sunt umplute, imbibiția se oprește și următorul mecanism de absorbție a apei este activat.
solvatarea . În procesul de solvatare, absorbția apei are loc prin construirea de straturi de hidratare în jurul moleculelor de substanțe organice protoplastice. Conținutul total de apă al celulei continuă să crească. Intensitatea solvației depinde în esență de compoziție chimică protoplast. Cu cât sunt mai multe substanțe hidrofile în celulă, cu atât sunt utilizate mai mult forțele de solvatare. Hidrofilia scade in seria: proteine -> carbohidrati -> grasimi. De aceea cel mai mare număr apa pe unitatea de greutate prin solvatare absoarbe semintele proteice (mazare, fasole, fasole), intermediare - amidon (grau, secara), iar cele mai mici - seminte oleaginoase (in, floarea soarelui).
Forțele de solvație sunt inferioare ca putere față de forțele de imbibiție, dar sunt încă destul de semnificative și ajung la 100 bar. Până la sfârșitul procesului de solvatare, conținutul de apă al celulei este atât de mare încât umiditatea capilară se stabilește și încep să apară vacuole. Cu toate acestea, din momentul formării lor, solvatarea se oprește, iar absorbția ulterioară a apei este posibilă numai datorită mecanismului osmotic.
Osmoză . Mecanismul osmotic de absorbție a apei funcționează numai în celulele care au o vacuola. Direcția de mișcare a apei în acest caz este determinată de raportul potențialelor osmotice ale soluțiilor incluse în sistemul osmotic.
Potențialul osmotic al sevei celulare, notat cu R, este determinată de formula:
R = iRct,
Unde R - potenţialul osmotic al sevei celulare
R- constantă de gaz egală cu 0,0821;
T - temperatura pe scara Kelvin;
i- coeficient izotonic care indică natura disocierii electrolitice a substanţelor dizolvate.
Raportul izotonic în sine este egal cu
Și= 1 + α ( n + 1),
unde α - gradul de disociere electrolitică;
P - numărul de ioni în care se disociază molecula. Pentru non-electroliți P = 1.
Potențialul osmotic al unei soluții de sol este de obicei notat cu litera greacă π.
Moleculele de apă se deplasează întotdeauna dintr-un mediu cu un potențial osmotic mai mic la un mediu cu un potențial osmotic mai mare. Deci, dacă celula se află în soluția (externă) din sol la R>π, apoi apa intră în celule. Curgerea apei în celulă se oprește atunci când potențialele osmotice sunt complet egalizate (sucul vacuolar se diluează la intrarea absorbției de apă) sau când membrana celulară atinge limitele extensibilității.
Astfel, celulele primesc apă din mediu doar cu o condiție: potențialul osmotic al sevei celulare trebuie să fie mai mare decât potențialul osmotic al soluției din jur.
Dacă R< π, există o ieșire de apă din celulă în soluția externă. În cursul pierderii de lichid, volumul protoplastei scade treptat, se îndepărtează de membrană și apar mici cavități în celulă. O astfel de stare se numește Plasmoliza . Etapele plasmolizei sunt prezentate în fig. 3.18.
Dacă raportul potențialelor osmotice corespunde condiției P = π, atunci difuzia moleculelor de apă nu are loc deloc.
O cantitate mare de material factual indică faptul că potențialul osmotic al sevei celulare a plantelor variază în limite destul de largi. În plantele agricole, în celulele rădăcinilor, se află de obicei într-o amplitudine de 5-10 bari, în celulele frunzelor se poate ridica până la 40 bari, iar în celulele fructifere - până la 50 bari. La plantele solonchak, potențialul osmotic al sevei celulare atinge 100 bar.
Orez. 3.18.
A - o celulă în stare de turgescență; B - unghiular; B - concav; G - convex; D - convulsiv; E - cap. 1 - coajă; 2 - vacuol; 3 - citoplasmă; 4 - miez; 5 - Fire Hecht
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 definește 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 încorporate în sistem comun legături de hidrogen ale apei.
Apa ca solvent universal joacă un rol extrem de important, deoarece majoritatea reacții chimice apare 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- descompunerea compuşilor 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.
Proprietățile apei și rolul acesteia în celulă:
Pe primul loc printre substanțele celulei se află apa. Reprezintă aproximativ 80% din masa celulei. Apa este de două ori importantă pentru organismele vii, deoarece este necesară nu numai ca componentă a celulelor, ci pentru multe și ca habitat.
1. Apa determină proprietățile fizice ale celulei - volumul, elasticitatea acesteia.
2. Multe procese chimice au loc numai într-o soluție apoasă.
3. Apa este un solvent bun: multe substanțe intră în celulă din mediul extern într-o soluție apoasă, iar într-o soluție apoasă, produsele reziduale sunt îndepărtate din celulă.
4. Apa are o capacitate ridicată de căldură și conductivitate termică.
5. Apa are o proprietate unică: atunci când este răcită de la +4 la 0 grade, se extinde. Prin urmare, gheața este mai ușoară decât apa lichidă și rămâne la suprafața ei. Acest lucru este foarte important pentru organismele care trăiesc în mediu acvatic.
6. Apa poate fi un lubrifiant bun.
Rolul biologic al apei este determinat de dimensiunea redusă a moleculelor sale, de polaritatea acestora și de capacitatea de a se combina între ele prin legături de hidrogen.
Funcțiile biologice ale apei:
transport. Apa asigura miscarea substantelor in celula si organism, absorbtia substantelor si excretia produselor metabolice. În natură, apa transportă deșeurile în sol și în corpurile de apă.
metabolic. Apa este mediul tuturor reacțiilor biochimice, donatorul de electroni în timpul fotosintezei; este necesar pentru hidroliza macromoleculelor la monomerii lor.
apa este implicată în formarea fluidelor lubrifiante și a mucusului, secretelor și sucurilor din organism.
Cu foarte puține excepții (os și smalțul dinților), apa este componenta predominantă a celulei. Apa este necesară pentru metabolismul (schimbul) celulei, deoarece procesele fiziologice au loc exclusiv în mediul acvatic. Moleculele de apă sunt implicate în multe reacții enzimatice ale celulei. De exemplu, descompunerea proteinelor, carbohidraților și a altor substanțe are loc ca urmare a interacțiunii lor cu apa catalizată de enzime. Astfel de reacții se numesc reacții de hidroliză.
Apa servește ca sursă de ioni de hidrogen în timpul fotosintezei. Apa din celulă este sub două forme: liberă și legată. Apa liberă reprezintă 95% din toată apa din celulă și este folosită în principal ca solvent și ca mediu de dispersie pentru sistemul coloidal al protoplasmei. Apa legată, care reprezintă doar 4% din toată apa celulară, este slab conectată la proteine prin legături de hidrogen.
Datorită distribuției asimetrice a sarcinii, molecula de apă acționează ca un dipol și, prin urmare, poate fi legată de grupuri de proteine încărcate pozitiv și negativ. Proprietatea de dipol a unei molecule de apă explică capacitatea acesteia de a se orienta într-un câmp electric, de a se atașa de diferite molecule și secțiuni de molecule care poartă o sarcină. Acest lucru duce la formarea de hidrați.
Datorită capacității sale mari de căldură, apa absoarbe căldură și astfel previne fluctuațiile bruște de temperatură în celulă. Conținutul de apă din organism depinde de vârsta și activitatea sa metabolică. Este cel mai mare la embrion (90%) și scade treptat odată cu vârsta. Conținutul de apă al diferitelor țesuturi variază în funcție de activitatea lor metabolică. De exemplu, în substanța cenușie a creierului, apa este de până la 80%, iar în oase până la 20%. Apa este principalul mijloc de deplasare a substanțelor în organism (fluxul sanguin, limfa, curenții ascendenți și descendenți de soluții prin vasele plantelor) și în celulă. Apa servește ca material „lubrifiant”, necesar oriunde există suprafețe de frecare (de exemplu, în rosturi). Apa are o densitate maximă la 4°C. Prin urmare, gheața, care are o densitate mai mică, este mai ușoară decât apa și plutește pe suprafața ei, ceea ce protejează rezervorul de îngheț. Această proprietate a apei salvează viețile multor organisme acvatice.
Se încarcă...
