Содержание воды. Значение воды. Структура и свойства воды. Формы воды в клетке. Свободная и связанная вода. Распределение воды. Поступление воды в клетку: - Осмотические явления в клетках. Осмос. - Осмотическое давление. Явления плазмолиза, тургора. - Водный потенциал и его компоненты
Водоросли Более 98 Листья высших растений 80-90 Огурец Более 95 Древесина 50 Сухие семена 13-14 Лягушка 77 Кролик 69 Взрослый человек 60 Новорожденный 66 Эмбрион (15 недель) 91,5
Внутренняя среда организма Структурообразователь Растворитель веществ, циркуляция растворов Участник химических реакций Фактор стабилизации температуры Осмос, тургор, защитное значение
С именем водорода связаны два взаимоисключающих понятия: водородная бомба и водородная связь, обуславливающая все живое Вилькенштерн Соединение Молекулярная масса, Da Температура плавления, о С Температура кипения, о С H 2 Te 129,60 -51 -4 H 2 Se 80,96 -64 -42 H 2 S 34,06 -82 -61 H 2 О 18,01 0 100 Характеристики гидридов элементов 6 группы периодической системы Водородная: Есв.=19 кДж/моль Ковал.: Е св. = 400 кДж/моль
Агрегаты (тетраэдры) Время полужизни связей 1· 10 -9 с «Мерцающие кластеры» Гексагональная структура воды
Аномалия плотности : увеличение плотности с повышением температуры до 4° и последующее уменьшение ее; плотность воды больше плотности льда. При 4 0 С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Аномалия сжимаемости : сжатие при плавлении, понижение теплоемкости до 36° и последующее повышение; Высокие температуры плавления и кипения ( t пл.=-1000 t кип.=-760). Аномалия теплоемкости. Вода обладает очень высокой теплоемкостью — 1 кал/град, что в 5 р.больше песка) Поверхностное натяжение 0,72 мН/см (у ртути 5). Высокая скрытая теплота испарения воды (при 20 °С она составляет 586 кал/град), поэтому испарение воды растением сопровождается охлаждением транспирирующих органов.
Свойства воды Значение Высокие теплоемкость и скры-тая теплота парообразования Поддерживает тепловой баланс растений. Высокое поверхностное натяжение Определяет передвижение воды по капилля-рам, обусловливает большие значения по-верхностных явлений в водных системах. Высокая растворяющая способность Важно для корневого питания растений, передвижения продуктов фотосинтеза и др. Структурированность, обеспечиваемая водородными связями Обусловливает аномальные свойства воды, делает воду структурным компонентом цито-плазмы. Взаимодействие с биополимерами Влияет на конформацию биополимеров и активность ферментов, определяет степень устойчивости растения Диссоциация на высокоактивные ионы Участвует в химических реакциях (фотосинтеза, дыхания, гидролиза). Поглощение инфракрасной радиации, прозрачность для видимой части спектра Обеспечивает способность водных растений поглощать ФАР, прозрачные клетки эпидермиса наземных растений пропускают ФАР к хлорофиллу.
Свободная - чистая, лишена примесей, подвижная Связанная - вода в гетерогенных системах осмотически-связанная - гидратирует растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) коллоидно-связанная - гидратирует коллоидные частицы капиллярно-связанная – находится в клеточных стенках и сосудах
Взаимодействие высокомолекулярных веществ с водой: гидратация ионизированных и полярных групп: гидрофобная стабилизация (стабилизация структуры воды около неполярных групп); пространственная стабилизация (иммобилизация воды).
Клеточные стенки (13 % объема), объем воды– 10 % объема листа. Коллоидно-связанная вода. Содержание воды от 25 до 40%. Протопласт (10 % объема), оводненность органелл 65 %, цитозоль 95-98 %. На долю протопласта приходится 8 % внутриклеточной воды, в т.ч. в ядре 20-30%, в хлоропластах 14-20%, в митохондриях 5-7 %, мембраны 25-30% воды. Свободная, коллоидно - и осмотически-связанная вода. Вакуоли (80-90 % объема), содержание воды 98%. Преобладает осмотически-связанная и свободная вода.
Пассивный путь, без затраты энергии. Диффузия: - возникает в результате появления разности концентраций - путем диффузии достигается равномерное распределение вещества в пространстве - направлена от большей концентрации вещества к меньшей; от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией; от большего к меньшему химическому потенциалу Механизмы поступления воды в клетку: - осмотический - коллоидно-химический (набухание)
Осмос — это односторонняя диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмос – osmos – давление. толчок Причина осмоса - разность концентраций (или химических потенциалов) по обе стороны мембраны
Поступление воды приводит к увеличению объема – поднятию жидкости в трубке или растяжению клетки.
1826 год – опыты А. Дютроше. 1877 год – опыты В. Пфеффера с искусственной полупроницаемой мембраной. Анри Жоакен Рене Дютроше (1776-1847) французский биолог, член Парижской Академии Наук (1831). Объяснил законами осмоса поглощение воды и растворённых в ней веществ Вильгельм Пфеффер (1845-1920). С помощью искусственной полупроницаемой мембраны измерил осмотическое давление растворов сахарозы.
Плазмолиз - явление отставания протоплазмы от клеточной оболочки
Слева. Водные растения пресных водоемов находятся в гипотонической Напряженное состояние клетки — тургор. Справа. Если поместить такое растение в гипертоническую среду, например, морскую воду, клетки будут терять воду, и плазматическая мембрана отодвинется от клеточной стенки.
Осмотическое давление раствора – это то давление, которое следует приложить, чтобы предотвратить подъем раствора в трубке.
Осмотическое давление выражается в атмосферах, барах, паскалях 1 атм = 1,013 бара = 10 5 Па 10 3 Па = 1 КПа 10 6 Па = 1 МПа Растворы с одинаковым осмотическим давлением – изотонические Раствор, имеющий большее осмотическое давление – гипертонический Раствор, имеющий меньшее осмотическое давление – гипотонический
Водный потенциал ( Ψ в ) — это мера энергии, с которой вода поступает в клетку Водный потенциал показывает, насколько активность воды в системе (клетке) меньше активности чистой воды и характеризует способность воды диффундировать, испаряться или поглощаться Величина водного потенциала определяется степенью ее насыщенности водой: чем больше клетка насыщена водой, тем менее отрицателен ее водный потенциал Водный потенциал чистой воды равен нулю В клетке обычно Ψ в имеет отрицательное значение Когда система (клетка) находится в равновесии с чистой водой, то ее водный потенциал ( Ψ в.) будет равен 0.
Ψ в = Ψ осм. + Ψ давл. + Ψ матр. + Ψ гравит. Ψ осм. – осмотический потенциал Ψ матр. – матричный потенциал Ψ давл. - гидростатический потенциал Ψ гравит. - гравитационный потенциал
Для взрослой вакуолизированной клетки Ψ в = Ψ осм. + Ψ давл. В состоянии плазмолиза Ψ давл. = 0 Ψ в = Ψ осм. В состоянии полного тургора Ψ в = 0 - Ψ осм. = Ψ давл. Вода поступает в сторону более отрицательного водного потенциала: от системы, где ее энергия больше, к системе, где ее энергия меньше.
атм Водные -1-3 Суккуленты -5-7 Пустынные ксерофиты -20-40 Болотные -9-14 Зерновые злаки -10-17 Картофель, клубни -7 Картофель, побеги -10 Галофиты -100-200 Ламинария -50-55
Возрастание осмотического потенциала (абсолютное значение снижается) Мелкие клетки Крупные клетки Верхушка корня Основание корня Периферия стебля Центр стебля Листья Стебли Корни Деревья Кустарники Травы Ксерофиты Луговые Болотные Светолюбивые Теневыносливые
Набухание – поглощение жидкости или пара высокомолекулярным веществом, сопровождаемое увеличением его объема. Набухание: связано со способностью гидрофильных коллоидов притягивать молекулы воды может рассматриваться как особый вид диффузии, так как движение воды также идет по градиенту концентрации благодаря присутствию органических веществ, связывающих воду., водный потенциал клеток становится более отрицательным. Силу набухания обозначают термином «матричный потенциал» (Ψ матр. ). Матричный потенциал отражает влияние на поступление воды высокомолекулярных компонентов клетки. Матричный потенциал всегда отрицателен. - Ψ в = (- Ψ осм. ) + Ψ давл. + (-Ψ матр. ). Если сухие семена положить в воду, то они будут увеличиваться в размере. Сила набухания у сухих семян достигает —1000 бар. Большое значение Ψ матр. Имеет для семян, молодых меристематических клеток, в которых отсутствуют вакуоли и которые заполнены цитоплазмой.
Аквапорины – это белки, которые, встраиваясь в мембраны, образуют водные каналы. Обнаружены в конце 80-х годов 20 века Молекула состоит из 6 субъединиц, пересекающих липидный бислой Внутренняя поверхность гидрофильна Более 1 млн молекул в минуту
1. Какую роль играет вода в жизни растения? 2. В какой форме находится вода в клетке? 3. Какую воду называют гидратационной? иммобилизованной? 4. В каком состоянии находится вода в вакуоли, в клеточной стенке, в цитоплазме? 5. Дайте определения понятиям диффузия и осмос. Чем определяется направление диффузии? Что такое химический потенциал? 6. От чего зависит поступление воды в клетку? Что такое водный потенциал клетки? Каковы его составляющие? 7. В каком состоянии клетки водный потенциал равен: а) осмотическому потенциалу; б) нулю? 8. Что такое эндосмос, экзосмос, циторриз? 9. От каких внутренних и внешних факторов зависит величина водного потенциала? 10. Какой процесс называют набуханием? Почему оно происходит? 11. Что такое аквапорины? Какая у них функция? В каких частях клетки они локализованы?
