Ιδιότητες του νερού και ο ρόλος του στο κύτταρο:
Στην πρώτη θέση μεταξύ των ουσιών του κυττάρου είναι το νερό. Αποτελεί περίπου το 80% της μάζας του κυττάρου. Το νερό είναι διπλά σημαντικό για τους ζωντανούς οργανισμούς, γιατί είναι απαραίτητο όχι μόνο ως συστατικό των κυττάρων, αλλά για πολλούς και ως βιότοπος.
1. Το νερό καθορίζει τις φυσικές ιδιότητες του κυττάρου - τον όγκο, την ελαστικότητά του.
2. Πολλές χημικές διεργασίες λαμβάνουν χώρα μόνο σε υδατικό διάλυμα.
3. Το νερό είναι καλός διαλύτης: πολλές ουσίες εισέρχονται στο κύτταρο από το εξωτερικό περιβάλλον σε ένα υδατικό διάλυμα, και σε ένα υδατικό διάλυμα, τα άχρηστα προϊόντα απομακρύνονται από το κύτταρο.
4. Το νερό έχει υψηλή θερμοχωρητικότητα και θερμική αγωγιμότητα.
5. Το νερό έχει μια μοναδική ιδιότητα: όταν ψύχεται από +4 έως 0 βαθμούς, διαστέλλεται. Επομένως, ο πάγος είναι ελαφρύτερος από το υγρό νερό και παραμένει στην επιφάνειά του. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για τους οργανισμούς που ζουν στο υδάτινο περιβάλλον.
6. Το νερό μπορεί να είναι καλό λιπαντικό.
Ο βιολογικός ρόλος του νερού καθορίζεται από το μικρό μέγεθος των μορίων του, την πολικότητα τους και την ικανότητα να συνδυάζονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου.
Βιολογικές λειτουργίες του νερού:
μεταφορά. Το νερό εξασφαλίζει την κίνηση των ουσιών στο κύτταρο και το σώμα, την απορρόφηση των ουσιών και την απέκκριση των μεταβολικών προϊόντων. Στη φύση, το νερό μεταφέρει απόβλητα στο έδαφος και στα υδάτινα σώματα.
μεταβολικός. Το νερό είναι το μέσο για όλες τις βιοχημικές αντιδράσεις, ο δότης ηλεκτρονίων κατά τη φωτοσύνθεση. είναι απαραίτητο για την υδρόλυση των μακρομορίων στα μονομερή τους.
Το νερό συμμετέχει στο σχηματισμό λιπαντικών υγρών και βλέννας, μυστικών και χυμών στο σώμα.
Με πολύ λίγες εξαιρέσεις (σμάλτο οστών και δοντιών), το νερό είναι το κυρίαρχο συστατικό του κυττάρου. Το νερό είναι απαραίτητο για τον μεταβολισμό (ανταλλαγή) του κυττάρου, αφού οι φυσιολογικές διεργασίες συμβαίνουν αποκλειστικά στο υδάτινο περιβάλλον. Τα μόρια του νερού εμπλέκονται σε πολλές ενζυμικές αντιδράσεις του κυττάρου. Για παράδειγμα, η διάσπαση πρωτεϊνών, υδατανθράκων και άλλων ουσιών συμβαίνει ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής τους με το νερό που καταλύεται από ένζυμα. Τέτοιες αντιδράσεις ονομάζονται αντιδράσεις υδρόλυσης.
Το νερό χρησιμεύει ως πηγή ιόντων υδρογόνου κατά τη φωτοσύνθεση. Το νερό στο κελί έχει δύο μορφές: ελεύθερο και δεσμευμένο. Το ελεύθερο νερό αποτελεί το 95% του συνόλου του νερού στο κύτταρο και χρησιμοποιείται κυρίως ως διαλύτης και ως μέσο διασποράς για το κολλοειδές σύστημα του πρωτοπλάσματος. Το δεσμευμένο νερό, το οποίο αντιπροσωπεύει μόνο το 4% του συνόλου του νερού των κυττάρων, συνδέεται χαλαρά με τις πρωτεΐνες μέσω δεσμών υδρογόνου.
Λόγω της ασύμμετρης κατανομής του φορτίου, το μόριο του νερού λειτουργεί ως δίπολο και επομένως μπορεί να δεσμευτεί τόσο από θετικά όσο και από αρνητικά φορτισμένες πρωτεϊνικές ομάδες. Η διπολική ιδιότητα ενός μορίου νερού εξηγεί την ικανότητά του να προσανατολίζεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, να προσκολλάται σε διάφορα μόρια και τμήματα μορίων που φέρουν φορτίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ένυδρων αλάτων.
Λόγω της υψηλής θερμοχωρητικότητας του, το νερό απορροφά θερμότητα και έτσι αποτρέπει τις απότομες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην κυψέλη. Η περιεκτικότητα σε νερό στο σώμα εξαρτάται από την ηλικία και τη μεταβολική του δραστηριότητα. Είναι υψηλότερο στο έμβρυο (90%) και σταδιακά μειώνεται με την ηλικία. Η περιεκτικότητα σε νερό διαφορετικών ιστών ποικίλλει ανάλογα με τη μεταβολική τους δραστηριότητα. Για παράδειγμα, στη φαιά ουσία του εγκεφάλου, το νερό είναι έως και 80%, και στα οστά έως και 20%. Το νερό είναι το κύριο μέσο κίνησης των ουσιών στο σώμα (ροή αίματος, λέμφος, ανοδικά και κατερχόμενα ρεύματα διαλυμάτων μέσω των αγγείων των φυτών) και στο κύτταρο. Το νερό χρησιμεύει ως «λιπαντικό» υλικό, απαραίτητο όπου υπάρχουν επιφάνειες τριβής (για παράδειγμα, σε αρμούς). Το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4°C. Επομένως, ο πάγος, που έχει μικρότερη πυκνότητα, είναι ελαφρύτερος από το νερό και επιπλέει στην επιφάνειά του, γεγονός που προστατεύει τη δεξαμενή από το πάγωμα. Αυτή η ιδιότητα του νερού σώζει τη ζωή πολλών υδρόβιων οργανισμών.
Περίπου 100 βρίσκονται στο φλοιό της γης. χημικά στοιχεία, αλλά μόνο 16 από αυτά χρειάζονται για τη ζωή. Τα πιο κοινά στους φυτικούς οργανισμούς είναι τέσσερα στοιχεία - υδρογόνο, άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο, τα οποία σχηματίζουν διάφορες ουσίες. Τα κύρια συστατικά ενός φυτικού κυττάρου είναι το νερό, οι οργανικές και μεταλλικές ουσίες.
Νερό- η βάση της ζωής. Η περιεκτικότητα σε νερό στα φυτικά κύτταρα κυμαίνεται από 90 έως 10%. Είναι μια μοναδική ουσία λόγω του χημικού και φυσικές ιδιότητες. Το νερό είναι απαραίτητο για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τη μεταφορά ουσιών, την ανάπτυξη των κυττάρων, είναι ένα μέσο για πολλές βιοχημικές αντιδράσεις, ένας γενικός διαλύτης κ.λπ.
Ορυκτά(φλαμουριά)- ουσίες που παραμένουν μετά την καύση ενός κομματιού ενός οργάνου. Η περιεκτικότητα σε στοιχεία τέφρας κυμαίνεται από 1% έως 12% ξηρού βάρους. Σχεδόν όλα τα στοιχεία που συνθέτουν το νερό και το έδαφος βρίσκονται στο φυτό. Τα πιο κοινά είναι κάλιο, ασβέστιο, μαγνήσιο, σίδηρος, πυρίτιο, θείο, φώσφορος, άζωτο (μακροστοιχεία) και χαλκός, αλουμίνιο, χλώριο, μολυβδαίνιο, βόριο, ψευδάργυρος, λίθιο, χρυσός (μικροστοιχεία). Τα μέταλλα παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή των κυττάρων - αποτελούν μέρος αμινοξέων, ενζύμων, ATP, αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων, είναι απαραίτητα για τη σταθεροποίηση της μεμβράνης, συμμετέχουν σε μεταβολικές διεργασίες κ.λπ.
οργανική ύληΤα φυτικά κύτταρα χωρίζονται σε: 1) υδατάνθρακες, 2) πρωτεΐνες, 3) λιπίδια, 4) νουκλεϊκά οξέα, 5) βιταμίνες, 6) φυτοορμόνες, 7) προϊόντα δευτερογενούς μεταβολισμού.
Υδατάνθρακεςαποτελούν έως και το 90% των ουσιών που απαρτίζουν το φυτικό κύτταρο. Διακρίνω:
Μονοσακχαρίτες (γλυκόζη, φρουκτόζη). Οι μονοσακχαρίτες σχηματίζονται στα φύλλα κατά τη φωτοσύνθεση και μετατρέπονται εύκολα σε άμυλο. Συσσωρεύονται σε φρούτα, λιγότερο συχνά σε μίσχους, βολβούς. Οι μονοσακχαρίτες μεταφέρονται από κύτταρο σε κύτταρο. Αποτελούν ενεργειακό υλικό, συμμετέχουν στο σχηματισμό γλυκοσιδών.
Οι δισακχαρίτες (σακχαρόζη, μαλτόζη, λακτόζη κ.λπ.) σχηματίζονται από δύο σωματίδια μονοσακχαριτών. Συσσωρεύονται σε ρίζες και καρπούς.
Οι πολυσακχαρίτες είναι πολυμερή που είναι πολύ διαδεδομένα στα φυτικά κύτταρα. Αυτή η ομάδα ουσιών περιλαμβάνει άμυλο, ινουλίνη, κυτταρίνη, ημικυτταρίνη, πηκτίνη, καλόζη.
Το άμυλο είναι η κύρια αποθηκευτική ουσία ενός φυτικού κυττάρου. Το πρωτογενές άμυλο σχηματίζεται σε χλωροπλάστες. Στα πράσινα μέρη του φυτού, χωρίζεται σε μονο- και δισακχαρίτες και μεταφέρεται κατά μήκος του φλοιώματος των φλεβών στα αναπτυσσόμενα μέρη του φυτού και στα όργανα αποθήκευσης. Στους λευκοπλάστες των οργάνων αποθήκευσης, το δευτερογενές άμυλο συντίθεται από σακχαρόζη με τη μορφή κόκκων αμύλου.
Το μόριο του αμύλου αποτελείται από αμυλόζη και αμυλοπηκτίνη. Οι γραμμικές αλυσίδες αμυλόζης, που αποτελούνται από αρκετές χιλιάδες υπολείμματα γλυκόζης, είναι σε θέση να διακλαδίζονται ελικοειδώς και έτσι να παίρνουν μια πιο συμπαγή μορφή. Στον διακλαδισμένο πολυσακχαρίτη αμυλοπηκτίνη, η συμπαγοποίηση εξασφαλίζεται με την έντονη διακλάδωση της αλυσίδας λόγω του σχηματισμού 1,6-γλυκοσιδικών δεσμών. Η αμυλοπηκτίνη περιέχει περίπου διπλάσια υπολείμματα γλυκόζης από την αμυλόζη.
Με το διάλυμα Lugol, ένα υδατικό εναιώρημα αμυλόζης δίνει ένα σκούρο μπλε χρώμα, το εναιώρημα αμυλοπηκτίνης - κόκκινο-ιώδες, το εναιώρημα αμύλου - μπλε-ιώδες.
Η ινουλίνη είναι ένα πολυμερές φρουκτόζης, ένας αποθηκευτικός υδατάνθρακας της οικογένειας των αστέρων. Βρίσκεται στα κύτταρα σε διαλυμένη μορφή. Δεν λερώνει με διάλυμα ιωδίου, κοκκινίζει με β-ναφθόλη.
Η κυτταρίνη είναι ένα πολυμερές γλυκόζης. Η κυτταρίνη περιέχει περίπου το 50% του άνθρακα του φυτού. Αυτός ο πολυσακχαρίτης είναι το κύριο υλικό του κυτταρικού τοιχώματος. Τα μόρια της κυτταρίνης είναι μακριές αλυσίδες υπολειμμάτων γλυκόζης. Ένα πλήθος ομάδων ΟΗ προεξέχουν από κάθε αλυσίδα. Αυτές οι ομάδες κατευθύνονται προς όλες τις κατευθύνσεις και σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με γειτονικές αλυσίδες, γεγονός που παρέχει μια άκαμπτη διασταύρωση όλων των αλυσίδων. Οι αλυσίδες συνδυάζονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας μικροϊνίδια και τα τελευταία συνδυάζονται σε μεγαλύτερες δομές - μακροϊνίδια. Η αντοχή σε εφελκυσμό αυτής της δομής είναι πολύ υψηλή. Τα μακροϊνίδια, που βρίσκονται σε στρώματα, βυθίζονται σε μια μήτρα τσιμέντου που αποτελείται από ουσίες πηκτίνης και ημικυτταρίνες.
Η κυτταρίνη δεν διαλύεται στο νερό, με διάλυμα ιωδίου δίνει κίτρινο χρώμα.
Οι πηκτίνες αποτελούνται από γαλακτόζη και γαλακτουρονικό οξύ. Το πηκτικό οξύ είναι ένα πολυγαλακτουρονικό οξύ. Αποτελούν μέρος της μήτρας του κυτταρικού τοιχώματος και παρέχουν την ελαστικότητά του. Οι πηκτίνες αποτελούν τη βάση του μεσαίου ελάσματος, το οποίο σχηματίζεται μεταξύ των κυττάρων μετά τη διαίρεση. Σχηματίστε τζελ.
Οι ημικυτταρίνες είναι μακρομοριακές ενώσεις μικτής σύνθεσης. Αποτελούν μέρος της μήτρας του κυτταρικού τοιχώματος. Δεν διαλύονται στο νερό, υδρολύονται σε όξινο περιβάλλον.
Η καλλόζη είναι ένα άμορφο πολυμερές γλυκόζης που βρίσκεται σε διαφορετικά μέρηφυτικό οργανισμό. Η καλλόζη σχηματίζεται στους σωλήνες κόσκινου του φυλλώματος και συντίθεται επίσης ως απόκριση σε ζημιές ή δυσμενείς επιπτώσεις.
Το άγαρ-άγαρ είναι ένας πολυσακχαρίτης υψηλού μοριακού βάρους που βρίσκεται στα φύκια. Διαλύεται σε ζεστό νερό, και αφού κρυώσει σκληραίνει.
σκίουροιμακρομοριακές ενώσεις που αποτελούνται από αμινοξέα. Στοιχειακή σύνθεση - C, O, N, S, P.
Τα φυτά είναι σε θέση να συνθέσουν όλα τα αμινοξέα από περισσότερα απλές ουσίες. Τα 20 βασικά αμινοξέα αποτελούν όλη την ποικιλία των πρωτεϊνών.
Η πολυπλοκότητα της δομής των πρωτεϊνών και η εξαιρετική ποικιλομορφία των λειτουργιών τους καθιστούν δύσκολη τη δημιουργία μιας ενιαίας σαφούς ταξινόμησης πρωτεϊνών σε οποιαδήποτε βάση. Με βάση τη σύνθεση, οι πρωτεΐνες ταξινομούνται σε απλές και σύνθετες. Απλό - αποτελείται μόνο από αμινοξέα, σύνθετο - αποτελείται από αμινοξέα και μη πρωτεϊνικό υλικό (προσθετική ομάδα).
Οι απλές πρωτεΐνες περιλαμβάνουν λευκωματίνες, σφαιρίνες, ιστόνες, προλαμίνες και γλουτενίνες. Οι λευκωματίνες είναι ουδέτερες πρωτεΐνες, διαλυτές στο νερό, σπάνια βρίσκονται στα φυτά. Οι σφαιρίνες είναι ουδέτερες πρωτεΐνες, αδιάλυτες στο νερό, διαλυτές σε αραιά αλατούχα διαλύματα, κατανεμημένες σε σπόρους, ρίζες, μίσχους φυτών. Οι ιστόνες είναι ουδέτερες πρωτεΐνες, διαλυτές στο νερό, εντοπισμένες στους πυρήνες όλων των ζωντανών κυττάρων. Προλαμίνες - διαλυτές σε 60-80% αιθανόλη, που βρίσκονται στους κόκκους των δημητριακών. Οι γλουτενίνες είναι διαλυτές σε αλκαλικά διαλύματα, βρίσκονται σε κόκκους δημητριακών, πράσινα μέρη φυτών.
Τα σύνθετα περιλαμβάνουν φωσφοπρωτεΐνες (η προσθετική ομάδα είναι το φωσφορικό οξύ), λυκοπρωτεΐνες (υδατάνθρακες), νουκλεοπρωτεΐνες (νουκλεϊκό οξύ), χρωμοπρωτεΐνες (χρωστική ουσία), λιποπρωτεΐνες (λιπίδιο), φλαβοπρωτεΐνες (FAD), μεταλλοπρωτεΐνες (μέταλλο).
Οι πρωτεΐνες παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή του φυτικού οργανισμού και, ανάλογα με τη λειτουργία που επιτελείται, οι πρωτεΐνες χωρίζονται σε δομικές πρωτεΐνες, ένζυμα, πρωτεΐνες μεταφοράς, συσταλτικές πρωτεΐνες, πρωτεΐνες αποθήκευσης.
Λιπίδια – οργανική ύληαδιάλυτο στο νερό και διαλυτό σε οργανικούς διαλύτες (αιθέρας, χλωροφόρμιο, βενζόλιο). Τα λιπίδια χωρίζονται σε αληθινά λίπη και λιποειδή.
Τα αληθινά λίπη είναι εστέρες λιπαρών οξέων και κάποιου είδους αλκοόλ. Σχηματίζουν ένα γαλάκτωμα σε νερό, υδρολύονται όταν θερμαίνονται με αλκάλια. Είναι εφεδρικές ουσίες, συσσωρεύονται στους σπόρους.
Τα λιποειδή είναι ουσίες που μοιάζουν με λίπος. Αυτά περιλαμβάνουν φωσφολιπίδια (αποτελούν μέρος των μεμβρανών), κεριά (σχηματίζουν προστατευτική επικάλυψη σε φύλλα και καρπούς), στερόλες (αποτελούν μέρος του πρωτοπλάσματος, συμμετέχουν στο σχηματισμό δευτερογενών μεταβολιτών), καροτενοειδή (κόκκινες και κίτρινες χρωστικές, απαραίτητες για την προστασία της χλωροφύλλης, δίνοντας χρώμα σε φρούτα, λουλούδια), χλωροφύλλη (η κύρια χρωστική ουσία της φωτοσύνθεσης)
Νουκλεϊκά οξέα - το γενετικό υλικό όλων των ζωντανών οργανισμών. Τα νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA) αποτελούνται από μονομερή που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Ένα μόριο νουκλεοτιδίου αποτελείται από ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα, μια αζωτούχα βάση και φωσφορικό οξύ.
βιταμίνες- σύνθετες οργανικές ουσίες διαφόρων χημική σύνθεση. Έχουν υψηλή φυσιολογική δραστηριότητα - είναι απαραίτητες για τη σύνθεση πρωτεϊνών, λιπών, για τη λειτουργία ενζύμων κλπ. Οι βιταμίνες χωρίζονται σε λιποδιαλυτές και υδατοδιαλυτές. Οι λιποδιαλυτές βιταμίνες περιλαμβάνουν τις βιταμίνες Α, Κ, Ε και τις υδατοδιαλυτές βιταμίνες C και Β.
Φυτοορμόνες- ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους με υψηλή φυσιολογική δραστηριότητα. Έχουν ρυθμιστική επίδραση στις διαδικασίες ανάπτυξης και ανάπτυξης των φυτών σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Οι φυτοορμόνες χωρίζονται σε διεγερτικά (κυτοκινίνες, αυξίνες, γιβερελλίνες) και σε αναστολείς (αιθυλένιο και αψισίνες).
Η περιεκτικότητα σε νερό σε διάφορα φυτικά όργανα ποικίλλει μέσα σε αρκετά μεγάλα όρια. Διαφέρει ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες, την ηλικία και τον τύπο των φυτών. Έτσι, η περιεκτικότητα σε νερό στα φύλλα μαρουλιού είναι 93-95%, καλαμπόκι - 75-77%. Η ποσότητα του νερού δεν είναι η ίδια σε διαφορετικά όργανα των φυτών: τα φύλλα του ηλίανθου περιέχουν 80-83% νερό, οι μίσχοι - 87-89%, οι ρίζες - 73-75%. Η περιεκτικότητα σε νερό, ίση με 6-11%, είναι χαρακτηριστική κυρίως για τους ξηρούς σπόρους στον αέρα, στους οποίους αναστέλλονται ζωτικές διεργασίες.
Το νερό περιέχεται στα ζωντανά κύτταρα, στα νεκρά στοιχεία του ξυλώματος και στους μεσοκυττάριους χώρους. Στους μεσοκυττάριους χώρους, το νερό βρίσκεται σε κατάσταση ατμού. Τα φύλλα είναι τα κύρια εξατμιστικά όργανα ενός φυτού. Από αυτή την άποψη, είναι φυσικό η μεγαλύτερη ποσότητα νερού να γεμίζει τους μεσοκυττάριους χώρους των φύλλων. Σε υγρή κατάσταση, το νερό βρίσκεται σε διάφορα μέρη του κυττάρου: την κυτταρική μεμβράνη, τα κενοτόπια και το πρωτόπλασμα. Τα κενοτόπια είναι το πιο πλούσιο σε νερό μέρος του κυττάρου, όπου η περιεκτικότητά του φτάνει το 98%. Στην υψηλότερη περιεκτικότητα σε νερό, η περιεκτικότητα σε νερό στο πρωτόπλασμα είναι 95%. Η χαμηλότερη περιεκτικότητα σε νερό είναι χαρακτηριστικό των κυτταρικών μεμβρανών. Ο ποσοτικός προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε νερό στις κυτταρικές μεμβράνες είναι δύσκολος. προφανώς, κυμαίνεται από 30 έως 50%.
Οι μορφές του νερού σε διάφορα μέρη του φυτικού κυττάρου είναι επίσης διαφορετικές. Ο χυμός κενοτοπίων κυπάρων κυριαρχείται από νερό που συγκρατείται από ενώσεις σχετικά χαμηλού μοριακού βάρους (οσμωτικά δεσμευμένες) και ελεύθερο νερό. Στο κέλυφος ενός φυτικού κυττάρου, το νερό δεσμεύεται κυρίως από ενώσεις υψηλής περιεκτικότητας σε πολυμερή (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη, ουσίες πηκτίνης), δηλαδή, κολλοειδή δεσμευμένο νερό. Στο ίδιο το κυτταρόπλασμα υπάρχει ελεύθερο νερό, κολλοειδή και ωσμωτικά συνδεδεμένο. Το νερό που βρίσκεται σε απόσταση έως και 1 nm από την επιφάνεια ενός μορίου πρωτεΐνης είναι σταθερά συνδεδεμένο και δεν έχει κανονική εξαγωνική δομή (κολλοειδές δεσμευμένο νερό). Επιπλέον, υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα ιόντων στο πρωτόπλασμα και, κατά συνέπεια, μέρος του νερού είναι δεσμευμένο οσμωτικά.
Η φυσιολογική σημασία του ελεύθερου και του δεσμευμένου νερού είναι διαφορετική. Οι περισσότεροι ερευνητές πιστεύουν ότι η ένταση φυσιολογικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων των ρυθμών ανάπτυξης, εξαρτάται κυρίως από την περιεκτικότητα σε ελεύθερο νερό. Υπάρχει άμεση συσχέτιση μεταξύ της περιεκτικότητας σε δεσμευμένο νερό και της αντοχής των φυτών σε αντίξοες εξωτερικές συνθήκες. Αυτές οι φυσιολογικές συσχετίσεις δεν παρατηρούνται πάντα.
Ένα φυτικό κύτταρο απορροφά νερό σύμφωνα με τους νόμους της όσμωσης. Η όσμωση παρατηρείται παρουσία δύο συστημάτων με διαφορετικές συγκεντρώσεις ουσιών, όταν επικοινωνούν με μια ημιπερατή μεμβράνη. Σε αυτή την περίπτωση, σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, οι συγκεντρώσεις εξισώνονται λόγω της ουσίας για την οποία η μεμβράνη είναι διαπερατή.
Όταν εξετάζουμε δύο συστήματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις οσμωτικά δραστικών ουσιών, προκύπτει ότι η εξίσωση των συγκεντρώσεων στα συστήματα 1 και 2 είναι δυνατή μόνο λόγω της κίνησης του νερού. Στο σύστημα 1, η συγκέντρωση του νερού είναι μεγαλύτερη, επομένως η ροή του νερού κατευθύνεται από το σύστημα 1 στο σύστημα 2. Όταν επιτευχθεί ισορροπία, η πραγματική ροή θα είναι μηδέν.
Το φυτικό κύτταρο μπορεί να θεωρηθεί ως οσμωτικό σύστημα. Το κυτταρικό τοίχωμα που περιβάλλει το κύτταρο έχει κάποια ελαστικότητα και μπορεί να τεντωθεί. Στο κενοτόπιο συσσωρεύονται υδατοδιαλυτές ουσίες (σάκχαρα, οργανικά οξέα, άλατα) που έχουν οσμωτική δράση. Ο τονοπλάστης και το πλασμάλεμα εκτελούν τη λειτουργία μιας ημιπερατής μεμβράνης σε αυτό το σύστημα, καθώς αυτές οι δομές είναι επιλεκτικά διαπερατές και το νερό περνά μέσα από αυτά πολύ πιο εύκολα από τις ουσίες που διαλύονται στον κυτταρικό χυμό και στο κυτταρόπλασμα. Επομένως, αν μπει ένα κελί περιβάλλον, όπου η συγκέντρωση είναι οσμωτική δραστικές ουσίεςθα είναι μικρότερη από τη συγκέντρωση μέσα στο κύτταρο (ή το κύτταρο τοποθετείται σε νερό), το νερό, σύμφωνα με τους νόμους της όσμωσης, πρέπει να εισέλθει στο κύτταρο.
Η ικανότητα των μορίων του νερού να μετακινούνται από το ένα μέρος στο άλλο μετριέται με το δυναμικό του νερού (Ψw). Σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, το νερό κινείται πάντα από μια περιοχή με υψηλότερο δυναμικό νερού σε μια περιοχή με χαμηλότερο δυναμικό.
Υδατικό δυναμικόΤο (Ψ v) είναι ένας δείκτης της θερμοδυναμικής κατάστασης του νερού. Τα μόρια του νερού έχουν κινητική ενέργεια, κινούνται τυχαία σε υγρό και υδρατμό. Το δυναμικό του νερού είναι μεγαλύτερο στο σύστημα όπου η συγκέντρωση των μορίων είναι μεγαλύτερη και η συνολική κινητική τους ενέργεια μεγαλύτερη. Το καθαρό (απεσταγμένο) νερό έχει το μέγιστο δυναμικό νερού. Το υδατικό δυναμικό ενός τέτοιου συστήματος θεωρείται υπό όρους μηδέν.
Οι μονάδες δυναμικού νερού είναι μονάδες πίεσης: ατμόσφαιρες, πασκάλ, μπάρες:
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
Όταν μια άλλη ουσία διαλύεται στο νερό, η συγκέντρωση του νερού μειώνεται, η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού μειώνεται και το δυναμικό του νερού μειώνεται. Σε όλα τα διαλύματα, το δυναμικό νερού είναι χαμηλότερο από αυτό του καθαρού νερού, δηλ. υπό τυπικές συνθήκες, εκφράζεται ως αρνητική τιμή. Ποσοτικά, αυτή η μείωση εκφράζεται με μια ποσότητα που ονομάζεται οσμωτικό δυναμικό(Ψ osm.). Το οσμωτικό δυναμικό είναι ένα μέτρο της μείωσης του υδατικού δυναμικού λόγω της παρουσίας διαλυμένων ουσιών. Όσο περισσότερα μόρια διαλυμένης ουσίας στο διάλυμα, τόσο χαμηλότερο είναι το οσμωτικό δυναμικό.
Όταν το νερό εισέρχεται στο κελί, το μέγεθός του αυξάνεται, μέσα στο κελί αυξάνεται υδροστατική πίεση, που αναγκάζει το πλάσμα να προσκολληθεί στο κυτταρικό τοίχωμα. Το κυτταρικό τοίχωμα, με τη σειρά του, ασκεί μια αντιπίεση, η οποία χαρακτηρίζεται από δυναμικό πίεσης(πίεση Ψ) ή υδροστατικό δυναμικό, είναι συνήθως θετικό και όσο μεγαλύτερο, τόσο περισσότερο νερό στο κελί.
Έτσι, το υδάτινο δυναμικό του κυττάρου εξαρτάται από τη συγκέντρωση των οσμωτικά δραστικών ουσιών - το οσμωτικό δυναμικό (Ψ οσμ.) και το δυναμικό πίεσης (πίεση Ψ).
Υπό την προϋπόθεση ότι το νερό δεν πιέζει την κυτταρική μεμβράνη (κατάσταση πλασμόλυσης ή μαρασμού), η αντίθλιψη της κυτταρικής μεμβράνης είναι μηδέν, το δυναμικό νερού είναι ίσο με το οσμωτικό:
Ψ σε. = Ψ osm.
Καθώς το νερό εισέρχεται στο κύτταρο, εμφανίζεται η αντίθλιψη της κυτταρικής μεμβράνης, το δυναμικό νερού θα είναι ίσο με τη διαφορά μεταξύ του οσμωτικού δυναμικού και του δυναμικού πίεσης:
Ψ σε. = Ψ osm. + Ψ πίεση
Η διαφορά μεταξύ του οσμωτικού δυναμικού του κυτταρικού χυμού και της αντίθλιψης της κυτταρικής μεμβράνης καθορίζει τη ροή του νερού σε κάθε δεδομένη στιγμή.
Υπό την προϋπόθεση ότι η κυτταρική μεμβράνη τεντώνεται στο όριο, το οσμωτικό δυναμικό εξισορροπείται πλήρως από την αντιπίεση της κυτταρικής μεμβράνης, το δυναμικό νερού μηδενίζεται και το νερό παύει να ρέει στο κύτταρο:
- Ψ osm. = Ψ πίεση , Ψ γ. = 0
Το νερό ρέει πάντα προς την κατεύθυνση ενός πιο αρνητικού υδατικού δυναμικού: από το σύστημα όπου η ενέργεια είναι μεγαλύτερη στο σύστημα όπου η ενέργεια είναι μικρότερη.
Το νερό μπορεί επίσης να εισέλθει στο κελί λόγω των δυνάμεων διόγκωσης. Οι πρωτεΐνες και άλλες ουσίες που απαρτίζουν το κύτταρο, έχοντας θετικά και αρνητικά φορτισμένες ομάδες, προσελκύουν δίπολα νερού. Το κυτταρικό τοίχωμα, το οποίο περιέχει ημικυτταρίνες και ουσίες πηκτίνης, και το κυτταρόπλασμα, στο οποίο πολικές ενώσεις υψηλής μοριακής απόδοσης αποτελούν περίπου το 80% της ξηρής μάζας, είναι ικανά να διογκωθούν. Το νερό διεισδύει στη δομή διόγκωσης με διάχυση, η κίνηση του νερού ακολουθεί μια κλίση συγκέντρωσης. Η δύναμη της διόγκωσης υποδηλώνεται με τον όρο δυναμικό μήτρας(Ψ ματ.). Εξαρτάται από την παρουσία υψηλού μοριακών συστατικών του κυττάρου. Το δυναμικό του πίνακα είναι πάντα αρνητικό. Μεγάλης σημασίαςΨ mat. έχει όταν το νερό απορροφάται από δομές στις οποίες δεν υπάρχουν κενοτόπια (σπόροι, μεριστωματικά κύτταρα).
Το νερό είναι το πιο κοινό χημική ένωσηστη Γη, η μάζα του είναι η μεγαλύτερη σε έναν ζωντανό οργανισμό. Υπολογίζεται ότι το νερό αποτελεί το 85% των συνολική μάζαμέσο στατιστικό κελί. Ενώ στα ανθρώπινα κύτταρα το νερό είναι κατά μέσο όρο περίπου 64%. Ωστόσο, η περιεκτικότητα σε νερό σε διαφορετικά κύτταραμπορεί να ποικίλλει σημαντικά: από 10% στα κύτταρα του σμάλτου των δοντιών έως 90% στα κύτταρα του εμβρύου των θηλαστικών. Επιπλέον, τα νεαρά κύτταρα περιέχουν περισσότερο νερό από τα παλιά. Έτσι, στα κύτταρα ενός βρέφους το νερό είναι 86%, στα κύτταρα ενός ηλικιωμένου μόνο 50%.
Στα αρσενικά, η περιεκτικότητα σε νερό στα κύτταρα είναι κατά μέσο όρο 63%, στα θηλυκά - ελαφρώς μικρότερη από 52%. Τι το προκάλεσε; Αποδεικνύεται ότι όλα είναι απλά. Στο γυναικείο σώμα, υπάρχει πολύς λιπώδης ιστός, στα κύτταρα του οποίου υπάρχει λίγο νερό. Επομένως, η περιεκτικότητα σε νερό στο γυναικείο σώμα είναι περίπου 6-10% χαμηλότερη από ό,τι στο αρσενικό.
Οι μοναδικές ιδιότητες του νερού οφείλονται στη δομή του μορίου του. Από το μάθημα της χημείας, γνωρίζετε ότι η διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου είναι η αιτία της εμφάνισης ενός ομοιοπολικού πολικού δεσμού σε ένα μόριο νερού. Το μόριο του νερού έχει σχήμα τριγώνου (87), στο οποίο ηλεκτρικά φορτίαβρίσκεται ασύμμετρα και είναι δίπολο (θυμηθείτε τον ορισμό αυτού του όρου).
Λόγω της ηλεκτροστατικής έλξης του ατόμου υδρογόνου ενός μορίου νερού προς το άτομο οξυγόνου ενός άλλου μορίου, δημιουργούνται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.
Τα χαρακτηριστικά της δομής και της φυσικής - Χημικές ιδιότητεςνερό (η ικανότητα του νερού να είναι γενικός διαλύτης, μεταβλητή πυκνότητα, υψηλή θερμοχωρητικότητα, μεγάλη επιφανειακή τάση, ρευστότητα, τριχοειδής κ.λπ.), που καθορίζουν τη βιολογική του σημασία.
Ποιες λειτουργίες επιτελεί το νερό στο σώμα;Το νερό είναι διαλύτης. Η πολική δομή του μορίου του νερού εξηγεί τις ιδιότητές του ως διαλύτη. Τα μόρια του νερού αλληλεπιδρούν με χημικά, τα στοιχεία του οποίου έχουν ηλεκτροστατικούς δεσμούς, και τα αποσυνθέτουν σε ανιόντα και κατιόντα, γεγονός που οδηγεί στην εκδήλωση χημικών αντιδράσεων. Όπως γνωρίζετε, πολλοί χημικές αντιδράσειςεμφανίζεται μόνο σε υδατικό διάλυμα. Ταυτόχρονα, το ίδιο το νερό παραμένει αδρανές, οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σώμα επανειλημμένα. Το νερό χρησιμεύει ως μέσο για τη μεταφορά διαφόρων ουσιών μέσα στο σώμα. Επιπλέον, τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού αποβάλλονται από τον οργανισμό κυρίως σε διαλυμένη μορφή.
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι λύσεων στα έμβια όντα. (Θυμηθείτε την ταξινόμηση των λύσεων.)
Το λεγόμενο αληθινό διάλυμα, όταν τα μόρια του διαλύτη έχουν το ίδιο μέγεθος με τα μόρια της διαλυμένης ουσίας, διαλύονται. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει διάσπαση και σχηματίζονται ιόντα. Στην περίπτωση αυτή, το διάλυμα είναι ομοιογενές και, με επιστημονικούς όρους, αποτελείται από μία υγρή φάση. Χαρακτηριστικά παραδείγματαείναι διαλύματα ορυκτών αλάτων, οξέων ή αλκαλίων. Δεδομένου ότι υπάρχουν φορτισμένα σωματίδια σε τέτοια διαλύματα, είναι σε θέση να αγώγουν ηλεκτρική ενέργειακαι είναι ηλεκτρολύτες, όπως όλα τα διαλύματα που βρίσκονται στο σώμα, συμπεριλαμβανομένου του αίματος των σπονδυλωτών, το οποίο περιέχει πολλά μεταλλικά άλατα.
Κολλοειδές διάλυμα είναι η περίπτωση όταν τα μόρια του διαλύτη είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος από τα μόρια της διαλυμένης ουσίας. Σε τέτοια διαλύματα, τα σωματίδια μιας ουσίας, που ονομάζονται κολλοειδή, κινούνται ελεύθερα στη στήλη του νερού, αφού η δύναμη έλξης τους δεν υπερβαίνει τη δύναμη των δεσμών τους με τα μόρια του διαλύτη. Μια τέτοια λύση θεωρείται ετερογενής, δηλαδή αποτελείται από δύο φάσεις - υγρή και στερεή. Ολα βιολογικά υγράείναι μείγματα που περιλαμβάνουν αληθινά και κολλοειδή διαλύματα, αφού περιέχουν τόσο μεταλλικά άλατα όσο και τεράστια μόρια (π.χ. πρωτεΐνες) που έχουν ιδιότητες κολλοειδών σωματιδίων. Επομένως, το κυτταρόπλασμα οποιουδήποτε κυττάρου, το αίμα ή η λέμφος των ζώων και το γάλα των θηλαστικών περιέχουν ταυτόχρονα ιόντα και κολλοειδή σωματίδια.
Όπως ίσως θυμάστε, τα βιολογικά συστήματα υπακούουν σε όλους τους νόμους της φυσικής και της χημείας, επομένως, σε βιολογικές λύσεις, παρατηρούνται φυσικά φαινόμενα που παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή των οργανισμών.
Ιδιότητες νερού
Η διάχυση (από το λατινικό Difusio - εξάπλωση, διασπορά, διασπορά) σε βιολογικά διαλύματα εκδηλώνεται ως τάση εξισορρόπησης της συγκέντρωσης των δομικών σωματιδίων των διαλυμένων ουσιών (ιόντα και κολλοειδή σωματίδια), η οποία τελικά οδηγεί σε ομοιόμορφη κατανομήουσίες σε διάλυμα. Είναι χάρη στη διάχυση που πολλά μονοκύτταρα πλάσματα τρέφονται, το οξυγόνο και τα θρεπτικά συστατικά μεταφέρονται μέσω του σώματος των ζώων απουσία αίματος και αναπνευστικά συστήματα(θυμηθείτε τι είδους ζώα είναι). Επιπλέον, η μεταφορά πολλών ουσιών στα κύτταρα πραγματοποιείται ακριβώς λόγω της διάχυσης.
Ένα άλλο φυσικό φαινόμενο είναι η όσμωση (από τα ελληνικά. Όσμωση - ώθηση, πίεση) - η κίνηση ενός διαλύτη μέσα από μια ημιπερατή μεμβράνη. Η όσμωση προκαλεί την κίνηση του νερού από ένα διάλυμα με χαμηλή συγκέντρωση διαλυμένων ουσιών και υψηλή περιεκτικότητα σε Η20 σε διάλυμα με υψηλή συγκέντρωση διαλυμένων ουσιών και χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό. Στα βιολογικά συστήματα, αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από τη μεταφορά του νερού σε επίπεδο κυττάρου. Γι' αυτό η όσμωση παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές βιολογικές διεργασίες. Η δύναμη της όσμωσης εξασφαλίζει την κίνηση του νερού στους φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς, έτσι ώστε τα κύτταρα τους να λαμβάνουν θρεπτικά συστατικά και να διατηρούν σταθερό σχήμα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στη συγκέντρωση μιας ουσίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η οσμωτική πίεση. Επομένως, εάν τα κύτταρα τοποθετηθούν σε υποτονικό διάλυμα, θα διογκωθούν και θα σκάσουν λόγω της ξαφνικής εισροής νερού.
