2. Водный баланс клетки растений.

Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ.

Природа водородных связей

Сама молекула Н2O электронейтральна, но заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода небольшой положительный, а в области, где расположен атом кислорода, небольшой отрицательный заряд. Благодаря этому молекулы воды могут взаимодействовать друг с другом с образованием так называемых водородных связей.

Водородные связи

определяют уникальные свойства воды:

У воды очень высокие температуры кипения, плавления и парообразования, так как нужно затратить дополнительную энергию на разрыв водородных связей. Только вода находится во всех трех агрегатных состояниях одновременно.

Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H2O смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды. Например, жиры - фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, могут благодаря взаимодействию с водой формировать липидный бислой.

Участие в химических реакциях

Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:

В ходе фотосинтеза у растений происходит фотолиз воды - водород из состава воды входит в органические вещества, а свободный кислород выделяется в атмосферу.

Уравнение фотосинтеза:123 6H2O+6CO2=C6H12O6+ 6O2

Вода участвует в гидролизе — разрушении веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ выделяется энергия, обеспечивающая нужды клетки. При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.

Поддержание структуры клеток

Вода практически не сжимаема (в жидком состоянии), и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это тургорное давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов (например, листьев).

Транспорт веществ

У растений, благодаря, капиллярному эффекту, характерному для воды (ее молекулам свойственна КОГEЗИЯ - сцепление частей одного и того же однородного тела, жидкого или твердого) осуществляется подъем от корня к другим частям растения растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии вода в почве доступна для всасывания через корневые волоски.

Транспорт продуктов фотосинтеза происходит посредством перемещения по ситовидным трубкам водного раствора сахарозы.

Участие в терморегуляции

Вследствие своей большой теплоемкости — 4200 Дж/(кг·К) — вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратится на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое (газ).

Вода содержится в живых клетках, в мертвых сосудах, в межклетниках. Во взрослой растительной клетке основная масса воды находится в вакуоли, а в цитоплазме лишь 5%.Т.к.вода-диполь,есть связанная и свободная вода. Благодаря электростатическому притяжению молекул воды происходит гидратация ионизированных(-NH₃⁺, -СОО-) и гетерополярных групп(-СООН,-ОН,-СО-Н,›NH,NH₂,-CONH₂,-SH полимеров). Вода, связанная молекулами биополимеров - коллоидно-связанная. Вода, внутри или между макромолекул - иммобилизированная. Вода, связанная ионами – осмотически–связанная. Коллоидно и осмотически связанная – гидратационная.

Поступление воды в клетку.

1.Осмотический механизм. Осмос - односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану. Клетка представляет собой осмотическую ячейку (и ее органеллы и мембраны) или осмотическую систему. Вода перестает поступать в клетку кода осмотическое давление сравнивается с тургорным (-давление протопласта на клеточную стенку).Поступление воды в раствор через полупроницаемую мембрану обусловлено разностью м/д свободной энергией чистой воды и свободной энергией раствора. Водный потенциал клетки – разность между свободной энергией воды и вне клетки при той же температуре и атмосферном давлении показывает, насколько энергия воды в клетке меньше энергии чистой воды и характеризует способность воды испаряться или поглощаться. Осмотический потенциал – эта компонента, водного потенциала клетки, которая определяется присутствием растворенного вещества. Состояние насыщения – тургорное давление=осмотическое (динамическое равновесие, при котором суммарный поток воды =0).

В условиях водного дефицита в молодых тканях резкое усиление потери воды может привести к тому, что протопласт, сокращаясь в объеме, не отстает от клеточной стенки, а тащит ее за собой. При этом клетка волнообразно изгибается и не только давит на протопласт, а стремиться его растянуть. Это состояние называется - циторризмом. Поступление воды в клетку за счет осмотических сил подготавливает постепенно условия для прекращения поступления воды→поступление воды в клетку - саморегулируемый процесс. Величина осмотического потенциала изменяется в пределах растения и даже одной ткани зависит от температуры и интенсивности света. Для осмоса необходима энергия.

2.Коллоидно-осмотический механизм(набухание)

Поглощение жидкости или пара, сопровождается увеличением его объема, называемое набуханием. Сила набухания- матричный потенциал. Набухание и обезвоживание клеточной стенки мертвых клеток при изменении влажности воздуха обычно является причинами гигроскопических движений растений. В зависимости от возраста и строения клетки разные механизмы поступления воды играют большую или меньшую роль. Во взрослой клетке с большой центральной вакуолью главный механизм - осмотический. В эмбриональных клетках, не имеющих центральной вакуоли, но быстро синтезируемых белковые молекулы, способной притягивать воду, основной механизм-набухание. В онтогенезе органа может происходить смена механизмов поступления воды.

3.Аквапорины-специальные белки, которые встраиваясь в мембраны, образуют в липидном бислое водные каналы или поры. Молекула состоит из 6 субъединиц. Ее внутренняя поверхность - гидрофильна.

Адаптация растений к поддержанию водного баланса

Низшие наземные растения из влажного субстрата поглощают воду погруженными в него частями таллома, а влагу дождя, росы и тумана – всей поверхностью. В максимально набухшем состоянии лишайники содержат в 20–30 раз больше воды, чем сухого вещества.

Среди высших наземных растений мохообразные поглощают воду из почвы ризоидами, а большинство других – корнями, специализированными органами, всасывающими воду. В клетках корня развивается сосущая сила чаще всего в несколько атмосфер, но этого достаточно для извлечения из почвы большей части связанной воды. Лесные деревья развивают сосущую силу корней около (30 атм), некоторые травянистые растения (земляника лесная, медуница неясная) – от 20-40 атм (смолка обыкновенная); растения сухих областей – до 60 атм. Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве истощаются, корни растут в направлении большей влажности, так что корневая система растений постоянно находится в движении.

Поступившая в растение вода транспортируется от клетки к клетке (ближний транспорт) и по ксилеме во все органы, где расходуется на жизненные процессы (дальний транспорт). В среднем 0,5 % воды идет на фотосинтез, а остальная – на восполнение потерь от испарения и поддержание тургора. Вода испаряется со всех поверхностей, как внутренних, так и наружных, соприкасающихся с воздухом. Различают устьичную и кутикулярную транспирацию.

Устьичная транспирация слогается из 4 прцессов: 1. Передвижение воды из сосудов в клеточные стенки, 2. Из поверхности клеток мезофиллов, 3. Диффузия водных паров в полость листа,4. Выход водных паров в атмосферу ч\з устьица.

Через устьица транспирируется влага, испарившаяся с поверхности клеток внутри органов. Это основной путь расходования воды растением. Кутикулярная транспирация – это испарение воды в атмосферу из клеточных стенок эпидермиса листа, составляет менее 10 % от свободного испарения; у вечнозеленых хвойных пород она сокращается до 0,5 %, а у кактусов даже до 0,05 %.

Относительно велика кутикулярная транспирация молодых развертывающихся листьев. Интенсивность общей транспирации повышается с увеличением освещенности, температуры, сухости воздуха и при ветре.

Флоэ́ма (от греч. φλοῦς — кора) — то же, что и луб — проводящая ткань сосудистых растений, по которой происходит транспорт продуктов фотосинтеза к частям растения, где происходит их использование (подземные части, конусы нарастания) или накопление (зреющие семена, плоды). Вместе с ксилемой (древесиной), обеспечивающей транспорт воды и минеральных солей, образует проводящие пучки.

Флоэмный транспорт

Флоэмный сок представляет собой раствор углеводов (у древесных растений — преимущественно сахарозы), являющихся продуктами фотосинтеза, в достаточно высокой концентрации — 0,2—0,7 моль/литр (7—25 %), а также других ассимилятов и метаболитов (аминокислот и фитогормонов) в значительно более низких концентрациях. Скорость транспорта составляет десятки сантиметров в час и может достигать 100 см/час на расстояние нескольких метров, что превышает скорости диффузии.

В отличие от ксилемы, где перемещение содержимого происходит в одном направлении — вверх от корней к листьям, флоэмный транспорт происходит от органов-доноров, в которых происходит фотосинтез к акцепторам — органам или областям, в которых продукты фотосинтеза потребляются или запасаются. Интенсивное потребление ассимилятов происходит в корнях, верхушках побегов, формирующихся листьях, репродуктивных органах; у многих видов растений есть специальные органы запасания — луковицы, клубни и корневища, выступающие в качестве акцепторов.

Ксиле́ма, или древеси́на — основная водопроводящая ткань сосудистых растений; один из двух подтипов проводящей ткани растений.

Строение. Ксилема состоит из мёртвых одеревеневших клеток, имеющих отверстия (перфорацию) — трахеид, а также из сосудов, образованных при слиянии ряда клеток; волокон и паренхимных клеток. У ряда видов сосуды отсутствуют, у остальных видов сосуды развиты по-разному, наибольшего развития достигая у покрытосеменных. Клетки ксилемы объединяются в так называемые проводящие (сосудисто-волокнистые) пучки, которые при рассмотрении стебля в разрезе образуют кольцо. Основная функция — транспорт воды и минеральных солей от корней к листьям, то есть осуществляет восходящий ток.