Kui palju vett rakus on? Veerežiim. Ülesanded õpilaste rühmadele

Vesi on kõige levinum ühend Maal ja elusorganismides. Veesisaldus rakkudes oleneb ainevahetusprotsesside iseloomust: mida intensiivsemad need on, seda suurem on veesisaldus.

Täiskasvanu rakud sisaldavad keskmiselt 60–70% vett. 20% vee kadumisel organismid surevad. Inimene võib ilma veeta elada kuni 7 päeva, ilma toiduta aga mitte rohkem kui 40 päeva.

Riis. 4.1. Veemolekuli (H 2 O) ruumiline struktuur ja vesiniksideme teke

Veemolekul (H 2 O) koosneb kahest vesinikuaatomist, mis on kovalentselt seotud hapnikuaatomitega. Molekul on polaarne, kuna see on painutatud nurga all ja hapnikuaatomi tuum tõmbab jagatud elektronid selle nurga poole, nii et hapnik omandab osalise negatiivse laengu ja avatud otstes asuvad vesinikuaatomid on osaliselt positiivse laenguga. . Veemolekulid on võimelised üksteist meelitama positiivsete ja negatiivsete laengutega, moodustades vesinikside (Joon. 4.1.).

Tänu ainulaadne struktuur veemolekulid ja nende võime omavahel vesiniksidemeid kasutades siduda, on veel mitmeid omadusi, mis määravad selle oluline roll rakus ja kehas.

Vesiniksidemed põhjustavad suhteliselt kõrged temperatuurid keetmine ja aurustumine, vee kõrge soojusmahtuvus ja soojusjuhtivus, universaalse lahusti omadus.

Vesiniksidemed on 15-20 korda nõrgemad kui kovalentsed sidemed. Vedelas olekus tekivad ja katkevad vesiniksidemed, mis määrab veemolekulide liikumise ja selle voolavuse.

H2O bioloogiline roll

Vesi määrab füüsikalised omadused rakud - selle maht, elastsus (turgor). Rakk sisaldab 95-96% vaba vett ja 4-5% seotud vett. Seotud vesi moodustab teatud ühendite (näiteks valkude) ümber vesised (solvaatsed) kestad, takistades neil omavahel suhelda.

Tasuta vesi on hea lahusti paljude anorgaaniliste ja orgaaniliste polaarsete ainete jaoks. Vees hästi lahustuvaid aineid nimetatakse hüdrofiilsed. Näiteks alkoholid, happed, gaasid, enamik naatriumi- ja kaaliumisoolasid jne. Hüdrofiilsete ainete puhul on sideme energia nende aatomite vahel väiksem kui nende aatomite veemolekulide külgetõmbeenergia. Seetõttu on nende molekulid või ioonid kergesti integreeritavad vee üldisesse vesiniksidemete süsteemi.

Vesi kui universaalne lahusti mängib äärmiselt olulist rolli, kuna enamik keemilised reaktsioonid esineb vesilahustes. Ainete tungimine rakku ja jääkainete eemaldamine sellest on enamikul juhtudel võimalik ainult lahustunud kujul.

Vesi ei lahusta mittepolaarseid (laengu mittekandvaid) aineid, kuna ei saa nendega moodustada vesiniksidemeid. Vees lahustumatud aineid nimetatakse hüdrofoobne . Nende hulka kuuluvad rasvad, rasvataolised ained, polüsahhariidid ja kumm.

Mõnel orgaanilisel molekulil on kaks omadust: mõnes piirkonnas on neil polaarsed rühmad ja teistes - mittepolaarsed. Selliseid aineid nimetatakse amfipaatiline või amfifiilne. Nende hulka kuuluvad valgud, rasvhapped, fosfolipiidid, nukleiinhapped. Amfifiilsed ühendid mängivad olulist rolli bioloogiliste membraanide ja keerukate supramolekulaarsete struktuuride organiseerimisel.

Vesi on reaktsioonides otseselt seotud hüdrolüüs– orgaaniliste ühendite lagunemine. Veelgi enam, spetsiaalsete ensüümide toimel vabastavad valentsid orgaanilised molekulid OH ioonid liituvad - ja N + vesi. Selle tulemusena tekivad uued, uute omadustega ained.

Vesi on suure soojusmahutavusega (s.t. võime absorbeerida soojust oma temperatuuri väikeste muutustega) ja hea soojusjuhtivusega. Tänu nendele omadustele hoitakse rakus (ja kehas) temperatuur teatud tasemel, hoolimata ümbritseva keskkonna temperatuuri olulistest muutustest.

Tähtis bioloogiline tähtsus Taimede ja külmavereliste loomade funktsioneerimiseks võib vesi lahustunud ainete (süsivesikud, glütserool) mõjul muuta oma omadusi, eelkõige külmumis- ja keemistemperatuure.

Vee omadused on elusorganismide jaoks nii olulised, et meie teadaoleva elu olemasolu pole võimalik ette kujutada mitte ainult Maal, vaid ka igal teisel planeedil ilma piisava veevarudeta.

MINERAALSOOL

Need võivad olla lahustunud või lahustumata olekus. Mineraalsoolade molekulid vesilahus lagunevad katioonideks ja anioonideks.

Vesi sisaldub elusrakkudes, surnud ksüleemielementides ja rakkudevahelises ruumis. Rakkudevahelistes ruumides on vesi aurulises olekus. Taime peamised aurustusorganid on lehed. Sellega seoses on loomulik, et suurim kogus vett täidab lehtede rakkudevahelised ruumid. Vedelas olekus leidub vett raku erinevates osades: rakumembraanis, vakuoolis, tsütoplasmas. Vakuoolid on raku kõige veerikkam osa, kus selle sisaldus ulatub 98%-ni. Suurima veesisalduse korral on veesisaldus tsütoplasmas 95%. Madalaim veesisaldus on iseloomulik rakumembraanidele. Veesisalduse kvantitatiivne määramine rakumembraanides on keeruline; ilmselt jääb see vahemikku 30–50%.

Vee kujud erinevates osades taimerakk on ka erinevad. Vaakumrakkude mahlas domineerib suhteliselt madala molekulmassiga ühendite (osmootselt seotud) peetav vesi ja vaba vesi. Taimeraku kestas seovad vett peamiselt kõrgpolümeersed ühendid (tselluloos, hemitselluloos, pektiinained), ehk kolloidseotud vesi. Tsütoplasmas endas on kolloidselt ja osmootselt seotud vaba vesi. Valgumolekuli pinnast kuni 1 nm kaugusel asuv vesi on tihedalt seotud ja sellel puudub korrapärane kuusnurkne struktuur (kolloidseotud vesi). Lisaks on tsütoplasmas teatud kogus ioone ja seetõttu on osa veest osmootselt seotud.

Vaba ja seotud vee füsioloogiline tähtsus on erinev. Enamiku teadlaste arvates sõltub füsioloogiliste protsesside intensiivsus, sealhulgas kasvukiirused, eelkõige vaba vee sisaldusest. Seotud veesisalduse ja taimede vastupidavuse vahel ebasoodsatele välistingimustele on otsene seos. Neid füsioloogilisi seoseid ei täheldata alati.

Normaalseks eksisteerimiseks peavad rakud ja taimeorganism tervikuna sisaldama teatud kogust vett. See on aga kergesti teostatav ainult vees kasvavate taimede puhul. Maismaataimede jaoks muudab selle ülesande keeruliseks asjaolu, et taimekehas kaob vett pidevalt aurustumise kaudu. Vee aurustumine taime poolt saavutab tohutud mõõtmed. Võime tuua järgmise näite: üks maisitaim aurustab kasvuperioodil kuni 180 kg vett ja 1 hektar metsa Lõuna-Ameerika aurustab keskmiselt 75 tuhat kg vett päevas. Tohutu veetarbimine on tingitud asjaolust, et enamikul taimedel on märkimisväärne lehepind, mis asub veeauruga küllastamata atmosfääris. Samal ajal on ulatusliku lehepinna arendamine vajalik ja pika evolutsiooni käigus välja kujunenud, et tagada normaalne toitumine õhus ebaolulises kontsentratsioonis (0,03%) sisalduva süsinikdioksiidiga. Oma kuulsas raamatus “Taimede võitlus põua vastu” K.A. Timirjazev tõi välja, et vastuolu süsihappegaasi püüdmise vajaduse ja veetarbimise vähendamise vahel jättis oma jälje kogu taimeorganismi struktuurile.

Aurumisest tingitud veekadude kompenseerimiseks tuleb seda pidevalt tehasesse suur kogus. Nimetatakse kahte taimes pidevalt toimuvat protsessi – vee sisenemist ja aurustumist taimede veetasakaal. Taimede normaalseks kasvuks ja arenguks on vajalik, et veekulu vastaks ligikaudu sissevoolule ehk teisisõnu, et taim vähendaks oma veetasakaalu ilma suure puudujäägita. Selleks on taim loodusliku valiku protsessi kaudu välja töötanud kohandused vee neelamiseks (kolossaalselt arenenud juurestik), vee liigutamiseks (spetsiaalne juhtivussüsteem) ja aurustumise vähendamiseks (integraalsete kudede süsteem ja automaatne süsteem). stomataalsete avade sulgemine).

Kõigist nendest kohandustest hoolimata kogeb taim sageli veepuudust, st veevarustust ei tasakaalusta selle tarbimine transpiratsiooni ajal.

Füsioloogilised häired esinevad erinevates taimedes, mille veepuudus on erinev. On taimi, millel on evolutsiooni käigus välja kujunenud erinevad kohandused, et taluda dehüdratsiooni (põuakindlad taimed). Taimede veepuudusele vastupidavust määravate füsioloogiliste tunnuste selgitamine on kõige olulisem ülesanne, mille lahendamisel on suur mitte ainult teoreetiline, vaid ka põllumajanduslik praktiline tähtsus. Samas on selle lahendamiseks vaja teada kõiki veevahetuse aspekte taimeorganismis.

1. Milline on vee struktuur?

Vastus. Veemolekulil on nurkstruktuur: selle koostisesse kuuluvad tuumad moodustuvad võrdhaarne kolmnurk, mille põhjas on kaks vesinikku ja ülaosas hapnikuaatom. Tuumadevaheline O-H vahemaad 0,1 nm lähedal on vesinikuaatomite tuumade vaheline kaugus 0,15 nm. Kuuest elektronist, mis moodustavad veemolekulis hapnikuaatomi välimise elektronkihi, moodustavad kaks elektronipaari kovalentse O-N ühendused, ja ülejäänud neli elektroni esindavad kahte üksikut elektronide paari.

Veemolekul on väike dipool, mille poolustel on positiivsed ja negatiivsed laengud. Vesinikutuumade läheduses on puudu elektrontihedusest ja edasi vastaspool molekulide, hapniku tuuma lähedal on elektrontiheduse liig. Just see struktuur määrab veemolekuli polaarsuse.

2. Millises koguses vett (%) sisaldavad erinevad rakud?

Erinevates kudedes ja elundites on vee hulk erinev. Seega on inimestel selle sisaldus aju hallis aines 85% ja luukoes - 22%. Suurimat veesisaldust kehas täheldatakse aastal embrüo periood(95%) ja väheneb järk-järgult koos vanusega.

Veesisaldus erinevates taimeorganites varieerub üsna suurtes piirides. See varieerub sõltuvalt keskkonnatingimustest, taimede vanusest ja tüübist. Seega on salatilehtede veesisaldus 93-95%, mais - 75-77%. Erinevates taimeorganites on vee hulk erinev: päevalille lehed sisaldavad 80-83% vett, varred - 87-89%, juured - 73-75%. Veesisaldus 6-11% on tüüpiline peamiselt õhu käes kuivatatud seemnetele, milles elutähtsad protsessid on pärsitud. Vesi sisaldub elusrakkudes, surnud ksüleemielementides ja rakkudevahelises ruumis. Rakkudevahelistes ruumides on vesi aurulises olekus. Taime peamised aurustusorganid on lehed. Sellega seoses on loomulik, et suurim kogus vett täidab lehtede rakkudevahelised ruumid. Vedelas olekus leidub vett raku erinevates osades: rakumembraanis, vakuoolis, tsütoplasmas. Vakuoolid on raku kõige veerikkam osa, kus selle sisaldus ulatub 98%-ni. Suurima veesisalduse korral on veesisaldus tsütoplasmas 95%. Madalaim veesisaldus on iseloomulik rakumembraanidele. Veesisalduse kvantitatiivne määramine rakumembraanides on keeruline; ilmselt jääb see vahemikku 30–50%. Erinevad on ka vee vormid taimeraku erinevates osades.

3. Milline on vee roll elusorganismides?

Vastus. Vesi on kõigi elusorganismide peamine komponent. Sellel on ainulaadsed omadused tänu oma struktuurilistele omadustele: veemolekulid on dipooli kujuga ja nende vahel tekivad vesiniksidemed. Enamiku elusorganismide rakkude keskmine veesisaldus on umbes 70%. Vesi rakus esineb kahel kujul: vaba (95% kogu rakuveest) ja seotuna (valkudega seotud 4-5%).

Vee funktsioonid:

1.Vesi lahustina. Paljud keemilised reaktsioonid rakus on ioonsed ja toimuvad seetõttu ainult rakus veekeskkond. Vees lahustuvaid aineid nimetatakse hüdrofiilseteks (alkoholid, suhkrud, aldehüüdid, aminohapped), neid, mis ei lahustu, hüdrofoobseteks (rasvhapped, tselluloos).

2. Vesi kui reagent. Vesi osaleb paljudes keemilistes reaktsioonides: polümerisatsioonireaktsioonides, hüdrolüüsis ja fotosünteesi protsessis.

3. Transpordi funktsioon. Selles lahustunud ainete liikumine läbi keha koos veega selle erinevatesse osadesse ja ebavajalike toodete eemaldamine kehast.

4. Vesi kui termostabilisaator ja termostaat. See funktsioon on tingitud sellistest vee omadustest nagu kõrge soojusmahtuvus - see pehmendab oluliste temperatuurimuutuste mõju kehale. keskkond; kõrge soojusjuhtivus - võimaldab kehal säilitada sama temperatuuri kogu mahu ulatuses; kõrge aurustumissoojus – kasutatakse keha jahutamiseks higistamise ajal imetajatel ja transpiratsioonil taimedes.

5.Struktuurne funktsioon. Rakkude tsütoplasma sisaldab 60–95% vett ja just see annab rakkudele normaalse kuju. Taimedes säilitab vesi turgorit (endoplasmaatilise membraani elastsust), mõnel loomal toimib see hüdrostaatilise skeletina (meduusid)

Küsimused pärast § 7

1. Milles seisneb veemolekuli ehituse eripära?

Vastus. Unikaalsed omadused vee määrab selle molekuli struktuur. Veemolekul koosneb O-aatomist, mis on seotud kahe polaarse H-aatomiga kovalentsed sidemed. Elektronide iseloomulik paigutus veemolekulis annab sellele elektrilise asümmeetria. Elektronegatiivsem hapnikuaatom tõmbab vesinikuaatomite elektrone tugevamini ligi, mille tulemusena nihkuvad veemolekulis ühised elektronpaarid selle poole. Seetõttu, kuigi veemolekul tervikuna on laenguta, kannab kumbki kahest vesinikuaatomist osaliselt positiivset laengut (tähistatakse 8+) ja hapnikuaatomil osaliselt negatiivset laengut (8-). Veemolekul on polariseeritud ja on dipool (sellel on kaks poolust).

Ühe veemolekuli hapnikuaatomi osaliselt negatiivne laeng tõmbab osaliselt ligi positiivsed aatomid teiste molekulide vesinik. Seega kipub iga veemolekul looma vesiniksidemeid nelja naabervee molekuliga.

2. Mis tähtsus on veel lahustina?

Vastus. Molekulide polaarsuse ja vesiniksidemete moodustamise võime tõttu lahustab vesi kergesti ioonseid ühendeid (soolasid, happeid, aluseid). Mõned mitteioonsed, kuid polaarsed ühendid lahustuvad ka vees, st mille molekul sisaldab laetud (polaarseid) rühmi, näiteks suhkruid, lihtalkohole, aminohappeid. Vees hästi lahustuvaid aineid nimetatakse hüdrofiilseteks (kreeka keelest hygros – märg ja philia – sõprus, kalduvus). Kui aine lahustub, saavad selle molekulid või ioonid vabamalt liikuda ja seetõttu suureneb aine reaktsioonivõime. See seletab, miks vesi on peamine keskkond, milles toimub enamik keemilisi reaktsioone, ning kõik hüdrolüüsireaktsioonid ja arvukad redoksreaktsioonid toimuvad vee otsesel osalusel.

Vees halvasti või täielikult lahustumatud aineid nimetatakse hüdrofoobseteks (kreeka keelest phobos – hirm). Nende hulka kuuluvad rasvad, nukleiinhapped, mõned valgud ja polüsahhariidid. Sellised ained võivad moodustada veega liideseid, kus toimuvad paljud keemilised reaktsioonid. Seetõttu on elusorganismide jaoks väga oluline ka asjaolu, et vesi ei lahusta mittepolaarseid aineid. Vee füsioloogiliselt oluliste omaduste hulgas on selle võime lahustada gaase (O2, CO2 jne).

3. Mis on vee soojusjuhtivus ja soojusmahtuvus?

Vastus. Vesi on suure soojusmahtuvusega, st võime absorbeerida soojusenergiat minimaalse temperatuuri tõusuga. Vee suur soojusmahtuvus kaitseb kehakudesid kiire ja tugeva temperatuuritõusu eest. Paljud organismid jahutavad end vee aurustamisega (taimedel transpiratsioon, loomadel higistamine).

4. Miks arvatakse, et vesi on rakule ideaalne vedelik?

Vastus. Kõrge veesisaldus rakus on selle tegevuse kõige olulisem tingimus. Enamiku vee kadumisega sureb palju organisme ning hulk üherakulisi ja ühtlaseid organisme mitmerakulised organismid kaotab ajutiselt kõik elumärgid. Seda olekut nimetatakse peatatud animatsiooniks. Pärast hüdratatsiooni rakud ärkavad ja muutuvad taas aktiivseks.

Vee molekul on elektriliselt neutraalne. Kuid elektrilaeng molekulis jaotub ebaühtlaselt: vesinikuaatomite (täpsemalt prootonite) piirkonnas on see ülekaalus. positiivne laeng, piirkonnas, kus asub hapnik, on negatiivse laengu tihedus suurem. Seetõttu on veeosake dipool. Veemolekuli dipoolomadus seletab selle võimet orienteeruda elektriväljas ja kinnituda erinevate molekulide ja molekulide osadega, mis kannavad laengut. Selle tulemusena moodustuvad hüdraadid. Vee võime moodustada hüdraate on tingitud selle universaalsetest lahustiomadustest. Kui veemolekulide külgetõmbeenergia aine molekulide suhtes on suurem kui veemolekulide vaheline tõmbeenergia, siis aine lahustub. Sõltuvalt sellest eristatakse hüdrofiilseid (kreeka keeles hydros - vesi ja phileo - armastus) aineid, mis lahustuvad hästi vees (näiteks soolad, leelised, happed jne) ja hüdrofoobseid (kreeka keeles hydros - vesi ja fobos). - hirmu) ained, mis on vees raskesti või üldse mitte lahustuvad (rasvad, rasvataolised ained, kumm jne). Rakumembraanide koostis sisaldab rasvataolisi aineid, mis piiravad üleminekut väliskeskkonda rakkudesse ja tagasi, samuti ühest rakuosast teise.

Enamik rakus toimuvaid reaktsioone saab toimuda ainult vesilahuses. Vesi on paljudes reaktsioonides otsene osaline. Näiteks valkude, süsivesikute ja muude ainete lagunemine toimub ensüümide poolt katalüüsitud koosmõjul veega. Selliseid reaktsioone nimetatakse hüdrolüüsireaktsioonideks (kreeka keeles hydros – vesi ja lüüs – lõhenemine).

Vesi on suure soojusmahtuvuse ja samal ajal suhteliselt kõrge vedelike soojusjuhtivusega. Need omadused muudavad vee ideaalseks vedelikuks rakkude ja organismide termilise tasakaalu säilitamiseks.

Vesi on raku biokeemiliste reaktsioonide peamine keskkond. See on fotosünteesi käigus vabaneva hapniku ja vesiniku allikas, mida kasutatakse assimilatsiooniproduktide taastamiseks süsinikdioksiid. Ja lõpuks, vesi on peamine ainete transpordivahend kehas (vere- ja lümfivool, lahuste tõusev ja laskuv vool läbi taimede anumate) ja rakus.

5. Mis on vee roll rakus

Rakkude elastsuse tagamine. Rakkude veekaotuse tagajärjed on lehtede närbumine, viljade kuivamine;

Keemiliste reaktsioonide kiirendamine ainete lahustamisel vees;

Ainete liikumise tagamine: enamiku ainete sisenemine rakku ja nende eemaldamine rakust lahuste kujul;

Paljude lagunemise tagamine keemilised ained(mitmed soolad, suhkrud);

Osalemine paljudes keemilistes reaktsioonides;

Osalemine termoregulatsiooni protsessis tänu võimele aeglaselt soojeneda ja aeglaselt jahtuda.

6. Millised vee ehituslikud ja füüsikalis-keemilised omadused määravad selle bioloogiline roll puuris?

Vastus. Vee struktuurilised füüsikalis-keemilised omadused määravad ära selle bioloogilised funktsioonid.

Vesi on hea lahusti. Molekulide polaarsuse ja vesiniksidemete moodustamise võime tõttu lahustab vesi kergesti ioonseid ühendeid (soolasid, happeid, aluseid).

Vesi on suure soojusmahtuvusega, st võime absorbeerida soojusenergiat minimaalse temperatuuri tõusuga. Vee suur soojusmahtuvus kaitseb kehakudesid kiire ja tugeva temperatuuritõusu eest. Paljud organismid jahutavad end vee aurustamisega (taimedel transpiratsioon, loomadel higistamine).

Vesi on ka kõrge soojusjuhtivusega, tagades soojuse ühtlase jaotumise kogu kehas. Järelikult muudavad vee kõrge erisoojusmaht ja kõrge soojusjuhtivus ideaalseks vedelikuks rakkude ja organismide soojusliku tasakaalu säilitamiseks.

Vesi praktiliselt ei suru kokku, tekitades turgorirõhu, määrates rakkude ja kudede mahu ja elastsuse. Seega säilitab ümarusside, meduuside ja muude organismide kuju just hüdrostaatiline skelett.

Vett iseloomustab optimaalne bioloogilised süsteemid jõu väärtus pind pinevus, mis tekib vesiniksidemete moodustumise tõttu veemolekulide ja teiste ainete molekulide vahel. Pindpinevusjõu mõjul tekib taimedes kapillaarverevool, lahuste tõusev ja laskuv vool.

Teatud biokeemilistes protsessides toimib vesi substraadina.