PRIMANJE I ODAVANJE VODE Difuzija, osmoza i imbibicija
Difuzija To je neto kretanje čestica sa mesta sa visokom koncentracijom ka mestu sa niskom koncentracijom. U ravnotežnom stanju koncentracija čestica (gustina) u određenom prostoru je izjednačena. Da bi došlo do difuzije mora da postoji gradijent koncentracije.
"Blausen 0315 Diffusion" by BruceBlaus - Own work. Licensed under CC BY 3.0 via Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/file:blausen_0315_diffusion.png#/media/file:blausen_0315_diffusion.png
FICK-OVI ZAKONI DIFUZIJE I Fick-ov zakon kaže: količina supstance koja, pri konstantnoj temperaturi i pritisku, difunduje u jedinici vremena kroz jedinicu površine (brzina difuzije ili gustina fluksa), zavisi od gradijenta koncentracije i od vrste supstance; II Fick-ov zakon kaže: put koji pređe supstanca pri difuziji srazmeran je kvadratnom korenu iz vremena difuzije. S const t
J s D s cs x J s = brzina difuzije ili gustina fluksa supstance s (mol m -2 s -1 ) D s = koeficijent difuzije supstance s (m 2 s -1 ) x cs = gradijent koncentracije supstance s Znak ( ) ispred jednačine označava da se transport supstance s obavlja niz gradijent koncentracije. S const t S = rastojanje koje su prešle čestice supstance s prilikom difuzije t = vreme difundovanja
Slobodna energija kojom raspolaže 1 mol neke supstance zove se hemijski potencijal te supstance; To je mera za energiju koju supstanca može da iskoristi za neki rad - kretanje ili hemijsku rekaciju; Hemijski potencijal vode naziva se vodni potencijal ( v ); Meri se i izražava u jedinicama za pritisak paskalima, barima ili atmosferama; Hemijski potencijal čiste vode, pri standardnim uslovima (sobna temperatura i atmosferski pritisak), po konvenciji je jednak 0;
Rastvaranje supstance u vodi smanjuje hemijski potencijal vode (vodni potencijal); Vodni potencijal u određenoj zapremini rastvora je uvek manji od vodnog potencijala iste zapremine čiste vode, što znači da vodni potencijal rastvora ima negativne vrednosti; Između rastvora i vode uspostavlja se razlika u vodnom potencijalu ( v ), pa voda difunduje u prostor u kome se nalazi rastvor; Voda UVEK difunduje sa mesta višeg na mesto nižeg vodnog potencijala Ovo važi samo na istom atmosferskom pritisku i temperaturi;
Kada postoji razlika u vodnom potencijalu na dvema stranama membrane, voda difunduje kroz membranu i ta pojava se naziva osmoza
OSMOZA JE DIFUZIJA VODE KROZ MEMBRANU (polupropustljivu, diferencijalno propustljivu ili selektivno propustljivu)
Pfeffer-ov osmometar Rastvor osmotski aktivnih supstanci ima izvestan hemijski potencijal koji zavisi od koncentracije rastvora i usled koga dolazi do osmoze. On se naziva osmotski potencijal ( ) i ima negativan predznak; Pritisak živinog stuba koji zaustavlja dalje povećanje volumena tj. sprečava osmozu naziva se osmotski pritisak (OP); U ćeliji je to pritisak ćelijskog zida (koji je jednak turgorovom pritisku, a suprotnog znaka).
Pritisak živinog stuba, osmotski pritisak, odnosno pritisak ćelijskog zida u živoj biljnoj ćeliji, ustvari istiskuje višak vode napolje i, pošto je taj pritisak veći od atmosferskog, on povećava vodni potencijal rastvora - voda difunduje niz gradijent napolje; Rastvor stiče potencijal pritiska ( p ) U osmotskom sistemu NIKAD se ne izjednačavaju koncentracije sa strana membrane, već se uspostavlja dinamička ravnoteža.
Ne utiču sve supstance rastvorljive u vodi na osmotski, odnosno vodni potencijal. Osmotski aktivne supstance (osmoliti) su one supstance koje imaju efekat na osmotski potencijal. One mogu da budu nedisosovane (na primer, šećeri) ili disosovane ( na primer, soli) u vodenom rastvoru. Osmoliti su: šećeri, soli, aminokiseline, alkoholi. Osmotski neaktivni su: proteini, skrob i drugi polisaharidi.
Jednačinu za izračunavanje osmotskog pritiska definisao je holandski fiziko-hemičar Jakob Van t Hof (Jacobus Henricus van t Hoff): π (pi) = osmotski pritisak [Pa] π = crt R = gasna konstanta (8,32 J mol -1 K -1 ) T = apsolutna temperatura [stepeni Kelvina, K] c = koncentracija rastvora (moli potpuno rastvorene osmotski aktivne supstance po jedinici mase vode, mol Kg -1 ili mol dm -3 ako je temperatura 25 C, jer je tada masa jednog litra vode jednaka 1Kg; molalitet) Jednačna važi samo za razblažene vodene rastvore (koncentracije manje od 0,1 mol dm -3 pri 25 o C) osmotski aktivnih supstanci koje ne disosuju, pri čemu su molekuli rastvorene supstance međusobno udaljeni toliko da ne djeluju jedan na drugog. U slučaju rastvora osmotski aktivnih supstanci koje disosuju (soli) jednačina osmotskog pritiska postaje:
π = osmotski pritisak [Pa] π V = nrt R = gasna konstanta (8,32 J mol -1 K -1 ) T = apsolutna temperatura [stepeni Kelvina, K] n = količina osmotski aktivne supstance [Osmol] V = zapremina [dm 3 ] Osmol je mol osmotski aktivne supstance. Osmotska koncentracija je broj mola rastvorene supstance koji utiču na osmotski pritisak rastvora, tj. broj osmola, po jedinici zapremine ili mase. U slučaju osmotski aktivnih supstanci koje ne disosuju broj mola supstance je jednak broju osmola, a u van t Hofovoj jednačini je n/v=c. Međutim, kod osmotski aktivnih supstanci koje u vodi disosuju to nije slučaj, odnosno broj mola supstance nije jednak broju osmola te iste supstance, jer jedan molekul supstance disosuje, pa to onda povećava broj n, te n/v c. Drugim rečima, vodeni rastvori osmotski aktivnih supstanci iste koncentracije mogu imati različit osmotski pritisak, zavisno od toga da li obe disosuju u vodi ili ne i na koliko čestica disosuju.
Jednačina osmotskog potencijala rastvora Ψ π = - RTc R = gasna konstanta (8,32Jmol -1 K -1 ) T = apsolutna temperatura (stepeni Kelvina, K) c = koncentracija rastvora (izražena kao osmolalitet, broj osmola rastvorene supstance po jedinici mase (Kg) vode) Jednačna važi za razblažene vodene rastvore osmotski aktivnih supstanci koje ne disosuju. Znak minus ukazuje na to da rastvaranje supstanci u vodi snižava vodni potencijal rastvora.
Vodni potencijal ćelije JEDNAČINA VODNOG POTENCIJALA ZA OSMOTSKI SISTEM v = + p (1.1) (-) (-) (+)
Imbibicija Suva semena i meristemske ćelije nemaju vakuolu; Vodu primaju putem imbibicije; Imbibicija se zasniva na sposobnosti koloida da na svojoj površini adsorbuju veće količine neke tečnosti prema kojoj imaju afinitet; Hidrofilni - vodu, hidrofobni - druge tečnosti; Hidratacija bioloških makromolekula
Imbibicija je poseban slučaj difuzije gde se pravac kretanja vode podudara sa padom gradijenta vodnog potencijala; Vodni potencijal suvih koloida vrlo nizak, naziva se potencijal matriksa ( M ).
Prema tome, prethodna jednačina (1.1) se može proširiti pa se vodni potencijal ćelije opisuje kao v = + p + M (1.2) (-) (-) (+) (-) JEDNAČINA VODNOG POTENCIJALA ZA SISTEM KOJI PRIMA VODU I OSMOZOM I IMBIBICIJOM
ĆELIJA KAO OSMOTSKI SISTEM Rasvor sa spoljašnje strane ćelija može, u odnosu na rastvor unutar ćelija (ćelijski sok), biti: Izotoničan Hipotoničan Hipertoničan
Šta određuje koliko će vode neka biljna ćelija da primi?
To je vodni potencijal ćelije, a NE njen osmotski potencijal; Naime, među ćelijama mogu da postoje male razlike u osmotskom potencijalu, ali kada je ćelija zasićena vodom onda je njen jednak njenom p pa je na osnovu jednačine 1.1 jasno da je v = 0, tj. da ćelija ne prima vodu. To NE znači da voda ne ulazi u ćeliju niti izlazi iz ćelije, već da u jedinici vremena kroz jedinicu površine u ćeliju uđe ista količina vode koja iz nje i izađe (dinamička ravnoteža, neto rezultat je 0)
Zbog rigidnosti biljnih ćelijskih zidova, do promena zapremine protoplasta i v usled osmoze dolazi uglavnom usled promena u p uz male promene u. Što je ćelijski zid rigidniji (manje elastičan), manje je protoka vode potrebno da bi se postigla promena v, odnosno manje je vremena potrebno za postizanje ravnotežnog stanja. To znači da je pojedinačna biljna ćelija u stanju da postigne ravnotežu svog v sa v okolne sredine za manje od jednog minuta (u proseku). Za osmozu važe slična pravila kao i za difuziju: Neophodno je postojanje gradijenta v Smer kretanja vode određuje usmerenost gradijenta v Brzina protoka vode (tj. osmoze) jednaka je proizvodu pokretačke sile (gradijent v ) i hidrauličke provodljivosti ćelijske membrane (permeabilitet membrane za vodu)
Plazmoliza
Sposobnost biljnih ćelija da plazmoliziraju jeste test vijabilnosti, jer mrtve ćelije, čak i kad izgledaju živo, ne plazmoliziraju u hipertoničnom rastvoru. Brzina deplazmolize je mera za propustljivost ćelijske membrane za različite supstance. Plazmoliza se u prirodnim uslovima retko dešava (napr. kod biljaka koje žive na obalama mora) jer biljke imaju sposobnost osmoregulacije
Značaj proučavanja vodnog potencijala biljaka Vodni potencijal se koristi kao mera vodnog statusa biljke, odnosno za merenje hidriranosti biljke, kako bi se procenio stepen vodnog stresa kojem je biljka izložena. Vodni stres može, zavisno od stepena izraženosti, da prouzrokuje niz poremećaja kod biljaka (prestanak rastenja, inhibicija ćelijskih deoba, inhibicija sinteze ćelijskog zida i proteina, akumulacija različitih supstanci u biljci, zatvaranje stoma, inhibicija fotosinteze) koji vode smanjenju biljne biomase i utiču na prinose gajenih biljaka.
Merenje vodnog i osmotskog potencijala ćelije Merenje promena težine ili zapremine odsečaka tkiva u seriji rastvora osmotski aktivnih supstanci različitih koncentracija Plazmolitički metod Krioskopski metod
Plazmolitički metod merenja osmotskog potencijala Rastvor koji izaziva plazmolizu 50% ćelija u tkivu smatra se izotoničnim za ćelije ispitivanog biljnog tkiva (donji epidermis listova). U tim ćelijama kada je citoplazma samo malo odvojena od zida, zid ne vrši pritisak na ćelijski sadržaj, pa je p = 0, odnosno v =, tj. osmotski potencijal ćelijskog soka je jednak istom spoljašnjeg rastvora; Nedostatak ovog metoda: početno skupljanje celog tkiva zajedno sa zidovima, pa se plazmoliza opaža kasnije tj. u rastvoru jače koncentracije; Dobijene vrednosti niže od realnih
Krioskopski metod merenja osmotskog potencijala Vodeni rastvori imaju sniženu tačku mržnjenja u odnosu na čistu vodu. Molalni rastvor nedisosovane osmotski aktivne supstance snižava tačku mržnjenja za 1,8 0 C; Metod se sastoji u merenju (u krioskopu) tačke mržnjenja ćelijskog soka koji je isceđen pod presom; Dobijene vrednosti su obično nešto više od realnih, jer se tom prilikom iscedi i tečnost iz sudova, intercelulara i apoplasta.
OSMOREGULACIJA (OSMOTSKA ADAPTACIJA) Osmotski stres Halofite i glikofite Osmoprotektanti (prolin i betain i njihovi derivati) Tolerancija na osmotski stres (salinitet) proteini osmotini
OSMOREGULACIJA (OSMOTSKA ADAPTACIJA) Limonium sp.