Химический потенциал воды, активность воды

Раздел 5 Водный обмен растений

Молекулярная структура, физико-химические свойства воды и ее физиологическое значение в растении (окончание)

Термодинамические основы водного обмена растений.

Для описания закономерностей транспорта воды используют такие поня­тия, как химический потенциал воды, осмотическое давление, водный и мат­ричный потенциалы.

Химический потенциал воды, активность воды

Любое вещество, в том числе вода, движется в направлении уменьшения ее свободной энергии, т.е. в направлении ее более низкого химического потенциала. Химический потенциал – это мера энергии, которую данное вещество использует на реакцию или движение. В соответствии с законами термодинамики, химиче­ский потенциал воды (μ_w) при изменяющемся давлении можно представить уравнением

_

μ_w=μ^о_w+RTln a _w + V _w Р (1)

где μ_w – стандартный химический потенциал воды (Дж/моль), R – газовая постоянная (8,314 Дж/моль∙К); Т – абсолютная температура; а_w – активность воды; V_w – парциальный молярный объем воды; Р – давление.

Химический потенциал, как и другие виды потенциальной энергии, явля­ется относительной величиной, поэтому в выражение химического потенциа­ла включен стандартный химический потенциал μ^о_w. Поскольку при расчетах движущих сил транспорта воды используют разность химических потенциалов в двух рассматриваемых точках системы, а не их абсолютные значения, то μ^о_w сокращаются при вычитании и не фигурируют в выражении градиента хими­ческого потенциала, определяющего направление перемещения воды.

Влияние концентрации воды в системе на ее химический потенциал пред­ставлено членом RTln a _w. Активность воды а_w характеризует ту реальную концентрацию, соответственно которой вода участвует в различных процессах. Активность чистой воды равна единице. Всякие межмолекулярные и иные связи уменьшают подвижность и рассеиваемость молекул и снижают активность воды. В растворе и в клетке активность воды всегда меньше единицы. Из уравнения (1) следует, что химический потенциал воды тем выше, чем больше ее активность (концентрация). Раство­ренные вещества снижают активность воды, так как уменьшают ее мольную долю в системе и соответственно концентрационную составляющую ее хими­ческого потенциала.

Член V_wP в уравнении отражает влияние давления на химический потенциал. Развивающееся в биологических системах давление по своей при­роде гидростатическое, по величине оно может быть как больше, так и мень­ше атмосферного. Примером гидростатического давления, больше атмосфер­ного, является давление протопласта на клеточную стенку, называемое тур­горным давлением. Пример гидростатического давления меньше атмосферного – давление в сосудах ксилемы при транспирации. Следует обратить внимание на то, что в физиологии растений при исследовании влияния давления на транспорт воды за нулевую точку отсчета принимается давление, равное ат­мосферному. В соответствии с этой шкалой гидростатическое давление прото­пласта на КС является величиной положительной, а гидростатическое давле­ние в сосудах ксилемы при транспирации – отрицательной. Величина V_w – парциальный молярный объем воды – показывает, насколько увеличивается объем системы с увеличением в ней количества воды на 1 моль.

Зная разность химических потенциалов воды в двух точках, например в двух компартментах клетки, разделенных мембраной, можно пред­сказать направление самопроизвольного движения воды через мембрану. Осмотическое давление

Вода может по­ступать в клетки растений благодаря набуханию биоколлои­дов, увеличению степени их гидратации. Такое поступление воды характерно для сухих семян, помещенных в воду. Однако главным способом поступления воды в живые клетки является ее осмотическое поглощение.

Осмосом называется прохождение рас­творителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой мембраной (т. е. пропускающей растворитель, но не молекулы растворенных веществ).

В Пфеффер предложил осмометр, названный им «искусственной клеткой». Во внутреннюю полость пористого фарфорового сосуда наливался раствор желтой кровя­ной соли K₄[Fe(CN)₆], и сосуд помещался в раствор CuSО₄. При взаимодействии этих веществ в порах сосуда образовывалась гелеобразная масса железистосинеродистой меди Cu₂[Fe(CN)₆], служившая полупроницаемой мембраной. Демонстрация осмотического давления во внутреннем сосуде осмометра после его наполнения раствором сахарозы и погружения в чистую воду Раствор сахарозы отделен от воды мембраной, проницаемой для Н₂О, но не для сахарозы. Р — гидростатическое давление

Если раствор сахарозы в осмотической ячейке, пропускающей только воду, погрузить в чистую воду, то молекулы воды будут перемещаться через стенки ячейки в раствор сахарозы, где концентрация (активность) воды меньше, т. е. от высокого вод­ного потенциала к более низкому. Растворенные ве­щества снижают активность воды в растворе и из ячейки воды выходит меньше, чем входит. Это и приводит к увеличению объема раствора сахарозы и подъему жидкости в трубке осмо­метра.

Поступление воды в такого рода осмотическую ячейку приводит к увеличению объема жидкости до тех пор, пока гидроста­тическое давление Р столба жидкости в монометрической трубке не повысится настолько, чтобы воспрепятствовать дальнейшему увеличению объема раствора. В достигнутом состоянии равновесия полупроницае­мая мембрана в единицу времени пропускает одинаковые коли­чества воды в обоих направлениях. Гидростатическое давление в этом случае соответствует потенциальному осмотическому давлению π*.Осмотическое давление – это давление, избыточное по отношению к атмосферному, которое необходимо приложить к раствору вещества, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем (или с раствором этого вещества иной концентрации), отделенным от него полупроницаемой мембраной. RT π = – –––– ln a _w (2) V_w Водный потенциал Физиологическая активность растительной клетки зависит от термодинамического (энергетического) состояния воды, важнейшим показателем которой является водный потенциал. Разность химического потенциала воды в клетке и химического потенциала чистой воды (μ _w– μ^о _w), отнесенную к парциальному объему воды в клетке, называют водным потенциалом (ψ_в или ψ): μ _w– μ^о _w ψ_в = –––––––––– (3) V_w Водный потенциал можно выразить соотношением: ψ_в = Р – π (4) Химический потенциал (μ) чистой воды всегда выше химического потенциала воды в клетке, поэтому величина водного потенциала всегда отрицательна. Водный потенциал растений выражается в атмосферах, барах или паскалях (1атм=1,013бар=105Па).Выражение водного потенциала для паров воды в воздухе имеет вид: μ _w– μ^о _w RT RT относительная влажность ψ_в = –––––––––– = ––––– ln a _w=––– ln –––––––––––––––––––––––– (5) V_w V_w V_w 100 В соответствии с уравнением (5) при относительной влажности, равной 100 %, водный потенциал паров воды в воздухе будет равен 0. Снижение отно­сительной влажности всего лишь на 1 % приводит к уменьшению ψ_в до -1,36 МПа. Средние значения водного потенциала зеленых листьев, например овощных растений, составляют -0,5 МПа. Согласно уравнению (5), такое значение ψ_в соответствует относительной влажности 99,6 %. Даже во время проливного дождя влажность воздуха редко превышает 99 %. Следовательно, листья, водный по­тенциал которых составляет -0,5 МПа, постоянно теряют воду. В листьях боль­шинства наземных растений водный потенциал колеблется от -0,4 до -0,3 МПа. У некоторых растений пустынь водный потенциал растений может снижаться до -5,0 МПа. Составляющие водного потенциала: осмотический потенциал, матричный потенциал, потенциал давления (гидростатический потенциал) В водном обмене растений большое значение имеет взаимодействие воды с биомолекулами. Такое взаимодействие осуществляется как внутри клеток, так и в апопласте и происходит в основном за счет образования водородных связей между молекулами воды и биополимерами. Водородные связи постоянно рас­падаются и образуются вновь. Связывание части молекул воды функциональ­ными группами биополимеров понижает ее термодинамическую активность. Таким образом, биомолекулы наряду с низкомолекулярными растворенными веществами участвуют в снижении активности воды и вносят вклад в сниже­ние ее химического потенциала. В связи с этим фактически измеряемое в экс­периментах осмотическое давление в клетках, равное , можно пред­ставить в виде суммы π = π_s + τ,где π_s – осмотическое давление, вызываемое присутствием низкомолекулярных растворенных веществ; τ — матричное дав­ление, являющееся результатом взаимодействия воды с биополимерами. При­нимая во внимание наличие двух составляющих осмотического давления, мы можем переписать выражение ψ_в = Р – π следующим образом: ψ_в = Р – π_s – τ. Часто в физиологии водного обмена водный потенциал представляют в виде сумммы потенциалов: ψ_в = ψ_p + ψ_s + ψ_m, где ψ_m – матричный потенциал, равный - τ ψ_p – гидростатический (потенциал давления), равный Р; ψ_s – осмотический потенциал давления, равный -π_s.

Направление движения воды из наружной среды в клетку или обратно бу­дет определяться направлением градиента водного потенциала. Условием по­ступления воды в клетку является более высокий водный потенциал наружной среды, чем водный потенциал клетки. Направление движения воды в системе целого растения также определяется направлением градиента водного потен­циала. Осмотическая концентрация вакуолярного сока для клеток корней составляет 0,3 – 1,2 МПа, а для клеток надземных орга­нов – 1,0-2,6 МПа. Это обусловливает существование верти­кального градиента осмотической концентрации и сосущей силы от корней к листьям. Очень высоко осмотическое давление в клетках галофитов, растущих в условиях засоления: оно достигает 15 МПа.