آب، سلول و گیاه

آب، سلول و گیاه

اسلاید 1: آب، سلول و گیاهويژگي هاي منحصر به فرد فيزيكي و شيمیايي آب:توزيع نامتقارن الكترون ها سبب مي شود تا آب مولكولي قطبي باشد.تفکیک بارهای مثبت و منفی بین اکسیژن و هیدروژن: پيوند هيدروژني بین مولكول هاي آب همجوار يا بين آب و ساير مولكول هاي قطبي.پیوند هیدروژنی مسئول بسیاری از خواص منحصر به فرد آب در مقایسه با ملکولهای با اندازه ملکولی یکسان است.آب پوسته هاي هيدراسيون در اطراف ابرمولكول ها تشکیل می دهد. ويژگي هاي حرارتي آب :آب در محدوده دمايي مناسب براي حيات حالت مايع خود را حفظ مي كندظرفيت گرمايي منحصر به فرد آب: گرماي ويژه آب برابر با يك كالري (4/18 ژول بر گرم بردرجه سانتیگراد) است.هدايت گرمائي آب بالا است: حذب و پخش مقدار زیادی انرژی بدون افزایش جدی دما و پایداری حرارتی گیاه.آب داراي گرماي ذوب و گرماي تبخير بالايي است: تنظیم درجه حرارت گیاه.آب حلال تمام عياري است: تشکیل پوسته هیدراسیون (در اطراف یونها یا ملکولهای باردار) کلیدی استپیوستگی: جاذبه قوي متقابل بين مولكول هاي آب كه ناشي از پيوندهاي هيدروژني است قدرت کشش (کشش سطحی) ناشی از پیوستگی است: علاوه بر قدرت کشسانی، قطرات آب کروی می مانند. قدرت کشسانی: حداکثرکششی است که یک ستون ممتد از هر ماده ای تحمل می کند.چسبندگی: جذب مولكول آب به سمت سطوح جامدصعود مويينگي آب ناشی از چسبندگی است.    

اسلاید 2: آب، سلول و گیاهکنترل حركت آب توسط انتشار و حركت توده ای صورت می گیرد. نقل مكان: به صورت فعال و غير فعال ممکن می گردد.حركت غير فعال اغلب مواد یا به صورت حركت توده اي است يا به صورت انتشار.حركت توده اي از فشار هيدروستاتيك (نیروی بیرونی نظیر جاذبه یا فشار) منشا مي گيرد.انتشار: نوعي حركت جهت دار مواد (ذرات) از ناحيه با غلظت بالا به ناحيه با غلظت پايين است. مثال: گلوكز حل شده در آب، دي اكسيد كربن حل شده در آب يا دي اكسيد كربن موجود در هوا.قانون فيك: سرعت انتشار به طور مستقيم با سطح مقطع مسير انتشار و گراديان غلظت يا فشار بخار و به طور معكوس با طول مسير انتشار ارتباط دارد.اسمز: انتشار آب از خلال يك غشاء با قابليت عبور انتخابي. در مورد حرکت آب اسمز يك حالت خاص از انتشار است.قانون فيك براي انتشار مولكول هاي ماده حلال هم صادق است.انتشار اسمزی آب تنها هنگامي رخ مي دهد كه دو ظرف (دو سلول) بوسيله غشا با قابليت نفوذ انتخابي جدا شده باشند و به چنين سازوكاري اسمز مي گويند.آب همانند هر ماده ديگري تنها هنگامي كه تفاوت بين انرژي آب در دو بخش از يك سيستم وجود دارد مي تواند حركت كند.

اسلاید 3: آب، سلول و گیاهcell sap less concentratedcell sap more concentrated

اسلاید 4: آب، سلول و گیاهمحتواي انرژي آب را همانند هر ماده ديگري مي توان بر اساس پتانسيل شيميايي آن بيان نمود.انرژي شيميایي عبارت است از مقدار انرژي آزاد بر يك مول از ماده مورد نظر و معياري از ظرفيت و قابليت آن ماده براي واكنش يا حركت مي باشد.اسمز تنها هنگامي رخ مي دهد كه انرژي آزاد مولي آب (پتانسيل شيميايي آب) در يك طرف غشاء با نفوذپذيري انتخابي بيشتر از انرژي آزاد مولي آب در طرف ديگر همان غشا باشد.حل شدن ماده حل شونده (ماده محلول) در يك محلول آبي سبب کاهش پتانسيل شيميايي و در نتيجه افت انرژي آزاد آب از طریق كاهش نسبت مولي آب در آن محلول مي شود.سلول هاي گياهي ورود و خروج آب را از طريق تغيير در غلظت مواد محلول در سيتوسل نسبت به غلظت محلول خارج سلولي كنترل مي كنند.پتانسيل شيميايي آب مقدار كاري كه آب مي تواند در يك نقطه (به عنوان مثال يك سلول يا واكوئل) در مقايسه با آب خالص در همان دما و فشار اتمسفري انجام دهد را نشان مي دهد.تنها راهي كه سلولهاي گياهي مي توانند حركت آب را تنظيم كنند از طريق ايجاد نوعي گراديان مواد محلول در دو طرف غشاء است.حركت و جريان آب غير فعال است ولی حركت و جريان مواد محلول نياز به انتقال فعال دارد: اسمز بطور غير مستقيم به انرژي نياز دارد.تنظيم اسمزي: سازوكار تنظيم وضعيت آب سلول گياهي از طريق تجمع مواد محلول . 

اسلاید 5: آب، سلول و گیاهپتانسيل شيميايي آب داراي يك جزء اسمزي و يك جزء فشاري است.اگر لوله با قابلیت عبور انتخابی را از محلول قند پر كرده و در يك ظرف آب خالص وارونه گذاشته شود: حجم محلول موجود در لوله با انتشار آب از طريق غشاء افزايش مي يابد تا فشار هيدروستاتيك ايجاد شده در لوله با نيرویي كه آب را بداخل لوله مي راند برابر گردد. اين نيرو كه از واحد فشار برخوردار است (نيرو بر واحد سطح) را فشار اسمزي مي گويند.مقدار فشار اسمزي كه بوجود مي آيد تابع غلظت مواد محلول است.يك محلول به خودی خود نمي تواند داراي فشار اسمزي باشد. اين محلول فقط در حالتي داراي پتانسيل اعمال فشار است كه در يك اسمومتر قرار داده شود: محلول ياد شده داراي پتانسيل اسمز است. پس پتانسيل اسمزي = منفي فشار اسمزي.فشار هم يكي از فاكتورها در تعيين جهت و سرعت حركت آب در اسمومتر مي باشد.هم انتشار و هم فشار پتانسيل شيميايي كل آب را تعيين مي كنند و پتانسيل شيميايي كل است كه حركت آب را در گياه تعيين مي كند.تنها در درختان بلند (ارتفاع بیش از 10 متر) بخش ثقلي پتانسيل آب مي تواند قابل توجه باشد.اندازه گيري مقادير نسبي آسان تر از اندازه گيري مقادير مطلق است.بيان پتانسيل آب به صورت واحد فشار (پاسكال) كه سنخيت بيشتر (نسبت به واحد انرژی) با سيستم خاك – گياه – اتمسفر دارد صورت می گیرد.پاسكال (Pa) كه برابر با نيروي يک نيوتن بر متر مربع است واحد استاندارد SI براي فشار است.

اسلاید 6: آب، سلول و گیاهعامل حركت آب گراديان پتانسيل آب است: آب از نقطه يا مكان با پتانسيل آب بزرگتر به نقطه يا مكان با پتانسيل آب كوچكتر حركت مي كند. مقدار پتانسيل آب معمولاً منفي است: آب از نقطه اي كه پتانسيل آب كمتر منفي است به نقطه اي كه پتانسيل آب بيشتر منفي است حركت مي كند.به همان دليلي كه پتانسيل شيميايي آب در يك محلول در مقايسه با پتانسيل آب خالص تعيين مي شود، پتانسيل آب محلول ها در مقايسه با يك مرجع اندازه گيري مي شود. براي پتانسيل آب، مرجع را به صورت قراردادي آب خالص در فشار اتمسفر در نظر مي گيرند.پتانسيل آب را مي توان به صورت مجموع اجزائش تعريف كرد :که در آن (Ψs = -π)پتانسيل ماتريك(M) جزء سومي است كه اغلب به پتانسيل آب افزوده مي شود. پتانسيل ماتريك نتيجه چسبيدن آب به سطوح جامد است.تفكيك پتانسيل ماتريك از اسمزي دشوار و سهم آن نسبت به پتانسيل اسمزی سلول گیاهی نسبتا كوچك است.از آنجا كه نقش ΨS در پتانسيل آب همواره منفي است، با فرض ثابت ماندن فشار، آب همواره از محلول با پتانسيل اسمزي بزرگ تر (يعني كمتر منفي) به محلول با پتانسيل اسمزي كوچكتر (يعني بيشتر منفي) حركت خواهد داشت.پتانسيل اسمزي بيشتر سلول هاي گياهي تا حد زيادي برآمده از محتويات واكوئل بزرگ مركزي آنها مي باشد. تنها كمتر از 5 تا 10 درصد آب در سيتوپلاسم مي باشد. پتانسيل اسمزي يك سلول پارانشيمي در محدوده 0/1 – تا 0/3 – مگاپاسكال بوده كه بخش عمده آن ناشي از نمك هاي حل شده در واكوئل مي باشد.

اسلاید 7: آب، سلول و گیاهدر سلول ها، فشار از نيروي وارده توسط پروتوپلاست در حال تورم به ديواره سلولي و به سمت خارج بوجود مي آيد: فشار تورژسانس.فشار به همان اندازه ولي به سمت داخل توسط ديواره سلولي اعمال مي شود: فشار دیواره.سلولي كه فشار تورژسانس را تجربه مي كند: سلول متورمسلولي كه آنقدر آب از دست داده كه فشار تورژسانس آن به صفر برسد: سلول پلاسیدهپلاسمو لیز: به حالتي گفته مي شود كه پروتوپلاست تنها حجم سلول را پر مي كند. در پلاسموليز اوليه پروتوپلاست نه فشاري به ديواره سلول وارد مي كند و نه از ديواره سلولي جدا مي شود که در نتيجه فشار تورژسانس(P Ψ) برابر صفر بوده و پتانسيل آب سلول (cell Ψ) با پتانسيل اسمزي (s Ψ) آن برابر مي باشد.محلولي كه از محتواي مواد محلول كمتري نسبت به سلول يا محلول ديگر برخوردار باشد و در نتيجه پتانسيل اسمزي آن كمتر منفي باشد را هيپوتونيك مي‌گويند. وقتيكه سلول توسط يك محلول هیپوتونیک مانند آب خالص در بر گرفته شده باشد (Ψ = 0)، آب وارد سلول مي شود: محتواي واكوئلي رقيق شده (متناسب با آن پتانسيل اسمزي افزايش مي يابد) و فشار تورژسانس ايجاد مي گردد. محلول هيپرتونيك به محلولي گفته مي شود كه از محتواي مواد محلول بيشتر و در نتيجه پتانسيل اسمزي بيشتر منفي نسبت به سلول يا محلول ديگر برخوردار باشد. وقتيكه سلول توسط يك محلول هیپرتونیک در بر گرفته شده باشد، سلول آب از دست می دهد. پروتوپلاست با چروكيده شدن از ديواره جدا شده، محتوای واکوئلی غلیظ شده و پلاسمولیز رخ می دهد.محلولي كه از پتانسيل اسمزي برابري در قیاس با سلول يا محلول ديگر برخوردار باشد ايزوتونيك محسوب مي شود. این سه واژه به وضعیت محلولی که ممکن است در بیرون از سلول واقع شود اتلاق می شوند.

اسلاید 8:

اسلاید 9: آب، سلول و گیاهپديده هاي پلاسموليز و پژمردگي ظاهرا يكي هستند ولي تفاوت هاي مهمي بين آنها وجود دارد. پلاسموليز را مي توان در آزمايشگاه از طريق قرار دادن بافت ها در يك محلول هيپرتونيك و مشاهده تغيير حجم سلول در زير ميكروسكوپ مطالعه كرد. با ادامه پلاسموليز حجم پروتوپلاست بيشتر و بيشتر كاهش يافته و پروتوپلاست از ديواره سلولي فاصله مي گيرد. فضاي بوجودآمده بين پروتوپلاست (غشاي پلاسمايي) و ديواره سلولي بوسيله محلول موجود در بيرون سلول كه براحتي از ديواره نفوذ مي كند پر مي شود. به همين دليل، پلاسموليز معمولا منجر به ايجاد فشار منفي (يا مكش) چنداني در پروتوپلاست نمي شود. به غير از شرايط بسيار استثنايي كمبود آب يا محيط هاي شور، پلاسموليز يك پديده آزمايشگاهي محسوب مي شود و در شرايط طبيعي بندرت اتفاق مي افتد. از طرف ديگر پژمردگي پاسخ طبيعي است كه در شرايط از دست رفتن آب سلول در محيط هاي طبيعي ديده مي شود. آب موجود در منافذ ريز ديواره سلولي به دليل برخورداري از كشش سطحي خيلي قوي از ورود هوا به داخل سلول ممانعت كرده و لذا پروتوپلاست اگر چه در هم مي رود ولي از ديواره سلولي جدا نشده و فاصله نمي گيرد. چنين وضعيتي سبب مي شود كه ديواره سلولي به سمت داخل كشيده شود و چه بسا فشار منفي زيادي را هم ايجاد نمايد. بنابراين هيچ بعيد نيست كه پتانسيل آب سلول هاي پژمرده خيلي منفي شود، چراكه جمع جبري پتانسيل اسمزي و پتانسيل آبي فشار در اينجا پتانسيل آب را تشكيل مي دهد.آکواپورینها كانال هاي پروتئيني غشايي يا منافذي هستند كه وظيفه اصلي آنها كنترل حركت انتخابي مولكول هاي آب مي باشد ودر سلول گياهان، ميكروب ها و حيوانات وجود دارند.آکواپورین ها به منظور تنظیم حرکت آب در عرض غشاء می‌توانند باز یا بسته باشند (مدخل داشته باشند). چه بسا که pH سیتوپلاسم، غلظت کاتیون های دو ظرفیتی نظیرCa2+ و همچنین فسفریلاسیون پروتئین های آکواپورینی نقش مدخل داشته باشد.

اسلاید 10: آب، سلول و گیاهاهمیت آکواپورینها در چیست؟سرعت عبور آب از لایه دوگانه چربی که دارای آکواپورین ها است بیشتر از سرعت عبور از لایه دو گانه چربی به تنهایی است. بنابراین حضور و وجود آکواپورین ها یک مسیر با حداقل مقاومت برای عبور آب از غشاء سلولی را فراهم می‌کند. چون آکواپورین ها مدخل دار هستند، استفاده از چنین مسیری به سلول قابلیت کنترل بیشتری بر عبورو مرور آب چه در داخل سلول و چه بین سلول ها را می‌دهد. نفوذپذیری تونوپلاست به آب صد برابر نفوذپذیری غشای پلاسمایی به آب می‌باشد. بنابراین، این چنین قابلیتی به واکوئل این امکان را می‌دهد که سیتوپلاسم را در شرایطی که سلول با شرایط هایپرتونیک مواجه است از نظر آب تامین نماید. از اینرو است که آکواپورین ها در تنظیم مشخصات اسمزی سلول های گیاهی (تنظیم اسمزی) اهمیت دارند.از كل آبي كه توسط گياهان جذب مي شود: 5% براي رشد و اعمال بيوشيميايي استفاده مي شود و 95% به صورت بخار آب (تعرق) از دست مي رود.يك تك گياه ذرت طي دوره حياتش نزديك به 200 ليتر آب و يك تك درخت 14/5 متری چنار هر ساعت 225 ليتر آب را تعرق می نمايد.

اسلاید 11: آب، سلول و گیاههر روزنه توسط یک جفت سلول اختصاصی بنام سلول های محافظ در برگرفته شده است.یک سیستم به هم پیوسته از هوای بین سلولی در برخی موارد تا 70 درصد از کل حجم برگ را تشکیل می دهد.نیروی محرکه تعرق تفاوت پتانسیل آب بین فضای هوایی زیر روزنه و اتمسفر بیرونی است.فضای هوای زیر روزنه برگ خیلی نزدیک به اشباع است چراکه سلول های مزوفیلی سطح وسیعی را برای تبخیر آب فراهم می کنند. اتمسفری که برگ را احاطه کرده است معمولا اشباع نیست: گرادیانی بین فشار بخار بالا در داخل برگ و فشار بخار پایین اتمسفر بیرونی پدید می آید. این تفاوت فشار بخار نیروی محرکه تعرق است.با توجه به ویژگی های آب، تعرق نقشهای حیاتی برای گیاه دارد.

اسلاید 12: آب، سلول و گیاهGuard cellsCuticleStomataMesophyll