Difuzija, osmoza i imbibicija
PRIMANJE I ODAVANJE
VODE
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.
x
cJ
ss
Ds
tconst S
x
cDJ
ss
s
t constS
Js = brzina difuzije ili gustina fluksa supstance s (mol m-2 s-1)
Ds= koeficijent difuzije supstance s (m2 s-1)
x
cs
= gradijent koncentracije supstance s
Znak (–) ispred jednačine označava da se transport
supstance s obavlja niz gradijent koncentracije.
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
potencijal vode;
• 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.
Jednačinu za izračunavanje osmotskog pritiska definisao je holandski
fiziko-hemičar Jakob Van’t Hof (Jacobus Henricus van’t Hoff):
π = cRT
π (pi) = osmotski pritisak [Pa]
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 oC) 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 V = nRT
π = osmotski pritisak [Pa]
R = gasna konstanta (8,32 J mol-1 K-1)
T = apsolutna temperatura [stepeni Kelvina, K]
n = količina osmotski aktivne supstance [Osmol]
V = zapremina [dm3]
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
Ψπ = - RTc
R = gasna konstanta (8,32Jmol-1K-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
v = + p (1.1)
(-) (-) (+)
JEDNAČINA VODNOG POTENCIJALA ZA OSMOTSKI SISTEM
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 .
• 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)
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).
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
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.
Značaj proučavanja vodnog
potencijala biljaka
Merenje vodnog i osmotskog
potencijala ćelije
• Merenje težine ili zapremine
odsečaka tkiva u seriji rastvora
različitih koncentracija
• Plazmolitički metod
• Krioskopski metod
Plazmolitički metod merenja
osmotskog potencijala
• Rastvor koji izaziva plazmolizu 50% ćelija u tkivu
• 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
• Molalni rastvor nedisosovane supstance snižava tačku mržnjenja za 1,8 0C;
• 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.
• Osmotski stres
• Halofite i glikofite
• Osmoprotektanti (prolin i betain i
njihovi derivati)
• Tolerancija na osmotski stres (salinitet)
– proteini osmotini
OSMOREGULACIJA
(OSMOTSKA ADAPTACIJA)
Limonium sp.
OSMOREGULACIJA
(OSMOTSKA ADAPTACIJA)