12第二章水分与植物细胞.ppt
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1、第二章 水与植物细胞 (Water and plant cells),要求与重点 掌握植物细胞水势的概念,意义,植物细胞吸水的动力、方式和机理,测定水势的方法。,第一节 水的物理化学性质 第二节 植物细胞的水分关系,一 水分子的结构和氢键,Diagram of the water molecule,分子结构上是非对称性,氢键 水分子间微弱的静电引力,H2O:H-O-H,电中性,二 水的物理化学特性,水的溶解性强 水具有高比热(specific heat)和高蒸发潜热(latent heat of vaporization),表面张力、内聚力、附着力 高抗张强度,2. 水对植物生命活动的重要性,
2、2.1 植物的含水量和水分存在状态,“有收无收在于水,收多收少在于肥”,不同植物含水量不同 水生植物鲜重的90以上 地衣、藓类仅占6左右 草本植物7085 木本植物稍低于草本植物。 一种植物,不同环境下有差异 荫蔽、潮湿 向阳、干燥环境 同一植株中,不同器官、组织不同 根尖、幼苗和绿叶6090 树干4050 休眠芽40 风干种子为814 生命活动较旺盛的部分,水分含量较多。,自由水(free water) 是指不被细胞组织吸附,可以自由移动的水,只有自由水才能起到溶剂的作用。 束缚水(bound weter)是指紧密吸附在胶体颗粒或大分子表面,不能自由移动的水。 自由水/束缚水比值随发育时期和
3、外界条件而变化,并对细胞的生理活动产生影响。,水是细胞重要组成成分,自由水参与各种代谢作用,自由水占总含水量的百分比越大,则植物代谢越旺盛。 束缚水不参与代谢作用,束缚水含量与植物抗性大小有密切关系。,溶 胶,代 谢,生 长,抗 逆,水分在植物生命活动中的作用,1 水分是细胞质的主要成分; 2 水分是代谢作用过程的反应物质; 3 水分是植物对物质吸收和运输的溶剂; 4 水分能保持植物的固有姿态。,植物的水分代谢包括:,第二节 植物细胞的水分关系,水 势 水的运动 植物细胞水势,自由能、化学势的基本概念,自由能的变化是判断系统能否自动进行反应的标准。,束缚能(bound energy):是不能用
4、于做有用功的能量。 自由能(free energy): 是在恒温、恒压条件下能够作功的那部分能量。,物质能量,水势,化学势 (chemical potential):在物理化学中,用来描述体系中组分发生化学反应的本领及转移的潜在能力。,等温等压条件下在无限大的体系中,加入 1摩尔j物质时引起体系自由能的改变量, 用j表示。,化学势的绝对值不能测定,通常用给定状态与人为规定的标准状态差值来表示。,化学势:可以指示某组分在体系间的转移的趋势。 例如,设组分j在地点A和地点B的化学势分别为jA和jB。,当jA jB时 ?。 当jA jB时?。 当jA jB 时?。,它的度量单位是每摩尔的能量,单位是
5、J mol-1 ,(J=Nm ) ,属于能量单位。,在植物生理学中,水势是每偏摩尔体积水的化学势差。,概念,当一个体系中含有水分,水这个组分参与化学反应或转移的本领,用水的化学势来表示,即mW,水的化学势不用绝对值(很难测定),而用其相对值w来表示。纯水的自由能最大,水势也最高。 将标准条件下的(1atm, 引力场0, 与体系同温度) 纯水化学势规定为零,任何一溶液中水的化学势与纯水化学势进行比较: w= w- w0 = w,水的偏摩尔体积是具体的数值,随不同含水体系而异。,偏摩尔体积(Vw)是指在恒温恒压,其它组分浓度不变情况下,混合体系中1mol该物质所占据有效体积。,在纯的水溶液中, 水
6、的偏摩尔体积与纯水的摩尔体积相差不大,实际应用时往往用纯水的摩尔体积代替偏摩尔体积。,在20,1 atm下, 纯自由水:Vw = 18 cm3/mol 1mol水加入0.1M的蔗糖溶液中, Vw = 18.4 cm3/mol 1mol水中加入0.1M NaCl溶液中, Vw = 18.1 cm3/mol 1mol水加入酒精(50%)溶液中, Vw = 16.5 cm3/mol,J.mol-1 水势单位:= =J.m-3= N.m-2=Pa m3.mol-1,化学势 J.mol-1 (J=Nm ),偏摩尔体积单位m3mol-1,把以能量为单位的化学势转化为以压力为单位的水势。常用单位为Pa,MP
7、a或atm,水势的单位,溶质、基质、压力、重力等对水势的影响分别称为溶质势(s)、基质势(m)、压力势(p)和重力势(g)。 因此,体系的水势等于各水势之和。,溶液水势的组成,1 溶质势(solute potential)s,由于溶质颗粒的存在而引起体系水势降低的数值。,溶液的溶质点数越多,其溶质势越低。溶质势也表示了溶液中水分潜在的渗透能力的大小。 所以溶质势也称为渗透势(osmotic potehtial)s,概念,s -iRTCs,R 为气体常数(=8.32焦尔/摩尔K); T 为绝对温度,以卡尔文(kelvin)为单位, 273+ ; Cs 为溶质的浓度,以克分子渗透浓度,或每升水中完
8、全溶解的溶质的摩尔数来表示(mol/L); 负号表示溶解的溶质降低溶液的水势。 i 等渗系数,与溶质电离有关,s 10-3MPa,0.1 mol 的葡萄糖和NaCl 谁的渗透势低?,葡萄糖:- 0.244 MPa NaCl :- 0.488 MPa,2 压力势 (pressure potential,p ) 由于压力存在而使体系水势改变的数值, 加正压力,使体系水势提高。,(植物细胞中该压力一般为膨压),概念,3 重力势(gravitational potential, g),重力作用使水向下移动,使处于较高位置的水比较低位置的水有高的水势。当体系中的两个区域高度相差不大时,重力势可忽略不计。
9、,ggh,4 基质势(matric potential, m 衬质势)由于亲水的衬质与水分子的相互作用使水的自由能降低的那部分水势。,在水分饱和的情况下,衬质势可以忽略不记。,如干燥的木材、种子等具有很低的m,可达-300MPa,因此有很强的吸水能力。,纯水的水势 纯水的化学势w = 0, 纯水的水势也为0。,5 溶液的水势 w =s+p+g,若两个溶液的高度相同,所受压力相同,那么在研究这两个体系水势时,p、g可忽略不计。w =s,s= =-iCRT, 所以w =-iCRT。,水分的移动是顺着能量梯度的方向进行的,水分总是从水势高处移向水势低处。,运动方向,水势大小,二 水分的运动,2 集流
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