水與植物細(xì)胞 完整版

水與植物細(xì)胞(WaterandPlantcell)第一節(jié)

水的物理化學(xué)性質(zhì)(自學(xué))第二節(jié)植物細(xì)胞的水分關(guān)系為什么水總是往低處流？高度差異—重力勢！植物細(xì)胞內(nèi)怎么流動(dòng)？動(dòng)力是什么？體系自由能（free

energy）：體系中能夠做最大有用功的那部分能量。自由能降低原理（Principle

of

free

energy

decreasing）:

恒溫恒壓下，不做非體積功的封閉體系，總是自發(fā)地向著自由能降低的方向變化，當(dāng)自由能降低到最小值時(shí)，體系達(dá)到平衡態(tài)。狀態(tài)：△G＞0；＝0；＜0在一個(gè)多組分的體系中，其中的變量有多個(gè)，也含有多種不同量的物質(zhì)，因此該體系的變化就是有多種變量和多種不同量的物質(zhì)所致。等溫等壓條件下,在無限大的體系中，加入1摩爾j物質(zhì)時(shí)引起體系自由能的改變量。用j表示,寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式為:化學(xué)勢(chemicalpotential)化學(xué)勢可以指示某組分物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或轉(zhuǎn)移的本領(lǐng)。例如，設(shè)組分j在狀態(tài)A和狀態(tài)B的化學(xué)勢分別為μjA和μ

jB。當(dāng)一個(gè)體系中含有水分，水這個(gè)組分參與化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)移的本領(lǐng)，用水的化學(xué)勢來表示，即：將標(biāo)準(zhǔn)條件下的純水化學(xué)勢規(guī)定為零,任何一溶液中水的化學(xué)勢與純水化學(xué)勢進(jìn)行比較：

Δμw=μw-μw0偏摩爾體積（the

partial

mole

volume，Vm)

：在溫度、壓強(qiáng)和其它組分不變時(shí)，在無限大的體系中加入1mol水時(shí)對體系體積的增量。Δμw=μw-μw0Ψw=--------------μw-μw0Vm水勢（water

potential）：每偏摩爾體積水的化學(xué)勢差。在20℃，1atm下，純自由水：Vw,m=18cm3/mol1mol水加入0.1M的蔗糖溶液中，

Vw,m=18.4cm3/mol1mol水中加入0.1MNaCl溶液中，

Vw,m=18.1cm3/mol1mol水加入酒精（50%）溶液中，

Vw,m=16.5cm3/mol水勢單位J.mol-1每摩爾水的化學(xué)勢m3.mol-1

每摩爾體積水勢=J.m-3=N.m.m-3=N.m-2=Pa溶液中溶質(zhì)的存在降低了水的自由能。溶液中的水勢如何界定？溶質(zhì)勢或滲透勢（SolutepotentialorOsmoticpotential）稀溶液的滲透勢可以由范德霍夫（Van'tHoff）方程式估算：

ψs=-RTCs

R：為氣體常數(shù)=0.0083dm3.MPa.mol.K-1;8.32焦?fàn)?摩爾.K；

T：為絕對溫度(K)；

Cs：為溶質(zhì)的濃度，每升水中完全溶解的溶質(zhì)粒子的摩爾數(shù)來表示（mol/L），負(fù)號表示溶解的溶質(zhì)降低溶液的水勢。陸生植物的葉片細(xì)胞的溶質(zhì)勢是-2

~

-1MPa;旱生植物葉片的細(xì)胞溶質(zhì)勢可以低到~

-10MPa。由于壓力存在而使體系水勢改變的數(shù)值。壓力勢（Pressurepotential，ψp)1atm下，開放體系的溶液壓力勢為0。細(xì)胞吸水膨脹，較為剛性的細(xì)胞壁對細(xì)胞產(chǎn)生壓力，使細(xì)胞具有正壓力勢。草本植物葉肉細(xì)胞壓力勢，晴天午后一般為0.3—0.5MPa,晚上為1.5MPa。細(xì)胞質(zhì)壁分離時(shí)，ψp為0。木質(zhì)部具有負(fù)的壓力勢。重力作用使水由高向低移動(dòng)，即：使處于較高位置的水比較低位置的水有高的水勢。重力勢Gravitationalpotential(ψg)

ψg=ρwghρw為水的密度；

g為重力加速度；

h為水相對于參考狀態(tài)時(shí)的高度。由于親水的大分子（如蛋白質(zhì)、淀粉粒、纖維素）與水分子的相互作用降低的那部分水勢?；|(zhì)勢（Matricpotential，ψm)在水分飽和的情況下，基質(zhì)勢可以忽略不記。干種子：ψw=ψm水分飽和的成熟細(xì)胞：ψw=ψs+ψp溶液的水勢Ψw=Ψs+Ψp+Ψg=-iCRT判斷溶液或植物細(xì)胞中的水勢：純水：ψw=0溶液：ψw=-iCRT水分飽和細(xì)胞：ψw=0，ψp=-ψs

萎蔫細(xì)胞：ψp=0，ψw=ψs細(xì)胞在外液中平衡時(shí)：細(xì)胞水勢=外液水勢植物細(xì)胞中的水勢組分與計(jì)算Ψw=ψp+ψs如何判斷細(xì)胞間水分流動(dòng)方向？比較各細(xì)胞Ψw的高低，水分總是從水勢高處流向水勢低處。水分如何進(jìn)入細(xì)胞？擴(kuò)散

(diffusion)集流(massflow或bulkflow)滲透作用（osmosis）三種方式：擴(kuò)散

(diffusion)物質(zhì)分子(氣體分子、水分子或溶質(zhì)分子)從較高濃度區(qū)向較低濃度區(qū)隨機(jī)的但是累進(jìn)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擴(kuò)散分子的均勻分布。擴(kuò)散的速度是很慢的(可通過菲克定律計(jì)算)。僅能滿足細(xì)胞尺度的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男枰?。擴(kuò)散的動(dòng)力來自于溶質(zhì)勢梯度。集流(massflow或bulkflow)流速可用Poiseuille方程計(jì)算：

πr4?ψp

體積流速＝[————][———]

８η

χ

集流速率的單位是米3/秒；

r=管道半徑；

η=溶液粘度；

?ψp/χ=壓力差。由于壓力差的存在而形成的大量分子集體的運(yùn)動(dòng)。植物體內(nèi)木質(zhì)部汁液和韌皮部汁液的的運(yùn)輸都是以集流方式進(jìn)行的。滲透作用（osmosis）當(dāng)溶液被膜分隔為兩個(gè)部分，溶質(zhì)無法跨膜運(yùn)動(dòng)時(shí)，溶劑的跨膜擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。水分進(jìn)入細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)主要是以滲透形式進(jìn)行的。滲透的動(dòng)力來處于溶質(zhì)勢梯度和壓力勢梯度。水進(jìn)入植物細(xì)胞主要靠滲透運(yùn)動(dòng)，但過細(xì)胞膜時(shí)憑借水分子的跨膜擴(kuò)散與水通道蛋白。Watermovementacrossbiologicalmembranesoccursthroughthelipidbilayerandtheporesformedbywaterchannel.細(xì)胞滲透吸水過程中水勢及其組分與細(xì)胞體積變化之間的關(guān)系：圖中：水分飽和狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞ψw=0，ψp=-ψs，體積最大。水勢ψw從0下降到–1.8MPa細(xì)胞體積只下降5%。在這個(gè)過程中主要是ψp的下降（~1.5MPa)，ψs變化只占很小的比例（~

0.3MPa）。ModifiedHoflerdiagram（AfterTyreeandJarvis1982,basedonashootofSitkaspruce)原因：剛性細(xì)胞壁大多數(shù)植物細(xì)胞當(dāng)ψp下降到0時(shí)（初始質(zhì)壁分離狀態(tài)），細(xì)胞相對體積下降10-15%，如果細(xì)胞壁非常僵硬，體積變化會(huì)更小(自然狀態(tài)下的植物一天中水勢的變化主要是壓力勢的變化,細(xì)胞體積和滲透勢變化不大)。從ψp曲線的斜率可以判斷細(xì)胞壁的彈性大小。稱為細(xì)胞彈性模量（cell’selasticmodulus），用ε表示。ε的單位是MPa。ε越大，表示細(xì)胞壁較堅(jiān)硬,細(xì)胞水勢變化主要由壓力勢決定。水分運(yùn)動(dòng)速率決定于：驅(qū)動(dòng)力(drivingforce)和水導(dǎo)率（hydraulicconductance)。驅(qū)動(dòng)力是水勢梯度，水導(dǎo)是水流通過該系統(tǒng)的難易程度的量度，是系統(tǒng)對水流阻力的倒數(shù)。Jv:

流速，m3m-2.s-1;Lp:水導(dǎo)，m3m-2.s-1MPa-1;Ψw

：水勢梯度MPaJv=Lp??ψw假設(shè)有一初始質(zhì)壁分離的細(xì)胞，其溶質(zhì)濃度為0.3mol.L-1，將其置于0.1mol.L-1

的蔗糖溶液中，水分如何移動(dòng)？假設(shè)細(xì)胞的壁非常僵硬，細(xì)胞體積變化忽略不計(jì)，求平衡時(shí)細(xì)胞的水勢、溶質(zhì)勢、壓力勢。（氣體常數(shù)R=0.00832dm3.MPa.mol-1.K-1，溫度20℃)計(jì)算：Ψw=-iCRT

Ψw=ψp+ψs1)液體交換法2)干濕球濕度計(jì)法3)壓力室法4)冰點(diǎn)下降法5)壓力探針法植物細(xì)胞水勢的測定1）

液體交換法

(measurementforexchangeofwater)將植物組織分別放進(jìn)一系列濃度的溶液中，

組織水勢<溶液水勢，

組織吸水；

組織水勢>溶液水勢，組織失水；

組織水勢=溶液水勢，

動(dòng)態(tài)平衡。溶液的濃度、比重、電導(dǎo)以及組織的體積與重量發(fā)生變化，根據(jù)這些參數(shù)的變化可確定與植物組織等水勢的溶液的水勢。液體交換法測定植物組織的水勢折光系數(shù)率將植物組織放在一系列已知水勢的溶液中，找到Ψw=Ψs=-iCRT相等的溶液，即可知被測植物組織材料的水勢?！靶∫毫鞣ā痹?)干濕球濕度計(jì)法水從一個(gè)表面蒸發(fā)會(huì)降低這個(gè)表面的溫度→測定溶液或植物組織水勢的原理。(溫度傳感器)植物材料與水滴蒸發(fā)容器中水蒸汽飽和容器內(nèi)溫度一致可測溶液或組織的水勢3)壓力室法(pressurebomb)認(rèn)為測量條件下木質(zhì)部溶液的水勢與植物組織的水勢相近，因此只要測出木質(zhì)部溶液的壓力勢和溶質(zhì)勢，得到木質(zhì)部溶液的水勢→植物組織水勢。平衡壓力+木質(zhì)部溶液的溶質(zhì)勢=植物組織水勢木質(zhì)部的壓力勢為-1~-2MPa溶質(zhì)勢僅為-0.05~-0.2MPa（忽略！）平衡壓力=植物組織水勢壓力室儀Pressure

Chamber

Instrument

(Mode

600)4)冰點(diǎn)下降法(measurementoffreezing-pointdepression)原理：當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度上升時(shí)，溶液的冰點(diǎn)會(huì)下降。純水的冰點(diǎn)是0℃，在1公斤純水中加入1

摩爾溶質(zhì)時(shí)，溶液冰點(diǎn)下降到-1.86℃。裝置：冰點(diǎn)滲透計(jì)Ψw=-iCRT-30℃冰緩慢升溫顯微鏡下觀察完全融化記錄此時(shí)溫度冰點(diǎn)溫度溶質(zhì)濃度滲透勢5)壓力探針法（PressureProbe)尖端非常細(xì)的玻璃毛細(xì)管，并在其中充滿硅油，插入細(xì)胞后，胞液進(jìn)入毛細(xì)胞管，細(xì)胞液與硅油的界面在顯微鏡下可看清楚，加壓，使胞液退回至細(xì)胞，此時(shí)壓力為平衡壓力。平衡壓力=細(xì)胞膨壓單細(xì)胞膨壓Schematicrepresentationofthethreedifferentpathwaysinvolvedinradialwatertransport

acrossplantlivingtissues.水通道蛋白(aquaporin)水通道(waterchannel)：細(xì)胞質(zhì)膜上存在蛋白質(zhì)組成的對水具有特異通透性的孔道。水通道運(yùn)輸水分時(shí)，水通道蛋白受磷酸化調(diào)節(jié)。Howwatercrossesbiologicalmembranes?In

1920s,

diffusionNow,

also

including

aquaporinsDiffusionisalowcapacity,bidirectionalmovementofwaterthatoccursinallcellmembranes.haveaveryhighcapacityforpermeationbywater（selective）.TheDiscoveryofAQP1？預(yù)計(jì)：approximately32kDa

protein實(shí)際：a28-kDapolypeptide沒有放棄：isolatedtheprotein特點(diǎn)：detergent-insolubleprotein拷貝數(shù)多：approximately200,000copies/redbloodcell測定序列并制備N端抗體：

theN-terminalaminoacidsequence廣泛交流：

spoketowellknownbiochemistsandphysiologists獲得靈感：JohnC.Parker(1935–1993):

redbloodcellsandrenaltubules

watertransportthroughmembranes？克隆基因：thecDNAfromanerythroidlibrary,

269aa,sixbilayer-spanningdomainsMembraneorientationofAQP1predictedfromprimaryaminoacidsequence.ConservedmotifAsn-Pro-Al