kok电子竞技

水与植物细胞(WaterandPlantcell)第一节

水的物理化学性质(自学)第二节植物细胞的水分关系为什么水总是往低处流？高度差异—重力势！植物细胞内怎么流动？动力是什么？体系自由能（free

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

of

free

energy

decreasing）:

恒温恒压下，不做非体积功的封闭体系，总是自发地向着自由能降低的方向变化，当自由能降低到最小值时，体系达到平衡态。状态：△G＞0；＝0；＜0在一个多组分的体系中，其中的变量有多个，也含有多种不同量的物质，因此该体系的变化就是有多种变量和多种不同量的物质所致。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,写成数学表达式为:化学势(chemicalpotential)化学势可以指示某组分物质发生反应或转移的本领。例如，设组分j在状态A和状态B的化学势分别为?jA和?

jB。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：将标准条件下的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：

Δ?w=?w-?w0偏摩尔体积（the

partial

mole

volume，Vm)

：在温度、压强和其它组分不变时，在无限大的体系中加入1mol水时对体系体积的增量。Δ?w=?w-?w0Ψw=--------------?w-?w0Vm水势（water

potential）：每偏摩尔体积水的化学势差。在20℃，1atm下，纯自由水：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水势单位J.mol-1每摩尔水的化学势m3.mol-1

每摩尔体积水势=J.m-3=N.m.m-3=N.m-2=Pa溶液中溶质的存在降低了水的自由能。溶液中的水势如何界定？溶质势或渗透势（SolutepotentialorOsmoticpotential）稀溶液的渗透势可以由范德霍夫（Van'tHoff）方程式估算：

ψs=-RTCs

R：为气体常数=0.0083dm3.MPa.mol.K-1;8.32焦尔/摩尔.K；

T：为绝对温度(K)；

Cs：为溶质的浓度，每升水中完全溶解的溶质粒子的摩尔数来表示（mol/L），负号表示溶解的溶质降低溶液的水势。陆生植物的叶片细胞的溶质势是-2

~

-1MPa;旱生植物叶片的细胞溶质势可以低到~

-10MPa。由于压力存在而使体系水势改变的数值。压力势（Pressurepotential，ψp)1atm下，开放体系的溶液压力势为0。细胞吸水膨胀，较为刚性的细胞壁对细胞产生压力，使细胞具有正压力势。草本植物叶肉细胞压力势，晴天午后一般为0.3—0.5MPa,晚上为1.5MPa。细胞质壁分离时，ψp为0。木质部具有负的压力势。重力作用使水由高向低移动，即：使处于较高位置的水比较低位置的水有高的水势。重力势Gravitationalpotential(ψg)

ψg=ρwghρw为水的密度；

g为重力加速度；

h为水相对于参考状态时的高度。由于亲水的大分子（如蛋白质、淀粉粒、纤维素）与水分子的相互作用降低的那部分水势。基质势（Matricpotential，ψm)在水分饱和的情况下，基质势可以忽略不记。干种子：ψw=ψm水分饱和的成熟细胞：ψw=ψs+ψp溶液的水势Ψw=Ψs+Ψp+Ψg=-iCRT判断溶液或植物细胞中的水势：纯水：ψw=0溶液：ψw=-iCRT水分饱和细胞：ψw=0，ψp=-ψs

萎蔫细胞：ψp=0，ψw=ψs细胞在外液中平衡时：细胞水势=外液水势植物细胞中的水势组分与计算Ψw=ψp+ψs如何判断细胞间水分流动方向？比较各细胞Ψw的高低，水分总是从水势高处流向水势低处。水分如何进入细胞？扩散

(diffusion)集流(massflow或bulkflow)渗透作用（osmosis）三种方式：扩散

(diffusion)物质分子(气体分子、水分子或溶质分子)从较高浓度区向较低浓度区随机的但是累进的运动，导致扩散分子的均匀分布。扩散的速度是很慢的(可通过菲克定律计算)。仅能满足细胞尺度的物质运输的需要。扩散的动力来自于溶质势梯度。集流(massflow或bulkflow)流速可用Poiseuille方程计算：

πr4?ψp

体积流速＝[————][———]

８η

χ

集流速率的单位是米3/秒；

r=管道半径；

η=溶液粘度；

?ψp/χ=压力差。由于压力差的存在而形成的大量分子集体的运动。植物体内木质部汁液和韧皮部汁液的的运输都是以集流方式进行的。渗透作用（osmosis）当溶液被膜分隔为两个部分，溶质无法跨膜运动时，溶剂的跨膜扩散运动。水分进入细胞的运动主要是以渗透形式进行的。渗透的动力来处于溶质势梯度和压力势梯度。水进入植物细胞主要靠渗透运动，但过细胞膜时凭借水分子的跨膜扩散与水通道蛋白。Watermovementacrossbiologicalmembranesoccursthroughthelipidbilayerandtheporesformedbywaterchannel.细胞渗透吸水过程中水势及其组分与细胞体积变化之间的关系：图中：水分饱和状态时，细胞ψw=0，ψp=-ψs，体积最大。水势ψw从0下降到–1.8MPa细胞体积只下降5%。在这个过程中主要是ψp的下降（~1.5MPa)，ψs变化只占很小的比例（~

0.3MPa）。ModifiedHoflerdiagram（AfterTyreeandJarvis1982,basedonashootofSitkaspruce)原因：刚性细胞壁大多数植物细胞当ψp下降到0时（初始质壁分离状态），细胞相对体积下降10-15%，如果细胞壁非常僵硬，体积变化会更小(自然状态下的植物一天中水势的变化主要是压力势的变化,细胞体积和渗透势变化不大)。从ψp曲线的斜率可以判断细胞壁的弹性大小。称为细胞弹性模量（cell’selasticmodulus），用ε表示。ε的单位是MPa。ε越大，表示细胞壁较坚硬,细胞水势变化主要由压力势决定。水分运动速率决定于：驱动力(drivingforce)和水导率（hydraulicconductance)。驱动力是水势梯度，水导是水流通过该系统的难易程度的量度，是系统对水流阻力的倒数。Jv:

流速，m3m-2.s-1;Lp:水导，m3m-2.s-1MPa-1;Ψw

：水势梯度MPaJv=Lp??ψw假设有一初始质壁分离的细胞，其溶质浓度为0.3mol.L-1，将其置于0.1mol.L-1

的蔗糖溶液中，水分如何移动？假设细胞的壁非常僵硬，细胞体积变化忽略不计，求平衡时细胞的水势、溶质势、压力势。（气体常数R=0.00832dm3.MPa.mol-1.K-1，温度20℃)计算：Ψw=-iCRT

Ψw=ψp+ψs1)液体交换法2)干湿球湿度计法3)压力室法4)冰点下降法5)压力探针法植物细胞水势的测定1）

液体交换法

(measurementforexchangeofwater)将植物组织分别放进一系列浓度的溶液中，

组织水势<溶液水势，

组织吸水；

组织水势>溶液水势，组织失水；

组织水势=溶液水势，

动态平衡。溶液的浓度、比重、电导以及组织的体积与重量发生变化，根据这些参数的变化可确定与植物组织等水势的溶液的水势。液体交换法测定植物组织的水势折光系数率将植物组织放在一系列已知水势的溶液中，找到Ψw=Ψs=-iCRT相等的溶液，即可知被测植物组织材料的水势。“小液流法”原理2)干湿球湿度计法水从一个表面蒸发会降低这个表面的温度→测定溶液或植物组织水势的原理。(温度传感器)植物材料与水滴蒸发容器中水蒸汽饱和容器内温度一致可测溶液或组织的水势3)压力室法(pressurebomb)认为测量条件下木质部溶液的水势与植物组织的水势相近，因此只要测出木质部溶液的压力势和溶质势，得到木质部溶液的水势→植物组织水势。平衡压力+木质部溶液的溶质势=植物组织水势木质部的压力势为-1~-2MPa溶质势仅为-0.05~-0.2MPa（忽略。┢胶庋沽=植物组织水势压力室仪Pressure

Chamber

Instrument

(Mode

600)4)冰点下降法(measurementoffreezing-pointdepression)原理：当溶液中溶质浓度上升时，溶液的冰点会下降。纯水的冰点是0℃，在1公斤纯水中加入1

摩尔溶质时，溶液冰点下降到-1.86℃。装置：冰点渗透计Ψw=-iCRT-30℃冰缓慢升温显微镜下观察完全融化记录此时温度冰点温度溶质浓度渗透势5)压力探针法（PressureProbe)尖端非常细的玻璃毛细管，并在其中充满硅油，插入细胞后，胞液进入毛细胞管，细胞液与硅油的界面在显微镜下可看清楚，加压，使胞液退回至细胞，此时压力为平衡压力。平衡压力=细胞膨压单细胞膨压Schematicrepresentationofthethreedifferentpathwaysinvolvedinradialwatertransport

acrossplantlivingtissues.水通道蛋白(aquaporin)水通道(waterchannel)：细胞质膜上存在蛋白质组成的对水具有特异通透性的孔道。水通道运输水分时，水通道蛋白受磷酸化调节。Howwatercrossesbiologicalmembranes?In

1920s,

diffusionNow,

also

including

aquaporinsDiffusionisalowcapacity,bidirectionalmovementofwaterthatoccursinallcellmembranes.haveaveryhighcapacityforpermeationbywater（selective）.TheDiscoveryofAQP1？预计：approximately32kDa

protein实际：a28-kDapolypeptide没有放弃：isolatedtheprotein特点：detergent-insolubleprotein拷贝数多：approximately200,000copies/redbloodcell测定序列并制备N端抗体：

theN-terminalaminoacidsequence广泛交流：

spoketowellknownbiochemistsandphysiologists获得灵感：JohnC.Parker(1935–1993):

redbloodcellsandrenaltubules

watertransportthroughmembranes？克隆基因：thecDNAfromanerythroidlibrary,

269aa,sixbilayer-spanningdomainsMembraneorientationofAQP1predictedfromprimaryaminoacidsequence.ConservedmotifAsn-Pro-Ala(NPA).提出疑问：28-kDaproteinwasawatertransporter?开始验证：oocytes；verylowwaterpermeabilityControloocytes：injected

water

Testoocytes:

injected

2ng

of

cRNA惊喜结果：3×109watermoleculespersecondthehourglass

水孔蛋白(aquaporin)：一系列分子量为25～30KDa、选择性高效转运水分子的膜蛋白称为水通道蛋白或水孔蛋白。StructureofanaquaporinshowingthesixtransmembranehelicesandtwoconservedNPA(Asn-Pro-Ala)residues.In

Arabidopsisthaliana

：35differentaquaporingenesPhylogenetictreeofthe35MIPproteinsinArabidopsisthalianaandtheirgroupinginfour

subfamilies.HistochemicallocalizationofPIP2::GUSactivityinvegetativetissues.世上捕食昆虫最快的植物狸藻（utricularia）