Lp 1

LUCRARE PRACTICĂ NR. 1

APA ÎN MEDIU ŞI ÎN CELULĂ Cuprins 1. Importanţa stării de mobilitate a apei în mediu şi în celulă 2. Forţe care reţin apa în celulă sau în mediu 3. Factori cu rol important în schimburile de apă dintre celule şi mediu 1. IMPORTANŢA STĂRII DE MOBILITATE A APEI ÎN MEDIU ŞI ÎN CELULĂ Importanţa stării de mobilitate a apei în mediu şi în celulă poate fi pusă în evidenţă asftel: Importanţa stării de mobilitate a apei în mediu Mod de lucru: Se pun în două lădiţe, înalte de 5 cm, câte 10 kg de sol: într-una nisip, iar în cealaltă argilă. Se însămânţează ambele soluri cu cariopse de Avena sativa (ovăz) şi se udă fiecare cu câte un litru de apă de conductă. ÎNTREBĂRI

1. Ce aţi observat în cele două lădiţe? 2. De ce nu germinează cariopsele în argilă? 3. Care este concluzia experimentului?

Importanţa stării de mobilitate a apei în celule Mod de lucru: Se cântăresc câte 100g seminţe de Panicum miliaceum (mei) şi de Phaseolus vulgaris (fasole), care se introduc apoi în apă, unde se ţin până când masa lor creşte cu 30g. În acest scop, seminţele se scot periodic din apă, se tamponează cu hârtie sugativă, pentru îndepărtarea apei de pe suprafaţa lor şi apoi se recântăresc. Aceste operaţii se repetă până ce masa iniţială a seminţelor va creşte cu 30g. ÎNTREBĂRI

1. De ce germinează numai seminţele de Panicum miliaceum? 2. Care este concluzia experimentului?

Din experimentele prezentate în cele două paragrafe de mai sus rezultă că apa lichidă poate fi reţinută, în celulă sau în mediu, prin forţe de retenţie. Cunoaşterea acestora este prima problemă ce necesită a fi elucidată în înţelegerea schimburilor de apă între organismul vegetal şi mediu. 1

2. FORŢE CARE REŢIN APA ÎN CELULĂ SAU ÎN MEDIU A. FORŢE DE NATURĂ FIZICĂ A. 1. Forţele osmotice Aceste forţe sunt determinate de substanţele dizolvate, a căror particule dispersate reţin apa. Apa reţinută prin forţe osmotice se numeşte apă osmotică (apă de dizolvare sau, impropriu, apă liberă). Eliberarea acestei forme de apă din ţesuturi, prin transpiraţie, este cu atât mai dificilă, cu cât sucul vacuolar este mai concentrat. Legăturile contractate între moleculele de apă şi cele ale substanţelor dizolvate pot fi evidenţiate uşor prin următorul procedeu: Pe talerul unei balanţe se aşează câte o cutie Petri de acelaşi diametru şi întruna se introduce apă distilată, iar în cealaltă o soluţie de zaharoză 10%. Se echilibrează la începutul experienţei sistemul şi se lasă în repaus. Apa din soluţia de zaharoză, fiind reţinută prin forţe osmotice, se evaporă în cantitate mai mică, fapt ce duce, după un timp, la ruperea echilibrului balanţei. A. 2. Forţele de adsorbţie Apa poate fi fixată la suprafaţa diverselor particule (ioni sau molecule) prin forţe de adsorbţie, care sunt mai ales forţe electrostatice, datorită stării dipolare a apei. Această fracţiune a apei (apa de adsorbţie sau de hidratare) determină fenomenul de solvatare a particulelor coloidale şi de electrostricţie a ionilor minerali, prin formarea în jurul lor a unui înveliş dens de molecule de apă nedisociate. Numeroase substanţe din celule conferă suprafeţe enorme de adsorbţie a apei (1 gram de celuloză oferă o suprafaţă de 16 cm2; 100 molecule proteice adsorb aproximativ 4-56 molecule de apă). În cazul ionilor, învelişul lor apos este cu atât mai gros cu cât este mai mică raza şi încărcătura electrică a ionului respectiv (fig.1).

Fig. 1. Ion de sodiu solvatat de molecule de apă

Adsorbţia iodului de către amidon Materiale necesare: eprubetă, soluţie amidon 1%, soluţie Lugol (iod în iodură de potasiu), bec de gaz. Mod de lucru: Se introduc într-o eprubetă 2-3 ml soluţie de amidon şi se adaugă câteva picături de soluţie Lugol. După agitare, soluţia coloidală de amidon se colorează în 2

albastru, datorită formării iodurii de amidon. Prin încălzirea eprubetei la flacără soluţia se decolorează, iar prin răcire se colorează din nou în albastru. Durata experienţei: 10 minute. Interpretare. Fenomenul de adsorbţie a iodului din soluţia Lugol pe suprafaţa particulelor de amidon este un fenomen fizic, nu o reacţie chimică, fiind influenţat de modificarea temperaturii mediului de lucru.

A. 3. Forţele de imbibiţie Forţele de imbibiţie sunt determinate de îmbibarea coloizilor hidrofili, întrucât aceştia limitează eliberarea apei din ei. Apa reţinută prin aceste forţe se numeşte apă de imbibiţie. În celule se găsesc numeroşi coloizi hidrofili (proteine, mucilagii, celuloză etc.) care reţin apa prin forţe de imbibiţie foarte puternice.

Evidenţierea forţelor de imbibiţie Mod de lucru: Se echilibrează, pe talerele unei balanţe, o cutie Petri, ce conţine apă distilată şi una ce conţine vată îmbibată cu apă. După un timp, echilibrul este rupt în favoarea ultimei cutii, deoarece forţele de imbibiţie limitează evaporarea apei din vată. Interpretare. În cazul moleculelor coloidale îmbibate puternic cu apă, forţele de imbibiţie sunt mici, astfel că tensiunea vaporilor de apă este mare. Puterea de reţinere a apei de către micelele coloidale este foarte mare când acestea sunt puţin îmbibate cu apă.

A. 4.. Forţele de coeziune moleculară Se evidenţiază foarte simplu aplicând una peste alta două lame de sticlă (lame port obiect utilizate în microscopia fotonică) udate cu apă. Separarea lor necesită o oarecare tracţiune, în sensul glisării acestora şi nu în sens diametral opus, deoarece între moleculele de apă există forţe mari de coeziune, care se opun scindării în două a masei de apă dintre lamele. Nu se poate vorbi de apă de coeziune, deoarece atracţia moleculară există în toate formele de apă lichidă. A. 5. Forţele de capilaritate Aceste forţe sunt un efect al tensiunii superficiale şi al forţelor de adsorbţie şi de coeziune a moleculelor de apă. Datorită acestora unele lichide (cele care “umezesc” pereţii solizi) urcă în tuburile capilare, iar altele (cele care nu “umezesc” pereţii solizi) coboară în tuburile capilare. Cele mai multe lichide “umezesc” pereţii solizi, fiind adsorbite puternic pe suprafaţa acestora. Aşa se comportă apa faţă de sticlă: atracţia moleculelor apei faţă de sticlă este mai mare decât atracţia dintre ele, astfel că în preajma peretelui de sticlă tensiunea superficială a apei scade mult, ceea ce face ca ea să se urce în tuburile capilare la un nivel mai ridicat decât în vasul extern. 3

Unele lichide nu “umezesc” pereţii solizi, neadsorbindu-se pe suprafaţa acestora. Aşa se comportă mercurul faţă de sticlă, sau apa faţă de parafină: atracţia dintre moleculele lichidului este mare, tensiunea superficială sau energia de suprafaţă se manifestă peste tot cu putere, astfel că lichidul se înconjoară în întregime la exterior de stratul său elastic. Ca urmare, lichidul nu se urcă în tuburile capilare, ci nivelul său se situează mai jos decât în vasul exterior. În celule şi în corpul plantelor există numeroase spaţii capilare (vacuole, spaţii dintre micelele coloidale ale membranelor şi ale protoplasmei, elementele conducătoare) în care forţele de capilaritate reţin apa. Această fracţiune a apei este apa de capilaritate. Evidenţierea forţelor de capilaritate se realizează foarte simplu, introducând un tub capilar într-un vas cu apă şi unul într-un vas cu mercur. Apa, “udând” pereţii capilarului, formează un menisc concav şi hemisferic la suprafaţă, care determină urcarea lichidului deasupra nivelului din vasul exterior. La mercur, meniscul este convex şi în capilar nivelul lui se plasează mai jos decât în vasul extern (fig.2) .

Fig. 2. Evidenţierea forţelor de capilaritate: a - apa, care „umezeşte”pereţii de sticlă, urcă în capilar deasupra nivelului lichidului din vas, formând un menisc concav; b mercurul, care nu „umezeşte” pereţii de sticlă, coboară în capilar la un nivel inferior celui din vas, formând un menisc convex (după Boldor şi colab., 1983)

B. FORŢE DE NATURĂ CHIMICĂ Forţele legăturilor chimice Apa de constituţie este legată chimic de unele molecule. Astfel, oxalatul de calciu – Ca(COO)2 - poate fi monohidratat, când cristalizează în rafide sau trihidratat, când formează macle sau ursini. Eliberarea apei de constituţie implică distrugerea moleculei care o conţine. Pentru evidenţierea apei chimice legate, se introduce într-o eprubetă sau într-un balon de sticlă cu gâtul lung, o cantitate de CaSO4 x 2H2O şi se încălzeşte la un bec de gaz. Apa de constituţie se va evapora şi condensa pe pereţii eprubetei, în partea sa superioară sau pe gâtul balonului.

4

3. FACTORI CU ROL IMPORTANT ÎN SCHIMBURILE DE APĂ DINTRE CELULE ŞI MEDIU Schimburile de apă dintre celule şi mediu se realizează prin intervenţia unor fenomene fizice, dintre care un rol important au osmoza, imbibiţia şi electrosmoza.

3. 1. Osmoza şi schimburile de apă ale celulei Osmoza este fenomenul fizic de trecere a unui solvent printr-o membrană semipermeabilă, care separă două soluţii de concentraţii diferite, REŢINEŢI! sau o soluţie de solventul pur. Sensul mişcării este de la soluţia mai diluată către cea mai concentrată, datorită energiei cinetice mai mari a particulelor de solvent, care impulsionează astfel trecerea acestora prin membrană. Denumirea fenomenului vine din limba greacă, de la cuvântul „osmos”, care înseamnă impulsie, îndemn. Trecerea solventului prin membrana despărţitoare are loc până la stabilirea unui echilibru de concentraţii între cele două compartimente. Fiecare lichid are un potenţial osmotic care se datorează loviturilor aplicate de particulele sale pe pereţii vasului, în mişcarea lor browniană. Fenomenul de osmoză reprezintă o cale fundamentală de pătrundere apei în celulă. El stă la baza conducerii şi distribuţiei apei în organismele vii, deşi nu toate mişcările de pătrundere sau de ieşire a apei din celulă se datorează forţelor osmotice. Osmoza poate fi studiată folosind membrane permeabile şi, în special, membrane semipermeabile. A. Osmoza prin membrane permeabile Membranele permeabile (dializante) opresc particulele coloidale, însă pot fi străbătute de apă şi de cea mai mare parte dintre moleculele cristaloide (cu diametrul mai mic de 1 milimicron). Această trecere se realizează, în cazul apei, prin osmoză, iar în cazul cristaloidelor prin difuziune, care reprezintă, de fapt, o dializă. Membranele permeabile se pot obţine din: pergament, colodiu, celofan, vezică sau intestine de porc, branhii de peşte etc. Difuziunea Este fenomenul fizic prin care două sau mai multe specii de particule (ioni sau molecule) se amestecă în cazul când vin în contact, datorită mişcărilor lor cinetice. Sensul mişcării este întotdeauna de la substanţa mai concentrată către cea mai diluată, chiar contra gravitaţiei, deoarece energia cinetică este mai mare în cazul particulelor mai apropiate (mai dense). Viteza de difuziune depinde de natura substanţelor care difuzează (mărimea moleculelor, concentraţia soluţiilor, vâscozitatea mediului) şi de unii factori externi (temperatura).

5

Difuziunea este un fenomen care se manifestă frecvent în materia celulară. Pe acest principiu are loc uniformizarea continuă a conţinutului hialoplasmei şi a vacuolei din fiecare celulă. Difuziunea descendentă Materiale necesare: soluţie de zaharoză 10 %, decoct din frunze de stejar, eprubete, stativ. Mod de lucru: Într-o eprubetă se toarnă o soluţie de zaharoză 10 %, peste care se adaugă, cu atenţie, prelingând pe peretele eprubetei, un decoct din frunze de Quercus sp. (stejar), care conţine tanoide de culoare brună. Se obţin astfel două straturi distincte, de culori diferite, a căror limită se marchează cu un creion dermatograf sau o hârtie gumată. Eprubeta se lasă în repaus într-un stativ şi, cu timpul, se va putea constata că cele două soluţii se amestecă (fig.3).

Fig. 3. Difuziunea descendentă după gradientul de concentraţie: 1-soluţie de tanin; 2-soluţie de zaharoză (după Boldor şi colab., 1983)

Difuziunea ascendentă

A. Materiale necesare: eprubetă cu rezervor lateral, cristale de permanganat de

potasiu, stativ. Mod de lucru: Se ia o eprubetă ce se prelungeşte cu un rezervor lateral, se umple cu apă, se dă drumul în apa din ea unui cristal de permanganat de potasiu (KMnO4) şi se lasă în repaus, fixată la un stativ. Cristalul de KMnO4 se dizolvă, iar moleculele sale se intercalează în toată masa apei, difuzând ascendent (fig.4).

Fig. 4. Difuziunea ascendentă a permanganatului de potasiu, împotriva forţei de gravitaţie (după Boldor şi colab., 1983)

6

B. Materiale necesare: soluţie 20 % sulfat de cupru, apă distilată, pipete, eprubete. Mod de lucru: Într-o eprubetă se introduc 5 ml H2O. Cu o pipetă se iau 3 ml de CuSO4 şi se introduce pipeta până la fundul eprubetei lăsând ca soluţia de sulfat să curgă încet, înlocuind treptat apa din fundul eprubetei. Se scoate apoi pipeta închisă şi se observă că între cele două medii există o linie de demarcaţie distinctă. Se lasă eprubeta în stativ timp de o oră şi se constată că linia de demarcaţie dispare. După un timp mai îndelungat conţinutul eprubetei se uniformizează dând un amestec omogen. Moleculele soluţiei concentrate de sulfat de cupru, cu o energie cinetică ridicată, difuzează printre moleculele de apă. Sensul difuziei este de la mediul cu o concentraţie mai mare spre mediul cu o concentraţie mai mică, până la egalizarea concentraţiilor, uneori chiar în sens ascendent, contrar legii gravitaţiei universale.

Difuziunea ritmică Materiale necesare: sol coloidal de gelatină cu bicromat de potasiu, soluţie de AgNO3 20 %, cutie Petri, pipete. Mod de lucru: Se prepară un sol coloidal de gelatină cu bicromat de potasiu şi se toarnă într-o cutie Petri, într-un strat de 2-3 cm grosime. După gelificare se adaugă cu pipeta, în porţiunea centrală a suprafeţei acesteia, 2-3 picături dintr-o soluţie de AgNO3 20%. În urma adăugării acesteia apare imediat o coloraţie roşie datorită formării bicromatului de argint: K2Cr2O7+2AgNO3

Ag2Cr2 O7

+ 2 KNO3

Se acoperă cutia Petri cu capacul, căptuşit în prealabil cu hârtie de filtru umectată şi se aşează la întuneric, pentru a evita reducerea argintului la lumină. După un timp se constată modificarea culorii picăturilor adăugate, din roşu în galben, datorită trecerii bicromatului de argint în cromat de argint: Ag2Cr2O7

Ag2CrO4

+ CrO3

Cromatul de argint, difuzând, formează cu gelatina un precipitat alb ce se depune succesiv, sub formă de inele concentrice, vizibile chiar cu ochiul liber (fig.5). Fig. 5. Difuziunea ritmică: a- văzută de sus, puţin lateral; b - văzută în secţiune; 1Ag2CrO4; 2- inele concentrice formate prin difuziunea argintului; 3- gel de gelatină cu K2Cr2O7 (după Boldor şi colab., 1983).

7

B. Osmoza prin membrane semipermeabile Membranele cu semipermeabilitate strictă nu pot fi străbătute decât de către moleculele de apă, întrucât ele opresc toate particulele dizolvate (faza dispersă), cristaloide sau coloide. Difuziunea sau dializa particulelor (ioni sau molecule) este imposibilă prin astfel de membrane.

Obţinerea unei membrane semipermeabile prin procedeul Traube Membranele semipermeabile artificiale sunt membrane coloidale de precipitare, obţinute în urma reacţiilor chimice dintre două substanţe minerale. Ele sunt de mai multe tipuri. Materiale necesare: soluţie 5 % de ferocianură de potasiu solvită în apă zaharată proaspăt preparată, soluţie 5 % de sulfat de cupru, cristale de ferocianură de potasiu, sulfat de cupru, sulfat de zinc, sulfat de aluminiu, azotat de cobalt, clorură de cobalt, eprubete, cristalizor. Mod de lucru:

A. Într-o eprubetă se introduc câţiva ml soluţie sulfat de cupru 2% şi se adaugă cu grijă, în masa lichidului, cu o pipetă Pasteur, o picătură de ferocianură de potasiu solvită în apă zaharată; picătura se înconjoară imediat cu o membrană de precipitare fragilă, de culoare maronie, de ferocianură cuprică, luând aspectul unei „celule” (fig. 6a). Proprietatea de semipermeabilitate strictă a acestei membrane se deduce din faptul că „celula” creşte sub ochii observatorului, ca urmare a intrării apei, printr-un curent endosmotic, fapt ce duce la mărirea volumului „sucului celular”. La un moment dat membrana extrem de fragilă cedează, cele două soluţii vin din nou în contact şi refac local o nouă membrană; „celula” ia forme diferite, procesul continuând până la uniformizarea concentraţiilor celor două soluţii (aspectul de „celulă” cu membrană dispare în timp, prin depunerea la fundul eprubetei a întregului material precipitat).

Fig. 6a - „Celula” lui Traube: 1- soluţie zaharată de K4[Fe (CN6)]; 2 -soluţie de CuSo4 concentrată; 3- precipitat de Cu2[Fe(CN)6] cu aspect de membrană; (după Boldor şi colab., 1983)

8

B. Într-o eprubetă se introduc câţiva ml soluţie ferocianură de potasiu 3% în care se introduce un cristal de sulfat de cupru. Rezultatul este acelaşi, respectiv formarea membranei de precipitare semipermeabilă ferocianură cuprică, într-un proces care continuă până la consumarea cristalului (fig. 6b).

Fig. 6b „Celula” lui Traube: 1 - soluţie de K4[Fe(CN6)] 3%; 2 -soluţie de CuSO4 concentrată; 3 -precipitat de Cu2[Fe(CN)6] cu aspect de membrană; 4 – cristal de Cu SO4 (după Boldor şi colab., 1983)

C.

Într-un cristalizor cu soluţie de ferocianură de potasiu se introduc, separat,

cristale de sulfat de cupru, sulfat de zinc, sulfat de nichel, azotat de cobalt, clorură de cobalt. În jurul tuturor cristalelor se formează membrane ce delimitează celule de tip Traube cu diferite forme şi culori, care dau imaginea unei grădini minerale în miniatură (fig. 6c).

Fig. 6c - Grădina minerală: 1 - soluţie de ferocianură de potasiu; 2 - „suc celular” al celulelor de tip Traube formate; 3 celule de tip Traube; 4 - cristale de sulfat de cupru, sulfat de zinc, sulfat de nichel, azotat de cobalt, clorură de cobalt etc. (după Boldor şi colab., 1983) Durata experienţei: 20 minute

9

Interpretare. Prin toate procedeele utilizate s-au obţinut membrane artificiale strict semipermeabile, de tipul celor folosite în osmometre, imitând plasmalema celulară. Astfel de membrane nu se întâlnesc la celula vegetală. Biomembranele se caracterizează prin aceea că sunt semipermeabile relativ selective, în sensul că permit trecerea apei conform osmozei, dar totodată permit şi trecerea selectivă a substanţelor dizolvate, în funcţie de necesităţile celulelor.

TEMĂ DE VERIFICARE A CUNOŞTINŢELOR 1. Enumeraţi forţele care reţin apa în celulă ⁄ mediu. Prezentaţi o scurtă descriere la fiecare tip. 2. Definiţi următorii termeni: difuziune, osmoză. 3. Precizaţi rolul osmozei ⁄ difuziunii în schimburile de apă dintre plante şi mediu. 4. Asociaţi corect termenii din cele două coloane (cifrele din coloana A cu literele corespunzătoare din coloana B). A.Tip de difuziune B. Reactivi 1.Ascendentă a. Sol coloidal de gelatină cu K2Cr2O7 + AgNO3 2.Descendentă b. Cristal de KMnO4+H2O 3.Ritmică c. Soluţie de zaharoză 10 %+ decoct din frunze de stejar 5. Explicaţi noţiunea membrană semipermeabilă artificială. Indicaţi modalitatea de obţinere a unei astfel de membrane.

10