Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химический состав и минеральное питание растений. Учебное пособие
.pdf
Качество сахарной свёклы оценивается по содержанию са-
хара, бобовых культур – по содержанию белка и тд.
Основные органические вещества представлены в растениях белками, жирами, крахмалом, сахарами, клетчаткой, пектиновыми веществами (таблица 6).
Таблица 6 – Средний химический состав с/х культур, %
Культура
Вода
Пшеница (зерно) 14 14 15 2, 0 65 2, 5 1, 7
Ячмень (зерно) 13 9 10 2, 2 65 5, 5 3, 0
Рис (очищенное
зерно)
Кукуруза (зерно) 15 9 10 4, 7 66 2, 0 1, 5
Гречиха (зерно) 13 9 11 2, 8 62 8, 8 2, 0
Соя (семена) 11 29 34 16, 0 27 7, 0 3, 5
Подсолнечник
(ядра)
Картофель
(клубни)
Сахарная свёкла
(корни)
Кормовая свёкла
(корни)
Морковь (корни) 86 0, 7 1, 3 0, 2 9 1, 1 0, 9
Лук репчатый 85 2, 5 3, 0 0, 1 8 0, 8 0, 7
11 7 8 0, 8 78 0, 6 0, 5
8 22 25 50 7 5, 0 3, 5
78 1, 3 2, 0 0, 1 17 0, 8 1, 0
75 1, 0 1, 6 0, 2 19 1, 4 0, 8
87 0, 8 1, 5 0, 1 9 0, 9 0, 9
Белки
Сырой протеин
Жир
Крахмал, сахар
и др. углеводы,
кроме клетчатки
Зола
Клетчатка
Различные группы растений существенно различаются по
требованию к оптимальной концентрации отдельных микроэлементов. Например, кукуруза, табак нуждаются в больших количествах цинка, зерновые – марганца, зернобобовые – молибдена, корнеплоды – бора.
Химический состав растений в течение вегетационного периода изменяется. В начальные фазы роста и развития преобладают процессы поглощения минеральных веществ над синтезом органических соединений. К примеру, зерновые к фазе ко-
лошения потребляют до 100% минеральных веществ, у картофеля максимальное поглощение питательных веществ отмечается в июле, у сахарной свёклы – в августе, тогда как синтез
органических соединений, участвующих в формировании
урожая, составляет около 60%. То есть, за счет этого растения
создают запас минеральных веществ для фотосинтетической
деятельности растений. К периоду созревания растения теряют
некоторые запасы элементов, прежде всего калия, что объясняется отмиранием и опадом листьев, вымыванием дождями из
надземных органов.
Особенности химического состава растений имеют большое
практическое значение: с ними связаны цели возделывания и
использование урожая тех или иных культур. Химический состав растений определяет и качество урожая.
Формирование урожая, его химического состава связано с
определенной направленностью биохимических процессов обмена веществ у растений, который зависит от условий питания
растений.
1.5 Химические соединения в составе растений
Химический состав растений – это содержание в них органических и минеральных веществ, а также отдельных химических элементов. Его выражают в процентах от массы сухого
вещества или массы всего растения в свежем состоянии (сырой
массы). Иногда химический состав растений выражают в мг на
1 кг сухого или сырого вещества.
В состав любой растительной ткани входят многие тысячи
различных органических и минеральных соединений, которые
условно можно разделить на несколько групп:
- белки-ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д. – их содержание в растениях очень небольшое, но они играют важнейшую роль в процессах обмена и жизнедеятельности растений;
- целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и др. – синтезируются в растениях для создания опорных и покровных тканей;
- запасные белки, крахмал, сахара – накапливаются в
определенных органах (семена, плоды, корни, клубни), и играют роль запасных веществ;
52
- специфические органические соединения (алкалоиды,
гликозиды, эфирные масла, смолы, каучук, фенольные и гидроароматические соединения);
- минеральные вещества.
Среди органических веществ, синтезируемых растениями,
наиболее важны белки и нуклеиновые кислоты, с которыми
связана жизнедеятельность живого организма.
Белки – высокомолекулярные соединения, построенные из
аминокислот, являются важнейшими веществами живой клетки, составляющие протоплазму и выполняющие многообразные функции как конституционных, так и запасных веществ.
Белки делятся на две большие группы:
1. протеины – простые белки, в состав молекул которых
входят только остатки аминокислот.
2. протеиды – сложные белки, представляющие собой со-
единения белка с веществами небелковой природы.
Молекула белка представляет собой одну длинную полипептидную цепь, состоящую из последовательно расположенных аминокислотных остатков.
Аминокислоты соединены между собой так называемой
пептидной связью. Сущность пептидной связи легко показать
на примере соединения двух молекул простейшей аминокислоты – гликокола:
N·СН2·СООН + Н2N·СН2·СООН = Н2N·СН2·СО·
Н
2
NН·СН
·СООН + Н2О
2
Следовательно, пептидная связь – СО· NН –возникает за
счет выделения гидроксила (ОН) из карбоксильной группы одной молекулы аминокислоты и водорода (Н) из аминогруппы
(NН
) другой молекулы аминокислоты. Из ионов ОН- и Н+ об-
2
разуется молекула воды, а возникшая группа СО· NН соединяет обе молекулы аминокислоты в пептид. Если подобным способом соединяются несколько молекул аминокислот, то получается полипептид. Из соединения множества полипептидов и
получается белковая молекула.
Наличие в аминокислотах и в белках одновременно и кислых (СООН) и основных (NН
) групп делает их способными
2
вступать в соединения и давать соли как с основаниями, так и с
53
кислотами. Вещества такого типа называются амфотерными.
Они обладают значительной буферностью, то есть способностью поддерживать на определенном уровне значение реакции
(рН) растворов как в клеточном соке и цитоплазме, так и в
почвенном растворе. Эта способность белков имеет большое
значение в питании растений и применении удобрений.
Большинство аминокислот – нейтральные вещества кристаллического строения, легко растворяющиеся в воде. Белки
– типичные коллоиды; среди них есть как воднорастворимые,
так и не растворяющиеся в воде.
Классификация простых белков по группам основана на их
растворимости:
- альбумины – растворимы в воде, в разбавленных растворах нейтральных солей, осаждаются насыщенным раствором
сульфата аммония, входят в состав запасных белков семян; к
ним относятся лейкозин (около 0, 4% в зародышах семян злаков – пшеницы, ржи, ячменя), легумелин (в семенах зерновых бобовых – гороха, вики, чечевицы – от 1 до 2%) и другие;
- глобулины – нерастворимы в воде, растворимы в растворах
нейтральных солей, осаждаются полунасыщенным раствором
сульфата аммония, характерны для запасных белков семян растений (эдестин - в семенах конопли), легумин (в семенах гороха) и
другие; глобулины входят в состав семян всех злаков, бобовых и
масличных культур, клубней картофеля; преобладающие белки в
семенах бобовых растений, а у масличных составляют около их
половины. В зернах злаков альбумины и глобулины сосредоточенью преимущественно в зародыше;
- глютелины – нерастворимы в воде и в растворах
нейтральных солей, но растворимы в слабых растворах кислот
и щелочей, входят в состав запасных белков семян (глютенин
зерна пшеницы, оризенин зерна риса); наряду с проламинами
входят в состав белковых веществ эндосперма злаков.
- проламины – растворимы только в 50-70% спирте и в разведенных растворах кислот и щелочей; нерастворимы в воде и
растворах нейтральных солей - глиадин зерна злаков 40-50%
веса белка в зерне, находится преимущественно в эндосперме
(гордеин ячменя, авенин овса, зеин кукурузы);
Все перечисленные простые белки в своем составе содержат
серу, которая имеется в аминокислотах: метионине, цистине;
54
- протамины – простые белки, состоящие на 80 %из основных аминокислот (аргинин, гистидин и лизин), поэтому и сами имеют щелочную реакцию; эти белки не содержат серы;
- гистоны - простые белки, состоящие также из основных
аминокислот, с более высокой молекулярной массой и большим разнообразием аминокислот, растворимы в воде, нерастворимы в аммонии, содержат перечисленных основных аминокислот меньше (20-30%);
- фосфопротеды – содержат остатки фосфорной кислоты,
каждый из которых связан с оксигруппой серина, например,
казеин молока;
- протеноиды – нерастворимые фибриллярные белки шелка, рогов, копыт, сухожилий; содержат много серы.
Группа протеидов включает следующие разновидности:
- липопротеиды – белок +липоид - содержат в качестве простетической группы липоиды–жироподобные вещества; встречаются в хлорофилловых зернах и протоплазме в целом;
- глюкопротеиды – белок + высокомолекулярные углеводы
– содержат в качестве простетической группы высокомолекулярный углевод;
- нуклеопротеиды – белок + нуклеиновые кислоты - соединения белков с нуклеиновыми кислотами; играют важную роль
во всех живых организмах и находятся в клеточных ядрах;
- хромопротеиды – белок + красящее вещество - содержат в
виде простетической группы – сложное азотистое вещество,
имеющее в своем составе железо или медь (у низших организмов); встречаются в гемоглобине крови и в клубеньках на корнях бобовых культур (имеют значение в процессе фиксации
молекулярного азота);
- фосфопротеиды – белок + остаток фосфорной кислоты.
Деятельная протоплазма растений – сложнейшее соединение многочисленных и простых белков, в состав которых входят и ферменты с разнообразными небелковыми веществами,
водой и солями.
В растениях, наряду с синтезом белковых молекул, постоянно происходит распад уже существующих. Синтез белка и его
обновление тесно связаны с фотосинтезом. В темноте, когда сахара не образуются образования белков и их обновления также
не происходит. В этих условиях наблюдается только непрерывный распад их до аминокислот.
55
В свободном виде в органах животных и растений обнаружено свыше 80 аминокислот. В состав белковой молекулы
обычно входит 22-23 аминокислоты, из которых незаменимыми являются: лейцин, фенилаланин, метионин, лизин, ва-
лин, изолейцин, треонин, триптофан. Для этих аминокислот
характерно то, что они не могут синтезироваться в организме
человека и животного, и синтезируются только в растениях.
Азотистые вещества спелых семян состоят почти полностью
из белков; доля небелкового азота в них составляет примерно: в
горохе, бобах, вике, пшенице – 10–11, 4%, в ячмене, кукурузе, овсе – 2, 6–2, 7, в льне – около 5, 5, в подсолнечнике – около 2, 5%.
Небелковый азот представлен свободными, то есть не входящими в состав белков аминокислотами, амидами (аспарагин, глютамин), алкалоидами и другими. В вегетативных органах (при избыточном азотном питании) частично могут содержаться и минеральные соли, например селитра.
Содержание белков в товарной массе урожая различных
растений представлено в таблице 7.
Элементарный состав белков колеблется в пределах: углерод – 50-55%; кислород – 19-20, 4%; сера – 0, 23-2, 40%; водород – 6, 5-7, 3%; азот – 15-19%.
Содержание белков зависит от почвенно-климатических
условий возделывания этой культуры и возрастает по мере продвижения с северо-запада на юго-восток, что объясняется убыванием влажности почвы и воздуха в том же направлении. По
этой причине накопление азота (белкового в том числе) в пшенице возрастает по мере перехода запада на юго-восток и с севера на юг, ибо в том же направлении убывает обеспеченность
неполивных посевов водой.
Белки различных сельскохозяйственных культур неравноценны по аминокислотному составу, растворимости и переваримости. Поэтому качество растениеводческой продукции оценивается не только по содержанию, но и по усвояемости, полноценности белков на основе изучения их фракционного и
аминокислотного состава.
56
Таблица 7 - Содержание белков в с/х культурах, % на сухое
вещество
Растение Содержание Растение Содержание
Пшеница мягкая 8, 6-24, 4 Кукуруза 9, 0-13, 2
Пшеница твердая 14, 4-24, 1 Овес 8, 0-17, 3
Рис 6, 2-12, 0 Рожь 8, 3-17, 4
Ячмень голозерный 10, 6-20, 4 Просо 8, 0-17, 6
Ячмень пленчатый 8, 2-18, 6 Нут 12, 6-33, 8
Гречиха 11, 4 Соя 29, 4-50, 4
Хлопчатник 15, 4-19, 3 Фасоль 15, 0-33, 4
Сорго 9, 5-15, 3 Чина 22, 2-32, 3
Горчица белая 15, 5-38, 5 Подсолнечник 13, 5-19, 1
Лен 18, 5-33, 8 Клещевина 17, 1
Горох 22, 0-34, 0 Вика 21, 4-35, 6
Бобы 27, 0-35, 0 Чечевица 24, 6-34, 1
Люпин 28, 7-49, 5
Томаты 0, 3-0, 8 Тыква 0, 4-1, 0
Огурцы 0, 5-0, 9 Баклажаны 0, 6-1, 2
Ягодные культуры 0, 3-1, 9
Сахарная свекла
(корнеплоды)
Плодовые
культуры
1, 4
0, 2-0, 8
В составе белков находится подавляющая доля азота семян
(не менее 90% общего количества в них азота) и вегетативных
органов большинства растений (75-90%). В тоже время в клубнях картофеля, корнеплодах и листовых овощах до половины
общего количества азота приходится на долю азотистых небелковых соединений. Они представлены в растениях минеральными соединениями (нитраты, аммоний) и органическими
(среди которых преобладают свободные аминокислоты и амиды, хорошо усваиваемые в организмах животных и человека).
Небольшая часть небелковых органических соединений в растениях представлена пептидами (построенными из ограниченного количества остатков аминокислот и поэтому в отличие от
белков имеющими низкую молекулярную массу), а также пуриновыми и пиримидиновыми основаниями (входящими в состав нуклеиновых кислот).
Для оценки качества растениеводческой продукции часто
пользуются показателем «сырой протеин», которым выражают
сумму всех азотистых соединений (белка и небелковых соединений). Рассчитывают «сырой протеин» путем умножения про-
57
центного содержания общего азота в растениях на коэффициент 6, 25 (получаемый исходя из среднего (16%) содержания
азота в составе белка и небелковых соединений).
Помимо аминокислот и амидов к небелковым органическим азотистым веществам в растениях относятся алкалоиды.
Это соединения разной природы, обладающие сильным физиологическим эффектом. Например, люпинин, содержащийся в
вегетативных органах и накапливающийся в семенах горьких
люпинов, опий, синтезируемый опийным маком, никотин табака и другие. Алкалоидами являются также кофеин, содержащийся в зернах кофе (13%) и листьях чая (5%), теобромин,
имеющийся в бобах какао (около 3%) и в меньших количествах
в листьях чая. В некоторых диких растениях есть и многие другие алкалоиды (кониин – в болиголове, атропин в красавке и
другие).
Нуклеиновые кислоты – являются носителями наследственной информации в организме. Существуют две нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Каждая из них в своем составе имеет вещества
трех типов; азотистые основания, сахар и фосфорную кислоту.
В РНК входят следующие азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил, а из сахаров–рибоза. В ДНК из азотистых оснований входят аденин, гуацин, цитозин, тимин и 5метацитозин, а из сахаров – дезоксирибоза. Взаимодействуя
между собой, азотистое основание, сахар и фосфорная кислота
дают начало нуклеотидам, из которых и строятся длинные спиральные молекулы нуклеиновых кислот.
Таким образом, нуклеотиды являются как бы элементарными звеньями, комбинации которых образуют нуклеиновые
кислоты. В каждую нуклеиновую кислоту входят многие тысячи нуклеотидов, соединяющихся между собой с помощью молекул фосфорной кислоты. Комбинации нуклеотидов в нуклеиновых кислотах и служат своеобразным шифром, которым
записаны наследственные особенности организма, передающиеся потомству. ДНК является механизмом записи и передачи
наследственности в целом, а РНК непосредственно участвует в
синтезе белковых веществ, характерных для определенного вида растений. Считают, что РНК в данном процессе представляет собой как бы матрицу (шаблон). К этой матрице в заданном
58
наследственными особенностями организма порядке присоединяются определенные аминокислоты, образуя белок.
В листьях и стеблях содержание нуклеиновых кислот достигает 0, 1–1% веса их сухих веществ; при этом в молодых листьях и в точках роста побегов нуклеиновых кислот больше,
чем в стеблях и старых листьях. Наибольшее количество этих
кислот обнаруживается в пыльце, зародышах семян и в кончиках корней.
В наследственной природе растения заложены и его способности потреблять из внешней среды те же самые питательные вещества, какие характерны для всего мира растений, но в
определенном соотношение и в типичной для каждого вида динамике на протяжении всего вегетационного периода. Из одних
и тех же усвоенных питательных элементов каждый вид растений синтезирует преимущественно какие-нибудь одно-два органических вещества, которые и накапливаются в его урожае в
наибольшем количестве (сахароза в сахарной свекле, крахмал
в картофеле, клетчатка в хлопчатнике, белок–в горохе, крахмал и белок в пшенице, масло в подсолнечнике и т. д).
Углеводы – это класс соединений, которые содержат одновременно карбонильные и гидроксильные группы – альдегидоспирты и кетоспирты. Углеводы являются основными промежуточными продуктами ряда биохимических циклов превращения веществ и входят в состав многих соединений в составе
растительной клетки. Углеводы делятся на три группы:
I. Простые сахара (моносахариды), неспособные к гидролизу. К ним относятся глюкоза и фруктоза:
- глюкоза С
6Н12О6
– исходное вещество для образования органических соединений в растениях, в том или ином количестве содержится во всех растениях, во всякой живой клетке. В
большом количестве накапливается в ягодах винограда (8–15%
и более), что дало повод называть ее виноградным сахаром, содержится в составе плодов персиков (4–6%), в ягодах малины
(3–4%), черной смородины (2-3%) и других растений.
- фруктоза С
6Н12О6
имеет отличное от глюкозы пространственное расположение атомов, встречается в плодах и ягодах и
служит источником для образования инулина (сложного сахара). Фруктоза накапливается в сладких плодах (яблоки, груши, айвы и других) в количестве 6–10%, что послужило основанием назвать этот сахар – фруктозой или плодовым сахаром.
59
В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахариды делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы, имеющие в своей молекуле соответственно от 3 до 7 атомов углерода. Самые простые сахара – триозы. Они могут быть
получены при дегидрировании (отнятие водорода, что равносильно окислению) многоатомных спиртов, например из глицерина.
Окисление шестиатомного спирта сорбита, содержащегося
в плодах многих культур, приводит к образованию гексоз –
глюкозы или фруктозы:
СН
ОН
2
׀
Н–С – ОН
׀
НО– С –Н
׀ – 2Н
Н–С– ОН →
׀
Н–С–ОН
׀
СН
ОН
2
сорбит
Н–С=О
׀
Н–С – ОН
׀
НО– С –Н
׀
Н–С–ОН или
׀
Н–С–ОН
׀
СН
ОН
2
глюкоза
Н
ОН
2
׀
С =О
׀
НО– С –Н
׀
Н–С– ОН
׀
Н–С–ОН
׀
СН
ОН
2
фруктоза
Эти превращения могут идти и в обратном направлении.
Моносахара, содержащие альдегидную группу (–СН= О),
называют альдозами, кетонную группу (=С=О)– кетозами.
II. Сложные сахара (дисахариды и трисахариды), способные к гидролизу с образованием углеводов:
- сахароза С
12Н22О11
(тростниковый, свекловичный сахар).
Больше всего сахарозы накапливают корнеплоды сахарной
свеклы (14–22%) и стебли сахарного тростника (14–25%), которые служат сырьем для получения сахара заводским путем.
Сахароза содержится также в плодах (сливы – до 8%, яблони и
груши – до 5%, апельсина – до 6%) и овощах (лук – 5–8%,
столовая свекла – 5–8%, морковь – 4–6%). Сахароза имеется
также в зародышах семян злаковых и бобовых растений. Каждая молекула сахарозы состоит из двух молекул гексоз: глюкозы и фруктозы, которые соединяясь, образуют молекулу сахарозы и выделяют молекулу воды.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]