1. Химический состав растений и клетки

ХС растений отражает ХС окружающей среды. В растениях обнаружено около 70 химических элементов. Из них 20 являются необходимыми для питания растений, а 12 – условно необходимые. По содержанию в сухом веществе (%) все ХЭ делятся на три группы:

1. Макроэлементы – от 10 до 10^-2 %. Это – C, O, H, N, P, K, Ca, Mg, S, Na…

2. Микроэлементы – от 10^-3 до 10^-5 %. Это – Fe, Mn, B, Mo, Zn, Cu, Co, I (йод)…

3. Ультрамикроэлементы – меньше 10^-5 %. Это – Au, Ag, Se (селен), радионуклиды и др.

Деление на группы весьма условно. Например, содержание Fe, Mn может достигать иногда уровня макроэлементов. Из ХЭ построены органические и минеральные вещества растений. Основными группами органических веществ в растениях являются углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты. Эти вещества – полимеры, поэтому в клетках постоянно присутствуют и составные части этих молекул: аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, нуклеотиды. В растениях большую роль играют органоминеральные комплексы, например, белки с микроэлементами, фосфорные эфиры углеводов и др.

ХС растений, органов колеблется в широких пределах. Считается, что в среднем в растениях содержится 85 % воды и 15 % сухого вещества (с.в.). В с.в. растений 95 % составляет органическая часть, а 5 % - минеральная часть (зола). Зола – это остаток, образующейся при сжигании растений. В ней содержатся минеральные (зольные) элементы. Органическая часть состоит из органогенных элементов: С – 45 %, О – 42 %, Н – 6,5 % и N – 1,5 %. Средний ХС растительной клетки (% на сырую массу): Н₂О – 85; сухое вещество – 15; белки – 10; липиды – 2; ДНК – 0,4; РНК – 0,7; др. органические вещества – 0,4; неорганические – 1,5.

Химическое обновление протопласта клеток происходит очень быстро (за несколько суток). По происхождению органические вещества делятся на первичные (белки, углеводы, липиды, НК) и вторичные (образуются из первичных в ходе обмена веществ).

По выполняемым функциям вещества делятся на структурные (целлюлоза, сложные белки, фосфолипиды), запасные (крахмал, жиры), транспортные (сахароза, амиды, аминокислоты). Пятое место по значению среди органических веществ занимают макроэргические соединения (АТФ и др.). В виде них в клетке накапливается биологически полезная энергия. Каталитическую функцию в растениях выполняют белковые вещества – ферменты, без изучения механизма действия их, нельзя познать химизм клетки. ХС растений несмотря на изменчивость под влиянием различных факторов, сохраняют видовую и сортовую специфичность.

2. Характеристика химических компонентов клетки.

   1. Углеводы (у).

У – органические вещества, построенные из С, Н и О в соотношении С:Н:О = 1:2:1 и имеющие общую формулу (СН₂О)п. Напримар, п = 6, то формула С₆Н₁₂О₆.

В растениях присутствуют как правило только D – формы углеводов в α и β – состоянии.

Углеводы подразделяются на моно-, олиго- и полисахариды.

1. Моносахариды содержат от 3 до 7 атомов С.

Представители:

О

1. Триозы. С Н СН₂ОН

| |

СНОН С = О

| |

СН₂ОН СН₂ОН

Глицериновый альдегид Диоксиацетон

(ГА) (ДОА)

ФГА и ДОАФ – важнейшие промежуточные продуктов при обмене углеводов и липидов.

ГА и ДОА, соединяясь с остатками фосфорной кислоты Н₂РО₃ → Р, образуют фосфорные эфиры: фософглицериновый альдегид (ФГА) и фосфооксиацетон (ФДОА).

О О О

С Н С Н С Н

| ОН | |

СНОН + ― Р О → СНОН или СНОН

| ОН | ОН |

СН₂ОН СН₂ОН ―Р О СН₂О Р

ГА ФГА ОН ФГА

На схемах Н₂РО₃ обозначается как Р.

2. Пентозы. Это рибоза и дезоксирибоза. Входят соответственно в состав РНК и ДНК; рибоза - в составе АТФ.

3. Гексозы С₆Н₁₂О₆.

Важнейшие представители:

α – глюкоза (виноградный сахар) β – фруктоза (плодовый сахар)

α – глюкоза и β – фруктоза – важнейшие субстраты дыхания.

Из химических свойств моносахаридов отметим:

а) легко окисляются с образованием кислот. Наибольшее значение имеют уроновые кислоты. Они образуются из моносахаридов при окислении первичной спиртовой группы до карбоксильной.

Н-р, О

С Н

|

(СНОН)₄ - глюкуроновая кислота.

|

СООН

б) при восстановлении моносахаридов из них образуются соответствующие многоатомные спирты. Наиболее часто в растениях встречаются следующие спирты: сорбит – при восстановлении глюкозы и фруктозы, рибит – из рибозы, ксилит – из ксилозы.

в) с кислотами образуют сложные эфиры. Особенно важную роль в растениях играют эфиры сахаров с фосфорной кислотой, или фосфорные эфиры сахаров. См. на примере образования ФГА, а также макроэргические соединения (ниже).

г) способность к образованию гликозидов за счет гидроксила у первого углеродного атома.

Н-р, α – глюкоза + С₂Н₅ОН →

α - этилгликозид

Гликозиды – см. вещества вторичного происхождения.

4) Гептозы. Седогептулоза – семиуглеродный моносахарид. Фосфорные эфиры седугептулозы играют важную роль в процессах углеводного обмена.

2.1.2. Олигосахариды

Они построены из нескольких молекул моносахаридов по принципу образования гликозидной связи, или кислородного мостика по схеме:

Т.о. С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆ → С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О

α -глюкоза α –глюкоза мальтоза

С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆ → С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О

α -глюкоза β-фруктоза сахароза

Мальтоза, или солодовый сахар, сахароза, или тростниковый сахар важнейшие дисахариды в растениях.

Функции сахарозы в растениях:

1. запасное питательное вещество: в корнеплодах сахарной свеклы до 25 %, сах. тростнике 11-15 %;

2. транспортная форма углеводов в растениях. Крупные молекулы, н-р, крахмал, а также моносахариды не транспортируются по растению;

3. защитная форма питательных веществ у зимующих растений.

Мальтоза образуется при расщеплении крахмала. Высушенное проросшее зерно называется солодом, поэтому образующейся под действием солода на крахмал сахар мальтоза получил название солодового сахара.

2.1.3. Полисахариды.

Основная масса всех природных углеводов – это полисахариды. Они высокомолекулярные вещества, содержащие от нескольких десятков до тысяч остатков моносахаридов.

Полисахариды в зависимости от их строения можно разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды состоят из остатков какого-либо моносахарида. Н-р, крахмал – из остатков α –глюкозы, целлюлоза – из β-глюкозы, инулин – из β-фруктозы.

Гетерополисахариды – состоят из остатков различных полисахаридов. К ним относятся гемицеллюлозы, камеди, слизи и др.

Представители гомополисахаридов.

1. Крахмал (С₆Н₁₀О₅)п. Состоит из остатков α –глюкозы. Играет роль запасного вещества. Н-р, в зерне злаков его содержание от 55 до 80 %. Крахмал, образуемый в процессе фотосинтеза в листьях, называется фотосинтетическим, или ассимиляционным. Запасной крахмал образуется в плодах, в корнях из притекающих туда углеводов.

2. Инулин – низкомолекулярный полисахарид, содержащий 37-44 фруктозных остатка. Растворяется в горячей воде. Легко усваивается организмом человека и животных. Является заменителем крахмала в питании больных сахарным диабетом. Запасное питательное вещество растений семейства астровые, колокольчиковые. В клубнях георгина до 50 %, в корнях цикория до 10 %, в топинамбуре, одуванчике и др.

3. Целлюлоза – наиболее широко распространенный полисахарид растений и вообще самое распространенное органическое вещество на земле. Состоит из остатков β-глюкозы. В древесине содержится 40-50 % целлюлозы.

4. Пектиновые вещества. Содержатся в плодах, корнеплодах, растительных волокнах. В присутствии кислоты и сахаров образуют желе, или студни. Это их свойство используют в кондитерской промышленности при изготовлении пастилы и мармелада. Пектиновые вещества участвуют в построение клеточной оболочки, скрепляя между собой волокна.

Жесткость недозрелых плодов (яблок, груш) в значительной степени обусловлено наличием в них протопектинов.

Пектиновые вещества включают в себя ряд соединений: пектиновая кислота, пектины, пектаты – соли пектовой кислоты, протопектины.

Пектиновые вещества как составная часть пищи играют важную роль в связывании и выведении из организма тяжелых металлов, радионуклидов, нитратов и др. токсинов.