Методы и методология фр: аналитический и синтетический подход, причинный анализ. Общая и частная фр.

Методы и методология фр: аналитический и синтетический подход, причинный анализ. Общая и частная фр.

Основной метод познания процессов, явлений в физиологии — эксперимент, опыт. Следовательно, физиология растений — наука экспериментальная.

Для изучений физико-химической сути функций, процессов в физиологии растений широко применяют методы: лабораторно-аналитический, вегетационный, полевой, меченых атомов, электронной микроскопии, электрофореза, хроматографического анализа, ультрафиолетовой и люминесцентной микроскопии, спектрофотометрии и др. Кроме того, используют фитотроны и лаборатории искусственного климата, в которых выращивают растения и проводят опыты в условиях определенного состава воздуха, нужной температуры и освещения. Применяя эти методы, физиологи исследуют растения на молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном (интактное растение) уровнях.Сейчас в биологических исследованиях широко применяют электронные микроскопы просвечивающего типа с разрешающей способностью 0,15—0,5 нм, в которых объект рассматривают в электронных лучах, проходящих через него. Значительное увеличение разрешающей способности электронных микроскопов по сравнению со световыми обусловливается меньшей длиной волны электронов (на пять порядков меньшей, чем длина волны ультрафиолетовых лучей).Кроме того, для биологических исследований применяют так называемые растровые электронные микроскопы, в которых изображение создается по принципу телевизионных. Разрешающая способность растровых микроскопов равна 20—40 нм, с их помощью изучают строение поверхности пыльцы, эпидермального слоя клеток, формы клеток и др. Применение электронной микроскопии в биологии имеет большое значение для развития биологической науки и физиологии растений в частности.

Исследование ультраструктуры органоидов растительной клетки (хлоропластов, митохондрий, рибосом, мембранных структур) дало возможность раскрыть суть процессов фотосинтеза и дыхания, которые определяют возможность самой жизни на нашей планете. Изучение строения клеточных оболочек, открытие цитоплазматических мембранных структур способствовали выяснению процессов обмена веществ и энергии в клетке, изучению структуры и функции органоидов растительной клетки. Большое принципиальное значение имеет электронно-микроскопическое исследование строения РНК и ДНК, локализации их на структурных компонентах клетки. Результаты этих исследований легли в основу раскрытия генетической роли ядра и проблемы наследственности.

Общая фр изучает физиологические функции (фотосинтез, дыхание растений, транспирацию, рост, развитие и др), устанавливая закономерности общие для всех видов растении.

Частная фр изучает конкретные физиологические особенности отдельных видов сортов растений.

 

Практическое значение физиологии растений как теоретической основы растениеводства. Связь фр с агрономическими науками и селекцией.

Физиология растений является теоретической основой интенсификации растениеводства, диагностики и лечения болезней растений, получения трансгенных растений с хозяйственно-ценными признаками, микроклонального размножения растений, биотехнологии получения важных продуктов на основе изолированных растительных клеток и тканей, а также решения ряда задач по охране окружающей среды, подверженной вредным воздействиям антропогенных загрязнений. Фр является основой для рационального земледелия. Фр настолько тесно связана с агрохимией, что между ними нельзя провести реальную границу. Учение о почвенном питании растений неразрывно связано с учением б удобрениях, а поэтому агрохимика часто переходит к решению проблем физиологии питания растений, а физиологи принимают участие в разработке применения удобрений. Большое значение физиология имеет для полеводства, так как большая часть агротехнических приемов представляет собой создание для растений благоприятных условий существования, при которых они дали бы наибольший урожай.

Тесная связь существует между фр и селекцией. Отбор и создание новых сортов ставят своей задачей повышение урожая и качества продуктов, а для целенаправленного отбора необходимо знать физиологические признаки сортов: их скороспелость, зимоустойчивость, засухоустойчивость и т.д. Эти сведения можно получить только при постоянном физиологическом изучении сортов.

 

Перспективы практического приложения результатов физиологических исследований в растениеводстве, биотехнологии, охраны и защиты растительного мира, биоэнергетике, фармацевтике и освоении космоса

 

Изучение растений в условиях окружающей среды, помогает селекционерам изменять природу растений в необходимую для практики сторону с помощью управления их жизнедеятельности. Физиология является источником новых приемов и воздействия на растения, при помощи которых можно повысить устойчивость к неблагоприятным факторам среды, ускорить развитие.

Очень большое значение имеет фр для успешного решения экологических проблем. Способность зеленых растений улучшать воздух была отмечена еще первыми физиологами растений.

Люди, которые находятся в космосе вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Зеленые растения в процессах фотосинтеза обеспечивают обратный процесс, а также могут служить пищей для человека.

Применение исследовании фр в фармацевтике связано с лекарственными растениями. Благодаря изучению лекарственных свойств многих растений было открыто множество препаратов.

Раздражимость растений и ее значение для сохранения целостности растительного организма

Это способность клетки реагировать на действие внешних и внутренних факторов – раздражителей и передавать возбуждение в другие клетки. Восприятие раздражения обозначают термином перцепция или рецепция. У растений нет органов чувств, но есть рецепторные белки и клетки, воспринимающие разные воздействия. Различают фото-, хемо - и механорецепторы.

У растений раздражителями могут быть различные агенты, но особенно чувствительны они к таким жизненно важным факторам, как свет, температура, сила тяжести, влажность, аэрация, концентрация и состав солей, кислотность и щёлочность почвенного раствора. Реакции растения на раздражители определяют расположение его органов в воздушном и почвенном пространстве (см. Движения у растений, Тропизмы). Свойством Р. обладают все живые клетки растений, но наиболее чувствительны к указанным раздражителям верхушки побегов и кончики корней, с которых возбуждение передаётся в зоны роста этих органов и вызывает соответствующее изменение в направлении их роста. Стеблям, черешкам листьев и усикам вьющихся и лазящих растений, а также тычинкам и пестикам некоторых растений присуща очень высокая контактная чувствительность (см. Гаптотропизм). Цветки и листья многих растений чутко реагируют на изменения освещённости или температуры (см. Настии, «Сон» растений). Быстрыми реакциями на раздражения обладают особо чувствительные, в том числе и насекомоядные, растения (например, мимоза, мухоловка, росянка) и гифы хищных грибов. Под влиянием раздражителей могут меняться движения цитоплазмы, ядра, хромосом, хлоропластов, митохондрий и др. структур растительной клетки, а также движения не прикрепленных к субстрату низших растений, зооспор и спермиев.

 

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

ВОДНЫЙ ОБМЕН РАСТЕНИЙ

ФОТОСИНТЕЗ

Работы К. А. Тимирязева

К. А. Тимирязев исследовал зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава и при этом установил, что из углекислого газа, находящегося в воздухе, растения ассимилируют углерод за счет энергии солнечного света. Им было экспериментально подтверждено, что в красных и синих лучах, которые наиболее полно поглощаются хлорофиллом, процессы проходят эффективнее. Именно Тимирязеву принадлежит идея, что хлорофилл как физически, так и химически принимает участие в процессе фотосинтеза. Далее он развил свою теорию и опубликовал работу «Зависимость усвоения углерода от интенсивности света» в 1889 году. По сути, ученый на практике доказал, что процесс фотосинтеза подчиняется закону сохранения энергии и первому закону фотохимии. В 1903 году в Лондонском королевском обществе Тимирязев прочитал лекцию под названием «Космическая роль растения», где обобщил собственные исследования в течение многих лет в области фотосинтеза. В ней он привел доказательства того, что фотосинтез, осуществляемый зелеными растениями, является первоисточником органического вещества и энергии, без которых жизнедеятельность растений невозможна. Это открытие стало крупнейшим вкладом в мировое учение о неразрывной связи и единстве живой и неживой материи, которая участвует у непрерывном круговороте как веществ, так и энергии на нашей планете. В 1867 году Тимирязев заведовал опытным полем, которое было организованно на средства Вольного экономического общества и располагалось в селе Реньевке Симбирской губернии. Там проводились испытания по применению минеральных удобрений и фиксировались их воздействия на урожай.

ДЫХАНИЕ

ПФП дыхания, его значение.

В ПФП можно выделить два этапа:

1) окисление глюкозы,

2) рекомбинацию сахаров для регенерации исходного субстрата.

Следует знать, что очень часто на одном из этапов ПФП переходит в гликолитический.

Первый (окислительный) этап апотомического пути включает реакции, катализируемые дегидрогеназно-декарбоксилирующей системой, состоящей из трех ферментов. Первая реакция представляет собой дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой (акцептор электронов − НАДФ⁺) с образованием лактона 6-фосфоглюконовой кислоты. Лактон самопроизвольно или под действием глюконолактоназы гидролизуется, образуя 6-фосфоглюконовую кислоту. В следующей окислительной реакции, катализируемой НАДФ- и Мn²⁺-зависимой фосфо-глюконатдегидрогеназой, 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется и образуются D -рибулозо-5-фосфат и восстановленный НАДФH. Таким образом, при окислении каждого атома углерода образуются две молекулы НАДФH:

Второй этап связан с регенерацией исходного метаболита — глюкозо-6-фосфата. Из рибулозо-5-фосфата под действием эпимеразы образуется ксилулозо-5-фосфат, а под действием изомеразы — рибозо-5-фосфат. Рекомбинации сахаров с участием транскетолазы и трансальдолазы приводят к появлению 3-ФГА и седогептулозо-7-фосфата, затем эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата; в результате образуются фруктозо-6-фосфаты, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат.

В итоге 6 молекул глюкозо-6-фосфата, участвуя в ПФП дыхания, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата регенерируют 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Для каждого оборота цикла суммарное уравнение ПФП имеет следующий вид:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ⁺ + 7Н₂О

5 глюкозо-6фосфат + 6СО₂ + 12 НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

Энергетический выход ПФП

Если при окислении субстрата образуется НАДФH, как, например, при апотомическом окислении глюкозо-6-фосфата, то атомы водорода перед поступлением в электронтранспортную цепь должны быть переданы на. НАД⁺ (трансгидрогеназная реакция). Если бы все 12 пар протонов от НАДФH, которые образуются при полном окислении молекулы глюкозо-6-фосфата по ПФП, были бы переданы через ЭТЦ на О₂, то получилось бы 3 АТР х 12 = 36 АТР, что составляет 41,868 кДж х 36 = 1507 кДж/моль. Практически это не уступает энергетическому выходу дихотомического пути дыхания (гликолиз и цикл Кребса), в котором образуется 1591 кДж/моль (38 АТР).

Роль ПФП в конструктивном обмене

Основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Аспекты участия ПФП в пластическом обмене:

1. ПФП служит основным внемитохондриальным и внехлоропластным источником НАДФH. НАДФH используется главным образом в различных синтетических реакциях и играет значительную роль в поддержании восстановленности SH-соединений в клетке, поскольку является первичным восстановителем глутатиона.

2. В ходе пентозофосфатного цикла синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов. Например, рибозы необходимы для синтеза АТФ, ГTФ, УTФ и других нуклеотидов. Коферменты НАД ⁺, НАДФ ⁺, ФАД, коэнзим А — тоже нуклеотиды и в их состав входит рибоза.

3. ПФП имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи (от С₃ до С₇). Эритрозо-4-фосфат, возникающий в ПФП, необходим для синтеза шикимовой кислоты — предшественника многих ароматических соединений, таких, как ароматические аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.

4. Компоненты ПФП (рибулозо-1,5-дифосфат, НАДФH) принимают участие в темновой фиксации СО₂. Только две из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в окислительном ПФП дыхания и гликолизе.

5. В хлоропластах окислительный ПФП функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентрации НАДФH в отсутствие света. Кроме того, триозофосфаты этого цикла в хлоропластах превращаются в 3-ФГК, что важно дляподдержания в них уровня АТФ в темноте.

Окисление глюкозы по ПФП осуществляется в результате 12 реакций, тогда как в дихотомический (гликолитический) путь через ПВК и далее через цикл ди- и трикарбоновых кислот включаются более 30 различных реакций.

9. Экология дыхания (влияние внешних и внутренних факторов); изменение интенсивности дыхания в онтогенезе растений.

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

1. История развития учения о минеральном питании растений.

Первые труды появляются в средние века. Среди них назовем «Научный трактат о различных почвах (солях) и сельском хозяйстве» французского естествоиспытателя Палисси. В этом сочинении впервые почва рассматривается как источник питания растений минеральными солями, высказывается мысль о необходимости возврата в почву минеральных веществ в виде удобрений.

Ван-Гельмонт. Им был поставлен эксперимент с растениями, на основании которого был сделан ошибочный вывод о питании растений водой. Ива и горшок с землей (Водная теория, была ошибочна)

Глаубер выдвинул гипотезу, согласно которой основой роста растений является селитра(«соль плодородия»), получаемую из смеси навоза с землей. Глаубер предположил, что она образуется из пищи животных. Он советовал вносить селитру под виноградники, смачивать раствором селитры высеваемое зерно.

Лавуазье установил закон сохранения вещества, определил состав воздуха и процесс образования углекислого газа, сделал ряд других важных открытий. Вместе с тем он занимался и вопросами, относящимися к агрономической химии. Он писал: «Растения черпают материалы, необходимые для своей организации, в воздухе, который их окружает, в воде, вообще в минеральном царстве.».

Пристли проделал замечательный опыт. Он взял стеклянный колпак, изолировал под ним мышь и горящую свечу, потом поместил мяту. Вывод: под действием зеленых растений воздух становится пригодным для дыхания и горения.

Ингенгаус обнаружил, что только растения, причем только на свету, поглощают из воздуха углекислоту, а выделяют при этом кислород. Сами растения непрерывно дышат, но на свету значительно больше выделяют кислорода, а при отсутствии света сами используют некоторую часть O2.

Сенебье и Соссюр представили экспериментальные доказательства минерального корневого и воздушного питания растений. Ученые показали, что в усвоении углекислого газа участвует «зеленый крахмал», то есть хлорофилл. Ученые показали, что под влиянием солнечной радиации листья испаряют влагу, способствуя этим доступу новых порций «соков» из почвы и корней в надземные органы растений. Под действием света они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Корни из почвы доставляют растениям лишь малую часть пищи, но эти минеральные вещества им совершенно необходимы.

Тэер был сторонником гумусовой теории питания растений. Согласно этой теории, перегной непосредственно поглощается корнями и служит основной пищей растениям. Минеральные вещества эта теория ошибочно рассматривала лишь как вспомогательные, содействующие усвоению гумуса.

Либих показал, что все минеральные соединения растения поглощают из почвы. Поэтому для восстановления почвенного плодородия эти вещества в почву необходимо возвращать, «закон возврата»; «закон минимума»: уровень урожая зависит от количества того минерального вещества, которое находится в минимуме. При этом увеличение содержания других минеральных веществ не обеспечивает увеличения урожая.

Буссенго поставил ряд точных экспериментов, в результате которых доказал, что растения не используют азот, содержащийся в воздухе. Установив, что клевер и люцерна обогащают почву азотом, Буссенго предположил, что эти растения поглощают азот из воздуха.

2. Содержание минеральных элементов в растениях. Классификация минеральных элементов: макро- и микроэлементы.

Зольные элементы сосредоточены в тех органах и клетках, уровень жизнедеятельности которых достаточно высок. Как правило, чем богаче почва и суше климат, тем выше содержание золы в растении. Необходимые элементы. Это те, без которых организм не может завершить свой жизненный цикл. Ю. Сакс и И. Кноп установили, что для жизнедеятельности растения, кроме С, О, Н, необходимы следующие 7 элементов: N, Р, S, К, Са, Mg, Fe. Позже была показана необходимость для растений в еще шести элементов: бора, марганца, цинка, меди, молибдена и хлора. Для некоторых растений характерны еще и другие элементы (например натрий). Все необходимые элементы корневого питания подчиняются основным правилам Либиха. Все необходимые для жизни растений элементы в зависимости от их количественного содержания в растении принято разделять на макроэлементы (содержание более 0,01%) — N, Р, S, К, Са, Mg, Fe и микроэлементы (содержание менее 0,01%) — Mn, Си, Zn, В, Mo, О

Общие значения питательных элементов: 1) входят в состав биологически важных органических веществ; 2) участвуют в создании определенной ионной концентрации, стабилизации макромолекул и коллоидных частиц (электрохимическая роль); 3) участвуют в каталитических реакциях, входя в состав или активируя отдельные ферменты.

3. Макроэлементы – K, Ca, Mg, S, P, их физиологическая роль.

Сера. Сера усваивается растениями только в окисленной форме—в виде аниона SCV. В растении основная масса аниона сульфата восстанавливается до —SH и —S—S— групп. Входит в состав трех аминокислот — цистина, цистеина и метионина, витаминов, коферментов (биотин, тиамин, коэнзим А, глютатион, липоевая кислота). Участвует в белковом обмене, аэробной фазе дыхания, синтезе жиров, в образовании макроэргической связи, в метаболизме и др.

Часть серы находится а клеточном соке в виде иона сульфата. При отмирании корня в условиях, когда ему не хватает кислорода, серосодержащие соединения распадаются с образованием сероводорода, который ядовит для корня. При недостатке серы, так же как и при недостатке азота, начинается разрушение хлорофилла, но первыми испытывают недостаток серы верхние листья.

Фосфор. Фосфор усваивается растениями в окисленной форме в виде солей фосфорной кислоты. Входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), нуклеотидов (АТФ, НАД, НАДФ), нуклеопротеидов, витаминов, фосфолипидов (мембраны) и др. Участвует в процессах гликолиза и аэробного дыхания. Освобождающаяся в этих процессах энергия накапливается в виде богатых энергией фосфатных связей. Принимает участие в фотосинтезе. При отсутствии фосфора а начале жизни и при последующей подкормке растения фосфорными солями листья растений некоторое время страдают из-за усиленного поступления фосфора и нарушенного в связи с этим азотного обмена.

Калий, кальций и магний усваиваются из любых растворимый солей, анионы которых не обладают токсическим действием или связанные с каким-нибудь нерастворимым веществом, обладающим кислотными свойствами. Они (K, Ca, Mg) необходимы для питания.

Роль: адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц протоплазмы, они создают вокруг них определенные электростатические силы, они определяют оводненность и водоудерживающую силу коллоидов.

Калий. Калий в растениях содержится в больших кол-ах, особенно в их вегетативных частях. Калий оказывает большое влияние на коллоиды плазмы, он повышает их гидрофильность (разжижает плазму). Калий является также катализатором ряда синтетических процессов: как правило, он катализирует синтез высокомолекулярных веществ из более простых, способствует синтезу сахарозы, крахмала, жиров, белков, При недостатке калия процессы синтеза нарушаются, и в растении скапливаются глюкоза, аминокислоты и продукты распада других высокомолекулярных соединений. При недостатке калия на нижних листьях появляется краевой запал — края листовой пластинки отмирают, листья приобретают характерную куполообразную форму, на листьях появляются некрозы.

Кальций. Часть кальция находится в клеточном соке. Этот кальций не принимает активного участия в процессах обмена веществ, он обеспечивает нейтрализацию избыточно образующихся органических кислот. Часть кальция сосредоточена в плазме—здесь кальций понижает гидрофильность плазменных коллоидов, повышает их вязкость. Кальций входит в состав ядерного вещества, играет роль в процессах деления клетки. Участвует в образовании клеточных оболочек, формировании стенок корневых волосков. При отсутствии кальция быстро поражаются точки роста надземные частей и корня, так как кальций не передвигается из старых частей растения к молодым. Корни ослизняются, рост их почти прекращается или идет ненормально.

Магний. Входит в состав хлорофилла. Магний важен для дыхательного обмена, он катализирует ряд реакций образования фосфатных связей и их переноса. Так как богатые энергией фосфатные связи участвуют в самых различных синтезах, то без магния эти процессы не идут. При недостатке магния разрушается молекула хлорофилла, причем жилки листьев остаются зелеными, а участки тканей, расположенные между жилками, бледнеют. Это явление называется пятнистым хлорозом.

Железо. Поглощается в виде растворенных солей, комплексных и органических соединений. В растительных тканях железо частично переходит в органические соединения. Находясь в составе ферментов, он принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах. Железо входит в состав дыхательных ферментов (цитохрома, цитохромоксидазы, каталазы и пероксидазы). Принимает участие в образовании хлорофилла. При недостатке железа развивается хлороз. При недостатке железа изменяется окраска молодых листьев (желтеют), фотосинтез; рост растений замедляется.

4. Физиологическая роль азота в жизни растений. Источники азотного питания высших растений. Фиксация молекулярного азота.

Азот хорошо усваивается растением из солей азотной кислоты и аммония. Он является главным элементом корневого питания, так как входит в состав белков всех живых клеток. Азот является составной частью нуклеиновых кислот, входящих в состав ядра и являющихся носителями наследственности. Является частью хлорофилла, входит в состав ферментов, которые регулируют реакции обмена веществ, и ряда витаминов. Все формы азота растении превращаются в аммиачные соединения, которые, вступая в реакцию с органическими кислотами, образуют аминокислоты и амиды — аспарагин и глютамин. Аммиачный азот обычно не скапливается в растении в значительных количествах. Это наблюдается только при недостатке углеводов; в этих условиях растение не может его переработать в безвредные органические вещества — аспарагин и глютамин. Избыток аммиака в тканях зачастую приводит к их повреждению. Если растение испытывает недостаток в азоте, то это прежде всего сказывается на темпе роста. Новые побеги почти не образуются, размеры листьев уменьшаются. При отсутствии азота в старых листьях хлорофилл разрушается. Биологическая фиксация азота атмосферы имеет важное значение, благодаря ей азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на группы: 1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением; 2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха; 3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на поверхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями. Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Azotobacte r. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Конечным продуктом фиксации азота является аммиак. В процессе восстановления азота до аммиака участвует мультиферментный комплекс — нитрогеназа. Источником протонов и электронов для восстановления азота служит дыхательная электрон-транспортная цепь. Это указывает на связь усвоения азота атмосферы с процессами дыхания, а также фотосинтеза (источника углеводов). Для восстановления N₂ до NH₃ требуется шесть электронов, согласно уравнению:N₂ + 6е + 2Н⁺ -> 2NH₃ Процесс требует АТФ как источника энергии: затрачивается 25—35 молекул АТФ, т.к нитрогеназа — фермент с низкой субстратной специфичностью. Особенность нитрогеназы заключается и в том, что для работы фермента требуются анаэробные условия. Вместе с тем в клетках высшего растения кислород необходим для поддержания дыхания. Роль леггемоглобина заключается в связывании 0₂ в организме бактерий и создании условий для работы нитрогеназы. Для образования леггемоглобина необходимы Fe, Сu и Со. Для нормального протекания процесса азотофиксации необходимы Мо и Fe, входящие в состав нитрогеназы. Молибден поддерживает конформацию нитрогеназы, участвует в связывании азота и переносе электронов, а также индуцирует синтез нитрогеназы. Кобальт входит в состав витамина В₁₂, который вовлекается в процесс биосинтеза леггемоглобина. В надземные органы растения-хозяина азотистые вещества передвигаются главным образом в виде амидов (аспарагина, глутамина).

 

5. Азотный обмен высших растений: восстановление нитратов и пути их усвоения аммиака.

Высшие растения поглощают соединения азота из почвы. Основным источником азотного питания для растений являются нитраты и аммиак. Корневые системы растений хорошо усваивают нитраты, которые, поступая в корни растения, подвергаются ферментативному восстановлению до нитритов и далее до аммиака. Этот процесс происходит главным образом в корнях, однако этой способностью обладают и клетки листьев. Восстановление нитратов до аммиака идет через ряд этапов. На первом этапе нитраты восстанавливаются до нитритов при участии фермента нитратредуктазы:

N03- + 2е -> N02

Нитратредуктаза — это фермент, содержащий в своем составе ФАД, гем и молибден. Фермент локализован в цитозоле, где и протекает процесс восстановления нитратов до нитритов. Поставщиком НАДН являются процесс дыхания и отчасти световые реакции фотосинтеза. Именно поэтому восстановление нитратов тесно связано с дыхательным газообменом и фотосинтезом. Для восстановления нитратов могут быть использованы продукты, образующиеся в процессе нециклического фотофосфорилирования (НАДФН, АТФ). При низкой освещенности, дефиците Fe и Мо активность фермента снижается, и нитраты накапливаются в клетке.

Второй этап — восстановление нитратов до аммиака катализируется ферментом нитритредуктазой:

N02- + 6е -> NH4+

Нитритредуктаза — это фермент, содержащий в качестве простетической группы гем. Активность этого фермента выше, чем нитратредуктазы. Нитритредуктаза локализована в хлоропластах листьев или пропластидах корней. Донором электронов в листьях служит восстановленный ферредоксин, который образуется при функционировании на свету ФС I. Нитриты могут поступать в растение из почвы и подвергаются восстановлению до NH4. Передвижение нитритов из цитоплазмы в хлоропласты стимулируется Са. Осуществляется и обратный процесс — окисление аммонийной формы азота в нитратную, что опровергает широко распространенное мнение об исключительно экзогенном происхождении нитратов в растениях.

Важнейшим источником азотного питания является аммонийный азот. Накопление аммиака в клетках, приводит к нежелательным последствиям. Однако растения обладают способностью обезвреживать аммиак путем присоединения его к органическим кислотам с образованием амидов (глутамина, аспарагина). Растения можно разделить на амидные, образующие амиды — аспарагин и глутамин, и аммиачные, образующие соли аммония. В процессе дыхания в качестве промежуточных продуктов образуются органические кислоты, в том числе а-кетоглутаровая и щавелевоуксусная. Эти кислоты в результате реакции прямого восстановительного аминирования присоединяют аммиак: Реакция идет в две стадии. На промежуточном этапе образуется иминокислота. Катализируется реакция ферментом глутаматдегидрогеназой с активной группой НАД. Этот фермент локализован главным образом в митохондриях, но может содержаться в цитозоле и хлоропластах. Аспарагиновая кислота образуется по аналогии с глутаминовой кислотой путем восстановительного аминирования щавелевоуксусной кислоты при участии фермента аспартатдегидрогеназы. На активность глутаминсинтетазы влияет присутствие катионов: Mg2+, Мп2+, Со2+, Са2+. Фермент обнаружен в цитозоле, но может находится и в хлоропластах. Образование аспарагина происходит аналогичным путем. В более молодых органах (листьях) и даже в более молодых клетках образование амидов идет интенсивнее. Роль амидов в растении разнообразна. Это не только форма обезвреживания аммиака, это и транспортная форма азотистых соединений, обеспечивающая отток их из одного органа в другие. Важно, что амиды и их непосредственные предшественники — глутаминовая и аспарагиновая кислоты — являются материалом для построения многих других аминокислот в процессах переаминирования, а также перестройки их углеродного скелета.

6. Микроэлементы в жизни растений.

Кроме основных элементов, для роста растений необходим целый ряд так называемых микроэлементов. Микроэлементы усваиваются только при низких концентрациях соответствующих солей. При увеличении дозы они становятся уже ядовитыми для растения. Роль их в жизни растений, подобно витаминам, связана с деятельностью ферментов.

Бор. Для того чтобы растение нормально развивалось, его необходимо снабжать бором. При отсутствии бора приостанавливается рост корней и наземной части. Точки роста отмирают, так как клетки молодой растущей ткани —меристемы перестают делиться. Бор принимает участие в процессе прорастания пыльцы и росте завязи, поэтому при недостатке его резко снижается семенная продукция растений.Бор играет большую роль в передвижении Сахаров; ряд борорганических соединений является активаторами роста.

Медь. Значительная доля меди сосредоточена к хлоропластах. По-видимому, медь катализирует какие-то реакции в фотосинтезе, При недостатке меди хлоропласту оказываются недолговечными. Медь входит в состав ряда окислительных ферментов (поли-фенолксидаза, тирозиназа и др.)Медь играет большую роль в белковом обмене.

Цинк. Цинк входит в состав важного фермента —карбоан-гидразы. Кроме того, цинк участвует в синтезе аминокислоты триптофана, являющегося предшественником ауксинов в растении.

Марганец. Катализирует реакции арбоксилирования и играет важную роль в фотосинтезе и дыхании. Преимущественно он скапливается в листьях и в точках роста. Его наличие способствует окислительным превращениям.Присутствие марганца в питательном растворе повышает дыхание корней, при этом заметно увеличивается усвоение нитратного азота. Особенно характерным свойством марганца является его способность окислять соединения железа.

Молибден. Молибден необходим растениям в чрезвычайно малых количествах. Он катализирует процессы восстановления нитратов и синтеза белковых веществ.

7. Механизм поступления ионов в клетку. Роль клеточной оболочки. Транспорт ионов через мембраны: пассивный и активный.

Поглощение ионов клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной стенкой. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межфибриллярных промежутках клеточной стенки, фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, получил название свободного пространства. Свободное пространство включает межклетники, клеточные стенки и промежутки, которые могут возникать между клеточной стенкой и плазмалеммой. Иногда его называют кажущееся свободное пространство (КСП). Термин “кажущееся” означает, что объем зависит от объекта и природы растворенного вещества. Свободное пространство растения получило название апопласт, симпласт — совокупность протопластов всех клеток. Поглощение и выделение веществ в КСП — физико-химический пассивный процесс, не зависимый от температуры и ингибиторов энергетического и белкового обменов. Клеточная стенка обладает свойствами ионообменника, так как в ней адсорбированы ионы Н + и НCO — 3, обменивающиеся в эквивалентных количествах на ионы внешнего раствора. Для того чтобы проникнуть в цитоплазму и включиться в обмен веществ, ионы должны пройти через плазмалемму. Транспорт ионов через мембрану может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение не требует затрат энергии и осуществляется путем диффузии по градиенту концентрации вещества, для которого плазмалемма проницаема. Пассивное передвижение ионов определяется не только химическим потенциалом m, как это имеет место при диффузии незаряженных частиц, но и электрическим потенциалом e. Оба потенциала объединяют в виде электрохимического потенциала ` m: ` m = m + nF e, где m — химический, e — электрический, ` m — электрохимический потенциалы, n — валентность иона, F — константа Фарадея. Нужно это?

Электрический потенциал на мембране — трансмембранный потенциал может возникнуть по следующим причинам: 1) если поступление ионов идет по градиенту концентрации, но благодаря разной проницаемости мембраны с большей скоростью поступают катионы, чем анионы. В силу этого на мембране возникает разность электрических потенциалов, что приводит к диффузии противоположно заряженного иона; 2) при наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих определенные ионы; 3) в результате активного транспорта либо катиона, либо аниона, в этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала.

Активный транспорт — это транспорт, идущий против электрохимического градиента с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма. С температурой возрастает, яды ингибируют. А увеличение АТФ усиливает процесс поглощения. Активный транспорт ионов через мембрану осуществляется с помощью переносчиков. Ион реагирует со своим переносчиком на поверхности плазмалеммы. Комплекс переносчика с ионом подвижен в самой мембране и передвигается к ее внутренней стороне. Здесь комплекс распадается и ион освобождается во внутреннюю среду, а переносчик передвигается к внешней стороне мембраны. Транспорт с участием переносчиков может идти по градиенту электрохимического потенциала. Это пассивный <