Особенности обмена веществ у растений. Связь обмена веществ с синтезом вторичных биологически активных соединений.

Особенность их обмена веществ в том, что они способны синтезировать все необходимые для жизнедеятельности органические вещества из минеральных. Для синтеза органических соединений из углекислого газа и воды растения используют солнечную энергию (фотосинтез). Другой процесс, который происходит только в растениях, — перевод азота из минеральной формы в органическую, образование аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. Эти так называемые незаменимые аминокислоты (лизин, валин, лейцин, изо-лейцин, метионин и др.) обязательно должны входить в рацион человека и животных.

Фосфорный обмен у растений сводится к образованию связи между остатками фосфорной кислоты и молекулой того или иного органического вещества. Значение образующихся при этом фосфорорганических соединений огромно. Это и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — переносчик энергии в клетке, и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), осуществляющие хранение и передачу наследственной информации, и фосфолипиды — компоненты биологических мембран и другие соединения.

Большое значение в обмене веществ имеют калий, кальций, магний, железо и другие элементы минерального питания и витамины. Частично они включаются в органические соединения. Главная же их роль регуляторная.

Таким образом, обмен веществ — это многочисленные согласованные химические процессы. Важную роль в их регуляции играют ферменты — специфические биокатализаторы белковой природы, в состав которых входят витамины и ионы металлов. Количество ферментов и их набор контролируется генетическим аппаратом. Не менее важное значение имеют клеточные мембраны. Они контролируют скорость поступления и выхода веществ, образуют внутри клетки микроскопические отсеки, в которых находятся определенные ферментные системы и происходит метаболизм. Согласованность обмена веществ в целостном организме обеспечивается деятельностью гормонов (фитогормоны).

Биологически активные вещества – это такие вещества, которые оказывают влияние на биологические процессы в организме человека и животных.

Они могут быть продуктами первичного (витамины, жиры, углеводы, белки) и вторичного биосинтеза (алкалоиды, гликозиды, дубильные вещества).

В растениях всегда содержится комплекс биологически активных веществ, но терапевтическим и профилактическим действием обладает одно или несколько. Их называют Действующими веществами и используют при производстве лекарственных препаратов.

В растениях также содержаться так называемые Сопутствующие вещества. Это условное название продуктов первичного и вторичного синтеза в растениях (ментол, папаверин, танин). Некоторые сопутствующие вещества позитивно влияют на организм человека, так как дополняют действие основного действующего вещества. Например, витамины, минеральные вещества, флаваноиды усиливают всасываемость действующих веществ, усиливают полезное действие или ослабляют вредное действие сильнодействующих соединений. Наряду с полезными сопутствующими веществами в растениях содержаться и вредные, которые необходимо удалять. Например, в семенах клещевины, кроме касторового масла содержится и вещество ядовитое вещество рицин, которое можно разрушить при термической обработке. В коре крушины содержатся окисленные гликозиды, которые оказывают лечебное действие, и неокисленные, которые вызывают боль в желудке и рвоту. Удалить эти вещества можно при термической обработке или при хранении в течение одного года.

Наряду с сопутствующими веществами выделяют группу Балластных веществ (фармакологически индифферентные). К ним в основном относятся продукты первичного синтеза. Понятие балластные – условное, так как и эти вещества влияют на организм человека и животного. Например, клетчатка стимулирует перистальтику кишечника, нормализует холестериновый обмен, усиливает выделение желудочного сока. Если эти вещества используют в медицине и фармации, то их относят к основным.

Все биохимические процессы в растении происходят в водной среде. Содержание воды в лекарственных растениях составляет 50-90%. Большая часть ее – в свободном состоянии, примерно 5% - в связанном. Поэтому растения сравнительно легко высыхают.

Все вещества растений можно разделить на две группы: минеральные и органические. Минеральные делятся на микроэлементы и макроэлементы.

Алкалоиды

Это сложные азотсодержащие соединения щелочного характера, которые вырабатываются в организме растений. Они могут быть кислородсодержащие (твердые) и безкислородные (жидкие). В растениях содержатся в форме солей блочной, щавелевой, лимонной, винной и других кислот. Алкалоиды есть во всех частях растения, но распределены неравномерно: у одних растений – в плодах, у других – в коре и корнях. Содержание алкалоидов зависит от экологических условий, биологических особенностей растения и стадии его развития.

Гликозиды

Состоят из соединений глюкозы или других сахаров с разными веществами. Гликозиды легко распадаются на углеродную часть – гликон и одну или несколько несахаристых соединений – агликоны или генины. Агликоны гликозидов по химическому строению бывают алифатическими, ароматическими, гетероциклическими соединениями.

Дубильные вещества

Своим названием они обязаны высокомолекулярным фенольным природным соединениям, которые наделены вяжущими и дубящими свойствами, и довольно широко распространены в мире растений. Они есть в древесине, коре, листьях, корнях и плодах растений. Фенольные соединения, с точки зрения биологии, являются выделениями растений.

 

Фотосинтез

Первые опыты по изучению фотосинтеза были проведены Джозефом Пристли в 1770—1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал поддерживать горение, а помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод, что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил, что для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхауз.Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество.

. В процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую энергию. Химическое уравнение фотосинтеза: 6CO2 + 12H2O + свет = С6Н12О6 + 6O2 + 6Н2О. –

Световая фаза 1. Реакции, происходящие в хлоропластах, возможны только при наличии света. В этих реакциях энергия света преобразуется в химическую энергию 2. Хлорофилл и другие пигменты поглощают энергию от солнечного света. Эта энергия передается на фотосистемы, ответственные за фотосинтез 3. Вода используется для электронов и ионов водорода, а также участвует в производстве кислорода 4. Электроны и ионы водорода используются для создания АТФ (молекула накопления энергии), которая нужна в следующей фазе фотосинтеза

Темновая фаза:

 1. Реакции внесветового цикла протекают в строме хлоропластов 2. Углекислый газ и энергия от АТФ используются в виде глюкозы

33. Водный обмен у растений и передвижение воды. Траспирация (механизм).

В результате фотосинтеза создаются два тока различных веществ двустороннего транспорта: восходящий и нисходящий. При восходящем токе (транспирационном) растворенные минеральные вещества идут от корня по стеблю к листьям и другим органам растения. Большая часть воды восходящего тока в процессе транспирации испаряется в атмосферу, а меньшая идет на метаболические реакции, поддержание тургора клеток, для транспорта органических веществ по флоэме от листьев к корням. Нисходящий ток (ток ассимилянтов) переносит органические вещества, полученные в результате фотосинтеза, из листьев к корням, а также к цветкам и плодам, где эти вещества участвуют в метаболизме или откладываются в запас. Восходящий ток осуществляется по ксилеме, а нисходящий - по флоэме. Такое перемещение веществ получило название дальнего транспорта (ближний транспорт - передвижение ионов, органических веществ и воды между клетками и тканями)

Поглощение воды из внешней среды служит обязательным условием существования любого живого организма. Вода может поступать в клетки растений благодаря набуханию биоколлоидов и дальнейшему увеличению степени их гидратации. Такое поступление воды характерно для сухих семян, помещенных в воду. Однако главный способ поступления воды в живые клетки растений - ее осмотическое поглощение (Осмосом называют прохождение молекул растворителя из области с более высокой концентрацией в область с более низкой через разделяющую их полупроницаемую мембрану). Поскольку мембрана избирательно проницаема и вода проходит через нее значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме, при помещении клетки в воду последняя, по законам осмоса, будет поступать внутрь клетки.

водообмен у растений складывается из трех этапов:

1) поглощение воды корнями;

2) передвижение ее по сосудам;

3) испарение листьями - транспирация.

Наиболее интенсивное поглощение воды происходит в зоне развития корневых волосков. Из них вода поступает через кору, эндодерму (самый внутренний слой клеток коры) и перицикл к первичной ксилеме. Попав в проводящие элементы ксилемы, вода поднимается по корню и стеблю в листья.

Вода с растворенными веществами перемещается в растениях по апопластному (по клеточным оболочкам), симпластному (от протопласта к протопласту через плазмодесмы) или смешанному путям. Поскольку сопротивление клеточных стенок для воды значительно ниже по сравнению с сопротивлением цитоплазмы, более быстрый транспорт воды осуществляется через корень по апопласту.

В сосуды ксилемы вода поступает благодаря осмотическому механизму. Суть этого механизма заключается в том, что внутри корневого волоска концентрация осмотически активных веществ выше, чем в почве, и, всасывая воду, клетки корневого волоска разбавляют концентрацию клеточного сока.

В результате активной работы ионных насосов в корне и осмотическому (пассивному) поступлению воды в сосуды ксилемы в них развивается корневого давления. Оно обеспечивает поднятие ксилемного раствора по сосудам ксилемы из корня в надземные части. Механизм поднятия воды по растению вследствие развивающегося корневого давления называют нижним концевым двигателем.

Транспирация представляет собой физиологический процесс испарения воды растением. Основной орган транспирации - лист. Вода испаряется с поверхности листьев и через устьица. Снаружи листья имеют однослойный эпидермис, внешние стенки клеток которого покрыты кутикулой, а часто и восковым налетом. Эпидермис вместе с кутикулой образуют эффективный барьер на пути движения воды.

Транспирация слагается из 2 процессов:

1. Передвижение воды из листовых жилок в поверхностные слои стенок клеток мезофилла.

2. Испарение воды из клеточных стенок в межклеточные пространства с последующей диффузией в атмосферу через устьица (устьичная или кутикулярная транспирация).

Значение транспирации:

• Она спасает растение от перегрева, который ему грозит на прямом солнечном свете.

• Она создает непрерывный ток воды из корневой системы к листьям, который связывает все органы растения в единое целое.

• С транспирационным током передвигаются растворимые минеральные и частично органические питательные вещества, при этом чем интенсивнее транспирация, тем быстрее идет этот процесс.