Исследовательский проект. проект 1. Форма нахождения элементов в растительных образцах
 Скачать 116 Kb.
|
|
Исследовательский (информационный) проект Тема: «Форма нахождения элементов в растительных образцах». 2020 г. СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение……………………………………………………………………………3 2. Типы распределения химических элементов в растениях……………………...3 3. Атомная форма нахождения элементов………………………………………….4 4. Ионная форма нахождения элементов…………………………………………...6 5.1. Молекулярная форма нахождения элементов…………………………………7 5.2. Неорганические вещества……………………………………………………….8 5.3. Органические вещества………………………………………………………… 9 6. Заключение………………………………………………………………………...13 Список литературы…………………………………………………………………..14 1. Введение. Растение строит свой организм из определенных химических элементов, находящихся в окружающей среде. Питание растений – это обмен веществ между растением и окружающей средой, это переход веществ из среды (почва, вода, воздух) в состав растительной ткани, в состав сложных органических соединений, синтезируемых растением, и выведение некоторых веществ из него. Почва – это своего рода кладовая минеральных питательных веществ для растений, из которой они черпают все необходимое для своего роста и развития. Растения поглощают углерод из СО2 воздуха, кислород и водород из воды. Кислород также вовлекается в обмен в процессе дыхания. В свете современных представлений фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических соединений. Фотосинтезирующие организмы используют энергию света для синтеза органических соединений, которые, в свою очередь, служат строительным материалом и источником энергии для других организмов. Энергия света, поглощаемого фотосинтезирующими организмами, не прямо используется для синтеза органических соединений, а сначала в ходе многочисленных световых и темновых стадий фотосинтеза преобразуется в химическую энергию макроэргических (богатых энергией) соединений, которые и являются непосредственным источником энергии для процессов биосинтеза. Через корневую систему в растения из почвы поступают химические элементы в основном в виде минеральных соединений, которые используются растением для создания органического вещества. Для нормального функционирования фотосинтетического аппарата растение должно быть обеспечено всем комплексом макро- и микроэлементов. Два основных способа питания растительного организма – воздушный и корневой – тесно взаимосвязаны. В конечном итоге величина растительной биомассы и ее химический состав будут определяться не только интенсивностью фотосинтеза, но и количеством и качеством пищи земной. При этом у растений четко проявляется избирательная способность поглощать нужные им химические элементы. 2. Типы распределения химических элементов в растениях. Онтогенетическая специализация и перераспределение химических элементов в растениях определяются особенностями их физиологии и связаны с процессами ассимиляции и транспортировки веществ, образующихся при фотосинтезе и поглощающихся из почв. Благодаря развитию проводящей системы вещества перемещаются в двух противоположных направлениях. С восходящим током, который обеспечивается за счет осмотического давления и транспирации, от корней к листьям перемещается вода с растворенными в ней минеральными веществами. Передвижение органических веществ от листьев к подземным органам осуществляется нисходящим током, в который могут включаться и минеральные вещества. Оба тока этой транспортной системы соединены друг с другом, что позволяет химическим элементам перемещаться и накапливаться в разных морфологических органах растений. По Д. А. Сабинину, выделяется два типа распределения, различающихся по местам локализации элементов. При базипетальном распределении их максимальное содержание наблюдается в листьях и побегах, уменьшается в стеблях и достигает минимума в корнях и старых одревесневших частях (кора, древесина, старые ветви). Акропетальное распределение отличается минимальным содержанием элемента в листьях и накоплением в стеблях, корнях и старых частях растений. В зависимости от функциональной роли и способности к перемещению конкретные элементы различаются по типу распределения, что отражает онтогенетическую специализацию морфологических органов растений. 3. Атомная форма нахождения элементов. 24 химических элемента, физиологическая роль которых довольно полно изучена, относятся к необходимым элементам питания растений, и 21 элемент считается условно необходимым. Жизненно необходимыми являются элементы, без которых растения не могут полностью закончить цикл развития и которые не могут быть заменены другими элементами. Физиологическое значение условно необходимых элементов исследовано не до конца. По 12 условно необходимым элементам имеются сведения об их положительном действии на растения. Что касается остальных химических элементов, то их роль в жизни растений до сих пор не разгадана. Элементы, необходимые растениям, принадлежат к различным группам Периодической системы Д.И. Менделеева. Необходимо отметить, что в больших концентрациях многие элементы оказывают токсичное действие на живые организмы. Е.П. Троицкий справедливо заметил, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации. По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, делят на три группы.
Химические элементы, поглощаемые растениями из почвы в разных количествах, играют вполне определенную биохимическую и физиологическую роль и ответственны за синтез тех или иных веществ в растительном организме. Азот входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, гормонов роста, многих витаминов, хлорофилла и других жизненно важных органических веществ. Фосфор входит в состав фосфопротеинов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, фосфорных эфиров сахаров, нуклеотидов, принимающих участие в энергетическом обмене, витаминов и многих других соединений. Особо важную роль играет фосфор в энергетике клетки, поскольку именно в форме высокоэнергетических эфирных связей фосфора или пирофосфатных связей запасается энергия в живой клетке. Для этого элемента характерна способность к образованию связей с высоким энергетическим потенциалом (макроэргические связи). Важным соединением, содержащим макроэргические фосфорные связи, является АТФ. Многие фосфорсодержащие витамины и их производные являются коферментами и принимают непосредственное участие в каталитическом акте, ускоряющем течение важнейших процессов обмена (фотосинтез, дыхание). Фосфор усиливает накопление сахара во фруктах и овощах, крахмала в клубнях картофеля. Калий составляет основную часть катионов клеточного сока и служит основным противоионом для нейтрализации отрицательных зарядов неорганических и органических анионов. Он способствует поддержанию состояния гидратации коллоидов цитоплазмы, регулируя ее водоудерживающую способность и обеспечивая тем самым беспрепятственное снабжение клеток растений водой. Он помогает растениям легче переносить засухи и заморозки. Калий необходим для поглощения и транспорта воды по растению. Он является одним из катионов – активаторов ферментативных систем. Известно 60 ферментов, активируемых калием с различной степенью специфичности. Под влиянием калия увеличивается накопление крахмала в клубнях картофеля, сахарозы в сахарной свекле, моносахаридов в плодах и овощах, повышаются качество волокон в прядильных культурах и устойчивость растений к грибковым и бактериальным заболеваниям. Кальций и его комплексы с кальцийсвязывающими белками регулируют функциональную активность множества белков в клетках, включая ферменты, структурные и регуляторные ферменты. Этот элемент принимает участие в структуре хромосом, являясь связующим звеном между ДНК и белком, и выполняет многообразные функции в обмене веществ клеток и организма в целом. Они связаны с его влиянием на структуру мембран, ионные потоки через них и биоэлектрические явления. При недостатке кальция задерживаются формирование и рост корней. Ограничивая поступление других ионов в растения, он способствует устранению токсичности избыточных концентраций ионов аммония, алюминия, марганца, железа, повышает устойчивость растений к засолению почв. Магний входит в состав хлорофилла, поддерживает структуру рибосом, связывая РНК в белок, способствует обмену веществ в клетке, активирует деятельность ферментов (ДНК- и РНК-полимеразы), необходим для процессов дыхания, фотосинтеза, синтеза нуклеиновых кислот и белков. Он усиливает синтез эфирных масел, каучука, витаминов А и С. Сера участвует в образовании витаминов, аминокислот, белков и некоторых антибиотиков, в частности пенициллина. Она входит в состав важнейших аминокислот – цистина, цистеина и метионина, витаминов – липоевой кислоты, биотина, тиамина и многих коферментов. Одна из основных функций серы в белках и полипептидах – участие SH-групп в образовании ковалентных, водородных, меркаптидных связей, поддерживающих трехмерную структуру белка. Дисульфидные мостики между полипептидными цепями или двумя участками одной цепи (по типу S–S-мостика) стабилизируют молекулу белка. Другая важнейшая функция серы в растительном организме состоит в поддержании определенного уровня окислительно-восстановительного потенциала клетки. Железо содержится в окислительно-восстановительных ферментах, таких, как цитохромы, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза, и играет важную роль в дыхании растений. Оно необходимо для образования хлорофилла. При недостатке железа у растений обнаруживается хлороз (нарушение образования хлорофилла). Алюминий предположительно имеет большое значение в обмене веществ у гидрофитов и считается необходимым только некоторым растениям (папоротники, чай). Этот элемент играет важную роль в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды: засухе, высоким и низким температурам и засолению почвы. Есть сведения о том, что в повышенных концентрациях он вредит минеральному питанию растений и мешает развитию их корневой системы. Будучи токсичным для корней, алюминий препятствует поглощению двухвалентных катионов. В клетках он связывается с фосфором, что приводит к фосфорному голоданию растений. Есть данные и об участии алюминия в активировании некоторых ферментов и его возможной роли в нуклеиновом обмене. Кремний повышает солеустойчивость растений и устойчивость их к поражению грибными заболеваниями. Доказано, что кремний является необходимым элементом для диатомовых водорослей и некоторых высших растений – концентраторов кремния. При отсутствии в питательной среде кремния нарушается ультраструктура клеточных органелл. 4. Ионная форма нахождения элементов. Итак, основную массу минеральных элементов питания растения усваивают в ионной форме через корневую систему, которая способна поглощать в незначительных количествах и органические соединения (аминокислоты, сахара, витамины, антибиотики). Углерод растения потребляют из воздуха. Растения поглощают из почвы катионы (наиболее важные среди них Са2+, Mg2+, К+, Fe2+, NH4+) и анионы (SO4 2− ,PO4 3−, NO3 − ). Ионы, используемые растениями, находятся в почве в форме более или менее сложных соединений, которые обладают различной растворимостью. Поэтому они в неодинаковой степени доступны растениям. Наиболее доступны им элементы, находящиеся в почвенных растворах (растворимые соли, минерально-органические комплексы). Растения способны усваивать и ионы, находящиеся в обменной форме на поверхности почвенных коллоидов. Катионы в большей степени, чем анионы, задерживаются глинистыми и гумусовыми коллоидами и постепенно освобождаются благодаря явлениям ионного обмена в почвенных растворах. Некоторые катионы (например, Fe3+) обычно поглощаются глинами в необменной форме и недоступны растениям. Недоступны растениям и элементы, входящие в состав нерастворимых минералов. Таковы Сa2+, Mg2+, K+, содержащиеся в полевых шпатах, амфиболах, пироксенах. В процессе эволюции почв происходит переход элементов из одной формы в другую. При выветривании минералы освобождают ионы Са2+, К+, которые, задерживаясь в почвенном поглощающем комплексе, становятся доступными для растений. Железо может перейти в раствор, образовав комплексное соединение с органическими веществами или кремнеземом, которое вполне доступно растениям. Строго говоря, сами растения способствуют переходу элементов из абсолютно недоступного состояния (например, в кристаллической решетке минералов) в усвояемую форму. Из каких же соединений растение способно поглощать те или иные элементы? Например, источником азота для растений служат соли азотной или азотистой кислот (нитраты и нитриты), аммонийные соли, органические соединения азота (мочевина и аминокислоты). Для фосфорного питания растения используют соли фосфорных кислот и некоторые органические соединения. Основным источником калийного питания растений является так называемый обменный калий, находящийся на поверхности коллоидных почвенных частиц в виде поглощенного катиона. 5.1. Молекулярная форма нахождения элементов. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Содержание в клетке химических веществ
5.2. Неорганические вещества.Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Минеральные соли в водном растворе клетки диссоциируют на катионы и анионы. Наиболее важные катионы — K+, Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+, Наиболее важные анионы — Cl-, SO42-, HPO42-, H2PO4-, HCO3-, NO3-. Существенным является не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в клетке. Функции минеральных веществ
5.3. Органические вещества. Углеводы — органические соединения, состоящие из одной или многих молекул простых сахаров. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых клетках растений достигает 70 %. |
| Группа | Строение | Характеристика |
| Моносахариды (или простые сахара) | Это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов. | В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы (рибоза, дезоксирибоза), гексозы (глюкоза, фруктоза) и гептозы. В зависимости от функциональной группы сахара разделяют на альдозы, имеющие в составе альдегидную группу (глюкоза, рибоза, дезоксирибоза), и кетозы, имеющие в составе кетонную группу (фруктоза). Моносахариды — бесцветные твёрдые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, имеющие, как правило, сладкий вкус. Моносахариды могут существовать в ациклических и циклических формах, которые легко превращаются друг в друга. Олиго- и полисахариды образуются из циклических форм моносахаридов. |
| Олигосахариды | Состоят из 2–10 молекул простых сахаров. В природе в большей степени представлены дисахаридами, состоящими из двух моносахаридов, связанных друг с другом с помощью гликозидной связи. | Наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу. Дисахариды, как и моносахариды, растворимы в воде и обладают сладким вкусом. |
| Полисахариды | Состоят более чем из 10 молекул сахаров. В полисахаридах простые сахара (глюкоза, галактоза и др.) соединены между собой гликозидными связями. Если присутствуют только 1–4, гликозидные связи, то образуется линейный, неразветвлённый полимер (целлюлоза), если присутствуют и 1–4, и 1–6 связи, полимер будет разветвлённым (крахмал, гликоген). Полисахариды утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде. | Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из молекул β-глюкозы, соединённых 1–4 связями. Целлюлоза является главным компонентом клеточной стенки растений. Она нерастворима в воде и обладает большой прочностью. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка. Крахмал и гликогенявляются основными формами запасания глюкозы у растений и животных соответственно. Остатки α-глюкозы в них связаны 1–4 и 1–6 гликозидными связями. Хитинобразует у членистоногих наружный скелет (панцирь), у грибов придаёт прочность клеточной стенке. |
Липиды — жиры и жироподобные органические соединения, практически нерастворимые в воде. Их содержание в разных клетках сильно варьируется от 2–3 (в клетках семян растений) до 50–90% (в жировой ткани животных). В химическом отношении липиды, как правило, сложные эфиры жирных кислот и ряда спиртов.
Они делятся на несколько классов. Наиболее распространены в живой природе нейтральные жиры, воска, фосфолипиды, стероиды. В состав большинства липидов входят жирные кислоты, молекулы которых содержат гидрофобный длинноцепочечный углеводородный «хвост» и гидрофильную карбоксильную группу.
Жиры — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и трёх молекул жирных кислот. Воска — это сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот. Фосфолипиды имеют в молекуле вместо остатка жирной кислоты остаток фосфорной кислоты. Стероиды не содержат жирных кислот и имеют особую структуру. Также для живых организмов характерны липопротеины — соединения липидов с белками без образования ковалентных связей и гликолипиды — липиды, в которых помимо остатка жирной кислоты содержится одна или несколько молекул сахара.
Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
По химическому составу аминокислоты — это соединения, содержащие одну карбоксильную группу (—СООН) и одну аминную (—NH2), связанные с одним атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь — какой-либо радикал R. Именно радикал придаёт аминокислоте её неповторимые свойства.
В образовании белков участвуют только 20 аминокислот. Они называются фундаментальными, или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин, аргинин, гистидин, лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Некоторые из аминокислот не синтезируются в организмах животных и человека и должны поступать с растительной пищей. Они называются незаменимыми: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом ковалентными пептидными связями, образуют различной длины пептиды
Пептидной (амидной) называется ковалентная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой.
Белки представляют собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот.
Конфигурация белка зависит от последовательности аминокислот, но на неё могут влиять и конкретные условия, в которых находится белок.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.
По химическому составу различают простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот (фибриллярные белки, антитела — иммуноглобулины). Сложные белки содержат белковую часть и небелковую — простетические группы. Различают липопротеины (содержат липиды), гликопротеины (углеводы), фосфопротеины (одну или несколько фосфатных групп), металлопротеины (различные металлы), нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты). Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.
Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:
Азотистое основание (в ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК: аденин, гуанин, цитозин и урацил).
Сахар-пентоза (в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза).
Остаток фосфорной кислоты.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — линейный полимер, состоящий из четырёх типов мономеров: нуклеотидов А, Т, Г и Ц, связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты.
Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей (двойная спираль).
6. Заключение.
Растительность принимает самое активное участие в процессах миграции и трансформации химических соединений на поверхности Земли. Интенсивность биогенной миграции химических элементов определяется химическим составом растений.
Изучение элементного состава растений необходимо для более полной характеристики распределения химических элементов в природных и антропогенных ландшафтах, поскольку растения являются важнейшим звеном биологического круговорота веществ. С практической точки зрения сведения о химическом составе растений необходимы для сбалансированного питания человека и животных.
Наземные растения состоят из химических элементов, присутствующих в воздухе, воде и почве. Основную массу растений (обычно 90–95% их сухого веса) составляют три элемента, ассимилированные в ходе фотосинтеза: углерод, кислород и водород, которые усваиваются растениями из воздуха и воды. На долю остальных 5–10% растительных веществ приходятся минеральные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, кремний, железо, натрий, хлор, алюминий, микроэлементы), поступающие из почвы.
Очевидно, что более точные и совершенные методы анализа позволят расширить круг элементов, входящих в состав растений. Ученым предстоит раскрыть физиологическую и биохимическую роль многих химических элементов, которые растения поглощают из почвы и накапливают в своем организме, в том числе и редкоземельных. Изучение питательных веществ и их влияния на рост, развитие и продуктивность растений вплотную подводит нас к регулированию процессов жизнедеятельности растений, что имеет решающее значение для растениеводства.
Список литературы.
1. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высш. шк., 1989. 464 с.
2. Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 7. С. 10–17.
3. Гусев Н.Б. Внутриклеточные Ca-связывающие белки. Ч. 1: Классификация и структура; Ч. 2: Структура и механизм функционирования // Там же. 1998. № 5. С. 2–16.
4. Протасова Н.А. Микроэлементы: Биологическая роль, распределение в почвах, влияние на распространение заболеваний человека и животных // Там же. № 12. С. 32–37.
5. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высш. шк., 1998. 413 с. 6. Протасова Н.А., Дудкин Ю.И., Королев В.А. и др. Четвертое царство природы. Воронеж: Воронеж. ун-т, 1992. 82 с.
Интернет-ресурсы:
https://studopedia.su/12_115449_fiziologicheskaya-rol-elementov-pitaniya.html
https://examer.ru/ege_po_biologii/teoriya/kletochnaya_teoriya
http://window.edu.ru/resource/580/20580/files/0103_025.pdf