Дыхание растений. Минеральное питание растений.


1.      Общая харакгеристика дыхания как физиологимеского процесса.

2.      Гликолиз - первый этап дыхания. Полный баланс гликолиза.

3.      Дыхание и обмен веществ и энергии в растительных клетке.

4.      Минеральное питание, его значение и особенности. Корень - орган поглощения минеральных веществ.

5.       Корневое давление. Потоки питательных веществ в почве.

6.      Физиологическая роль макроэлементов (азота, фосфора, калия, кальция, магния, сера и тщ.) и их усвояемые формы. Физиологическая роль микроэлементов (хлор, магний, железо, медь, бор, молибден. и т. д.). Физиологические основы применения удобрений

1. Общая харакгеристика дыхания как физиологического процесса.

В природе существуют два основных процесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе, высвобождается, - это дыхание и брожение.

Дыхание – это окислительно-восстановительный процесс в результате которого углеводы окисляются до углекислого газа, кислород восстанавливается до воды, а выделившаяся энергия преобразуется в энергию связей АТФ.

Брожение – это анаэробный процесс распада сложных органических соединений на более простые органические вещества, также сопровождаемый выделением энергии. При брожении степень окисления соединений, принимающих в нем участие, не меняется. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород, в случае брожения – органические соединения.

Чаще всего реакции дыхательного обмена рассматривают на примере окислительного распада углеводов.

Суммарное уравнение реакции окисления углеводов при дыхании можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6 Н2О + ~ 2874 кДж

Строение и функции митохондрий.

Митохондрии – цитоплазматические органеллы, которые являются центрами внутриклеточного окисления (дыхания). Они содержат ферменты цикла Кребса, дыхательной цепи переноса электронов, окислительного фосфорилирования и многие другие.

Митохондрии на 2/3 состоят из белка и на 1/3 из липидов, среди которых половина приходится на фосфолипиды.

Функции митохондрий:

1. Осуществляют химические реакции, являющиеся источником электронов.

2. Переносят электроны по цепи компонентов, синтезирующих АТФ.

3. Катализируют синтетические реакции, идущие с использованием энергии АТФ.

4. Регулируют биохимические процессы в цитоплазме.

Структура и функции аденилатной системы.

Обмен веществ, происходящий в живых организмах, состоит из множества реакций, идущих как с потреблением энергии, так и с ее выделением. В некоторых случаях эти реакции взаимосвязаны. Однако чаще всего процессы, в которых энергия выделяется, отделены в пространстве и во времени от тех, в которых она потребляется. В связи с этим у всех живых организмов выработались механизмы хранения энергии в форме соединений, обладающих макроэргическими (богатыми энергией) связями. Центральное место в энергообмене клеток всех типов принадлежит аденилатной системе. Эта система включает аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), - 5-монофосфат аденозина (АМФ), неорганический фосфат (Рi) и ионы магния.

Субстраты дыхания и дыхательный коэффициент

Вопрос о веществах, используемых в процессе дыхания, издавна занимал физиологов. Еще в работах И.П. Бородина (1876) было показано, что интенсивность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именно углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании (субстратом). В выяснении этого вопроса большое значение имеет определение дыхательного коэффициента.

Дыхательный коэффициент (ДК) – это объемное или молярное отношение углекислого газа (СО2), выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же промежуток времени кислороду (О2). Дыхательный коэффициент показывает, за счет каких продуктов осуществляется дыхание.

В качестве дыхательного материала в растениях, кроме углеводов, могут использоваться жиры, белки и аминокислоты, органические кислоты.

Пути дыхательного обмена

Необходимость осуществления процесса дыхания в разнообразных условиях привела к выработке в процессе эволюции разнообразных путей дыхательного обмена.

Существуют два основных пути превращения дыхательного субстрата, или окисления углеводов:

1) Гликолиз + цикл Кребса (гликолитический)

2) пентозофосфатный (апотомический)

Гликолитический путь дыхательного обмена

Данный путь дыхательного обмена является наиболее распространенным и, в свою очередь, состоит из двух фаз.

Первая фаза – анаэробная (гликолиз), локализована в цитоплазме.

Вторая фаза – аэробная, локализована в митохондриях.

В процессе гликолиза происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК):

С6Н12О6 → 2 С3Н4О3 + 2Н2

Вторая фаза дыхания – аэробная - требует присутствия кислорода. В эту фазу вступает пировиноградная кислота. Общее уравнение этого процесса можно представить так:

2ПВК + 5 О2 + Н2О → 6СО2 + 5Н2О

Энергетический баланс процесса дыхания.

В результате гликолиза глюкоза распадается на две молекулы ПВК и накапливаются две молекулы АТФ, также образуются две молекулы НАДН2, вступая в ЭТЦ дыхания они высвобождают шесть молекул АТФ. В аэробной фазе дыхания образуется 30 молекул АТФ.

Таким образом: 2АТФ + 6 АТФ + 30 АТФ = 38 АТФ

Пентозофосфатный путь дыхательного обмена

Существует еще не менее распространенный путь окисления глюкозы – пентозофосфатный. Это анаэробное окисление глюкозы, которое сопровождается выделением углекислого газа СО2 и образованием молекул НАДФН2.

Цикл состоит из 12 реакций, в которых участвуют только фосфорные эфиры сахаров.

Физиологическая роль элементов минерального питания

Минеральное питание – столь же уникальное свойство растения, как и фотосинтез. Именно эти две функции лежат в основе автотрофности растительного организма, т.е. строить свое тело из неорганических веществ.

1.1. Макро- и микроэлементы

Все необходимые для жизни растений элементы (кроме 45% углерода, 6,5% водорода и 42% кислорода, усвояемых в процессе фотосинтеза) в зависимости от их количественного содержания в растении принято разделять на макроэлементы (содержание более 0,01%) – к ним относят N, Р, К, S, К, Са, Мg, Fе и микроэлементы (содержание менее 0,01%) – к ним относят Мn,Сu, Zn, В, Мо, CI. Однако это деление довольно условно.

Четыре элемента – С, О, Н, N, называемые органогенами, составляют 95 % сухой массы растительных тканей, 5% приходится на зольные вещества.

Физиологическая роль азота и пути поступления азота в растения

Значение азота определяется тем, что он входит в состав важных органических веществ, таких, как аминокислоты и белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, алкалоиды, многие витамины, фитогормоны (ауксины и цитокинины) и др.

Формы азота в окружающей растения среде разнообразны. В почве – неорганические формы азота (азот аммиака, аммония, нитратов, нитритов) и органические (азот аминокислот, амидов, гумуса, белка), в атмосфере – газообразный азот и пары аммиака.

Корневые системы растений хорошо усваивают нитраты, которые, поступая в корни растения, подвергаются ферментативному восстановлению до нитритов и далее до аммиака.

Важнейшим источником азотного питания является аммонийный азот. При этом он поступает в растения даже быстрее, чем нитраты. Более быстрое поглощение аммиака объясняется тем, что для его использования на построение органических веществ не требуется предварительного восстановления.

Поступление минеральных солей через корневую систему растений

Корень является одним из основных вегетативных органов растения. Его главные функции – почвенное питание и закрепление растения в почве. Через корень растение поглощает из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами. Закрепляя растение в почве, корень делает возможным вертикальный рост побегов. Корень служит так же местом синтеза органических веществ, которые поступают в другие органы растения или выделяются в почву. Корни могут служить местом отложения запасных питательных веществ. Корни взаимодействуют с корнями других растений, с бактериями и грибами. Корни служат так же для вегетативного размножения.

Различают следующие зоны корня: корневой чехлик, зона деления, зона растяжения или роста, зона поглощения (всасывания) или зона корневых волосков. Через корневые волоски в корень поступает основная масса воды и растворов солей. В этой зоне происходит специализация клеток (дифференциация их в клетки постоянных тканей); зона проведения начинается выше зоны поглощения и включает всю остальную часть корня. По ней вода и растворы солей транспортируются к побегу.

Химический состав растений

Растительные организмы находятся в состоянии непрерывного взаимодействия с окружающей средой. Поступившие в растения неорганические вещества превращаются в органические, которые, участвуя в дальнейших реакциях образуют целостную отрегулированную систему превращения веществ и энергии.

Обмен веществ в клетках, тканях и целом растении представляет собой огромное число физических и химических реакций, находящихся в состоянии непрерывного взаимодействия между собой, а также с окружающей средой.

Углеводы растений

Углеводы – один из важнейших классов природных органических соединений, наиболее распространенных в растениях. На их долю приходится до 90 % сухого вещества растительных организмов.

Углеводы главные продукты фотосинтеза и основной субстрат дыхания. У многих сельскохозяйственных растений они в большом количестве накапливаются в корнях, клубнях и семенах и используются затем в качестве запасных веществ;

Углеводы делят на три основных класса:

1. Моносахариды

2. Олигосахариды

3. Полисахариды

Липиды растений

Липидами называют жиры и жироподобные вещества растительного происхождения, близкие по своим физико-химическим свойствам, но различающиеся по биологической роли в организме.

Липиды делят на две группы: жиры и жироподобные вещества, или липоиды. Жиры и липоиды находятся в растениях в форме запасного жира или являются структурными компонентами цитоплазмы клеток.

Запасной жир откладывается в определенных органах растений, чаще всего в семенах, и используется затем в качестве энергетического материала, а цитоплазматические липиды представляют собой составную часть клеток и содержатся в них в постоянных количествах.

Липоиды.

К липоидам относятся фосфоглицериды, воска, гликолипиды.

1.3. Белки растений.

Главная составная часть каждого организма – белки, которые представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из аминокислот. В состав белков входят 20 аминокислот и 2 амида.

Белки делятся на два класса: протеины, или простые белки, построенные только из остатков аминокислот, и протеиды, или сложные белки, состоящие из простого белка и прочно связанного с ним какого-либо другого соединения небелковой природы.

Передвижение элементов минерального питания (восходящий ток).

Передвижение минеральных и органических веществ по растению имеет очень большое значение, т.к. этот процесс, с помощью которого осуществляется физиологическая взаимосвязь органов. Донором минеральных питательных веществ служит корень, донором органических веществ – лист. В этой связи в растениях существуют два основных тока питательных веществ – восходящий и нисходящий.

Опытным путем было установлено, что основной ток минеральных солей из корневой системы происходит по ксилеме.

Переход из нисходящего тока (по флоэме) в восходящий ток (по ксилеме) может происходить в разных точках стебля.

Особенности передвижения ассимилянтов по растению.

Хлоропласты снабжают образовавшимися в них органическими веществами (ассимилянтами) все органы растительного организма. Образовавшиеся в хлоропласте вещества должны прежде всего поступить в цитоплазму, затем по паренхимным клеткам или межклетникам в ситовидные трубки флоэмы и по ним к различным потребляющим органам растения.

Направление транспорта органических веществ в растении определяется интенсивностью их использования. Потребление ассимилянтов более интенсивно протекает в зонах роста, а также в запасающих тканях.