Состав растительных клеток

Элементарный химический состав растительных клеток и тканей имеет сходство с химическим составом тканей и клеток животных, что указывает на общность их происхождения.

Состав растительных клеток

Данные об элементарном химическом составе (в процентах на сырое вещество) приведены ниже.

Название элемента	% содержание	Название элемента	% содержание
Кислород	65,0	Хлор	0,10
Углерод	18,0	Натрий	0,03
Водород	10,0	Магний	0,02
Азот	3,0	Железо	0,01
Кальций	2,0	Цинк	0,0003
Фосфор	1,0	Медь	0,0002
Сера	0,2	Йод	0,0001
Калий	0,16	Фтор	0,0001

Из приведенных данных видно, что в состав растительных клеток входят те же элементы, что и в неживые тела, это указывает на общность живой и неживой природы.

Однако в соединениях уже имеются различия. В живых организмах есть большое число соединений, свойственных только им и поэтому называемых органическими. В составе клеток было обнаружено около 60 из 104 элементов периодической системы Менделеева.

В клетках больше всего кислорода, затем углерода и водорода, несколько меньше азота, кальция и фосфора. Сера, калий, хлор, натрий, магний и железо составляют десятые и сотые доли процента, а цинк, медь и другие находятся в еще меньших количествах.

Углерод, водород, кислород, азот и частично фосфор и сера входят в состав органических веществ клетки. Остальные элементы находятся или в виде ионов, или в соединении с органическими веществами.

Белки и другие азотистые соединения

Белки представляют собой соединения, в состав которых входит азот. По своему строению белки очень сложны, они состоят из таких элементов:

• углерода 51—55%,
• водорода 17%,
• кислорода 21—24%,
• азота 15—18%,
• серы 0,9—2,3%;
• некоторые белки содержат также и фосфор.

Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры; цепь полимера состоит из нескольких сот мономеров — остатков аминокислот.

Белки имеют очень крупные молекулы и вследствие этого обладают ясно выраженными коллоидными свойствами. Молекулярный вес различных белков неодинаков и изменяется от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов.

Молекула белка состоит из n-го количества аминокислот, которые соединены одна с другой с отнятием воды. Аминокислота — амфотерное соединение, так как имеет аминогруппу — NН₂ и карбоксильную группу — СООН, поэтому может реагировать и как основание, и как кислота. Группа СООН одной кислоты может соединяться с группой NH₂ другой аминокислоты с выделением воды, что приводит к образованию пептидной связи основной связи в молекуле белка.

— С  — N —
II   I
O    H

Аминокислоты

Все аминокислоты, составляющие белок, являются α-аминокислотами, у которых группа СН₂ расположена рядом с карбоксилом. Например, аланин:

 СН₂ — СН — СООН
I
NH₂

Аминокислоты могут иметь 2 и более аминогрупп (диамино-кислоты), а также 2 карбоксильные группы (дикарбоновые кислоты).

В настоящее время открыто свыше 90 различных аминокислот, причем 50 из них — в середине XX столетия. В растительных белках встречается до 20 аминокислот.
Э. Фишер пытался осуществить синтез белковой молекулы, связывая друг с другом аминокислоты, сначала по 2, затем по 3 и т. д. В результате ему удалось соединить 18—19 аминокислот.

Полученные соединения Фишер назвал пептидами; в зависимости от количества соединенных аминокислот они назывались дипептидами, трипептидами и полипептидами.

Протеиды и протеины

Белки различаются между собой не только но количеству аминокислот, входящих в состав молекулы белка, но и по их набору и порядку расположения. Белки разделяют на сложные — протеиды и простые — протеины.

Протеидами называют соединения белковой молекулы с тем или другим веществом небелкового характера (простетической группой). При соединении белка с высокомолекулярным углеводом получается глюкопротеид, с фосфорной кислотой — фосфопротеид, с липоидами— липопротеид, с нуклеиновой кислотой — нуклеопротеид.

Сложные белки, в состав которых входят какие-либо металлы (Fе, Сu), называют металлопротеидамп. К этой группе относятся белки, обладающие ферментативными свойствами. При соединении белка с хлорофиллом и гемоглобином получаются хромопротеиды.

Сложные белки входят в состав протоплазмы и ядра и называются конституционными. Особенно много нуклеопротеидов в составе протоплазмы и ядра.

Простые белки, или протеины, являются запасными питательными веществами; их классифицируют по растворимости:

1. альбумины — растворимые в воде,
2. глобулины — растворимые в слабых растворах нейтральных солей,
3. проламины — растворимые в 60—80%-ном спирте,
4. глютелины — растворимые только в слабых растворах щелочей.

Все эти белки встречаются у растений.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — сложные высокомолекулярные полимерные соединения, обладающие высокой физиологической активностью и играющие важнейшую роль в жизнедеятельности организма. При участии нуклеиновых кислот происходит синтез белков, передача наследственных свойств, рост и размножение.

Уже давно было установлено, что нуклеиновые кислоты обычно содержатся в органах и тканях, богатых ядерным веществом и характеризующихся интенсивным синтезом белка. Нуклеиновых кислот много в зародышах семян, в глазках клубней картофеля, пыльце, кончиках корней (в ядрах, пластидах, митохондриях и рибосомах).

В листьях и стеблях растений содержание нуклеиновых кислот невелико и составляет 0,1 — 1 % от сухого веса.

В состав нуклеиновых кислот входят нуклеотиды, состоящие из азотистого основания, сахара-пентозы и фосфорной кислоты. Нуклеотиды различаются только по азотистым основаниям.

Встречаются 4 типа нуклеотидов — адениновый, гуаннповый, цитозиновый и тиминовый, обычно обозначаемые начальной буквой, т. е. А, Г, Ц, Т-нуклеотиды.

Существует 2 вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащая углевод дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота (РНК), содержащая рибозу.

Молекула ДНК представляет собой 2 закрученные по спирали полинуклеотидные цепи. Длина цепи составляет свыше 5 мк, тогда как длина цепи белка всего около 0,1 мк.

Цепь ДНК — это полимер, состоящий из мономеров нуклеотидов. Нуклеотиды расположены в определенном порядке, и разные ДНК отличаются порядком их чередования. Молекулярный вес нуклеотида в среднем равен 330, молекулярный вес ДНК—10000000; следовательно, в каждой цепи ДНК содержится около 15 000 нуклеотидов. Из этих цифр ясно, что существует громадное количество различных ДНК.

Обе цепи ДНК по нуклеотидному составу различны, но состав нуклеотидов одной цепи находится в строгом соответствии с составом нуклеотидов другой цепи. Когда на одной цепи расположен А-нуклеотид, то на другой противоположно расположен Т-нуклеотид, напротив Г-нуклеотида всегда будет Ц-нуклеотид.

Следовательно, в одной паре всегда сочетаются А — Т, в другой Г — Ц-нуклеотиды. Таким образом, если на участке одной цепи ДНК будут Г, Ц, Т, А-нуклеотиды, на другой цепи дополнительными нуклеотидами будут Ц, Г, А, Т; такое взаимное расположение нуклеотидов называется принципом дополнительности.

При делении клетки происходит синтез новых молекул ДНК, основанный на удвоении молекул с точным сохранением их строения. В этом случае спиральная цепь ДНК с одного конца раздваивается, и на каждой цепи из свободных нуклеотидов собирается новая цепь в соответствии с принципом дополнительности, т. е. против А становится Т, против Ц—Г и т. д.

В результате такого деления из одной молекулы ДНК получаются 2, имеющие такой же нуклеотидный состав, как и начальная молекула. Процесс деления молекулы ДНК называется репликацией— удвоением. Он идет с участием особого фермента ДНК — полимеразы.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) тоже представляет собой полимер, состоящий из одной цепи. Мономерами являются нуклеотиды, 3 из которых тождественны нуклеотидам ДНК (аденин, гуанин, цитозин). Вместо тимина в состав РНК входит урацил (У), близкий по свойствам тимину. Цепь РНК короче цепи ДНК, и ее молекулярный вес меньше.

Углеводы

Углеводы содержатся в каждой клетке растения. Они состоят из трех элементов: углерода, водорода и кислорода. Вследствие того, что оболочки клеток растения состоят из углевода клетчатки и запасные вещества отложены в виде крахмала и подобных ему веществ (например, инулина), на долю углеводов приходится больше половины всего сухого вещества растения.

Углеводы представляют обширную группу, название которой возникло на том основании, что соотношение водорода и кислорода у них такое же, как в воде (С_nН_2nО_n).
Углеводы делятся на простые (моносахариды, или монозы) и сложные (полисахариды). При соединении двух молекул моноз получаются дисахариды (2С₆Н₁₂O₆ →С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О), при этом выделяется молекула воды.

Полисахариды образуются при соединении шести и более молекул моноз с отнятием воды:
(С₆Н₁₂О₆)n — nН₂O → (С₆Н₁₀О₅)n.

Сложные углеводы представляют собой полимеры. Молекула полимера состоит из длинной цепочки, в которой много раз повторена одна и та же простая структура, называемая мономером. В сложных углеводах мономерами являются простые углеводы.

В растениях из простых углеводов наиболее распространены гексозы — глюкоза и фруктоза, содержащие по 6 углеродных атомов. Глюкоза находится в ягодах винограда, яблоках, грушах, фруктоза — во многих плодах и луковицах.

Из простых углеводов пентоз, содержащих 5 углеродных атомов, особенно важны рибоза и дезоксирибоза. Эти сахара в растении не встречаются в свободном состоянии, а входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ и других соединений.

Моносахариды хорошо растворимы в воде и легко перемещаются по растению; обычно они не являются запасными веществами.

Сахароза и мальтоза

Из дисахаридов в растениях встречаются сахароза и мальтоза. Дисахариды состоят из двух мономеров и называются димерами; так, наиболее распространенная в растениях сахароза состоит из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы.

У некоторых растений запасные питательные вещества представлены сахарозой (сахарная свекла, сахарный тростник, сахарный клен, лук). Особенно много сахарозы:

• в корнеплодах сахарной свеклы (16—25%),
• в соке стеблей сахарного тростника (14—25%);

эти растения используют для получения пищевого сахара.

Мальтоза представляет собой продукт распада крахмала и обычно в растениях не накапливается.
Из полимеров наиболее распространен в растениях крахмал. Он не является однородным веществом, а состоит из двух полисахаридов — амилозы и амилопектина.

В большинстве случаев в крахмале содержится 15—25% амилозы и 75— 85% амилопектина. Молекулярный вес амилозы 100 000—600 000; амилопектина около 1000 000.

Крахмал

Крахмал представляет собой полимер, состоящий из многих мономеров глюкозы. От других полимеров крахмал отличается тем, что имеет ветвистую, а не вытянутую цепочку.
Крахмал— главное запасное вещество углеводного типа.

• В семенах риса содержится 60—80% крахмала,
• в семенах кукурузы —65—75%,
• в семенах пшеницы — 60—70%,
• в клубнях картофеля— 19—20%.

Первичный крахмал образуется в хлоропластах в процессе фотосинтеза, вторичный откладывается в запас в клубнях, корневищах и плодах. Он представляет собой слоистые зерна, различные по величине и форме у разных растений.

1. Крахмальные зерна картофеля,
2. крахмальные зерна гороха,
3. крахмальные зерна овса,
4. крахмальные зерна пшеницы.

Крахмал не растворяется в холодной воде, а при нагревании образует коллоидный раствор.

Клетчатка (целлюлоза) представляет собой вытянутый, в длину полимер, состоящий из глюкозных остатков. Клетчатка в воде не растворима, и ее гидролиз возможен только при воздействии на нее крепкими кислотами. Она не является запасным веществом и в большинстве случаев не может быть вторично использована.

Близким к клетчатке веществом является гемицеллюлоза, состоящая из моносахаридов пентоз. Гемицеллюлоза — запасное питательное вещество, она встречается в эндосперме семян и в утолщенных оболочках клеток.

Липиды

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества— липоиды. Они могут находиться в растении в форме запасного жира и могут являться структурным компонентом протоплазмы клеток.

Запасной жир служит энергетическим материалом, а протоплазматические жиры являются составной частью клеток и содержатся в клетках в постоянном количестве. Липопротеиды (соединение липидов с белками) и липиды принимают участие в строении клеточных мембран, благодаря которым регулируется проницаемость клеток и клеточных структур для различных веществ.

Жиры, выделенные из семян, всегда содержат некоторое количество примесей. Для каждого вида растения состав жирных кислот довольно постоянен, и близкие виды растений имеют сходный состав жира.

В зависимости от условий выращивания растений состав жирных кислот и их количество могут изменяться. У растений, произрастающих на юге (какао, кокосовая пальма), преобладают твердые жиры с высокой точкой плавления, у растений умеренного климата (лен, конопля, подсолнечник) —жидкие жиры, или масла.

Жиры чрезвычайно широко распространены в растениях как запасные питательные вещества: 90% растений имеют маслянистые семена. Жиры как запасные вещества имеют ряд преимуществ перед углеводами.

Так, они не растворимы в воде вследствие преобладания в молекуле жира гидрофобных групп (СН₃, СН₂, СН) и поэтому не содержат в себе гигроскопической воды. Кроме того, жиры содержат очень мало кислорода, и при окислении их освобождается много энергии (при окислении 1 г. жира выделяется 9,3 кал, при окислении 1 г. углеводов — 4 кал).

Содержание запасного жира в семенах растений неодинаково:

• у ржи, пшеницы, ячменя 2—3%,
• хлопчатника, сои 20—30%,
• льна, конопли, подсолнечника 30—55%,
• мака, клещевины 60—65%.

В растениях также встречаются эфирные масла, обладающие ароматом.

Органические кислоты

В растениях часто встречаются органические кислоты, чаще всего двух- и трехосновные. Кислоты могут быть в растениях как в свободном состоянии, так и в виде солей.
Наиболее обычными являются щавелевая (НООС—СООН), яблочная (НООС—СН₂СНОН—СООН) и янтарная (НООС—СН₂—СН₂—СООН) кислоты.

Из трехосновных кислот широко распространена лимонная кислота:

СН₂—СООН
I
НО  —   С—СООН
I
СН₂—СООН

Много органических кислот в созревающих плодах. Органические кислоты растворены в клеточном соке, их присутствием и объясняется кислая реакция клеточного сока.

Эти кислоты тесно связаны с процессом дыхания, при котором они образуются. Им принадлежит главная роль в окислительно-восстановительных процессах, из которых складывается дыхание, и в синтезе аминокислот, образующих белки. Следовательно, через органические кислоты осуществляется связь между обменом углеводов и белков.