Динамическая биохимия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Биохимия изучает химический состав растений, а также превращения веществ и энергии, лежащие в основе их жизнедеятельности. Функциональная биохимия изучает физиологические функции растений фотосинтез, дыхание, корневое питание, синтез различных веществ.

Биохимия - фундаментальная наука, изучающая химические процессы в живых системах. Она возникла в 80-е годы XIX в., когда из органической химии выделились химия природных соединений и физиологическая химия. Задачей первой являлось выделение природных биологически активных соединений и изучение их структуры второй - изучение физиологического действия таких соединений и их превращений в живой системе. Именно физиологическая химия явилась предшественницей биологической химии. 20-30-е годы XX в. стали временем становления биохимии как науки. Биохимия вначале делилась на статическую и динамическую. В начале 60-х годов статическая биохимия легла в основу биоорганической химии. Возникает и бионеорганическая химия. В настоящее время эти науки развивают задачи и методы статической биохимии. Собственно биохимией стала динамическая биохимия. Поскольку в организме все реакции катализируются ферментами (энзимами), то биохимию часто отождествляют с энзимологией.

Динамическая биохимия -- раздел биохимии, задачей которого является изучение обмена веществ и энергии в живых организмах.

Динамическая биохимия ставит своей задачей изучить химические закономерности, лежащие в основе процессов обмена веществ между живыми организмами и окружающей их средой. С этой точки зрения усилия динамической биохимии направлены к разрешению главнейшей проблемы биохимии -- химической стороны обмена веществ. Обмен веществ, возникший на определенном этапе эволюции материи, является основой жизни. В живые организмы непрерывно поступают вещества из внешней среды (органические вещества, минеральные соли, вода, кислород).

ГЛАВА 1. Биохимия плодово-ягодных культур

Плодово-ягодные культуры выращивают с целью получения плодов и ягод, богатых сахарами, органическими кислотами, пектиновыми веществами, витаминами и другими полезными химическими соединениями, определяющими питательную и биологическую ценность получаемой продукции. Накопление ценных для человека органических веществ происходит в паренхимных тканях плодов, образующих плодовую мякоть, а в семенах откладываются запасные вещества, необходимые для образования проростков. Семена и плодовые оболочки в питательном отношении не представляют ценности, поэтому в пищу и для переработки не используются.

Плодовая мякоть образуется в результате разрастания околоплодника под воздействием фитогормонов, поступающих из семенных тканей, где происходит их синтез. Ютетки околоплодника начинают усиленно делиться, вызывая интенсивный рост плодов. В дальнейшем происходит формирование зародыша и эндосперма, которое сопровождается значительными изменениями биохимических процессов во всех тканях плодов. В этот период, хотя и замедляется рост плодов за счет образования новых клеток, продолжается интенсивное увеличение их массы вследствие усиления биосинтетических процессов и накопления сухого вещества, в связи с чем ранняя уборка плодов приводит к недобору урожая и ухудшению его качества.

В процессах созревания плодов важную роль играют фитогормоны, особенно этилен, образующийся в тканях околоплодника. На первых этапах созревания плодов и ягод действие этилена подавляется ауксином, в дальнейшем после завершения формирования семенных тканей концентрация ауксина снижается и усиливается синтез этилена. Под влиянием этилена повышаются дыхание и проницаемость клеточных мембран, а также ускоряются превращения запасных веществ, которые вначале подвергаются окислению, а на завершающих этапах созревания плодов -- декарбоксилированию.

1.1 Динамика углеводов

На ранних стадиях образования плодов и ягод в них синтезируется много структурных углеводов -- пектиновых веществ, гемицеллюлоз, клетчатки, а у некоторых культур образуется крахмал. При переходе плодово-ягодных культур к фазе созревания плодов в них активизируются процессы превращения полисахаридов в сахара (рис. 1), причем состав этой фракции определяется спецификой обмена веществ данной культуры. В ягодах очень мало сахарозы, и фракция Сахаров в них представлена в основном глюкозой и фруктозой. В других плодах кроме глюкозы и фруктозы образуется много сахарозы. Из моносахаридов в семечковых плодах обычно преобладает фруктоза, а в косточковых -- глюкоза.

Фаза созревания (рис. 1). Изменение содержания углеводов при созревании бананов, % (по Метлицкому, 1976):

I --зеленые плоды; II -- зеленовато- желтые плоды; III -- зрелые плоды; 1 -- крахмал; 2--сахароза; 3--моносахариды

Общее количество сахаров в плодах и ягодах в среднем составляет 6--12 % сырой массы, в лимоне -- 1--3, землянике -- 12--20, а в винограде -- до 26 %. Накопление в плодах углеводов зависит от сроков вегетации растений, вследствие чего поздние сорта характеризуются более высоким содержанием сахара. В некоторых плодах и ягодах накапливаются восстановленные производные моносахаридов -- спирты, например, в рябине -- сорбит, в ананасах и оливках -- маннит.

У ряда плодовых культур на первых этапах формирования плодов синтезируется довольно много крахмала (бананы, яблоки, груши), который на последующих этапах созревания превращается в сахара и другие углеводы, что очень хорошо видно из данных, представленных на рисунке 148. В косточковых плодах при созревании концентрация пектиновых веществ снижается, однако это происходит не в результате их распада, а вследствие усиления синтеза Сахаров и органических кислот.

В семечковых плодах в процессе созревания довольно активно идет превращение протопектинов в пектины. В зрелых плодах и ягодах содержание пектиновых веществ колеблется в пределах 0,3--1,5 % сырой массы, и они способны образовывать желе. При созревании плодов и ягод снижается содержание клетчатки (в 2--3 раза) и гемицеллюлоз, в связи с чем они приобретают мягкую консистенцию.

1.2 Органические кислоты

Важную роль при созревании плодов и ягод играют органические кислоты, которые используются как субстраты дыхания, кроме того, они определяют вкусовые свойства плодово-ягодной продукции. Если в плодах много кислот и мало Сахаров, они имеют кислый вкус. Увеличение количества Сахаров повышает сладость плодов, и при отношении Сахаров к органическим кислотам (сахара, %/кислоты, %), равном 25--30, кислый вкус не ощущается.

В зрелых плодах органические кислоты локализованы в основном в плодовой мякоти, а в плодовых оболочках и семенных тканях их очень мало. В яблоках, грушах, винограде сравнительно немного органических кислот (0,2--1 % сырой массы), существенно больше их в землянике, апельсинах, вишне, сливах (1--2 %) и особенно много в смородине (2--3 %) и лимонах (5--7 %). Свыше 90 % всех органических кислот в плодах и ягодах представлены яблочной, лимонной и янтарной кислотами, т. е. метаболитами цикла ди- и трикарбоновых кислот, на долю других кислот обычно приходится не более 3--5 %. Однако несмотря на их низкое содержание, эти кислоты играют очень важную роль в определении вкусовых качеств и аромата плодов. В винограде очень много винной кислоты. В отличие от листьев, где органические кислоты находятся в связанном состоянии, в плодах они содержатся преиму щественно в виде свободных форм, локализованных в вакуолях, где образуется фонд запасных веществ.

При созревании плодов под воздействием этилена повышается проницаемость мембран, и из вакуолей органические кислоты поступают в цитоплазму, вызывая активацию ферментных систем, катализирующих их превращения. Ключевым из этих ферментов является малатдегидрогеназа декарбоксилирующая, с участием которой происходят декарбоксилирование яблочной кислоты и превращение ее в пировиноградную, при этом образуются восстановленные динуклеотиды НАДФ ¦ Н, используемые в реакциях синтеза запасных веществ:

СН2СООН

СН(OH)COOH + НАДФ⁺ = СНзСОСООН + НАДФ * Н + Н⁺ СО₂.

Яблочная кислота Пировиноградная кислота

Образовавшаяся пировиноградная кислота далее окисляется в реакциях дыхания, а ее избыток подвергается снова декарбоксилированию под действием фермента пируватдекарбоксилазы с образованием уксусного альдегида:

Уксусный альдегид далее восстанавливается с образованием спирта под действием фермента алкогольдегидрогеназы

Накопление уксусного альдегида и этилового спирта в тканях плодов обычно происходит на завершающих стадиях их созревания и вызывает ингибирование фермента малатдегидрогеназы де- карбоксилирующей, в результате чего не образуются восстановленные динуклеотиды НАДФ * Н и происходит замедление биосинтетических процессов. Понижение активности этого фермента в более ранние фазы созревания плодов под влиянием низкой температуры, повышенной концентрации углекислоты уменьшает количество кислот, затрачиваемых на дыхание. Поэтому при хранении плодов важное значение имеет поддержание необходимого температурного режима и состава газовой среды.

В созревающих плодах и ягодах постоянно проходит синтез органических кислот, однако их концентрация в тканях плодов не возрастает, так как эти вещества обладают очень высокой метаболической активностью и легко подвергаются превращениям. Больше всего органических кислот в незрелых плодах, в процессе созревания плодов их концентрация снижается и одновременно наблюдается увеличение количества Сахаров, вследствие чего сахарокислотное отношение (сахара/кислоты) возрастает и плоды становятся более сладкими.

1.3 Азотистые вещества

Азотистые вещества плодов и ягод на 60-- 70 % состоят из белков, основная масса которых представлена легкорастворимыми формами -- альбуминами и глобулинами, обладающими высокой биологической ценностью. Фракция небелковых азотистых веществ также обладает значительной питательной ценностью, так как содержит незаменимые аминокислоты. В зрелых плодах содержание сырого протеина составляет 1--2 % их сырой массы, однако в пересчете на сухую массу оно в 5--7 раз выше, поэтому азотистые вещества наряду с сахарами и органическими кислотами являются важными питательными компонентами плодово-ягодной продукции. В процессе созревания плодов и ягод концентрация азотистых соединений снижается в 2--3 раза, но в их составе возрастает доля белков.

1.4 Витамины

Из витаминов в плодах и ягодах в наибольшем количестве содержатся аскорбиновая кислота, каротин, фолиевая кислота, цитрин.

Во всех плодах и ягодах много аскорбиновой кислоты, которая, участвуя в окислительно-восстановительных реакциях, оказывает значительное влияние на интенсивность биохимических превращений, происходящих в тканях плодов при их созревании. По мере созревания плодов снижается концентрация окисленной и происходит накопление восстановленной формы аскорбиновой кислоты. Больше этого витамина в покровных тканях и меньше в паренхиме плодовой мякоти. У большинства плодово- ягодных растений в зрелых плодах содержится 5--30 мг% аскорбиновой кислоты, в землянике и цитрусовых -- 50--70, в смородине -- 200--400 мг%, а в шиповнике -- до 1--4 %.

Во многих плодах и ягодах наряду с аскорбиновой кислотой много цитрина (витамина Р) -- 200--300 мг%. В рябине, сливах и абрикосах много каротина -- 2--5 мг%, в смородине и крыжовнике--0,5--1 мг%. Количество фолиевой кислоты больше в незрелых плодах, а в процессе их созревания концентрация этого витамина снижается до 0,1--0,2мг%. Другие витамины в плодово- ягодной продукции содержатся в меньших количествах.

1.5 Влияние внешних условий

Специфика биохимических процессов в созревающих плодах и ягодах определяется тем, что в них происходит накопление сахаров и органических кислот. При более интенсивном фотосинтезе в листьях растений образуется много углеводных продуктов, которые, поступая в плоды и ягоды, усиливают процессы накопления сахаров. Ослабление работы фотосинтетического аппарата снижает поток ассимилятов, поступающих в репродуктивные органы, и в них меньше накапливается Сахаров, в результате концентрация органических кислот возрастает. Поэтому плоды, выращенные на юге в условиях интенсивно го освещения, содержат больше Сахаров и, следовательно, более сладкие, чем выращенные в северных регионах.

Понижение концентрации органических кислот и увеличение количества Сахаров в плодах наблюдаются также при ухудшении влагообеспеченности растений. Поэтому оптимальный режим выращивания плодово-ягодных культур, обеспечивающий получение плодов и ягод с лучшим химическим составом, создается при таких условиях, когда растения на достаточном уровне обеспечены, с одной стороны, световой энергией и теплом,- а с другой -- необходимым количеством влаги. Содержание в плодах и ягодах аскорбиновой кислоты в зависимости от условий выращивания изменяется так же, как и общее количество органических кислот.

1.6 Оптимизация питания

В связи с тем, что плодово-ягодные культуры имеют многолетний период развития, у них с образованием плодов не заканчивается жизненный цикл развития и не происходит отмирание вегетативной массы. Поэтому процессы созревания плодов и нарастания вегетативной массы протекают одновременно и растениям требуется постоянное обеспечение питательными элементами в доступной форме, в связи с чем плодово-ягодные культуры предъявляют повышенные требования к режиму питания.

Недостаток любого питательного элемента вызывает прежде всего ухудшение роста растения и ослабление развития ассимиляционного аппарата, что снижает накопление Сахаров в плодах. При сбалансированном внесении азотных, фосфорных и калийных удобрений значительно повышается сбор плодов, и в них возрастает содержание Сахаров и снижается концентрация органических кислот, что приводит к заметному увеличению сахарокислотного отношения, улучшающего их вкусовые качества. Действие микроудобрений на качество плодов и ягод также объясняется их влиянием на развитие растений и интенсивность работы фотосинтетического аппарата.

ГЛАВА 2. Биохимия овощных культур

Основные питательные вещества овощных растений -- сахара, белки, органические кислоты, витамины. Важным показателем, характеризующим питательную ценность овощей, является также содержание сухих веществ, определяющих выход полезной продукции.

2.1 Накопление сахаров и других углеводов

В продуктивных органах овощных растений накапливается довольно много сахаров 3--6 % сырой массы, а в сухом веществе овощей концентрация сахаров может достигать 40--60 %. Очень мало Сахаров содержится в огурце 1--1,5 %. Сахара овощей на 70--90 % представлены глюкозой, фруктозой и сахарозой. В капусте, томате, перце, огурце, баклажане преобладают моносахариды, а в луке -- сахароза.

Крахмала в большинстве овощей очень мало -- не более 0,1 %, и лишь в листовых овощах его концентрация составляет 0,5--1 %. В чесноке довольно много полифруктозидов -- 20--30 % сырой массы. В овощах содержатся также пектиновые вещества в количестве 0,1--0,2 %, а в капусте -- до 1--2 %. Все эти углеводы относятся к легкоусвояемым веществам и поэтому повышают питательную ценность овощной продукции.

Питательные свойства овощей зависят от количества в них клетчатки. При повышении ее содержания ухудшается переваримость всех питательных веществ овощей. У большинства овощей содержание клетчатки составляет 0,5--1 %, у томата -- 0,2, у капусты -- 1--2 %.

В процессе созревания овощей содержание в них легкоусвояемых углеводов увеличивается, а количество клетчатки уменьшается. Так, например, количество Сахаров в незрелых плодах томата, перца, баклажана на 1--1,5 % ниже, чем в зрелых. В репчатом луке количество Сахаров при созревании луковиц увеличивается в 1,5-- 2 раза. При дозревании овощей вне растения содержание Сахаров снижается вследствие их расхода на дыхание. В результате старения растений у листовых и ряда других овощей (огурец, кабачок, патиссон) повышается содержание клетчатки, вследствие чего их питательная ценность резко снижается.

2.2 Азотистые вещества

Овощные растения -- важные источники полноценных белков и незаменимых аминокислот. Общее количество сырого протеина в них составляет обычно 0,5--2 % сырой массы, а в пересчете на сухое вещество -- 10--30 %. У большинства овощей азотистые вещества на 40--60 % состоят из свободных аминокислот и их амидов, у перца и капусты в составе азотистых веществ преобладают белки (60--70 % сырого протеина).

Белки овощей обладают высокой биологической питательной ценностью, так как на 60--70 % представлены легкопереваримыми формами (альбуминами и глобулинами), хорошо сбалансированными по содержанию незаменимых аминокислот. Фракция небелкового азота также содержит все незаменимые аминокислоты и, следовательно, повышает питательную ценность азотистых веществ овощей.

При созревании овощей в них довольно интенсивно происходит синтез азотистых веществ, однако общее их содержание во многом определяется накоплением Сахаров и других углеводов. В незрелых овощах, имеющих мало Сахаров, содержание сырого протеина очень часто выше, чем в зрелых. Более заметно это выражено у зеленных овощей.

2.3 Органические кислоты

В тканях большинства овощей накапливается значительное количество органических кислот, среди которых преобладают лимонная и яблочная. В некоторых овощах много янтарной (томат, лук) и щавелевой (ревень) кислот. Кислоты в овощах находятся в основном в свободном состоянии и поэтому легко могут превращаться в углеводы и использоваться на дыхание. В процессе созревания овощей концентрация органических кислот, как правило, повышается, однако усиления кислого вкуса не наблюдается, так как одновременно происходит накопление Сахаров.

2.4 Витамины

В овощах много аскорбиновой кислоты, цитрина и провитамина А -- каротина. Для большинства овощей содержание аскорбиновой кислоты составляет 20--60 мг%, а в цветной капусте, перце, укропе и петрушке -- до 150--200 мг%. Большое количество веществ, обладающих Р-витаминной активностью, накапливается в перце, баклажане, листовых овощах -- 50--250 мг%. Много каротина содержится в листовых овощах (4--10 мг%), томате и перце (1--4 мг%).

Содержание в овощах других витаминов составляет в среднем, мг%: Е-3--10; К --2-5; Вь Вз, Вб -- по 0,05-0,1; РР-- 0,1--0,2; пантотеновая кислота -- 0,1--0,5; фолиевая кислота -- 0,1-0,6.

Содержание витаминов в овощах зависит от фазы развития растений. У листовых овощей максимальное накопление витаминов наблюдается в ранние фазы их развития, а в дальнейшем их содержание в вегетативной массе растений уменьшается. Такая же закономерность наблюдается у капусты и репчатого лука. У других овощных растений (томат, перец, баклажан, огурец) по мере созревания плодов концентрация витаминов существенно возрастает.

2.5 Влияние внешних условий

У овощных растений, у которых в качестве товарной продукции используют плоды, накопление Сахаров и аскорбиновой кислоты, как правило, увеличивается при усилении солнечной радиации, обычно сопровождающиемся понижением влажности и повышением температуры. Это особенно проявляется на перце и томате. При выращивании этих культур в южных регионах, а также в условиях жаркой погоды в их плодах повышается накопление Сахаров и аскорбиновой кислоты, тогда как при влажной погоде и поливах количество Сахаров и аскорбиновой кислоты уменьшается. У листовых овощей при усилении солнечной радиации возрастает концентрация азотистых веществ, а количество Сахаров в товарной продукции уменьшается.

2.6 Оптимизация питания

Овощные растения потребляют довольно много питательных веществ на единицу массы сухого вещества. Потребность в питательных элементах особенно возрастает во время формирования продуктивных органов. Поэтому одно из главных требований при выращивании овощных культур -- обеспечение сбалансированного питания растений.

Недостаток одного из элементов в процессе вегетативного роста приводит обычно к существенному снижению урожайности овощных культур, а в период формирования продуктивных органов -- к снижению как выхода товарной продукции, так и ее качества. Так, например, при недостатке фосфора или калия в овощах снижается накопление Сахаров и аскорбиновой кислоты, а при недостатке азота -- концентрация белков и каротина.

Не менее вредно избыточное азотное питание, вызывающее уменьшение накопления Сахаров и аскорбиновой кислоты и повышение концентрации нитратов. Поэтому при внесении удобрений под овощные культуры строго следят за тем, чтобы азот в достаточной степени был сбалансирован фосфором и калием. Очень часто применяют дробное внесение азотных удобрений небольшими дозами, чтобы предотвратить накопление в овощах опасной концентрации нитратов. Это особенно важно при выращивании зеленных овощей.

В ряде опытов показано влияние на качество овощей некоторых микроэлементов -- молибдена, бора, меди. При их недостатке наблюдалось снижение накопления в овощах как Сахаров, так и азотистых веществ.

Таким образом, учитывая особенности формирования продуктивных органов и влияние на качество продукции режима питания и других условий выращивания, возможно получение высоких урожаев овощных культур с оптимальным содержанием полезных химических веществ.

биохимия ягодный овощной витамин

Заключение

В зависимости от целевого предназначения растительной продукции к ней предъявляют ряд стандартных требований, связанных в первую очередь с анализом химического состава урожая, оценкой соотношения, питательных и технологических свойств различных химических веществ, синтезирующихся и накапливающихся в растениях в процессе их роста и развития. Так, например, цель возделывания зерновых и зернобобовых культур -- это прежде всего получение белков, углеводов, липидов и некоторых витаминов (В|, В2, Вб, РР, Е и др.), которые в основном и определяют питательные, технологические и семенные свойства зерна, а поэтому являются главными химическими компонентами, определяющими его качество.

Основные химические вещества, от которых зависит ценность кормовых корнеплодов и трав, клубней картофеля, овощей, плодово-ягодной продукции -- это легкоусвояемые формы углеводов, витамины, биологически полноценные белки и другие азотистые вещества. При выращивании технических культур, предназначенных для получения определенного вида продукции, создают необходимые условия для накопления в растениях одного или группы родственных химических соединений, например, в корнеплодах сахарной свеклы -- сахаров, в семенах масличных растений -- жиров, в стеблях льна -- клетчатки, в эфироносных растениях -- эфирных масел и т. д.

Способность тех или иных растительных форм к синтезу и накоплению химических веществ определяется специфическим типом обмена веществ, который сформировался в процессе эволюции живых организмов и закреплен генетически. Однако определенные сдвиги в обмене веществ организмов, вызываемые факторами генетической изменчивости (мутации, гибридизация, перенос генов) постоянно происходят и могут использоваться для создания новых генотипов, более высокопродуктивных и с направленным изменением метаболизма в сторону большего накопления в запасающих органах и тканях растений ценных химических веществ, повышающих качество урожая сельскохозяйственных культур. Следовательно, главный и основополагающий путь улучшения химического состава сельскохозяйственных растений -- создание высокоурожайных сортов и гибридов с наследственно закрепленными интенсивными системами синтеза запасных и других веществ, определяющих качество данной растительной продукции. Но вместе с тем очевидно, что для реализации потенциальных возможностей растительного организма, заложенных в генотипе, необходимо создание определенных условий выращивания растений, т. е. подбор оптимальных сочетаний и последовательности действия факторов внешней среды, обеспечивающих рост и развитие организма в соответствии с его генетической программой.

К таким факторам относятся интенсивность и качество света, температура, обеспеченность влагой и питательными веществами, различные агротехнические приемы. Выяснение действия этих факторов на количественную и качественную изменчивость химического состава растений, а также изучение закономерностей синтеза и накопления запасных веществ в продуктивных органах растений позволят определить оптимальное сочетание внешних условий, обеспечивающих получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, с наибольшим выходом ценных химических веществ.

Список использованной литературы

1. Н.Н. Третьяков., Физиология и биохимия формирования качества с\х культур., 2000г., Москва

2. Статья в «Справочнике химика» http://chem21.info/info/620833/

Размещено на Allbest.ru