Контрольная работа по "Физиологии и биохимии растений"

Контрольная работа по физиологии и биохимии растений

 

Вариант 13

 

1. Законы осмоса, определяющие поступление воды в клетку.

 

Вода поступает  в клетку только при условии более  высокой концентрации клеточного сока по сравнению с наружным раствором.

Гипотонический раствор – это такой раствор окружающей среды, при котором концентрация веществ в нем ниже, чем в клетке. Вода из раствора поступает в клетку. Изоосмотический раствор окружающей среды по химическому потенциалу не отличается от потенциала клетки. Вода не поступает в клетку и не выходит из нее. Гипертонический раствор имеет высокую концентрацию, он вытягивает воду из клетки.

Однако поступление  воды в клетку зависит не только от концентрации клеточного сока, но и  от степени насыщенности клетки водой, обуславливающей величину тургорного давления, препятствующего поступлению воды в клетку. Разность между величинами осмотического потенциала и тургорного давления называется сосущей силой. Она не является постоянной, при отсутствии тургорного давления будет максимальной и равна осмотическому потенциалу, при полной насыщенности клетки водой сосущая сила равна нулю.

Сосущая сила в  процессе жизнедеятельности растений все время изменяется, увеличивается от клетки к клетке, начиная от корневого волоска до центрального цилиндра корня, вследствие чего происходит передвижение воды из почвы в сосуды.

 

2. Понятие  о коэффициенте завядания растений, количество доступной влаги в почве в зависимости от ее механического состава и полной влагоемкости почвы. Ее оптимальная величина для роста растений.

 

Коэффициент завядания растений или  влажность устойчивого завядания — влажность почвы, при которой появляются первые признаки увядания растений с хорошо развитой корневой системой, не исчезающие при помещении растений на 12 часов в атмосферу, насыщенную водяными парами. Этот предел зависит от вида растений и условий их произрастания.

Количество доступной влаги  или влага доступная (для растений) — часть почвенной влаги, которая может быть поглощена растениями как в процессе их нормальной жизнедеятельности, так и в процессе их увядания. Нижним пределом содержания доступной влаги является влажность более низкая, чем влажность устойчивого завядания растений , близкая к максимальной гигроскопичности почвы. Этот предел зависит от вида растений и условий их произрастания. Наиболее доступная вода гравитационная, она заполняет крупные почвенные капилляры, подчиняется силе тяжести. Легко доступна также капиллярная вода, сосредоточенная в почвенных капиллярах; она составляет главную массу воды, которую растения получают из почвы.

В почву вода попадает прежде всего с осадками, а также из атмосферы в виде водяных паров. Наибольшее количество воды, которое может удержать (вместить) почва при заполнении всех пор, называется общей, или полной, влагоемкостью (ПВ), Она зависит от механического состава почвы, содержания в ней перегноя и от общей пористости. Например, глинистые почвы отличаются высокой влагоемкостью (60-80 г воды на 100 г почвы), а песчаные – низкой (15-25 г). Особенно велика она в торфяных почвах. При полном насыщении торфа масса ее в несколько раз превышает массу воздушно-сухого торфа. Наиболее благоприятный для растений водный режим создается в минеральных почвах при насыщении их водой на 60—80% полной влагоемкости.

 

3. Влияние углекислого  газа на фотосинтез. Возобновление  углекислого газа в атмосфере. Оптимальное количество.

 

Фотоси́нтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) – это процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

К числу внешних факторов, влияющих на фотосинтез, относится  содержание углекислого газа в атмосфере. В среднем в атмосфере содержится 0,03% углекислого газа по объему. При увеличении количества углекислого газа в атмосфере фотосинтез возрастает, но прямой пропорциональности между содержанием углекислого газа и фотосинтезом нет. Фотосинтез устойчиво увеличивается при повышении содержания СО₂ до 0,06%, а при значительной интенсивности света и при 1,5-2,0%. Однако повышение концентрации углекислого газа в производственных условиях неэффективно при слабой интенсивности света, так как углекислый газ не успевает перерабатываться в листьях в органические соединения и действует токсически. При повышении интенсивности света с одновременным увеличением количества СО₂ возрастает и интенсивность фотосинтеза. В условиях закрытого грунта вошло в практику повышение концентрации углекислого газа до 1-2%.

К естественным источникам возобновления углекислого газа в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых топлив для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

 

4. Листовой индекс. Продуктивность фотосинтеза.

 

Листовой индекс (индекс листовой поверхности) – показатель фотосинтезирующей биомассы, равный площади освещенных листьев, приходящейся на единицу поверхности почвы. Максимальная чистая продукция соответствует листовому индексу, близкому к 4 (т. е. когда площадь освещенных листьев в 4 раза больше площади, занятой растениями), тогда как максимум валовой продукции достигается при листовом индексе, равном 8 - 10 (этот уровень характерен для лесов).

Продуктивность  фотосинтеза – отношение суточного увеличения массы всего растения (в граммах) к площади листьев. Таким образом, чем выше продуктивность фотосинтеза, тем выше урожай растений.

Продуктивност фотосинтеза  можно рассчитать по формуле:

Ф= (В₂-В₁)/(0,5*(Л₁+Л₂)*T)

где - В ₂-В₁ – увеличение сухой массы урожая растений за Т дней при весе их в начале В₁, а в конце – В₂.

0,5*(Л₁+Л₂) – средняя площадь листьев тех же растений за Т дней при размере ее в начале Л₁, м², в конце – Л₂, м².

Показатель чистой продуктивности представляет собой результат образования органических веществ в процессе фотосинтеза и усвоения из почвы минеральных веществ за вычетом потерь веществ на дыхание и отмирание органов. Продуктивность фотосинтеза растений составляет 4-6 г в сутки на 1 м² листьев, но может быть и больше – 8-15 г/м².

Для увеличения продуктивности фотосинтеза нужно  увеличивать листовую площадь растений, правильно располагая их на участках, за счет правильных схем посева и посадки, направления рядков; улучшение водоснабжения, орошение, подкормка углекислотой, правильное применение удобрений.

 

5. Физиологическое  значение магния и серы.

 

Магний. Содержание магния в растениях составляет в среднем 0,17%. Магний поступает в растение в виде иона Mg²⁺. Магний входит в состав основного пигмента зеленых листьев — хлорофилла. Магний поддерживает структуру рибосом, связывая РНК и белок. Большая и малая субъединицы рибосом ассоциируют вместе лишь в присутствии магния, который также необходим для формирования полисом и активации аминокислот. Поэтому синтез белка не идет при недостатке магния, а тем более в его отсутствие. Магний является активатором многих ферментов. Важной особенностью магния является то, что он связывает фермент с субстратом по типу хелатной связи (клешневидная связь между органическим веществом и катионом). Так, например, присоединяясь к пирофосфатной группе, магний связывает АТФ с соответствующими ферментами. В связи с этим все реакции, включающие перенос фосфатной группы (большинство реакций синтеза, а также многие реакции энергетического обмена), требуют присутствия магния. Магний активирует такие ферменты, как ДНК- и РНК-полимеразы, аденозинтрифосфатазу, глютаматсинтетазу; ферменты, катализирующие перенос карбоксильной группы,— реакции карбоксилирования и декарбоксилирования; ферменты гликолиза и цикла Кребса, молочнокислого и спиртового брожений. В ряде случаев влияние магния на работу ферментов определяется тем, что он реагирует с продуктами реакции, сдвигая равновесие в сторону их образования. Магний может также инактивировать ряд ингибиторов ферментативных реакций.

Сера содержится в растениях в количестве 0,17%. Однако в растениях семейства крестоцветных ее содержание гораздо выше. Поступает сера в растения в виде сульфатиона S0₄^2-. Сера входит в состав органических соединений, играющих важную роль в обмене веществ организма. Так, сера входит в состав трех аминокислот — цистина, цистеина и метионина. Почти все белки включают аминокислоты, содержащие серу, поэтому становится понятна роль серы в белковом обмене организма. Сера входит также в состав многих витаминов и многих коферментов, таких, как биотин, тиамин, коэнзим А, глютатион, липоевая кислота и др. В связи с этим сера принимает участие в многочисленных реакциях обмена (аэробная фаза дыхания, синтез жиров и др.). В составе коэнзима А (СоА—SH) сера участвует в образовании макроэргической связи с ацильными группами кислот. Ацетилкоэнзим А (CH₃CO~SCoA) играет роль в метаболизме углеводов, жирных кислот, аминокислот. Аденозилметионин используется при синтезе фитогормона этилена и лигнина. Сульфгидрильные группировки (SH) и дисульфидные связи (S—S) играют большую роль, обеспечивая взаимодействие между ферментами и их простетическими группами, а также участвуя в создании определенной конфигурации белковых молекул. Так, SH-группы связывают белок с такими коферментами, как НАД или ФАД. Часто за счет дисульфидных связей сохраняется трехмерная структура белка, а следовательно, его активность. Соединения серы участвуют в поддержании уровня окислительно-восстановительного потенциала клетки. Это относится к системам цистеин — цистин и SH—глутагион <-> S—S — глутатион. В составе белка тиоредоксина сера участвует в регуляции работы таких ферментов как Rubisco, АТФ-синтаза и др.. Сера входит в состав чесночных и горчичных масел. Именно с этим связан своеобразный вкус и запах некоторых растений семейства крестоцветные. Нельзя не отметить, что соединения серы, такие, как S-аденозилметионин, участвуют в образовании полиаминов, в частности спермедина. Согласно современным представлениям, полиамины играют большую и разностороннюю роль в жизнедеятельности организмов. Полиамины благодаря наличию заряженных аминогрупп во многих реакциях могут заменять неорганические катионы. Сера, поступая в растение в виде иона S0₄^2-, быстро переходит в органическую форму при участии АТФ и магния:

Такой активированный сульфат  является короткоживущим соединением  и через ряд этапов восстанавливается до цистеина при участии ферредоксина. Ферменты, участвующие в образовании цистеина, в частности сульфурилаза локализованы в цитозоле, пластидах и митохондриях. Из цистеина образуются цистин и метионин. Производным цистеина является глютатион, участвующий в передвижении серы по растению. Глютатион является сигналом для поступления иона S0₄^2- через корни. В восстановленной форме сера включается в аминокислоты. Восстановленная сера в растении может подвергаться снова окислению. Окисленная форма S0₄^2- неактивна. Показано, что в молодых органах сера находится главным образом в восстановленной форме, а старых — в окисленной.

 

6. Алкалоиды  и их роль для растений. Алкалоиды  как основа наркотиков.

Алкало́иды — группа азотсодержащих органических соединений природного происхождения (чаще всего растительного), преимущественно гетероциклических, большинство из которых обладает свойствами слабого основания. Помимо углерода, водорода и азота в молекулы алкалоидов могут входить атомы серы, реже — хлора, брома или фосфора. К алкалоидам относятся, например, такие вещества, как морфин, кофеин, кокаин, стрихнин, хинин и никотин.

Роль алкалоидов в растениях недостаточно изучена, но существует ряд предположений.

Основные теории о роли алкалоидов в растениях следующие.

1. Алкалоиды — отбросы жизнедеятельности растений.

Сторонники  этой гипотезы рассматривают алкалоиды  как конечные продукты процесса обмена веществ, появляющиеся в результате распада азотистых соединений. Например, факт увеличения с возрастом количества алкалоидов в некоторых растениях.

2. Алкалоиды — запасные вещества.

Динамика изменения  количества алкалоидов в разных органах  растений на разных этапах его развития привлекается как доказательство роли алкалоидов как запасного азотистого материала. Но это доказательство носит косвенный характер.

В то же время  имеются факты, когда в семенах  бесспорно алкалоидоносного растения среди запасных питательных веществ алкалоидов нет, но они появляются значительно позже, когда из семян разовьются проростки (в маке снотворном, хинном дереве и ряде других растений).

3.Алкалоиды — защитные вещества.

Известны факты, когда присутствие алкалоидов предохраняет растение от поедания животными, от повреждения вредителями.

4. Алкалоиды — активные и необходимые вещества в процессах биосинтеза, протекающих в растениях.

Данное представление  о роли алкалоидов большинством ученых считается наиболее достоверным. Имеются многочисленные факты, подтверждающие наличие связи между алкалоидами и биологией растений.

Алкалоиды, например, иногда выступают в роли сенсибилизаторов, т.е. веществ, усиливающих чувствительность клеток и тканей растений к отдельным частям солнечного спектра.

Содействуя  поглощению растениями солнечных лучей, они ускоряют протекание фазы образования и развития органов плодоношения.

5. Имеются данные  о положительном влиянии некоторых  алкалоидов на процессы роста растений.

Известно широкое  использование алкалоида колхицина  для получения полиплоидных  форм растений, в том числе и самих алкалоидоносов. Предполагается, что алкалоиды с пиридиновым и пиперидиновым кольцами служат материалом для синтеза пиридин нуклеидных ферментов.