Загальна характеристика білків, вуглеводнів, жирів, нуклеїнових кислот.
Біохімічний склад рослинного організму.
На основі численних досліджень в рослинах виявлені різноманітні органічні сполуки. В протоплазмі рослин вміст води 75-90%. Клітинний сік вакуолі містить до 98% води. Структурною основою протоплазми рослин є білкові речовини і їх сполуки. На їх долю припадає 2/3 сухих речовин. Багато білків протоплазми зв’язані з іншими органічними сполуками, утворюючи ліпопротеїди, нуклеопротеїди, глюкопротеїди, хромопротеїди. Близько 1/5 сухих речовин (ліпіди, фосфатиди, рослинні стероли).
Згідно сучасних даних за хімічним складом дуже відрізняються органоїди між собою. Так в ізольованих ядрах рослиних клітин міститься 75-80% білків від сухої маси. ДНК в ядрах знаходиться близько 14%, РНК – 10%.
Для мітохондрій характерний низький вміст нуклеїнових кислот, приблизно 0,5% від сухої речовини і високий вміст ліпідів (25-30%). Вміст білків у даних органоїдах 35-40%. Ще багатші ліпідами пластиди (до 40% від сухої маси); в пластидах близько 50% білків і 5% нуклеїнових кислот.
Рибосоми за хімічним складом являють собою нуклеопротеїд, в якому на білок і РНК припадає приблизно 50%.
Оболонка рослинної клітини в основному складається з вуглеводів.
Дані елементарного аналізу хімічного складу рослин показали, що основними їх елементами є вуглець, кисень, водень і азот. Середній склад сухої речовини рослин: С – 45%, О – 42%, Н – 6,5%, N – 1,5%, зола – 5%. Дані цифри характеризують середній склад рослин, не показуючи його по окремих органах.
Білки. Особливості регуляції синтезу білка. Білки є основними компонентами всіх структурних елементів клітини. Білки – це макромолекулели з молекулярною масою від 10 тисяч до декількох мільйонів. Білкові молекули побудовані з амінокислот. Хоч в рослинах виявлено більше 100 різних амінокислот, лише 20 з них використовується для будови білка – це є протеїногенні амінокислоти.
Амінокислоти є амфотерні сполуки, містять карбоксильну і аміногрупи. Вони з’єднуються між собою у молекулу білка за допомогою пептидного зв’язку. При цьому аміногрупа однієї кислоти сполучається з карбоксильною іншої. Утворення пептидного зв’язку проходить із затратою енергії. Для кожного виду білка існує певний порядок розміщення амінокислот у поліпептидному ланцюгу. Послідовність амінокислотних залишків у білковій молекулі називають первинною структурою білка. Первинна структура закріплена генетично.
Вторинна структура білків утворюється внаслідок додаткових зв’язків, а саме водневих. Водневі зв’язки утворюються між водневим атомом аміногрупи одного пептидного зв’язку і атомом кисню карбоксильної групи другого зв’язку. Якщо утворення водневих мостиків проходить в межах одного пептидного ланцюга, виникають спіральні структури; при утворенні водневих мостиків між двома пептидними ланцюгами – створюються структури складчастого типом.
Третинна структура білкової молекули виникає тоді, коли спіралізовані поліпептидні ланцюги приймають певну, специфічну для кожного білка просторову структуру (конформацію). Третинна структура білків стабілізується 4 типом білкових зв’язків між боковими залишками поліпептидних ланцюгів: взаємодія між неполярними вуглеводневими залишками (гомеополярні взаємодії, вандервальсові сили, водневі мостики між полярними групами, йонні зв'язки між дисоціюючими кислими і сновними групами; дисульфідні мостики між двома залишками цистеїну, які утворені за рахунок SH-груп з виникненням S-S -рупи.
Четвертинна структура спостерігається тоді, коли декілька просторово організованих поліпептидних ланцюгів об’єднуються, утворюючи велику біологічно активну білкову молекулу. За виключенням дисульфідних мостиків, в стабілізації четвертинної будови білкової молекули беруть участь ті ж самі типи зв’язків, що і в стабілізації третинної.
Усі білки поділяють на прості (складаються із залишків амінокислот) і складні – протеїди.
Протеїди залежно від їх здатності розчинятися у різних розчинниках поділяються на 6 груп:
1. Альбуміни – розчиняються у воді, кислотах і лугах (лейкозин у зародках пшениці, жита, ячменю; легумеліни – в насінні сої, гороху; рицин – в насінні рицини.)
2. Глобуліни – у воді не розчиняються, розчинні в слабких розчинах нейтральних солей (едестин - в насінні конопель; фазеолін – в насінні квасолі, гліцинін – сої; віцилін – гороху; конглютин - люпину).
3. Проламіни – розчиняються в 70 % розчині спирту, характерні для злаків (глідин – в зерні пшениці і жита; гардеїн – ячменю; зеїн – кукурудзі; авенін – вівсі).
4. Глютеліни – розчиняються в слабких розчинах лугів (глютенін – в насінні пшениці; оризин – рису.)
5. Протаміни – білки найпростішої будови, вони є у спермі риб, в пилку різних рослин.
6. Гістони – білки з слаболужними властивостями.
До протеїдів (білкова і небілкова частина або простетична група) відносять – фосфопротеїди, ліпопротеїди, глюкопротеїди, металопротеїди, хромопротеїди, нуклеопротеїди.
За конформацією поліпептидного ланцюга розрізняють фібрилярні (витягнуті) і глобулярні (округлі).
Нуклеїнові кислоти і синтез білка. План побудови білка зашифрований в ДНК, а синтез їх проходить на рибосомах. Передача інформації від ДНК здійснюється за допомогою іРНК. В певні моменти життя клітини подвійна спіраль ДНК розкручується і на ній як на матриці будується молекула іРНК – транскрипція, або переписування. Утворення РНК на ДНК–матриці йде за допомогою спеціального фермента ДНК залежної РНК–полімерази. іРНК з’єднується з білком (інформосома) через пори ядра поступає в цитоплазму і переносить інформацію для синтезу білка. Потім іРНК звільняється з інформосоми і одноланцюгова неспіралізована молекула прикріплюється до малої субодиниці рибосоми, до тої її ділянки, яка сполучається з великою субодиницею. Перший етап синтезу заключається в утворенні комплексу між іРНК і рибосомою.
Амінокислоти до рибосом переносяться за допомогою тРНК. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК. Вона має форму листка конюшини і подвійну специфічність. Вона несе специфічний триплет (антикодон), який відповідає за прикріплення до певного місця іРНК (кодону).Разом з тим тРНК специфічна по відношенню до ферментів. Для утворення поліпептидного ланцюга потрібна енергія. Ця енергія звільняється при взаємодії АК з АТФ, а потім її перенесення на молекулу тРНК. тРНК з амінокислотою за допомогою антикодона приєднується до кодону іРНК на малій субодиниці рибосоми.
Трансляція – це переведення нуклеотидної послідовності молекули РНК в послідовність АК білка.
Синтез білка починається з процесу ініціації. Ініціаторна амінокислота входить в малу субодиницю, потім до малої приєднується велика субодиниця, іРНК переміщується на один кодон , а в малу субодиницю входить слідуючий кодон, який кодує слідуючу амінокислоту.
Приєднання амінокислотних залишків називається елонгацією, а закінчення утворення поліпептидного ланцюга – термінація.
Ділянка ДНК, в якій записана інформація для побудови одного білка називається геном.
Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) беруть участь у синтезі білка і несуть спадкову інформацію клітини. ДНК – дволанцюгова, складається з азотистої основи (пуринові основи – аденін і гуанін; піридинові – цитозин, тимін, метилцитозин), вуглеводу пентози, (дезоксирибози) і залишку фосфорної кислоти.
РНК – одноланцюгова, складається з азотистої основи (аденін, гуанін, цитозин і урацил), вуглеводу пентози ( рибози) і залишку фосфорної кислоти.
Вуглеводи. Суха маса рослини майже на 90 % складається з вуглеводів. Вони входять до складу протоплазми і складають основу оболонки. Крім того, рослини відкладають вуглеводи в запас (в бульбах, коренеплодах, плодах , насінні).
Вуглеводи складаються з вуглецю, водню і кисню. Вони поділяються на дві групи: 1). прості – моносахариди і 2) складні полісахариди.
Прості вуглеводи – це похідні багатоатомних спиртів, які містять альдегідні, або кетонні групи (альдози і кетози). Прості вуглеводи класифікують за числом атомів вуглецю, які входять до складу їх молекули: тріози – діоксіацетон; тетрози – еритроза; пентози – рибоза, дезоксирибоза; гексози – глюкоза.
Моносахариди – білі кристалічні речовини, добре розчиняються у воді, мають солодкий смак.
Завдяки вільній альдегідній, або кетонній групі проявляють відновні властивості у лужному середовищі. У кислому середовищі при окисленні альдегідної групи з моноцукрів утворюються альдонові кислоти. З моносахаридів можна добути багатоатомні спирти: з глюкози або фруктози – сорбіт, з манози – маніт. Моносахариди при взаємодії з кислотами утворюють складні ефіри. Ці ефіри беруть участь у процесах обміну речовин у рослинах . Моноцукри при взаємодії з спиртами утворюють глікозиди, які відіграють специфічну роль в обміні речовин у рослинах.
Складні вуглеводи поділяються на дисахариди (олігосахариди) і полісахариди. Молекули є полімерами. Олігосахариди розчиняються у воді і мають солодкий смак, здатні кристалізуватися. Представники: сахароза (найбільше в коренях цукрового буряка 14 – 20 % , в стеблах цукрової тростини 14 – 25 %), складається з глюкози і фруктози; мальтоза (солодовий цукор), складається з двох молекул глюкози; трегалоза (грибний цукор); при гідролізі дає галактозу; лактоза (молочний цукор), складається з глюкози і галактози; целобіоза складається з двох молекул глюкози, входить до складу целюлози.
Серед поліоз найпоширеніші крохмаль, целюлоза, інулін, глікоген.
Полісахариди поділяються на дві групи: гомополісахариди і гетерополісахариди. Молекули перших складаються з залишків лише одного моносахару (крохмаль, глікоген, ліхенін, целюлоза – із залишків глюкози; інулін, поліфруктозиди – фруктози; манани - манози). До гетерополісахаридів належить геміцелюлоза, камеді, слизі. Їх молекули складаються із залишків молекул різних моносахарів.
У насінні рису – 60-80 %, в зерні пшениці – 60–75 %, в бульбах картоплі – 12-24 % крохмалю.
Крохмаль відкладається у вигляді крохмальних зерен (прості і складні). Вуглеводнева частина крохмалю складається з амілози (від йоду синіє) і амілопектину (від йоду фіолетово - бурим). Амілоза розчиняється у теплій воді, а амілопектин не розчиняється, а утворює клейстер. Амілоза має лінійну будову, а амілопектин – розгалужену. Крохмаль під впливом ферменту амілази гідролізує на декстрини: амілодекстрини під впливом р – ну Люголя забарвлюються у синьо – фіолетовий колір, еритродекстрини – червоно–буре, ахродекстрини – буре, мальтодекстрини; мальтоза – жовте.
Інулін – найбільше в бульбах жоржини (12 %), та в коренях цикорію (до 10 %), в топінамбурі, кульбабі. При гідролізі дає фруктофуранозу. Ірисин – в кореневищі півників; аспарагозин – в корінцях спаржі (заячий холодок), грамінін – у достиглих зернівках жита; секалін – у молодих рослинах жита; ліхенін – у лишайниках.
Целюлоза – (С6Н10О5). Волокна бавовни складаються на 95 – 98 % з целюлози; льону – 80 – 90 %; а деревина різних рослин містить 40 –50 % целюлози. При кислотному гідролізі із целюлози утворюється глюкоза, а при ферментативному (фермент целюлаза) – целобіоза. У воді целюлоза не розчиняється, а набрякає в концентрованих кислотах при нагріванні. Геміцелюлоза – не розчиняється у воді, але розчиняється в лугах. Виявлена в різних частинах рослин (у висівках, соломі, насінні, горіхах, деревині, кукурудзяних качанах).
Пектинові речовини – високомолекулярні сполуки вуглеводневої природи, особливо їх багато в плодах і коренеплодах. Із пектинових речовин складається міжклітинна пластинка, що сполучає між собою стінки сусідніх клітин. Пектинові речовини входять до складу оболонки рослинної клітини і відіграють важливу роль при достиганні плодів, а також при їх зберіганні і переробці. При достиганні плодів протопектин (попередник пектинової речовини) перетворюється в розчинний пектин. Відокремлення луб’яних волокон при вимочуванні грунтується на гідролізі пектинових речовин спеціальними мікроорганізмами.
Камеді і слизі – містяться в насінні (льон, жито), утворюються в різних органах рослин при їхньому пошкодженні (вишневий клей), у воді набрякають і стають в’язкими.
Отже вуглеводи виконують будівельну (структурну), енергетичну і запасну функції.
Ліпіди. Жири і жироподібні речовини, сполуки, які не розчиняються у воді, а розчиняються в органічних розчинниках (ефір, ацетон, бензол, хлороформ) належать до групи ліпідів. Ліпіди поділяються на жири і жироподібні сполуки, або ліпоїди. До ліпоїдів належать фосфатиди, віск, розчинні в жирах пігменти (хлорофіли, каротиноїди), стериди, жиророзчинні вітаміни (А, Е, Д, К). За хімічною природою жири є сумішшю складних ефірів гліцерину і високомолекулярних жирних кислот. Жирні кислоти ненасичені - олеїнова, лінолева, ліноленова, і насичені – пальметинова і стеаринова. Лінолева і ліноленова кислоти синтезуються лише рослинами, для тварин вони є незамінні і інколи їх називають вітаміном F.
Рослинні жири можуть бути однокислотними і різнокислотними.
Жири і ліпоїди входять до складу мембран, цитоплазми, різних органоїдів і відкладаються про запас, є високоякісним енергетичним матеріалом. При окисленні жиру в 2 рази більше виділяється енергії, ніж при окисленні вуглеводів.
Фосфатиди – це гліцериди, до складу яких входить фосфорна кислота та інші речовини, які часто містять азот. Найбільше їх в насінні олійних та бобових. Холінфосфатиди, або лецитини містять холін; коламінфосфатиди, або кефаліни – коламін; серинфосфатиди – серин.
Віск за хімічною природою є складним ефіром жирних кислот; високомолекулярних одноатомних спиртів жирного або ароматичного ряду. Віск покриває листки, плоди, молоді стебла рослин і таким чином виконує захисну функцію – затримує випаровування води, проникнення патогенних мікроорганізмів. Кутин і суберин - нерозчинні ліпідні полімери, просочують оболонку клітини. Суберин знаходиться в поясках Каспарі клітин ендодерми.
Стериди – складні ефіри жирних кислот і високомолекулярних циклічних спиртів – стеролів.
Вони у цитоплазмі клітини з білками утворюють складні комплекси, є речовинами, які викликають утворення злоякісних пухлин. Стероїди та терпени не містять жирних кислот і побудовані з ізопренових пятивуглецевих блоків. Стероїди входять до складу деяких глікозидів, а терпени до складу ефірних олій – ментолу, камфори, натурального каучуку.