Белок и всё о нём в биологии и химии

Установлено, что источником углерода для клубеньковых бактерий являются органические соединения, среди которых важное место занимают углеводы из группы дисахаридов и моносахаридов. Для развития Bacterium radicicola в чистой культуре, кроме углеводов. Необходимы зольные элементы и азот в связанной форме. Новейшими исследованиями установлено, что фиксация молекулярного азота являются ферментативным процессом.

Из клубеньков сои и люпина получили бесклеточный азотфиксирующий экстракт, содержащий ферментативную систему «нитрогеназу», которая была разделена на 2 компонента, в одном из них содержалось железо и молибден, а в других - только железо. Эти компоненты при объединении их в определенном соотношении катализировали фиксацию молекулярного азота.

Доказано, что азотофиксирующая активность препаратов фермента заметно повышается при добавлении некоторых веществ – активаторов ферментов, переносчиков водорода. Акцепторов продуктов ферментативного синтеза и источников энергии; в качестве таких веществ применяли магний, молибден, биотин, пируват, аскорбиновую кислоту, и АТФ. Установлено также, что нитрогеназы активны в анаэробных условиях, а леггемоглобин регулирует снабжение их кислородом.

Клубеньки бобовых растений являются химическими фабриками в которых процесс фиксации азота в определенные периоды, не связан с ростом самих бактерий и с ассимиляцией фиксированного ими азота. Установлено, что до 90% азота, фиксируемого клубенька, поступают в растения без включения в состав клеток бактерий или тканей клубеньков. У клубеньковых бактерий интенсивность азотфиксации определяется фотосинтезом растения и генетическими особенностями бактерий. Связанный в клубеньках азот вступает в обмен веществ; далее. Очевидно. Осуществляется процесс аминирования и переаминирования, как это имеет место с азотом, поступающим из почвы в корневую систему.

Значение клубеньковых бактерий в сельском хозяйстве огромно. Если в почве содержатся активные специфические формы клубеньковых бактерий, способные заражать корневую систему данного бобового растения и ассимилировать атмосферный азот, то в сожительстве с этими растениями они ежегодно усваивают выше 100 кг атмосферного азота на 1Га. По подсчетам Д.М. Прянишникова, 200 тыс. Га клевера или 100 тыс. Га люцерна дают за год столько же связанного азота, сколько большой химический комбинат.

В тех случаях, когда на поле давно не выращивали бобовые культуры, нужно во время посева инокулировать семена бобовых соответствующими клубеньковыми бактериями. Перед посевом семена слегка увлажняют, смешивают с бактериальным удобрением нитрогеном «инокулируют» и высевают в почву. Это дает прирост урожая более чем на 20%, способствуют значительному накоплению азота в почве. Однако следует отметить, что не весь азот, который содержится в урожае бобовых трав , взят ими из воздуха: 1/3 его поглощается корнями в виде минеральных корней из почвы. Только хорошее развитие бобовых может обогатить почву азотом и улучшить структуру её за счет очень развитой корневой системы. Поэтому там, где бобовые травы дают низкие урожаи, культивирование их не целесообразно.

Кроме клубеньковых бактерий к азотпоглотителям относятся анаэроб Azotobacter chroococcum. Это свободно живущие в почве бактерии способные ассимилировать молекулярный азот. Для связывания 20-50 кг азота на 1 Га этими формами бактерий необходимо 1-5т органического вещества типа углеводов при продуктивности азотофиксации 10-20мг азота на 1 г углеводов. Основным источником органических веществ для этого процесса служат корневые выделения растений, наличие растительных остатков в почве, внесение навоза и зеленого удобрения.

Современные представления о механизме азотофиксации основываются на наиболее распространенной аммиачной теории. Еще  С.Н. Виноградский высказал мысль, что конечным продуктом связывания микроорганизмами молекулярного азота является аммиак. Такую точку зрения сейчас разделяют все исследователи. Однако до сих пор еще не выяснены промежуточные этапы превращения молекулярного азота до аммиака. Считают, что есть 2 возможных пути превращения азота – в восстановительный и окислительный. Доказательством этого является тот факт, что при добавлении из вне меченного тяжелым азотом гидразина клетки азотфиксаторов используют его. Промежуточным продуктом может быть гидроксиламин  HONH2 в незначительных концентрациях, которые, вступая в реакцию с различными кетокислотами ( пировиноградная, а-кетоглютановая и др.), образуют окислы, включающиеся в обмен как вещества, менее токсичные чем гидроксиламин. Кетокислоты так же являются акцепторами аммиака. Таким образом, наличие кетокислот является обязательным условием процесса биологической фиксации азота. Участие их в этом процессе тесно связано с действием соответствующих ферментов дегидрогеназ, которые катализируют восстановительное амминирование кетокислот и дезаминирование аминокислот. Так было доказано, что очень активный фермент глютаматдегидрогеназа азотобактеро катализирует синтез глютаминовой кислоты из   а-кетаглютановой кислоты и аммиака по уравнению:

HOOCCH2CH2COCOOH+2H=HOOCCH2CH2CHNH2COOH+H2

Дегидрогеназные системы ферментов считают очень активными как для свободноживущих азотфиксаторов, так для азотфиксаторов симбионтов. Доказано, что борная кислота активирует усвоение молекулярного азота клубеньковыми бактериями, при этом наблюдается усиление окислительных процессов. Известно также, что для процесса азотфиксации микроорганизмам необходимо железо, молибден и кобальт. Считают, что металлы играют существенную роль в процессе хемосорбции молекулярного азота, а затем и в последующих его превращениях.

Процесс хемосорбции молекулярного азота и его активация, как предполагают, осуществляется в митохондриях с участием окислительно-восстановительной ферментативной системы.

Установлено, что у различных азотфиксаторов одна и та же ферментативная система – нитрогеназа, катализирующая превращение молекулярного азота в аммиак, и сопряженную реакцию гидролиза АТФ.

Исследование показало, что нитрогеназа  является типичным металлоферментом и содержит в своем составе железо и молибден. Она состоит из двух белков-олигомеров: Fe-протеина и  Mo-Fe-протеина. Для работы нитрогеназы нужна энергия в виде АТФ, поток электронов и водород. Источниками энергии и донорами электронов у разных азотфиксаторов являются: у фотосинтетиков - фотосинтез, у анаэробов – брожение и аэробов - дыхание.

А.Е. Шилов и Г.И. Лихтенштейн (1979) предложили четырехэлектронный механизм, где тройная связь N=N переходит сразу в одинарную связь производного гидразина  (NН2 – NН2). Было установлено, что энергия в очень прочной тройной связи распределена по связям не равномерно. Более половины всей энергии приходится на первую разрываемую связь, а две остальные связи являются сравнительно слабыми. Таким образом, при разрыве сразу двух связей (и компенсации этой энергии за счет этой энергии четырех образующихся связей) затрачивается меньше энергии, чем при разрыве одной связи. Гидролиз аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) на границе двух протеинов повышает потенциал восстановителя. Электроны передающиеся от внешнего восстановителя к биядерному комплексу азота с трехвалентным молибденом, используются протоны воды; в первой стадии образуется производное гидразина N2Н4.

Аммиак, образующийся в результате азотфиксации, усваивается микробной растительной клетками и является исходным материалом для синтеза аминокислот и белков. Этот синтез происходит с участием ферментов дегидрогеназ – глютаматдегидрогеназы, глютаматсинтезы и глютаминсинтетазы. Аммиак является также фактором, регулирующим интенсивность азотфиксации и активность ферментов, катализирующих реакции усвоения аммиака.

6. Витамины, растворимые в жирах и растворителях жиров.

Витамины делятся на две группы:

1) растворимые в воде, к которым относятся витамин С и группа витаминов В;

2) растворимые в жирах и растворителях жиров (эфире, хлороформе) — A, D, Е, К, называемые липовитаминами.

Длительное отсутствие или резкий недостаток какого-либо витамина в пище вызывает заболевание, называемое авитаминозом. Болезненное состояние, возникающее на почве недостаточного содержания в пище витаминов, носит название гиповитаминоза. Помимо общей слабости, легкой утомляемости, психической подавленности и др., организм становится менее устойчивым к инфекциям.

Витамин А

Витамин А является жирорастворимым витамином и включает ряд близких по составу веществ: таких как ретинол ( витамин А - спирт, витамин А1, аксерофтол), дегидроретинол (витамин А2), ретиналь (ретинен, витамин А-альдегид) и другие. Впервые витамин А был выделен из моркови, поэтому название этой группы веществ Каротиноиды, от английского слова "carrot" - морковь. Кератиноиды содержатся в растениях, некоторых грибах и водорослях, в организме они способны превращаться в витамин А.

Витамин А благотворно сказывается на зрении. Он также необходим для нормального функционирования иммунной системы и является неотъемлемой частью процесса борьбы с инфекцией, защищает организм от простуд, гриппа и инфекций дыхательных путей, пищеварительного тракта, мочевых путей. Ретинол необходим для поддержания и восстановления эпителиальных тканей, из которых состоят кожа и слизистые покровы. витамин А ускоряет процессы заживления, а также стимулирует синтез коллагена, улучшает качество вновь образующейся ткани, не зря в большинстве косметических средств, таких как крема, содержится этот витамин. Как витамин А, так и b-каротин, будучи мощными антиоксидантами, являются средствами профилактики и лечения раковых заболеваний, в частности, препятствуя повторному появлению опухоли после операций.

Содержится витамин А в зеленых и желтых овощах (морковь, тыква сладкий перец, шпинат, брокколи, зеленый лук, зелень петрушки), в бобовых, в персиках, абрикосах, дыне и др. В травах: люцерна, листья бурачника, корень лопуха, кайенский перец, фенхель, хмель, хвощ, ламинария, лимонник, коровяк, крапива , овес, петрушка, мята перечная, подорожник, листья малины, клевер, плоды шиповника, шалфей, толокнянка, листья фиалки, щавель. Также в рыбьем жире, печени, молоке, твороге и икре.

Витамин D (кальциферолы)

Витамины группы D образуются под действием ультрафиолета в тканях животных и растений из стеринов.

Основная функция витамина D - обеспечение нормального роста и развития костей, предупреждение рахита и остеопороза.

Содержится в травах: люцерна, хвощ, крапива, петрушка. Продуктах: яичный желток, сливочное масло, сыр, рыбий жир, икра, молочные продукты.

Витамин E (токоферола ацетат)

Витамин Е также улучшает циркуляцию крови, необходим для регенерации тканей, полезен при предменструальном синдроме и лечении фиброзных заболевания груди. Он обеспечивает нормальную свертываемость крови и заживление; снижает возможность образования шрамов от некоторых ран; снижает кровяное давление; способствует предупреждению катаракт; улучшает атлетические достижения; снимает судороги ног; поддерживает здоровье нервов и мускулов; укрепляя стенки капилляров; предотвращает анемию. В качестве антиоксиданта витамин Е защищает клетки от повреждения, замедляя окисление липидов (жиров) и формирование свободных радикалов.

Основные источники витамина Е - различные растительные масла, cемечки яблок, орехи (миндаль, арахис), турнепс, зеленые листовые овощи, злаковые, бобовые, яичный желток, печень, молоко, овсянка, соя, пшеница и ее проростки. Травы: одуванчик, люцерна, льняное семя, крапива, овес, лист малины, плоды шиповника.

Витамин К относится к группе липофильных (жирорастворимых) и гидрофобных витаминов, необходимых для синтеза белков, обеспечивающих достаточный уровень коагуляции. Химически, является производным 2-метил-1,4-нафтохинона. Играет значительную роль в обмене веществ в костях и в соединительной ткани, а также в здоровой работе почек. Во всех этих случаях витамин участвует в усвоении кальция и в обеспечении взаимодействия кальция и витамина D. В других тканях, например, в легких и в сердце, тоже были обнаружены белковые структуры, которые могут быть синтезированы только с участием витамина К.

7. Понятие о фитогормонах, их физиологическая роль.

Гормоны растений — или фитогормоны, вырабатываемые растениями органические вещества, отличные от питательных веществ и образующиеся обычно не там, где проявляется их действие, а в других частях растения. Эти вещества в малых концентрациях регулируют рост растений и их физиологические реакции на различные воздействия. В последние годы ряд фитогормонов удалось синтезировать, и теперь они находят применение в сельскохозяйственном производстве. Их используют, в частности, для борьбы с сорняками и для получения бессемянных плодов.

Растительный организм – это не просто масса клеток, беспорядочно растущих и размножающихся; растения и в морфологическом, и в функциональном смысле являются высокоорганизованными формами. Фитогормоны координируют процессы роста растений. Особенно отчетливо эта способность гормонов регулировать рост проявляется в опытах с культурами растительных тканей. Если выделить из растения живые клетки, сохранившие способность делиться, то при наличии необходимых питательных веществ и гормонов они начнут активно расти. Но если при этом правильное соотношение различных гормонов не будет в точности соблюдено, то рост окажется неконтролируемым и мы получим клеточную массу, напоминающую опухолевую ткань, т.е. полностью лишенную способности к дифференцировке и формированию структур. В то же время, надлежащим образом изменяя соотношение и концентрации гормонов в культуральной среде, экспериментатор может вырастить из одной-единственной клетки целое растение с корнями, стеблем и всеми прочими органами.

Химическая основа действия фитогормонов в растительных клетках еще недостаточно изучена. В настоящее время полагают, что одна из точек приложения их действия близка к гену и гормоны стимулируют здесь образование специфичной информационной РНК. Эта РНК, в свою очередь, участвует в качестве посредника в синтезе специфичных ферментов – соединений белковой природы, контролирующих биохимические и физиологические процессы.

Гормоны растений были открыты только в 1920-х годах, так что все сведения о них получены сравнительно недавно. Однако еще Ю.Сакс и Ч.Дарвин в 1880 пришли к мысли о существовании такого рода веществ. Дарвин, изучавший влияние света на рост растений, писал в своей книге Способность к движению у растений (The Power of Movement in Plants): «Когда проростки свободно выставлены на боковой свет, то из верхней части в нижнюю передается какое-то влияние, заставляющее последнюю изгибаться». Говоря о влиянии силы тяжести на корни растения, он пришел к заключению, что «только кончик (корня) чувствителен к этому воздействию и передает некоторое влияние или стимул в соседние части, заставляя их изгибаться».