Многие биометаллов (Fе, Мп, Си, Zn, Мо и Co) в растениях взаимодействуют с макромолекулами. Такие макромолекулы принята называть биолигандамы. К природным лигандов следует отнести белки, нуклеиновые кислоты и витамины. Координационные соединения характеризуются прежде координационным числом, т.е. числом атомов, составляющих ближайшее окружение центрального атома - биометаллов (атома комплексообразователя). Металл и его ближайшее окружение составляют внутреннюю сферу координационного соединения. Донорные атомы лиганда размещаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя при этом геометрическую фигуру. Возможность образования комплексов полидентатными лигандами приводит к резкому укреплению комплексов по сравнению с теми, в которых хелатный эффект не наблюдается. Это положение может быть проиллюстрировано на примере координации иона металла в макромолекуле нуклеиновых кислот.
Возможно монодентатне присоединении иона металла к отрицательно заряженному атому кислорода в фосфатной группе и до свободных атомов азота гетероциклов, а также - к атомам или азота кислорода, участвующих в образовании водородных связей. Бидентатне (хелатной) присоединение ионов металлов может осуществляться при участии различных атомов нуклеотида с образованием пятичленных циклов. Но наиболее активными координирующими группами нуклеиновых кислот являются фосфатные.
Итак, електродонорни атомы азота и кислорода гетероциклических оснований, гидроксильные группы рибозы нуклеозидов и фосфатные группы нуклеотидов являются потенциальными центрами связывания ионов металлов.
Ионы металлов, присоединенные к таким центрам в полинуклеотидов, делают на них резкое влияние, вызывая лигандного реакции, сильно изменяют структуру макромолекул.
Участие функциональной группы в связывании металла зависит от двух факторов, а именно: насколько успешно функциональная группа конкурирует с другими соседними и насколько успешно ионы металлов конкурируют с протонами за потенциально донорные атомы.
Теоретические достижения в области изучения структуры и функции биокомплексов нашли практическое применение в растениеводстве. В частности, разработан метод борьбы с известковым хлорозом растений. Вследствие высокого значения рН известковых почв много элементов минерального питания растений, в том числе и железо (III), образуют малорарозчинни карбонаты и гидроксиды, недоступные для усвоения растениями. Естественно, что при таких условиях добавка соединений железа в грунт не дает должного эффекта, поскольку они 'немедленно выводятся из растворимого фазы почвы вследствие образования гидрооксида.
Применение полидентатными реагентов типа комплексонов создало вполне реальную возможность для перевода железа в устойчивый, растворимый и проникающий сквозь клеточную мембрану комплекс железа (III). С этой целью был применен этилендиаминтетраацетат (ЭДТА), эффект от которого наблюдался лишь на умеренно кислых почвах. Комплексы железа с ЭДТА в щелочной среде оказались недостаточно стабильными вследствие выпадения осадка гидроксида железа.
Первоначальный отбор необходимых металлов для жизнедеятельности клетки имел место, пожалуй, на стадии образования биосферы в гидросфере Земли. Многие элементы могли выполнять роль катализаторов в виде свободных ионов. Результатом эволюции функций появилось усложнение структуры за счет образования комплексов с органическими соединениями, что дало начало в первую очередь ферментным системам. В связи с эволюцией автотрофного способа питания растительных организмов увеличивалась доля участия металорганичних комплексов во внутриклеточном метаболизме. Согласно данным Е. А. Бойченко (1977), изменения металлов в эволюции функций можно представить следующим образом:
Полифункциональность неорганических ионов оказалась, пожалуй, основным критерием отбора их в процессе химической эволюции. Основная роль этих ионов - окислительно-восстановительная.
Окислители и восстановители всегда функционируют как сообщающиеся окислительно-восстановительные пары (редокс-пары), подобно тому, как кислоты и основания функционируют как сообщающиеся кислотно-основные пары.
Цепь переноса электронов может включать большое число переносчиков, которые можно рассматривать как функциональные ансамбли, действующих в определенной последовательности. Особый интерес представляет негеминовое и геминовое железо. На его примере хорошо прослеживается совершенствование окислительно-восстановительных систем. Сине-зеленые водоросли, которые широко распространились еще в период докембрия и оказались первыми фотосинтетики, что выделяли кислород, содержащих наибольшее количество железа (до 1% на сухое вещество). Как утверждает Е. А. Бойченко и др.. (1979), в ходе эволюции сине-зеленых водорослей отмечается постепенный рост доли других металлов относительно железа. Рост окислительных процессов в клетках связано с накоплением в них кобальта, никеля и позже меди. С этой тенденцией gjвьязане дальнейшее возникновение новых ферментов и включения дополнительно к железу второго металла в молекуле таких ферментов, как гидрогеназы (Fе и Мо; Fе и Мn), редуктаза углекислоты (Fе и Мо), ксантиноксидаза (Fе и Мо), цитохромоксидаза (Fе и Си). В результате образования в белках двухядерных комплексов с участием металлов растут активность и эффективность катализа. Эволюция окислительно-восстановительных систем происходила главным образом в направлении возможности окисление веществ с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом.
Координация органических молекул с ионами металлов существенно изменила их реакционную способность. В результате присоединения их к положительно заряженного иона металла электронная плотность смещается в направлении этого иона. Поляризация лиганда, как правило, увеличивает кислотность атомов водорода при донорных атомов, облегчает атаку лиганда нуклеофилами и затрудняет атаку електрофиламы (отметим, что атомы или группы атомов, окружающих центральный атом металла, называются лигандами, а атомы, непосредственно присоединенные к металлу, называются донорными атомами) .1
Центральным вопросом минерального питания растений является азотное питание, что, как известно, является наиболее лимитирующим продуктивность растений. Азот вместе с углеродом, кислородом и водородом образует группу так называемых элементов-органогены. Количество азота в составе сухого вещества растений невелика - она обычно колеблется от 1 до 3%. В среде, окружающей растение, азот находится в двух формах: в виде газообразного азота атмосферы, что составляет 78,2% воздуха (по объему), и в виде различных органических и неорганических соединений, подавляющая часть которых сосредоточена в почве, морях и океанах . Более 99% азота почвы находится в недоступной для растений органической форме.
Растениям недоступный огромный запас газообразного азота, находящегося в воздухе, а с большой розманитности соединений азота, встречающиеся в почве, они могут использовать для питания в основном только минеральные формы этого элемента. Поэтому вопрос о превращении соединений азота в почве под воздействием микроорганизмов привлекает к себе большое внимание. Большинство таких преобразований осуществляется путем нитрификации, денитрификации, аммонификация, иммобилизации и азотфиксации.
Комментариев нет:
Отправить комментарий