Физиологическая роль металлов в жизнедеятельности растительных организмов

К тяжелым металлам относят металлы с удельным весом более 4.5 г/см3. Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, они могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает среднепланетарные уровни. Большинство металлов, присутствуя в живых организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ. Соотношение их концентраций в организмах выработалось на протяжении всего хода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений вызывают отрицательные, часто губительные, последствия для живых организмов. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов, непременным условием поддержания и развития современной цивилизации, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей биосферы.

По биологической роли в живых организмах тяжелые металлы включают в себя как типичные микроэлементы (Co, Cu, Zn, Mo, Cr, Mn, Ni, V), биохимические функции которых подробно изучены, так и металлы, чья биологическая роль в живых организмах не столь многогранна и важна или вообще сомнительна (Sc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, W, La и лантаноиды, Hf, Pt, Au, Hg, Pb, As, Ge, Sn, Sb, Tl, Bi и другие).

Все химические элементы, в том числе и тяжелые металлы, в определенном количестве необходимы растительному организму. Элементы, из которых состоят растения, можно условно разделить на две группы. В одну входят структурные элементы, из которых построены молекулы основных органических соединений (белков, жиров, углеводов), в другую - функциональные. Последние активно участвуют в синтезе структурных соединений, но, как правило, не входят в них. Функциональные элементы обладают высокой биологической активностью, часто являются кофакторами различных ферментов, влияют на проницаемость биомембран, способствуют лучшему перераспределению метаболитов внутри растения [1]. Микроэлементы (к которым относятся многие тяжелые металлы) в основном являются функциональными элементами, так как входят в состав ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. По абсолютному их содержанию в растительном веществе тяжелые металлы можно разделить на четыре групп: элементы повышенной концентрации - Mn, Zn, Fe; средний - Cu, Ni, Pb, Cr; низкой - Co, Mo, Cd, Sn; очень низкой - Hg, Ag [2].

Исключительно велика каталитическая роль микроэлементов, особенно в окислительно-восстановительных процессах. Медь играет важную роль в ходе ферментативного катализа, в частности, во время его первой стадии, т.е. во время связывания субстрата ферментом [3]. К настоящему времени в биологических системах обнаружен ряд медьсодержащих протеинов, и частности связанный с кислородом гемоцианин, цитохромная оксидаза, тиросиназа и лакказа. Медь, как и железо, участвует в природной селекции аэробных клеток и в эволюции металлопротеинов и металлоферментов. Последнее выражается в развитии Сu-Zn-фермеитов (сверхкислая дисмутаза), Fe-Сu-ферментов и богатых кислородом белков. Во всех названных протеинах медь связывается с лигандами азота, кислорода и (или) серы. Вместе с тем доминирующая роль меди в биологических системах определяется ее способностью стабилизировать серные радикалы.

Многочисленными исследованиями растительных организмов доказано положительное влияние меди на интенсивность фотосинтеза, дыхание, перераспределение углеводов, восстановление и фиксацию азота, проницаемость сосудов ксилемы для воды. Сu контролирует образование ДНК и РНК, оказывает влияние на механизмы, определяющие устойчивость к заболеваниям.

К числу давно известных и широко представленных в растении активируемых медью окислительных ферментов относятся энзимы фенолазного комплекса и аскорбатоксидаза. Предполагаемый механизм действия этих катализаторов включает образование комплексов меди с кислородом и изменение валентности металла фермента в ходе реакции.

Медь активирует процесс фиксации молекулярного азота. Медь является единственным элементом, улучшающим рост в условиях аммиачного питания. Растения на среде с аммиаком при хорошей аэрации и в присутствии меди были сравнимы по росту с растениями на нитратном фоне. Участие меди в фотосинтезе подтвердилось присутствием в хлоропластах цитохромоксидазы и последующего открытия в хлоропластах пластоцианина, который встречается исключительно в фотосинтезирующих органах, зеленых частях растений. Многие медь-содержащие ферменты [4] катализируют восстановление О2 до Н2О2 или Н2О. Окисляя монофенолы, медь принимает участие в образовании сложных биополимеров, таких как лигнин и меланин.

Марганец является катализатором в процессах дыхания и усвоения нитратов. Показано [5], что марганец при нитратном питании выступает в роли восстановителя, а при аммиачном - как окислитель. При недостатке марганца в растениях разобщаются процессы фотосинтеза и биосинтеза нуклеиновых кислот, снижается содержание ионов калия, а содержание натрия, калия, магния, нитратов, фосфатов возрастает, что, очевидно, связано с увеличением проницаемости клеточных мембран и с активным накоплением их в вакуолях против градиента концентрации. Недостаток марганца сопровождается повышением в корнях удельного веса фосфолипидов, холин- и инозитфосфатидов, что так же может быть связано с изменением проницаемости мембран.

Перейти на страницу: 1 2 3

Другие статьи

Микробиологическая очистка. Описание применяемых препаратов
В природе, не подвергающейся вмешательству человека, экосистема настроена на самоочищение т.е. природа сама справляется с переработкой более не нужного ей (мертвого) органического материала ...

Гармония человека и природы
Резко проявившиеся в последние годы отрицательные для природы и самого человека последствия антропогенной деятельности заставляют пристальнее всмотреться в систему экологических взаимоотнош ...

Контроль качества природных и сточных вод на биоиндикаторе Daphnia magna Strauss.
Биотестирование наряду с биоиндикацией является обязательным элементом современной системы контроля качества вод. Подробную современную формулировку биотестирования дают А. А. Зенин и Н. Б. Белоусов ...