Свободнорадикальное окисление и его роль в системе «почва-растение»
Автор: Василевская Яна Юрьевна,11 класс, самарский медико-технический лицей, г. Самара, e-mail: *****@***ru
Научный руководитель: , доцент кафедры медицинских диагностических систем Самарского Государственного Аэрокосмического Университета (СГАУ), кандидат медицинских наук.
Содержание Стр.
Введение…………………………………………………………………………………………. 2 Глава I. Свободнорадикальные реакции и методы их изучения………………………….2
Первые шаги в изучении свободных радикалов……………………………………………2
Реакции с участием активных форм кислорода……………………………………………3
1.3 Свечение при реакциях цепного окисления липидов…………………………………..4
1.4 Хемилюминесценция в реакциях с участием окиси азота…………………………….6
1.5 Биохимические методы изучения реакций с участием
свободных радикалов……………………………………………………………………………8
Глава II. Растительные пигменты…………………………………………………………….9
Глава III. Биохимические процессы поглощения растениями азота…………………..11
Цель исследования……………………………………………………………………………..12
Задачи……………………………………………………………………………………………..12
Глава IV. Практическая часть…………………………………………………………………13
4.1 Методика и техника исследования………………………………………………………13
4.2 Объем исследования………………………………………………….…………………..13
4.3 Полученные результаты и их обсуждение…………………………………………….13
Выводы……………………………………………………………………... ……………………17
Заключение………………………………………………………………………………………18
Библиографический список………………………………………………. …………………18
Введение.
Реакции растений на химические стрессы, вызванные избытком химических элементов в окружающей среде, нельзя рассматривать как определенные раз и навсегда. Следует учитывать, что у растений в ходе процесса эволюции и в течение жизни индивида (онтогенез и филогенез) вырабатываются механизмы, приводящие к адаптации и нечувствительности к изменению и нарушению химического баланса в окружающей среде. Способность перерабатывать химические элементы у растений весьма изменчива. Поэтому реакции растений на изменение состава почвы должны всегда исследоваться для конкретной системы «почва-растение». [6, 7, 11, 13]
Гипотеза: В связи с накоплением химических веществ органического и неорганического характера в почве усиливается свободнорадикальное окисление (СРО), небезразличное для биологических структур, в частности, для мембран корневой системы. Меняющееся взаимоотношение в системе «почва-растение» сказывается на свойствах растений. Так, ионы металлов в условиях СРО изменяют свои токсические свойства. Но если у мембран корневой системы растений в основе гелевые структуры, которые могут изменять скорость химических реакций, то у почвы такие свойства выражены слабо. Усиление гелевых структур почвы представляет научный интерес как для выявления защитных механизмов от токсичных продуктов СРО, так и для изменения качества растений, в частности, избирательного накопления в них определенных органических структур.
Глава I. Свободнорадикальные реакции и методы их изучения.
1.1. Первые шаги в изучении свободных радикалов.
Известно, что в органических молекулах, включая те, из которых состоит организм человека, электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами – одна пара на каждой орбитали. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Можно дать следующее определение:
Свободные радикалы – это молекулярные частицы, имеющие неспаренный электрон на внешней электронной оболочке. Их изучение ведется методами ЭПР, хемилюминесценции и с помощью ингибиторов.
Первая экспериментальная работа, подтверждающая образование семихинонов - промежуточных продуктов одноэлектронных стадий, имеющих свободнорадикальный характер, принадлежит Хаасу, который обнаружил появление промежуточного окрашенного соединения фермент-субстратного комплекса свободно-радикального типа. Затем Теорелл, Чанс и ряд других авторов провели целый ряд важных работ по изучению быстрых одноэлектронных стадий в окислительно-восстановительных ферментативных процессах. Однако наиболее существенный шаг вперед был сделан в работе Коммонера, Таундсена и Пейка, в которой впервые зарегистрированы свободно-радикальные состояния в метаболизирующих тканях и клетках животного и растительного происхождения методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). По амплитуде и форме сигналов (спектров) ЭПР можно судить о существовании непарных электронов в образце, определять их концентрацию, а иногда и выяснить, какова химическая структура радикалов, которые эти непарные электроны содержат. Не менее эффективным методом изучения реакций с участием радикалов оказался метод хемилюминесценции. Хемилюминесценцией называется свечение, сопровождающее химические реакции. Она наблюдается в том случае, если в реакции происходит выделение большого количества энергии, направленной в реакции взаимодействия двух радикалов или в реакциях с участием перекисей. Помимо этого слабым свечением сопровождается образование свободных радикалов при действии некоторых физических факторов на объект: при ионизирующей радиации наблюдается радиохемилюминесценция, после облучения ультрафиолетовым (УФ) или видимым светом – фотохемилюминесценция, при пропускании электрического тока – электролюминесценця, при действии ультразвука – сонохемилюминесценция, при воздействии сил трения – триболюминесценция. [3]
1.2 Реакции с участием активных форм кислорода.
Активными формами кислорода (АФК) обычно называют перекись водорода (Н2О2), гипохлорит (ClO-) и кислородные радикалы: супероксид и радикал гидроксил (НО.). Главным источником АФК в организме человека и животных служат клетки-фагоциты: гранулоциты и моноциты крови и тканевые макрофаги. Мембраны фагоцитов содержат ферментативный комплекс НАДФ–оксидазу, который окисляет НАДФ. Н2 до НАДФ+ за счет восстановления двух молекул кислорода до супероксидного радикала:
НАДФ. Н2 + 2О2 НАДФ+ + 2О2
При взаимодействии (диспропорционировании) двух супероксидных радикалов образуется перекись водорода и кислород:
О2 + О2 + 2Н+ Н2О2 + О2
Фагоцит выделяет в окружающую среду не только АФК, но и несколько ферментов, среди которых важнейший – миелопероксидаза, катализирующая реакцию образования гипохлорита из аниона хлора и перекиси водорода:
Н2О2 + Cl- Н2О + ClO-
Кроме того, в присутствие ионов металлов переменной валентности, например железа, происходит образование радикалов гидроксила из перекиси водорода (реакция Фентона) и гипохлорита (реакция Осипова):
Н2О2 + Fe2+ Fe3+ + НО - + НО.
ClO - + Fe2+ Fe3+ + Cl - + HO.
Эти реакции приводят к печальным последствиям для окружающих клеток. Радикал гидроксила чрезвычайно активен химически и разрушает почти любую встретившуюся ему молекулу. Действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокислотные остатки белков, НО. вызывает денатурацию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах НО. разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и, таким образом, разрывает цепи ДНК и РНК, в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Внедряясь в липидный слой клеточных мембран, радикал гидроксила запускает реакции цепного окисления липидов, что приводит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток. Таким образом, радикал НО. - это радикал-разрушитель.
Таким образом, активированные фагоциты для борьбы с чужеродными клетками образуют большое количество АФК, которые могут при взаимодействии друг с другом и с другими молекулами испускать кванты света в виде хемилюминесценции.
1.3 Свечение при реакциях цепного окисления липидов.
Одна из главных составляющих собственной (неактивированной) хемилюминесценции животных клеток и тканей – свечение, сопровождающее цепное окисление липидов в мембранных структурах клеток и липопротеинах крови. Эта реакция идет с участием свободных радикалов липидов (L.) и липопероксидов (LOO.), которые образуют цепи окисления.
Реакция цепного окисления липидов.
НО. LH L. LOO. L.
HOH LOOH
Время от времени радикалы, ведущие цепь окисления, взаимодействуют друг с другом. В реакции взаимодействия двух радикалов липопероксида (LOO.) образуются молекулы кетона и кислорода в электронно-возбужденном состоянии, которые затем переходят в основное состояние, испуская квант света (фотон).
Чем больше радикалов LOO. в системе, т. е., чем энергичнее идут цепные реакции окисления липидов, тем выше интенсивность хемилюминесценции, сопровождающей реакцию радикалов. Вещества, реагирующие со свободными радикалами и тем самым тормозящие цепное окисление липидов (антиоксиданты), одновременно подавляют хемилюминесценцию. Именно подавление собственной хемилюминесценции тканей и клеток такими антиоксидантами, как, например, токоферол (витамин Е), указывает на то, что это свечение обусловлено реакциями цепного окисления липидов. С другой стороны, изучая влияние различных природных и синтетических соединений на кинетику ХЛ, можно судить о способности этих веществ защищать организм от вредного действия свободных радикалов и тем самым отбирать кандидатов на определенные лекарства.
Увеличенное образование свободных радикалов в организме, которое иногда называют оксидативным стрессом, и связанное с этим усиление процессов пероксидации липидов сопровождаются нарушениями в свойствах биологических мембран и функционировании клеток. Наиболее изучены три основных следствия перекисного окисления липидов.
Первое: перекисное окисление липидов сопровождается окислением тиоловых (сульфгидрильных) групп мембранных белков (Pr). Это может приводить к неферментативной реакции SH-групп со свободными радикалами липидов. При этом образуются сульфгидрильные радикалы, которые затем взаимодействуют с образованием дисульфидов или окисляются кислородом с образованием производных сульфоновой кислоты:
Pr-SH + L. LH + Pr-S.,
Pr1-S. + Pr2-S. Pr1-SS-Pr2,
Pr1-S. + O2 Pr-SO.2 молекулярные производные.
Большую роль в патологии клетки играет также инактивация ион-транспортных ферментов, в активный центр которых входят тиоловые группы, в первую очередь Са-АТФазы[4]. В числе причин поражения Са-АТФазы у больных с гипертонической болезнью называют активацию процессов с участием свободных радикалов. Так в модельных опытах с изолированными везикулами саркоплазматического ретикулума было показано, что Са-АТФаза очень чувствительна к перекисному окислению липидов, при котором происходит окисление SH-групп, входящих в активный центр фермента. Са-АТФаза, перестав качать ионы кальция; превращается из насоса в канал для кальция, через который эти ионы начинают переноситься не из цитозоля в ретикулум, как им полагается, а, наоборот, из ретикулума, где их концентрация выше, в цитоплазму, где их концентрация ниже. Подобного типа повреждение кальциевых насосов происходит нередко. Хорошо известна роль свободных радикалов в развитии дегенеративных болезней, включая рак, многие интоксикации, болезни, связанные с атеросклерозом и иммунными нарушениями. Во многих случаях повреждение Са-АТФаз свободными радикалами может играть не последнюю роль в зарождении и развитии заболевания. Наконец, окисление тиоловых групп мембранных белков приводит к появлению дефектов в липидном слое мембран клеток и митохондрий. Под действием разности электрических потенциалов на мембранах через такие поры в клетки входят ионы натрия, а в митохондрии – ионы калия. В результате происходят увеличение осмотического давления внутри клеток и митохондрий и их набухание. Это приводит к еще большему повреждению мембран.
Второй результат перекисного окисления липидов связан с тем, что продукты пероксидации обладают способностью непосредственно увеличивать ионную проницаемость липидного бислоя. Так, показано, что продукты перекисного окисления липидов делают липидную фазу мембран проницаемой для ионов водорода и кальция. Это приводит к потере митохондриями способности осуществлять синтез АТФ, и клетка оказывается в условиях энергетического голода. Одновременно в цитоплазму выходят ионы кальция, которые повреждают клеточные структуры.
Третий (возможно, самый важный) результат пероксидации – это уменьшение стабильности липидного слоя, что может привести к электрическому пробою мембраны собственным мембранным потенциалом, то есть под действием разности электрических потенциалов, существующей на мембранах живой клетки. Электрический пробой приводит к полной потере мембраной её барьерных функций.
В нормальных условиях процесс перекисного окисления липидов находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, отчего скорость его невелика. Принято делить химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость перекисного окисления липидов, на прооксиданты, усиливающие процессы пероксидации, и антиоксиданты, тормозящие процессы перекисного окисления липидов.
1.4 Хемилюминесценция в реакциях с участием окиси азота.
Окись азота (NO) – это газ, хорошо растворимый в воде и обладающий высокой реакционной способностью. Последнее связано с тем, что NO – свободный радикал (NO.). Любопытно, что само открытие выделения окиси азота клетками человека и животных было сделано в 1984 году методом хемилюминесценции, правда, не в растворе, а газовой фазе. При смешивании окиси азота и озона наблюдается яркая хемилюминесценция, и в 80-е годы газовые хемилюминометры для определения окиси азота выпускались в промышленном масштабе. К концу 80-х годов биологическая роль окиси азота уже ни для кого не была секретом. Его первая расшифрованная функция – расслабление стенок кровеносных сосудов (вазодилатация), которое, в свою очередь, приводит к улучшению кровоснабжения органов и снижению общего кровяного давления. Вскоре оказалось, что NO выделяется клетками-фагоцитами и участвует в борьбе организма-хозяина с микроорганизмами. Сейчас хорошо известно, что окись азота выделяется очень многими типами клеток и является одним из основных регуляторов внутриклеточных процессов.
Участие нитроксида в собственной хемилюминесценции тканей животных было показано в опытах Джулио Терренса и его сотрудников, которые изучали свечение перфузируемого легкого. Оказалось, что свечение снижается на 85% при введении в перфузат нитро-L-аргинина, ингибитора NO-синтетазы - фермента, катализирующего образование окиси азота в живых клетках. Свечение удавалось наблюдать также в растворах, содержащих окись азота, супероксидные радикалы и какой-нибудь белок. Известно, что при реакции окиси азота и супероксида образуется пероксинитрит - токсичное соединение. По-видимому, именно реакция пероксинитрита с белком приводит к свечению, которое вносит существенный вклад в хемилюминисценцию всего органа.
Надо заметить, что природа процессов, определяющих собственное свечение тканей, может меняться при изменении состояния этой ткани. В опытах того же автора было показано, что у животных с воспалением легких ингибитор NO-синтетазы слабо влиял на свечение органа, зато свечение снижалось антиоксидантами – супероксиддисмутазой и ловушками липидных радикалов. Логичен сделанный вывод, что при воспалении на первый план выходят реакции, связанные с активацией клеток-фагоцитов и образованием активных форм кислорода, а затем липидных перекисей, тогда как в норме за свечение ответственны реакции окиси азота.
Хемилюминесценция, сопровождающая реакции свободных радикалов характеризуется низкой интенсивностью свечения. Существует целых три причины, объясняющие это. Во-первых, сама концентрация радикалов в биологических системах очень мала из-за высокой химической активности, поэтому малы и скорости реакций, сопровождающихся свечением. Во-вторых, не всякое химическое взаимодействие радикалов непременно приводит к образованию электронно-возбужденных молекул продуктов реакции. Напротив, в подавляющем большинстве окислительно-восстановительных взаимодействий между молекулами или радикалами электрон переносится не на уровень возбужденного состояния, а на самый нижний свободный уровень и последующего высвечивания кванта не происходит. В-третьих, даже если и образовалась возбужденная молекула продукта, вероятность того, что высветится квант, а не произойдет растрата энергии в тепло, тоже обычно очень мала. Две последние причины приводят к тому, что квантовый выход хемилюминесценции в случае реакции двух перекисных радикалов всего 10-8 – 10-10. Это происходит потому, что квантовый выход образования возбужденных молекул продукта равен всего 10-4 -10-5, а квантовый выход люминесценции продукта составляет для кетонов, образующихся при взаимодействии перекисных радикалов, в свою очередь около10-4 -10-5 . Выходит, что общий квантовый выход хемилюминесценции составляет всего лишь Qхл. = Qвозб. ´ Qлюм. = 10-8 -10-10. Отсюда понятна стратегия для использования хемилюминесценции как метода обнаружения радикалов.
1.5 Биохимические методы изучения реакций с участием свободных радикалов.
Такие методы изучения свободнорадикальных реакций, как метод хемилюминесценции и метод электронного парамагнитного резонанса относятся к методам биофизики. Но существуют также биохимические методы изучения реакций, в которых участвуют свободные радикалы. Радикалы обладают высокой реакционной способностью, и изучать их обычными химическими методами невозможно. Важную роль при решении таких вопросов играет так называемый ингибиторный анализ. Классическим примером может служить применение фермента супероксиддисмутазы (СОД). Этот фермент, открытый Дж. Мак-Кордом и И. Фридовичем около тридцати лет назад, катализирует реакцию взаимодействия (дисмутации) двух супероксидных радикалов с образованием перекиси водорода и молекулярного кислорода. Открытие СОД совершило революцию в умах биохимиков: если есть фермент, удаляющий кислородные радикалы и специально вырабатываемый живыми клетками (и, как выяснилось, широко распространенный в живой природе), то ясно, что и сами радикалы существуют в природе и почему-то их надо обязательно удалять. Постепенно СОД стали широко использовать во всех исследованиях, где изучают роль супероксида в том или ином процессе, будь то индивидуальная биохимическая реакция или развитие болезни у лабораторных животных или человека. Если добавление СОД тормозит изучаемый процесс, значит, для его протекания необходим супероксид-радикал. Остается выяснить, в какой именно реакции этот радикал участвует. Ингибиторный анализ используют и для изучения реакций с участием других радикалов. Так, для выяснения участия в каком-нибудь процессе реакций цепного окисления липидов используют жирорастворимые ловушки липидных радикалов, которые «ведут» цепи окисления. К числу таких ловушек относятся токоферол (витамин Е) и некоторые синтетические соединения, например трет-бутилгидрокситолуол (ионол). Водорастворимые радикалы эффективно перехватываются аскорбиновой или мочевой кислотой. Для улавливания радикалов гидроксила (НО.) используют маннитол или бензойную кислоту, а иногда этанол. Надо, однако, сказать, что далеко не всегда ловушки специфичны: многие из них реагируют не только с радикалами, но и с достаточно активными молекулами.
Глава II. Растительные пигменты.
Изучение оптических свойств листьев и поглощения ими света имеет большое значение для понимания общих принципов усвоения солнечной энергии, механизмов фотосинтеза и адаптационных процессов в растениях. Необходимо также отметить, что изучение этих механизмов очень важно при интерпретации данных, полученных с помощью дистанционного оптического зондирования.
Поглощение квантов света в видимой части спектра (400-700 нм), которые имеют достаточную энергию для осуществления фотосинтеза, обладают органические соединения (пигменты), содержащие системы сопряженных связей. В клетках эволюционно более древних фотосинтезирующих организмов (бактерии, водоросли) присутствуют разнообразные соединения (хлорофиллы, бактериофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины), способные при определенном их сочетении обеспечить акцептирование солнечного излучения во всей видимой (и даже в ближней инфракрасной) части спектра. Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во многом зависят от условий обитания организмов. Пигменты фотосинтеза у высших растений значительно менее разнообразны.
В листьях (хлоропластах) высших растений присутствуют два хлорофилла (a и b), представляющие собой Mg-содержащие порфирины. Основная их часть включена в состав светособирающих комплексов, обеспечивает поглощение и передачу световой энергии на так называемые реакционные центры. В этих центрах, которые содержат лишь небольшую часть общего хлорофилла а, и осуществляются первичные фотосинтетические реакции. Кроме хлорофиллов в фотосинтетических мембранах всегда присутствуют желтые пигменты - каротиноиды (как правило, пять типов). Каротиноиды выступают также в роли светосборщиков и наряду с этим играют важную роль в защите фотосинтетического аппарата от фотоповреждений. В растворах как хлорофиллы, так и каротиноиды обладают интенсивными, узкими и достаточно далеко отстоящими друг от друга полосами поглощения света. Хлорофиллы эффективно поглощают синий, красный и очень слабо - зеленый свет. Спектры пигментов существенно уширяются и в значительно большей степени перекрываются в хлоропластах, которые можно легко выделить из ткани листа. Это связано с тем, что в отличие от растворов в хлоропластных мембранах пигменты ассоциированы с белками, липидами и взаимодействуют друг с другом. В результате этого достигается передача (миграция) энергии от светосборщиков на реакционные центры [10]. Еще более сглажены и сложны спектры поглощения листьев.
Часть света, падающего на лист, отражается от него. Различают зеркальное (на гладких, блестящих поверхностях) и диффузное отражения. Отражение листьев определяется главным образом диффузным отражением. Свет, проникая в толщу листа, сильно рассеивается и многократно изменяет свое направление. Это связано с тем, что как на поверхности, так и в толще листа существует множество поверхностей раздела, обладающих различными коэффициентами преломления (кутикула, эпидермис, клетки паренхимы, заполненные воздухом межклетники). Сходные эффекты происходят при прохождении света через клетки (различия в коэффициентах преломления между воздухом, жидкой фазой, клеточными стенками, рассеивание на субклеточных структурах). В результате при отсутствии сильного поглощения оптические пути света значительно увеличены по сравнению с геометрической толщиной листа. Благодаря этому листья поглощают значительно больше света, чем экстрагированные из них пигменты или изолированные хлоропласты [10].
Лучи разного цвета (длины волны) поглощаются неодинаково. Зеленые листья обладают очень высоким поглощением (низким отражением и пропусканием) в фиолетовой, синей, голубой и красной частях спектра. В этих областях поглощение мало зависит от концентрации хлорофиллов, что объяснятся тем, что в сильно рассеивающей среде и при высокой концентрации пигментов свет практически полностью поглощается уже у поверхности листа. Значительно большая часть излучения отражается и проходит через лист в области 520-580 нм, именно поэтому лист выглядит зеленым. Таким образом, зеленый свет, несмотря на низкие коэффициенты удельного поглощения хлорофилла в этой спектральной области, эффективно поглощается и достаточно равномерно заполняет ткань листа. Это имеет большое значение для фотосинтеза теневых, расположенных внутри кроны листьев, поскольку свет, отраженный или прошедший через расположенные выше листья, обогащен зелеными лучами [7, 10]. Интересно, что максимум спектральной чувствительности зрения у человека и многих наземных позвоночных расположен именно в зеленой области. Это, вероятно, является следствием того, что эволюция животных протекала в окружении растений, и можно понять, почему животные в своей жизнедеятельности используют эту часть солнечного излучения.
Глава III. Биохимические процессы поглощения растениями азота.
Среди органогенных элементов азот играет одну из важных ролей в жизни растений, несмотря на то, что в сухой массе растительных тканей его содержится всего 1–3%. Невысокая урожайность многих сельскохозяйственных культур чаще всего определяется недостатком именно азота. Для формирования урожая зерновых культур 2–3 т с одного гектара необходимо 150–200 кг азота в доступной для растений минеральной форме при общем содержании его в почве от 5 до 15 т на 1 га. При недостатке азота в среде обитания тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность.
Одно из ранних проявлений азотного дефицита – бледно-зеленая окраска листьев, вызванная ослаблением синтеза хлорофилла. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла прежде всего в нижних, более старых листьях и оттоку растворимых соединений азота к более молодым листьям. Вследствие разрушения хлорофилла окраска нижних листьев в зависимости от вида растения приобретает желтые, оранжевые или красные тона, а при сильно выраженном азотном дефиците возможно появление некрозов (омертвление). Азотное голодание приводит к сокращению периода вегетативного роста и более раннему созреванию семян. Вот почему вопрос об источниках азота для растений представляет большой интерес.
Растения потребляют в основном почвенный азот, причем даже в том случае, когда в почву вносятся высокие дозы минерального азота, т. к. это способствует минерализации органического вещества почвы.
Процесс превращения органического азота почвы в NН4+ носит название аммонификации. Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами (питаются готовыми органическими веществами) и схематически может быть представлен следующим образом:
органический азот почв RNН2 + СО2 + побочные продукты,
RNН2 + Н2О = NH3 + RОН,
NН3 + Н2О = NH4+ + ОH–.
Биологическое окисление NН3 или NH4+ до NO3– называется нитрификацией.
Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц доказали опытным путем биологическую природу нитрификации. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ, в результате чего прекращалось окисление аммиака. Основная заслуга в раскрытии механизма нитрификации и выделении осуществляющих этот процесс микроорганизмов принадлежит выдающемуся российскому микробиологу С. Н.Виноградскому. В 1889 г. он открыл бактерии нитрификации и определил две фазы этого процесса.
Бактерии первой фазы окисляют аммиак до азотистой кислоты:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O.
В ходе второй фазы образовавшаяся азотистая кислота окисляется до азотной:
2HNO2 + О2 = 2НNO3
Превращение молекулы азота в аммиачную форму происходит следующим образом. Молекула азота двухатомна, связь между атомами тройная, и поэтому энергия термической диссоциации молекулы N2 велика (941,64 кДж/моль). Для разрыва этих связей, например при получении аммиака, требуется давление около 30 МПа, температура приблизительно 500 °С и катализатор, состоящий из Fe, активированного К2О, Аl2O3, СаО и др.
Биологическая фиксация N2 происходит при нормальных температуре и давлении благодаря высокой эффективности ферментативной системы данных микроорганизмов – нитрогеназе. Последняя состоит из Мо-Fe-белка (собственно нитрогеназа) и Fе-белка (редуктаза нитрогеназы). Активностью обладает лишь комплекс обоих компонентов.
Молекулярный азот связывается и восстанавливается на Мо-Fe-белке, а Fe-белок служит источником электронов для этого процесса. Процессу биологической азотфиксации также необходим постоянный приток энергии в форме АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Это обеспечивается благодаря дыханию и брожению, происходящим в микроорганизмах или в результате фотосинтеза. [1].
В связи с изложенным были определены цели и поставлены задачи исследования:
Целью исследования было изучение влияния СРО в системе «почва-растение» на биологические показатели растений, в частности, антиоксидантную защиту, и степень накопления в них органических веществ.
Задачи:
1. Выявить роль СРО в системе «почва-растение» в характере развития растений и накопления в них органических веществ. Исследовать антиоксидантную характеристику растений в этих условиях.
2. Определить характер изменений в растениях при смещении в системе «почва-растение» скорости химических реакций за счет увеличения в почве гелевых структур.
3. Показать оптимальные условия для усвоения азота растениями при повышении СРО в почве и изменении звена «почва-растение» за счет гелевых структур.
Глава IV. Практическая часть.
4.1 Методика и техника исследования.
Использовались зерна овса, которые высаживались
*в обычную почву и поливались водой (1 серия),
*в обычную почву и поливались 1% раствором Н2О2 (2 серия),
*в почву «гель+азот» и поливались водой (3 серия),
*в почву «гель+азот» и поливались 1% раствором Н2О2 (3 серия).
На десятый день после посадки зерен у них определялись и регистрировались:
v всхожесть (подсчет количества зерен, давших всходы из 100 посаженных; в %.),
v интенсивность роста (измерение длины ростков; в см),
v вес зеленой массы (в г.)
v оптическая плотность водных экстрактов в зависимости от длины волны
v антиоксидантная способность водных экстрактов (в мл 0,1% КмnO4 на 100 мл водной вытяжки из листьев)
4.2 Объем исследования.
Были проделаны 4 серии опытов, в каждом из которых проводились 5 повторов всех исследований.
4.3 Полученные результаты и их обсуждение.
Через 10 дней после посадки растения дали показатели, отраженные в табл. №1 на диаграммах 1a,1b,1c.
Таблица1
Н2О | Н2О2 | Н2О+азот | Н2О2+азот | |
длина (см) | 12 | 14 | 13 | 13,5 |
всхожесть (%) | 60 | 80 | 70 | 85 |
масса (г на 100 рост.) | 10,0 | 13,0 | 12,0 | 17,0 |
Диаграмма 1a
 |
Диаграмма 1 b
 |
Диаграмма 1 c
 |
Просматривается четкая зависимость увеличения всхожести и зеленой массы овса в присутствии Н2О2 , а гелевые структуры усиливают этот эффект. Сканированием светопоглощения водной вытяжки из зеленой массы на КФК-3 были получены данные табл.№2 Графически это отражено на диаграмме 2a.
Таблица 2
длина волны (в нм) | оптическая плотность (D) | |||
Н2О | Н2О2 | Н2О+азот | Н2О2+азот | |
650 | 0,380 | 0,510 | 0,440 | 0,444 |
550 | 0,326 | 0,489 | 0,390 | 0,420 |
450 | 0,721 | 0,859 | 0,799 | 0,732 |
Диаграмма 2a
На основе полученных результатов была выявлена зона поглощения для хлорофилла (650 и 550 нм) и каротиноидов (450 нм). При этом масса хлорофилла увеличилась при усилении СРО и гелевых образований, а каротиноидов только за счет СРО.
Результаты исследования антиоксидантной активности вытяжки из зеленой части растений представлены в табл. №3 и на диаграмме 3a.
Таблица 3
Н2О | Н2О2 | Н2О+азот | Н2О2+азот | |
антиоксидант. спос-ть | 12 | 10 | 14 | 16 |
(в мл 0,1% KmnO4 на 100 мл) |
Диаграмма 3a
Они показывают, что обычные условия при увеличении азота не снимают стресса растений при СРО. Н2О2 снижает этот эффект, а гелевые структуры почвы усиливают его.
На основе всех полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. СРО в системе «почва-растение» стимулирует многие процессы в растениях: увеличивают массу, накапливают биологически активные пигменты.
2. Изначально формируемые в условиях повышенного СРО растения имеют меньший запас антиоксидантов, но азот способствует повышению антиоксидантных свойств растений.
3. Гелевые формы фиксации азота снижают эффект СРО, но усиливают процессы по сравнению с обычными структурами.
4. Регулируя СРО, а также скорость химических реакций за счет гелевых структур можно целенаправленно менять качество растений.
Заключение.
Практическое применение полученных данных.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что регулируя процессы свободнорадикального окисления и скорость химических реакций можно менять качество растений, в частности, повысить их антиоксидантные свойства. Эти данные могут найти практическое применение в медицине (например, при изготовлении препаратов-антиоксидантов, полученных из растительных экстрактов). При этом использование особой гелевой формы азота в качестве почвенной добавки вполне оправдано, т. к. если у мембран корневой системы растений в основе гелевые структуры, которые могут изменять скорость химических реакций, то у почвы такие свойства выражены слабо. Поэтому, усиление таких гелевых структур способствует выявлению защитных механизмов растений от токсичных продуктов свободнорадикального окисления. Это очень актуально в связи с химическим загрязнением почвы.
Библиографический список.
1. А. А.Анисимова. «Основы биохимии» М.: Высшая школа, 1986.
2. Т. Роль неорганических ион-радикалов в органических и неорганических реакциях
// Соросовский Образовательный Журнал. – 1999. - №1. – с. 28-34.
3. А. Свечение, сопровождающее биохимические реакции // Соросовский Образовательный Журнал.1999 №6. с.25-32
4. А. Кальциевые насосы живой клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. №3. С. 20-27
5. А., а., С. и др. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов // Учебное пособие для студентов медицинских спец. Вузов (под редакцией Ю. А. Ершова) – М.: Высшая школа. – 1993. – с.204-205.
6. А. Физиология растений (факультативный курс). – М.: Просвещение. – 1988.
7. И.Актичные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза, вред и защита // Соросовский Образовательный Журнал. – 1999. - №1. – с. 2-7, 11-16.
8. Экология растений. М.: Мир, 1978. 186 с.
9. Н. Экология растений с основами биогеоценологии // Пособие для учителя. – М.: Просвещение. – 1978. – 270с
10. В. Ион-радикалы в органическом синтезе М.: Химия, 19861.
11. Фотосинтез: (Физиол. аспекты). М.: Мир, 1972. 315 c.
Основные порталы (построено редакторами)