Какие органические вещества содержатся в растениях

Состав органических веществ растительных
субстратов.

По определению органические соединения – это соединения, содержащие
углерод. Помимо углерода почти все органические соединения содержат водород
и кислород и в меньшем количестве азот, фосфор и серу (табл. 4).

Основную сухую массу растительных клеток составляют четыре типа
органических соединений это углеводы,
липиды, белки и нуклеиновые
кислоты (табл. 5).

Углеводы – это соединения, содержащие углерод в сочетании с
водородом и кислород. Углеводы самые распространенные в природе органические
вещества. В растениях их содержание иногда доходит до 90% сухой массы.
Углеводы включают несколько групп соединений моносахариды, олигосахариды и
полисахариды (табл. 6). Моносахариды самые простые соединения и потребляются
микроорганизмами в первую очередь. Олигосахариды состоят из двух или
нескольких молекул моносахаридов и должны перед потреблением расщепляться
ферментами на сахарные компоненты – моносахариды. Наиболее трудно доступными
являются полисахариды растений. Для расщепления полисахаридов до
моносахаридов у микроорганизмов выработались комплексы ферментов: одни из
них разрыхляют полисахарид, другие отщепляют олигосахариды, третьи отщепляют
моносахара. В растениях полисахариды защищены от биодеградации
микроорганизмами путем экранирования молекулами фенольного полимера –
лигнина. Лигнин составляет существенную часть растительных полисахаридов. В
целом лигноцеллюлозный комплекс растений весьма устойчив к ферментативному
расщеплению.

Жиры – важнейшие запасные вещества. Некоторые растения
накапливают жиры (масла) в больших количествах, особенно в семенах и плодах.
Растения содержат также воска, которые защищают ткани растении от потери
влаги и часто затрудняют процесс увлажнения растительного сырья, например,
соломы. При окислении жиров выделяется около 9,3 Ккал/г, а углеводов – всего
3,8 Ккал/г. Таким образом, жиры являются концентрированным источником
энергии.

Белки, подобно полисахаридам, являются полимерами, состоящими из
мономеров – аминокислот. У растений самая высокая концентрация белков
обнаружена в семенах (более 40% сухой массы), вегетативные части содержат
невысокий уровень белка (2 – 5%).

Нуклеиновые кислоты – это полимеры, состоящие из нуклеотидов
пуринов и пиримидинов. Нуклеиновые кислоты участвуют в хранении генетической
информации (ДНК) и переносе информации при синтезе белков (РНК).

Элементный состав
органических соединений растений, % от сухой массы.

Основные классы
органических соединений.

Состав органических
веществ растений.

Растительные субстраты существенно различаются по содержанию основных
органических компонентов: углеводов, жиров, белков (табл.).

Вегетативные части растений – древесина, соломина, стебли, листья –
содержат небольшое количество белка и жиров и высокий уровень нерастворимых,
трудно разлагаемых полисахаридов: целлюлозы, гемицеллюпозы, а также полимера
– лигнина. Вегетативные части растений обычно используют в качестве основы
субстрата.

Генеративные части растений – плоды, семена – содержат много белка и
жиров, высокий уровень легко доступных углеводов (крахмал, моносахара,
дисахариды) и низкий уровень трудно доступных полимеров – целлюлозы,
гемицеллюпозы и лигнина. Генеративные части используют в качестве
питательных белково-жировых добавок.

Состав органических
веществ растительных субстратов, % от сухой массы.

В растительном субстрате содержатся легко доступные органические
вещества, такие как растворимые сахара, олигосахариды, крахмал. Эти
соединения потребляются всеми микроорганизмами и, в первую очередь,
конкурентными плесневыми грибами – Trichoderma, Penicillium, Aspergillus,
Mucor и т.п. Такие грибы называют еще “сахарными” (Рис.).

Трудно доступные соединения в форме пописахаридов: целлюлозы,
гемицеллюлозы, пектина утилизируют грибы, имеющие соответствующие комплексы
гидролитических ферментов: целлюлаз, пектиназ, ксиланаз. Разрушая целлюлозу
из лигноцеллюлозного комплекса, эти грибы оставляют нетронутым лигнин, что
придает субстратам более темный, коричневый вид. Такие грибы вызывают
“коричневую гниль” древесины. Это некоторые высшие грибы, а также такие
конкурентные плесени как Trichoderma.

Грибы, разрушающие самый труднодоступный полимер растительного субстрата
– лигнин, относятся к группе “белых гнилей”. Эти грибы примерно в одинаковой
степени утилизируют целлюлозу и лигнин. Субстрат после деструкции грибами –
“белой гнили” приобретают светлый вид. К этой группе относятся многие
съедобные культивируемые грибы: вешенка, шиитаке, фламмулина, строфария и
др.

Рис. Органические
вещества растительного субстрата и его потребители.

Состав лигноцеллюлозного комплекса субстратов.
Лигноцеллюлозный комплекс растительного субстрата состоит из трех основных
компонентов: целлюлозы, гемицеллюлоэы и лигнина. Соотношение компонентов
отличается в разных субстратах (табл.).

Легче всего деградации подвержена гемицеллюлоза, состоящая из таких
мономеров как ксилоза (ксилан), арабиноза (арабан) и манноза (маннан).
Комплекс специфичных для этого субстрата ферментов расщепляет полисахариды
на олигомеры, а затем на мономеры-сахара. Целлюлоза состоит из мономера
глюкозы и плотно упакована в микротрубочки, которые также расщепляются
комплексом ферментов-целлюлаз: С1 – фементы разрыхляют микрофибриллы, Сх –
ферменты образуют олигомеры, а глюкозидоза (целлобиаза) отщепляет моносахара.
Наиболее устойчив к ферментативному разрушению лигнин, состоящий из
различных фенольных мономеров, которые могут соединяться также различным
образом. Деградация лигнина происходит под действием ферментов
полифенолоксидаз: пероксидазы, лакказы, тирозиназы и других.

Табл. Состав лигноцеллюлозного комплекса растительного субстрата,
%

Вешенка и строфария относятся к грибам “белой гнили”, которые способны к
деструкции, как целлюлозы, так и лигнина. Наибольшая активность лакказы
грибов наблюдается на 6 – 8 сутки прорастания мицелия в субстрате, что
соответствует окончанию фазы колонизации и началу фазы освоения субстрата
(рис.). В это же время наблюдается и пик целлюлазной активности.

Рис. Активность лакказы и целлюлазы в соломистом субстрате.

Изменение состава
лигноцеллюлозного комплекса субстратов в процессе культивации.

Вешенка является активным деструктором лигноцеллюлозного комплекса
субстратов. В процессе ферментативного разрушения комплекса происходит
биодеградация лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Степень разрушения этих
компонентов зависит от типа субстрата, от вида и штамма гриба. В целом
отмечается примерно одинаковая потеря массы целлюлозы и лигнина.

Степень деструкции лигноцеллюлозного комплекса зависит от длительности
процесса культивации гриба и количества снимаемых волн плодоношения.
С каждой новой волной плодоношения питательность субстрата снижается,
уменьшается его влагосодержание и происходит накопление самоингибиторов
роста и плодоношения. Состав субстрата в процессе культивации существенно
изменяется. Около 40 – 60% сухого вещества субстрата уходит с углекислым
газом и “биологической водой”, образующейся при гидролизе полисахаридов и
“сгорании” сахаров в процессе дыхания. Около 10% сухой массы субстрата
переходит в плодовые тела гриба, 30 – 50% первоначальной массы остается в
виде отработанного субстрата. Отношение С/N меняется от 100/1 к 30-50/1.
Субстрат относительно обогащается неорганическими компонентами (зола),
азотистыми веществами (аминокислоты) и различными продуктами
жизнедеятельности гриба. Относительные пропорции лигнина, целлюлозы и
гемицеллюлозы остаются в субстрате примерно такими же, как в начале
культивации, хотя их абсолютное содержание снижается на 30 – 70%ю. Тем не
менее, потенциал субстрата используется не полностью. Если субстрат
замочить в воде на ночь и таким образом вымыть ингибиторы плодоношения и
повысить влагосодержание, можно получить еще дополнительно одну хорошую
волну плодоношения, а иногда и две волны.

Деструкция лигноцеллюлозного комплекса стеблей хлопчатника и
соломы пшеницы вешенкой обыкновенной.

А – Исходное сырье

Б – Отработанный субстрат

Деструкция
лигноцеллюлозного комплекса древесины (обрезь плодовых деревьев) вешенкой
обыкновенной.

Цель урока:

• познакомить с химическим составом растений;
• дать представление о минеральных и
  органических веществах, о различном содержании
  воды в органах растений;
• закреплять навыки обращения с лабораторным
  оборудованием.

Оборудование: Стакан с водой,
пробирки, йод, марлевые салфетки, сухой спирт,
семена пшеницы или других злаков, семена
подсолнечника, лист чистой белой бумаги, кусочки
стебля, корня растений, металлическая ложка,
держатель, кожура апельсина или лимона.

Планируемые результаты обучения

Учащиеся должны знать:

• вещества, относящиеся к органическим;
• как экспериментальным путем можно доказать, что
  в состав растений входит вода, минеральные
  вещества, жиры, белки, углеводы;
• индикатор на крахмал;
• значение минеральных и органических веществ
  для развития и роста растений;
• роль воды в жизни растений;
• растения, богатые белками;
• растения, содержащие много жиров;
• растения, накапливающие много углеводов.

Учащиеся должны уметь:

• пользоваться лабораторным оборудованием;
• делать выводы, используя результаты наблюдений,
  полученные в ходе лабораторной работы;
• отличать минеральные и органические вещества.

Ход урока

I. Организационный момент (1-1,5 минуты). Проверка
отсутствующих, внешнее состояние кабинета,
рабочих мест, наличие дежурных.

II. Изучение нового материала.

Учитель биологии:

Сегодня, ребята мы проведем необычный урок –
такой тип урока называется интегрированным,
вместе со мной урок будет проводить учитель
химии Ирина Викторовна.

Растения – это живой организм, часть природы,
поэтому все, что в нем происходит, подчиняется
законам природы, изучением которых занимается
химия. Тема нашего урока сегодня тесно
переплетается с теми знаниями, которые вы
получите на уроках химии, изучая превращения
одних веществ в другие.

Так что же это за наука – химия?

Учитель химии:

Наиболее простое и часто встречающееся
определение звучит следующим образом: химия –
наука о веществах и их превращениях.

Хочу обратить ваше внимание на слово
“превращение” в определении. Вспомните, когда
вы впервые его услышали? Думаю что при чтении
сказок. Только в сказках превращения происходят
каким-то удивительным, волшебным способом, а в
химии – по законам науки.

Ученые рассматривают несколько вариантов
происхождения слова “химия”. По мнению
древнегреческого писателя Плутарха, в глубокой
древности “хемами” называли жителей Египта. На
языке египтян слово “хема” означает черная
земля (чернозем).

По версии других ученых, в слове “химия”
отражен ее практический исток, “chymeia” –
наливание, настаивание. В этом – дальний
отголосок древней практики восточных лекарей –
фармацевтов, извлекающих соки лекарственных
растений и изучавших их.

Учитель биологии:

Сегодня тема нашего урока “Химический состав
растений”.

Цель  урока:

1) познакомить с химическим составом растений;

2) дать представление о минеральных и
органических веществах, о различном содержании
воды в органах растений.

Прежде чем приступить к изучению новой темы, мы
повторим с вами особенности отдельных структур
растения и раскроем их значение.

Вопросы:

1. Что представляет собой клеточный сок и где в
   клетках он находится?
2. Где находится запас питательных веществ в
   семенах двудольных и однодольных?
3. Какие вещества откладываются в видоизмененных
   побегах?
4. Какую функцию выполняет зона всасывания корня?
5. По каким структурам растения передвигаются
   питательные вещества?

Таким образом, вы уже знаете, что все живые
организмы имеют сходный химический состав. Они
состоят из воды, минеральных и органических
веществ (белков, жиров, углеводов).

К органическим веществам, которые называют
углеводами, относят крахмал, глюкозу, сахар и ряд
других.

Проведя лабораторную работу, легко убедиться,
что из этих веществ состоят и растения. Но при
проведении лабораторной работы необходимо знать
правила техники безопасности и назначение
лабораторного оборудования.

Учитель химии:

Химики в своих исследованиях используют
специальное оборудование. Простейшее из них –
это, например, уже знакомый вам нагревательный
прибор – спиртовка и различная химическая посуда,
в которой проводят и изучают превращения
веществ, т. е. химические реакции.

Справедливо говорят, что лучше один раз
увидеть, чем сто раз услышать. А еще лучше –
подержать в руках и научиться пользоваться.
Поэтому ваше первое знакомство с химическим
оборудованием произойдет во время лабораторной
работы. Но прежде чем перейти к выполнению опытов
необходимо знать правила техники безопасности.

Подготовьте рабочее место, рационально
разместите вещества, штативы с пробирками,
спиртовку, принадлежности, чтобы не пришлось
тянуться через стол, опрокидывая рукавом
пробирки.

Все опыты проводить нужно над столом.

Многие химические процессы протекают при
нагревании, и поэтому мы познакомимся, как
работать со спиртовкой. Зажигают спиртовку с
помощью спичек. Чтобы потушить спиртовку, нельзя
дуть на пламя, для этой цели служит колпачок.

Чтобы пробирка не лопнула, сначала надо ее
прогреть по всей длине, проводя по ней пламенем.

III. Закрепление темы.

Учитель химии:

Сегодня на уроке мы научимся использовать ПТБ
при выполнении лабораторной работы. Перед Вами
лежат инструктивные карточки. Приложение 1.

 Лабораторная работа №1. Химический
состав растений: определение неорганических
веществ.

Сейчас выполним 1 задание:

Перед вами стоит проблемный вопрос. Доказать
опытным путем и обнаружить вещества, которые
входят в состав: стебля, корня, листьев и семени.

Для этого ребята:

I ряда – исследуют кусочки стебля,

II ряда – корня,

III ряд – листья.

1) Положите в пробирку:

• 1 группа – кусочки стебля,
• 2 группа – корня,
• 3 группа – листьев или несколько семян и нагрейте
  их на слабом огне.

Ребята что появилось на стенках пробирки? (Вода)
Следовательно, какой вывод мы можем сделать?

Вывод: Что в частях растения находится вода,
при нагревании эта вода испаряется и
превращается в газообразное вещество – пар, при
соприкосновении водяных паров со стенкой
пробирки пар превращается в воду.

А теперь приступим к выполнению 2 опыта,
прочитайте. Вспомните ПТБ при работе со
спиртовкой.

2) Нагрейте кусочки растения в металлической
ложке. Они обугливаются, появляется дым. Это
сгорают органические вещества. В ложке останется
зола, состоящая из несгорающих минеральных
веществ.

3) Сделайте вывод, какие неорганические
вещества входят в состав растений.

Учитель биологии: Приложение 1.

Лабораторная работа №2. Химический состав
растений: определение органических веществ.

Опыт 1.

1) Возьмите комочек теста (оно приготовлено из
муки семян растений, следовательно, имеет такой
же химический состав), положите его в мешочек из
марли. Хорошо промойте тесто в воде, налитой в
стакан.

2) В марле осталась тягучая клейкая масса –
клейковина. Клейковина сходна по составу с
белком куриного яйца и называется растительным
белком.

3) Добавьте в стакан с мутной водой, в которой
промывали тесто, 2-3 капли йода. Что вы
наблюдаете? Сравните свои результаты с
результатами среза клубня картофеля. Что вы
наблюдаете? Сделайте вывод.

Опыт 2.

1. Положите на бумагу семена подсолнечника, льна
(или других масличных культур) и раздавите их. Что
появилось на бумаге? Какое вещество выделилось?

Сделайте вывод, какие органические вещества
входят в состав растений.

Работа с рабочими тетрадями.

Откройте рабочие тетради на стр.45 №104 (Пасечник
В.В.) и сделайте общий вывод к лабораторной
работе.

Вывод: Таким образом, в состав растений входят
органические вещества (белки, жиры, углеводы),
минеральные вещества и вода.

В органах различных растений содержится
неодинаковое количество воды, органических и
минеральных веществ. Мы сейчас в этом убедимся
при самостоятельной работе с учебником параграф
32 на стр. 142 и ответим на вопрос.

Во всех ли частях растения содержится
одинаковое количество воды?

Так, в листьях капусты 90% воды, в плодах огурцов
ее еще больше – 96%, а в созревших семенах воды
содержится всего 5-15% от общей массы. Молодые
растущие органы содержат до 90-95% воды, а
одревесневшие всего около 50%. Это связано с тем,
что вода необходима для всех жизненно важных
процессов, происходящих в организме растений.
Поэтому клетки, в которых активно протекают
процессы жизнедеятельности, всегда содержат
много воды. В семенах минеральных солей
содержится в среднем 3%, в корнях и стеблях – 4-5%,
в листьях – 10-15% массы, остальное приходится на
органические вещества.

Учитель химии:

Одинаковые части разных растений могут
содержать различное количество органических
веществ и минеральных солей. Посмотрите, у вас на
столах имеются таблицы. Если сравнить состав
семян пшеницы и подсолнечника по таблице 1, то
можно сделать следующие выводы: Зерновки
пшеницы содержат воды в два раза больше, чем в
семянке подсолнечника, а органических и
минеральных веществ больше в семенах
подсолнечника. Органических веществ в семенах
всех растений значительно больше, чем воды и
минеральных веществ. Приложение 2.

Учитель химии:

В семенах всех растений органических веществ
значительно больше, чем воды и минеральных
веществ. Соотношение веществ в органах растений
тоже может быть различно. Так, в зерновках
пшеницы белков 18%, углеводов 60%, жиров 2,1%, а в
семенах подсолнечника белков 26%, углеводов 16%,
жиров 44%. На основании этой таблицы 2 можно сделать
вывод: содержание белков наибольшее в
семенах подсолнечника, самое большее содержание
углеводов в зерновках кукурузы, и почти в 10-20 раз
превышает содержание жиров в подсолнечнике, чем
в других зерновках. Приложение 2.

Подведем итог и заполним схему в рабочей
тетради на стр. 45 №105.(Пасечник В.В.)

Учитель химии:

В состав растений в очень малых количествах
входят и другие органические вещества, например
витамины.

Впервые предположение о существовании этих
особых свойств высказал русский врач-педиатр
Н.И.Лунин в 1880 г. Он кормил одну группу мышей
искусственно приготовленной пищей, состоящей из
чистых углеводов, белков и жиров, а другую –
природными питательными веществами: зернами
злаков, шариками из бобовой муки и кусочков мяса,
замешанными на молоке. Ученый обнаружил, что
первая группа мышей вскоре начала болеть, а затем
погибла. Вторая же группа продолжала чувствовать
себя хорошо. Лунин сделал вывод, что в состав пищи
второй группы мышей помимо белков, жиров и
углеводов входят еще какие-то очень важные для
жизни вещества. Позже их обнаружили и дали им
название “витамины”.

Вы не раз слышали об укрепляющем действии на
организм витамина С (химическое название этого
вещества – аскорбиновая кислота), как и о том, что
им богаты фрукты и овощи. Обнаружить витамин С
можно с помощью той же настойки йода, которую он
обесцвечивает.

Демонстрационный опыт №1. Определение
витаминов в соке фруктов.

Возьмем свежий сок апельсина, лимона, яблока.
Добавим несколько капель йодной настойки. Что
наблюдается при этом?

Йод обесцвечивается, это доказывает, что в
апельсине присутствует витамин С.

Особую группу растительных масел составляют
так называемые эфирные масла. Часто именно они
придают цветам, ягодам, фруктам и плодам
неповторимый запах.

Демонстрационный опыт №2. Определение
эфирных масел в соке цитрусовых.

Резко согнув корочку апельсина, “выстрелите”
соком на пламя спиртовки. Что при этом
наблюдается?

Эфирные масла – горючие органические вещества,
они-то и вызывают небольшой “фейерверк”.

Учитель биологии:

Минеральные и органические вещества
используются для построения тела растений, а
также принимают участие в различных процессах
жизнедеятельности, протекающих в растениях.
Недостаток или отсутствие какого-либо вещества
нарушает нормальное развитие растения и может
привести его к гибели.

Человек использует вещества, входящие в состав
растений. Чтобы получить муку и крупу, содержащие
углеводы и белки, выращивают пшеницу, рожь,
ячмень, кукурузу, овес.

Для лечения различных заболеваний человек
использует растения. Лекарственные свойства
растений зависят от содержащихся в них активно
действующих на организм веществ. В настоящее
время выявлены следующие группы таких веществ:
эфирные масла, антибиотики, витамины,
полисахариды, жирные масла и др.

Лекарственные растения в научной и народной
медицине применяются в виде химических
препаратов, экстрактов, отваров, настоев, а также
в виде порошков, мазей, таблеток, соков.

На территории Калмыкии произрастают более 100
видов лекарственных растений, около 50 из них
находят применение в научной медицине.

Сейчас прослушаем сообщения учащихся,
которые расскажут об использовании
лекарственных растений, о получении эфирных
масел.

Сообщение 1. Тысячелистник обыкновенный – известное
всем невысокое травянистое растение с
многократно рассеченными листьями. Из-за них оно
и получило свое русское название. Встречается
тысячелистник на лесных опушках, в парках, на
пустырях. Это растение хорошо известно в
народной медицине. Даже по некоторым его старым
народным названиям – солдатская трава,
порезник, порезная трава – можно догадаться,
что он когда-то использовался в качестве
кровоостанавливающего средства. В настоящее
время в медицине тысячелистник используется
кроме этого для изготовления препаратов,
оказывающих противовоспалительное действие, а
также средств, стимулирующих функции желез
желудочно-кишечного тракта. Настои и отвары
этого растения применяются при кожном зуде,
против угрей и при чешуйчатом лишае, для
дезинфекции ран и порезов, как полоскание при
стоматитах.

Сообщение 2. Василёк синий – цвет венчика
этого растения сделал этот цветок популярным и
среди крестьян, и среди царственных особ.
Известно, что очень любил васильки германский
император Вильгельм 1. Многие поэты и художники
видели в васильках украшение земли.

То, что мы называем цветком василька, на самом
деле – соцветие, состоящее из трубчатых (в центре)
и воронковидных (по краям) цветков.

Раньше из трубчатых (более тёмных) цветков
выжимали сок, который использовали для
окрашивания тканей в голубой и синий цвета.
Семянками василька сводили бородавки. В народной
медицине считалось, что настой из цветков
василька на снеговой воде улучшает зрение.
Настоем цветков на водке лечили простуду и
применяли его как потогонное,
противовоспалительное и желудочно-кишечное
средство. В смеси с ромашкой такой настой
используют и сейчас – при лечении почек.
Латинское название этого растения – Centaurea cyanus –
происходит от названия мифических существ –
кентавров. Обладая четырьмя быстрыми ногами,
кентавры, одновременно могли держать в руках
оружие и поэтому были прекрасными воинами.
Некоторые из них, согласно легендам,
прославились своей мудростью или добродетелью.

Сообщение 3. Наперстянка пурпуровая применялась
издавна в народной медицине Ирландии в качестве
слабительного и противолихорадочного средства.
Из сока наперстянки в средние века изготавливали
яд для испытания “ведьм” “судом Божьим”. В XVIII
веке английские врачи В. Куллен и В. Уайтерлинг
обнаружили способность наперстянки замедлять
ритм сердечных сокращений. В 1866 г. наперстянка
была включена в первое издание “Российской
фармакопеи”.

IV. Подведение итогов урока. Выставление
оценок.

V. Домашнее задание параграф 32.