Тем огородникам, которые хотят осмысленно подходить к своим аграрным экспериментам, будет интересно узнать о том, на какие процессы в жизни растений влияет фосфор и как его лучше применять.
Фосфор в растениях встречается только в одной форме – в виде производных ортофосфорной кислоты (ОФК), имеющей формулу Н3РО4.
5-10% ОФК исследователи обнаруживают в виде свободно перемещающихся в листьях и тканях минеральных солей - фосфатов, но большая часть ОФК (85-95%) встроена в органические молекулы, которые участвуют в важнейших биохимических процессах и в формировании уникальных клеточных структур.
Общее содержание фосфатов в растении не велико, в районе 1% от сухого веса, но многообразие функций и сложность биохимических процессов, в которых они участвуют, позволяют уверенно заявлять, что без фосфора жизнь на Земле была бы невозможна.
Проследим за путешествиями ОФК в растении, это и увлекательно, и познавательно.
Фосфор и нуклеиновые кислоты ДНК и РНК
У всех живых организмов хранится генетическая информация о том, как им развиваться, жить и умирать. Она зашифрована в специальных молекулах, называемых нуклеиновыми кислотами ДНК и РНК. Это очень мобильные молекулы, они должны легко синтезироваться, затрачивая на это минимум энергии. За эту мобильность отвечает именно фосфатная группа, через которую собираются «кирпичики» нуклеотидов.
Полимерные молекулы ДНК и РНК состоят из цепочек нуклеотидов, связанных между собой молекулами фосфорной кислоты. В РНК нуклеотидов несколько тысяч, в ДНК – несколько миллионов. Каждый нуклеотид состоит из трех элементов – азотистого основания (их несколько десятков), углевода (рибозы в случае РНК, дезоксирибозы в случае ДНК) и остатков фосфорной кислоты.
Схематично кусочек нуклеиновые кислоты выглядят так:
РНК и ДНК различаются набором и последовательностью азотистых оснований, а углевод и способ связывания через фосфорную кислоту одинаковы во всех нуклеотидах.
Фосфор и фотосинтез.
Растения уникальны своею способностью к фотосинтезу. Они могут из воды и углекислого газа синтезировать органические соединения - углеводы, используя энергию солнечного света. Сначала за счет энергии фотонов в листьях происходит разложение воды с образованием молекулы кислорода, двух протонов и двух свободных электронов. Протоны захватываются коферментом НАДФН, а фермент АТФ удерживает какое-то время электроны, т.е. выполняют роль биогенных аккумуляторов энергии. В дальнейших превращениях АТФ запасенную энергию на синтез углеводов, из которых в свою очередь синтезируются аминокислоты, белки, жиры, которые формируют клетки и ткани растений.
Запасание энергии протекает в АТФ через синтез цепочки из трех элементов фосфорной кислоты, соединенных с молекулой аденозина (это нуклеозид, состоящий из углевода рибозы и аденина):
Фосфосахара. Фосфопептиды.
Фосфорная кислота участвую в большинстве биохимических превращений, присоединяясь к промежуточно образуемым молекулам. В растительных тканях и клетках обнаружены фосфосахара (углеводы), фосфопептиды (белки), фосфолипиды (жиры).
Какие-то из этих веществ живут доли мгновений, являясь промежуточными продуктами биосинтезов, какие-то становятся структурными элементами клеток, например, фосфолипиды мембран.
Фосфор и клеточные мембраны. Фосфолипиды.
Все клетки растений и животных имеют защитный слой, называемый клеточной мембраной, который отделяет содержимое клеток от внешней среды, но позволяет с этой средой обмениваться различными компонентами – катионами, водой, плазмой, разными органическими соединениями.
Клеточные мембраны также нужны структурным компонентам клетки - органеллам, позволяя самостоятельно функционировать в цитоплазме ядру, хлоропластам, митохондриям, вакуоле, и т.п.
Основной структурный элемент клеточных мембран- фосфолипиды. Это сложные эфиры высокомолекулярных (длиннохвостых) жирных кислот, глицерина и фосфорной кислоты.
«Хвосты» отвечают за гидрофобность мембраны, а фосфорная кислота выполняет роль гидрофильной «головки».
Фосфолипиды выстраиваются в двойной слой гидрофильной частью наружу, гидрофобными хвостами внутрь, образуя клеточную трехслойную мембрану. Биологические мембраны уникальны тем, что они не просто запирают содержимое клеток, а обеспечивают регулируемый переход каких-то соединений внутрь клетки, каких-то наружу .
Трансформация фосфора в растении
По мере того, как растение проходит фазы своего развития, фосфорная кислота перемещается из отработавших (или погибших) клеток и тканей туда, где биохимические превращения более активны.
Наблюдения с помощью меченых атомов фосфора показывают, что вначале ОФК сосредоточена в зоне листовых пластин, затем перемещается в зоны синтеза сложных органических молекул, в плоды, семена, корни. Растения предпочитают не выбрасывать раз попавшие в них фосфаты, а используют их неоднократно, как многозарядную батарейку.
Во время перемещения по органам растения ОФК освобождается от связей с органическими молекулами, переходя в форму минеральных растворимых солей с катионами щелочных металлов.
Конечной точкой перемещения фосфатов становятся семена, которые должны дать новую жизнь, обеспечить развитие новых растений.
В семенах фосфаты накапливаются в очень устойчивой форме, образуя эфирные связи с молекулой мио-инозитола – шестиатомного спирта циклогексана. Это соединение называется мио-инозитгексафосфорная кислота или фитин:
Соли фитиновой кислоты очень прочные, они устойчивы к действию кислот, щелочей и большинства ферментов.
Это очень важно растениям, так как семенам предстоит пережить и гибель породивших их растений, и жесткие погодные условия (мороз, обезвоженность, высокую температуру, длительное хранение, воздействие химических веществ, биопатогенов и т.п.).
Птицы и животные переносят семена на новые земли, съедая плоды и ягоды, а семена выходят с фекалиями, пройдя через их пищеварительную систему с массой агрессивных ферментов. При этом они сохраняют способность к прорастанию.
Только в желудках жвачных животных, где обнаружены бактерии, вырабатывающие ферменты группы фитаз, может происходить отрыв (гидролиз) фосфатных групп от фитина.
Эта непростая для понимания статья написана с главной целью - обозначить невероятно важную роль фосфатов в жизни растений. Не случайно так велика потребность в фосфорных удобрениях.
Могут ли растения накопить в себе так много фосфора, что это способно навредить людям (по аналогии с нитратами)? Об этом будет и в дальнейших статьях, но пока могу сказать, что такие факты мне не известны. Зато я знаю, что соединения фосфора входят в состав различных лекарств и БАДов. Кто из нас не слышал про фосфоглиф, фосфолюгель, глицерофосфат кальция.
И, возможно, мало кто знает, что в кока-коле и других газированных напитках, в карамельках и мармеладе, содержится приличная доза ортофосфорной кислоты, что фосфаты входят в состав пекарских порошков для разрыхления теста.
И, возможно, вы совсем не знали о том, что фосфаты добавляют в горячую воду (которой мы пользуемся в многоквартирных домах) для предотвращения забивания труб нерастворимыми солями кальция и магния.
Поэтому мы будем говорить не об опасности соединений фосфора, а о рачительности и повышении эффективности использования фосфорных удобрений, чтобы их хватило и следующим поколениям, чтобы мы тратили меньше денег.
Читайте следующие части расследования, основанного на анализе научных исследований. Подписывайтесь на канал, ставьте лайки, чтобы Дзен присылал вам новые статьи в ленту, чтобы показывал их большему количеству заинтересованных и пытливых огородников.