Необходимость (потребность) элементов.

На разных этапах развития растительного организма питатель­ные вещества потребляются им с различной интенсивностью; неоди­накова также скорость поступления различных соединений у разных видов растений. Не совпадают также периоды наибольшей потреб­ности в отдельных элементах у одного и того же растения.

Например, для сахарной свеклы, как и для других корнеплодов, на первом году жизни характерно растянутое поступление фосфора и калия. Более сжаты сроки поступления в свеклу азота и в особенности магния. Поглощение магния заканчивается у свеклы за 30—40 дней до окончания вегетационного периода. В дальнейшем имеет место лишь повторное использование уже воспринятого магния, причем значительная часть запасов этого элемента теряется вместе с отми­рающими листьями.

Из злаков наиболее растянут период поглощения питательных веществ у озимых хлебов. У озимых период поглощения азота и калия длится около 7 месяцев. У озимой пшеницы и ржи содержа­ние азота и калия достигает максимума после окончания цвете­ния — в начале созревания зерна, а поступление фосфорной кисло­ты продолжается вплоть до достижения семенами полной спелости.

У яровых хлебов активное поглощение питательных веществ крайне сжато во времени, например у овса оно продолжается всего 40—55 дней. У зерновых бобовых (горох, фасоль) этот период при­мерно вдвое более продолжителен, причем в особенности растянуто поступление фосфора. Непосредственной причиной этого является характерный зерновым бобовым длитель­ный период цветения и плодообразования.

Элементы, соединения которых подвижны, весьма активно пог­лощаются растениями на ранних этапах их развития. Эти элемен­ты поступают в растение со скоростью, превышающей накопление тем же организмом сухих веществ. Поглощение элементов, дающих малоподвижные соединения, идет более или ме­нее пропорционально синтезу сухих веществ, а в ряде случаев — даже отстает от последнего.

Потребление питательных ве­ществ растениями в особенности усиливается в период цветения и последующего образования семян. Так, у льна за период цветения длительностью 10—12 дней общее количество золы в растении удва­ивается, содержание же некоторых элементов (фосфора, калия, азота) за этот срок возрастает в три и даже четыре раза.

Земляника за период плодоношения, которое у нее продолжается около трех недель, поглощает почти половину от общего количества потребляемого этим растением фосфора и калия.

Наряду с этим установлена различная степень чувствительности растений на разных этапах их развития к высоким концентрациям солей в почве, которые создаются при одновременном внесении в почву больших доз минеральных удобрений.

Отрицательное действие высоких концентраций питательных солей проявляется уже на самых первых этапах жизни растений, в момент прорастания семян. Повышенное содержание в среде ми­неральных элементов снижает всхожесть, а также энергию прора­стания семян. Оно угнетает развитие корневой системы, что, есте­ственно, сказывается отрицательно на всем дальнейшем развитии растений.

Высокая концентрация удобрений на ранних этапах развития подавляет синтетические процессы в тканях растений. В частности, в этих условиях наблюдается ослабление процессов синтеза белков.

Чувствительность к высоким концентрациям солей на ранних этапах развития различна у разных видов. Неодинакова также степень устойчивости одного и того же рас­тения по отношению к различным элементам.

4. Основные функции ионов в метаболизме: структурная и каталитическая

Биохимические исследования показали, что роль минеральных, которые поступают в растение в виде ионов, определяется их вхождением в состав различных органических соединений. Эта роль основана на непосредственном участии со­единений, содержащих минеральные элементы, в качестве реагиру­ющих систем в процессах обмена веществ.

Включение минеральных элементов в состав органических со­единений приводит к повышению реакционной способности послед­них, сообщает им качественно новые особенности и свойства. В ча­стности, высокой активностью наделены соединения некоторых металлов с белками и их производными, к которым принадлежат многие важные каталитически активные белки — ферменты.

В основе влияния электролитов лежит ион­ное воздействие на протоплазму. Минеральные элементы изменяют гидрофильность коллоидов протоплазмы. В особенности благо­приятно влияние адсорбированных клеткой анионов, которые вы­зывают значительное увеличение содержания общего количества связанной и в особенности количества коллоидно-связанной воды. Это, как правило, сопровождается повышением агрегатной устой­чивости гидрофильных коллоидов протоплазмы.

Большое физиологическое значение имеют минеральные элементы в связи с их участием в образовании хелатов. Хелатами называют внутрикомплексные органические соедине­ния циклического строения, содержащие в своей молекуле ион ка­кого-либо металла. Особенностью этих соединений является то, что металл непосредственно участвует в образовании кольца.

Молекула хелатообразователя может содержать одну или не­сколько активных групп, которые и фиксируют ионы металла. При­мером хелата простого строения может служить комплекс бифунк­ционального аниона аминокислоты гликокола с медью:

Потенциальными хелатообразователями являются очень многие компоненты расти­тельной клетки. Хелатообразователями являются аминокислоты, нуклеиновые кислоты и их производные, органические кислоты ауксины и др. Соединения­ми, обладающими свойствами хелатов, являются все содержащие металл ферменты, хлорофиллы и другие комплексы.

Изучение механизма хелатообразования позволило выявить много новых сторон участия ионов металлов в энзиматических процессах. Так, например, установлено, что дей­ствие киназ — ферментов, выполняющих решающую роль в акти­вации сахаров путем образования фосфорных эфиров последних, зависит в первую очередь от наличия в среде Mg²+, который лишь в отдельных случаях может быть заменен ионом Мn. Столь же важна роль обоих этих ионов в энзиматических пре­вращениях кислот в цикле Кребса.

Установлено, что некоторые энзиматические си­стемы не отличаются строгой зависимостью от иона опреде­ленного металла и могут быть активированы рядом металлов. Например, фосфатазы (кислые и щелочные), аргиназа, рибонуклеаза приобретают активность в присутствии какого-либо одного из ионов Mg, Mn, Co, Fe и Ni. Фермент, расщепляющий сложную молекулу пектина, активен при наличии иона Са, Na или А1.

В целом Сu, Fe и Мn наи­более тесно связаны с процессом транспорта электронов и рассматриваются как основные регуляторы окислительно-восстановительных процессов в клетке. В образовании же про­межуточного комплекса фермент — субстрат ферменты, содержа­щие эти металлы, не участвуют. Магнию и, в определенной степени, марганцу принадлежит решающая роль в реакциях переноса хи­мических групп и прежде всего остатков фосфорной кислоты.