Compozitia chimica generala a organismelor vegetale

Cunoasterea constitutiei chimice a materialului vegetal si a formarii si degradarii acestuia in raport cu mediul exterior in care planta traieste, precum si influenta diferitilor factori naturali si artificiali asupra metabolismului vegetal, constituie o latura esentiala in pregatirea si formarea inginerului agronom. Numai prin cunoasterea modificarilor metabolice ale plantelor in functie de anumite conditii sau modificari pedoclimatice, agrotehnice, agrochimice, genetice, etc. se poate actiona in mod eficient pentru a obtine productii agricole maxime, de calitate superioara si plante rezistente la boli, seceta, ger, saruri si alte conditii de stress.

Materia vie este formata din doua grupe principale de substante:

- substante organice 5%

- substante anorganice 95%

Substantele anorganice sunt reprezentate de apa si sarurile minerale. Plantele nu pot sintetiza substante minerale de aceea le iau din mediul inconjurator, astfel compozitia lor este foarte asemanatoare cu a solului.

Substantele organice reprezinta componenta principala a organismelor vegetale. Ele pot fi sintetizate de plante din substante anorganice.

Compozitia chimica a plantelor nu este intamplatoare. Ea este rezultatul unui lung proces de evolutie in care apa si elementele minerale au avut un rol insemnat. In mod normal in compozitia materialului vegetal intra 27 elemente numite elemente biogene. Dintre acestea un numar de 12 elemente participa la formarea organismelor vegetale in proportie de 99%. Ele se numesc elemente plastice, macroelemente sau elemente de constitutie. Acestea sunt: C, H, O, N, P, S, Cl, Ka, Na, Ca, Mg, Si. Celelalte elemente se afla in cantitati foarte mici sau in urme de aceea se numesc microelemente (Al, Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B, I, Br etc). Dintre elementele plastice C, H, O si N reprezinta aproximativ 95% din masa materialului vegetal uscat. Ultramicroelemente sunt elementele care se gasesc in urme in organismul vegetal( unele sunt elemente radioactive ).

Substantele anorganice

Apa

Apa detine o importanta capitala in organizarea si functionarea materiei vii ca urmare a proportiei mari in care se gaseste si a multiplelor sale roluri pe care le exercita. Apa intra in constitutia tuturor celulelor si tesuturilor si ca solvent constituie mediul necesar in care se desfasoara reactiile biochimice. Apa permite stabilirea unor legaturi intre diferite substante, precum si intre organism si mediu. Apa este o substanta bioenergetica indispensabila organismelor vii deci viata nu este posibila in absenta apei. De prezenta si cantitatea ei depind cresterea si dezvoltarea organismului vegetal. Activitatea vitala a plantelor scade foarte mult cand cantitatea de apa este sub valoarea sa normala.

Rolul important al apei in procesele vitale ale organismului vegetal este determinat de proprietatile ei fizico-chimice caracteristice, cum sunt:

- polaritatea moleculelor de apa, molecula apei fiind un dipol permanent;

- asocierea moleculelor de apa prin legaturi de hidrogen, care determina starea lichida a apei la peste 0⁰C, densitatea maxima (1) a apei la 4⁰C, structura afanata a ghetii si plutirea ei la suprafata apei lichide;

- capacitatea calorica specifica ridicata (539 cal/gram) care determina inertia termica a apei adica proprietatea apei de a se incalzi si de a se raci greu si de a-si pastra temperatura constanta;

- capacitatea de a dizolva substantele organice si anorganice necesare organismului viu (aldoze, cetoze, acizi, aminoacizi, alcooli, esteri, saruri minerale, oxigen, bioxid de carbon etc.) si formarea solutiilor moleculare si ionice;

- hidratarea ionilor si formarea cristalohidratilor;

- adsorbtia la suprafata particulelor coloidale si formarea solurilor coloidale;

- tensiunea superficiala ridicata in raport cu alte lichide;

- difuziunea prin membrane si modificarea presiunii osmotice a solutiilor de concentratii diferite;

- constanta de ionizare foarte mica;

- neutralitatea;

- caracterul amfoter, reactionand atat ca acid cat si ca baza;

- actiunea hidrolitica asupra unor compusi organici si a unor saruri.

Avand aceste proprietati, apa indeplineste in organismul vegetal urmatoarele roluri:

- rol structural;

- constituie mediul ideal pentru unele reactii biochimice;

- participa la numeroase reactii de oxidoreducere si reactii de scindare a legaturilor covalente;

- este dizolvant pentru numeroase substante anorganice, organice si aer;

- sub forma de solutie, vehiculeaza substantele in organism (intre celule, intre tesuturi, intre organe);

- participa la reglarea concentratiei si a presiunii osmotice intra si extra celulare;

- alimenteaza procesele de fotosinteza cu hidrogen si furnizeaza in aer oxigen (O₂);

contribuie la procesele de termoreglare, transpiratie, excretie.

Caracterul polar al apei

Polarizarea moleculei de apa este determinata de faptul ca atomul de oxigen care poseda o electronegativitate mai pronuntata, tinde sa atraga electroni de la cei doi atomi de hidrogen. Perechile de electroni pusi in comun intre atomul de oxigen si atomii de hidrogen sunt mai puternic atrase de nucleul mai mare al oxigenului (8 protoni) decat nucleele atomilor de hidrogen (1 p). Astfel ca oxigenul dobandeste o usoara sarcina negativa s , iar cei doi atomi de hidrogen sarcini slab pozitive s Deci electronii celor doua legaturi covalente se distribuie inegal, determinand o asimetrie electrica. Molecula apei devine o molecula polara si se comporta ca un dipol:

O 2s

s H104⁰ 30 H s

Multe din insusirile deosebite ale moleculei de apa sunt datorate acestei proprietati. Spre exemplu apa este un excelent solvent si exercita un puternic efect de hidratare asupra numeroaselor componente biochimice care se gasesc in stare ionizata.

Moleculele de apa se orienteaza in jurul anionilor si cationilor formand straturi de molecule polare care contribuie la anularea interactiunii electrostatice dintre ioni si implicit mentinerea lor in stare dizolvata in mediu apos.

H H O

O H H

H H

O Na⁺ O Cl^-

H H H H

O

Capacitatea unui solvent de a izola ioni cu sarcini electrice diferite este exprimata prin constanta dielectrica (D) a mediului respectiv. Forta de atractie dintre ioni (F), cu sarcinile (q⁺) si (q^-) separati printr-o distanta (r) este data de relatia:

Din aceasta relatie rezulta ca forta de atractie este redusa in medii cu D foarte mare. Apa are o constanta dielectrica foarte mare.

Datorita faptului ca sunt dipoli, moleculele de apa se asociaza in 3, 4, 6 (functie de starea de agregare). Atractia nu este electrostatica simpla ci este data de legaturi chimice numite legaturi de hidrogen:

H^s - O^2s ---------- H^s - O^2s

H^s H^s

Regiunea pozitiva a moleculei atrage si leaga electrostatic partea negativa a altei molecule. Insa din cauza marii afinitati pentru electroni a oxigenului, in fiecare molecula dubletele sunt puternic deplasate catre atomul de oxigen, iar atomul de hidrogen ramane practic fara sfera electronica, aproape H^+. Din aceasta cauza si fiind foarte mic hidrogenul care a fost atras de oxigenul altei molecule nu este respins de invelisul electronic al oxigenului din aceasta molecula ci patrunde in domeniul lui formand legatura de hidrogen.

Legatura de hidrogen este foarte slaba in comparatie cu celelalte legaturi chimice (energia de desfacere: 4 - 7 kcal/mol fata de legatura covalenta dintre atomii moleculei de apa care este de 50 - 100 kcal/mol).

Existenta legaturilor de hidrogen determina o serie de proprietati particulare ale apei: punctul de fierbere ridicat, caldura mare de evaporare, caldura specifica ridicata (15-16⁰C) proprietati care reprezinta importanta deosebita pentru organism.

Puntile de hidrogen se pot stabili si intre moleculele apei si molecule neionizate de tipul proteinelor, acizilor nucleici, polizaharidelor, deci si macromoleculele se pot hidrata.

Dupa provenienta, apa din organismul vegetal poate fi:

- apa exogena - provine din exterior - sol si aer

- apa endogena - provine din reactiile biochimice de oxidare a compusilor organici (glucide, lipide, etc) care au loc in procesul catabolismului celular.

Apa din organismele vegetale se prezinta in stare lichida, in cantitatea cea mai mare si in stare de vapori intr-o cantitate mult mai mica. Apa in stare de vapori se afla in spatiile intercelulare si provine din apa lichida intracelulara prin evaporare.

Apa in stare lichida se afla in celulele tuturor organelor si tesuturilor vegetale si se prezinta sub forma de apa libera si apa legata.

Apa libera reprezinta cea mai mare parte din apa celulara si este localizata in special in vacuole (aproximativ 75%) si in cantitate mai mica in membrana celulara, citoplasma si restul structurilor subcelulare.

Apa legata, in cantitate mai mica, raspandita si ea in toate structurile subcelulare se prezinta sub forma de:

- apa adsorbita la suprafata particulelor coloidale protoplasmei celulare

- apa de hidratare a ionilor din solutia coloidala a protoplasmei

- apa de cristalizare a unor saruri izolate in anumite regiuni ale celulelor.

Apa in stare de vapori si apa libera pot fi eliminate din celulele vegetale prin simpla uscare a materialului vegetal in aer, iar apa legata poate fi eliminata practic in totalitate numai prin uscarea materialului vegetal, mai multe ore, in etuva, la temperatura de 105⁰C.

Apa libera isi pastreaza proprietatile obisnuite in timp ce apa legata are proprietati diferite (nu ingheata nici la -60⁰C).

Raportul dintre cantitatea de apa introdusa si cantitatea de apa eliminata din organismul vegetal in cursul unui metabolism normal este aproximativ egal cu 1 si mentinerea acestui raport este asigurata prin fenomenele fizice de osmoza a solutiilor extra si intracelulare si prin fenomene de adsorbtii la suprafata particulelor coloidale ale protoplasmei. Procesele osmotice, la randul lor, sunt reglate fie printr-un aport de saruri minerale in interiorul organismului vegetal, fie prin eliminarea de apa din organism in mediul exterior si invers. Un aport excesiv de saruri, respectiv o eliminare excesiva de saruri din organismul vegetal, sunt asociate cu un aport excesiv de apa, respectiv cu o eliminare excesiva de apa din organismul vegetal. Aportul excesiv de apa duce la fenomenul de turgescenta a celulelor iar eliminarea excesiva de apa duce la fenomenul de plasmoliza a celulelor. In conditii normale de umiditate se stabileste un echilibru intre cantitatea de apa celulara si cantitatea de saruri.

Cantitatea totala de apa din materialul vegetal (vapori+apa libera+apa legata) se determina gravimetric prin cantarirea materialului vegetal inainte si dupa uscarea lui la 105⁰C (pana la greutate constanta) si se raporteaza la 100 g material proaspat recoltat. Cantitatea de apa din 100 g material proaspat reprezinta umiditatea in g% (U%) si 100 - U reprezinta substanta uscata corespunzatoare la 100 g material vegetal.

Cantitatea de apa din organismul vegetal depinde de felul plantei, perioada de vegetatie, varsta plantei, umiditatea solului si a aerului, de natura tesutului si a organului vegetal etc.

De exemplu: in seminte 7-15%, in frunze verzi 80-85%, in tuberculi si radacini pana la 90%.

Tesuturile tinere contin o cantitate mai mare de apa decat cele batrane. Cantitatea de apa scade cu varsta ca urmare a cresterii continutului de materie organica.

Tesuturile fiziologice active contin o cantitate mai mare de apa decat tesuturile de sustinere sau de protectie.

In perioada de seceta plantele se ofilesc pe cand in regim normal de precipitatii raman turgescente. Cantitatea de apa din plante depinde de raportul existent intre cantitatea de apa absorbita si cea eliminata prin transpiratie.

Continutul de apa din planta sufera variatiile: ziua scade, noaptea creste - continut maxim spre dimineata.

Exemple:

- frunzele plantelor erbacee 90 - 94%

- frunzele plantelor lemnoase 45 - 70%

- fructele zemoase 85 - 95%

- fructele consistente 40 - 60%

- semintele de graminee 13 - 15%

- semintele oleaginoase 7 - 9%

- lemn si parti .. 30 - 35%

Dintre fructele zemoase se mentioneaza pepenii, merele, strucgurii. Tulpini: salata.

Cantitatea de substanta uscata depinde de natura si varsta plantei si de felul organismului si furnizeaza informatii importante asupra continutului global de substante minerale si organice ale materialului analizat.

Substanta uscata reprezinta, in medie, circa 10% din radacini, 15-20% in frunze si 85-93% in seminte (din materialul verde).

Prin arderea substantei vegetale uscate si calcinarea la 450-500⁰C se elimina compusii organici sub forma de CO2 si H2O si alte substante gazoase si ramane cenusa.

Cantitatea de cenusa rezultata prin arderea materialului vegetal depinde de asemenea de felul si varsta plantei, de felul organului, de starea fiziologica a plantei si da informatii asupra continutului de saruri minerale din materialul analizat.

Dintre organele plantelor frunzele sunt cele mai bogate in cenusa (pana la 20%). Continutul de cenusa creste cu varsta acestora stiut fiind ca plantele elimina substantele minerale prin frunze.

Semintele au continut mai mic de cenusa: 1,2 - 5% din s.u., tuberculii de cartofi 2-6%.

In cenusa plantelor s-au identificat peste 60 de elemente care se gasesc sub forma de ioni sau saruri ale acizilor anorganici (azotati, carbonati, clorul, fosfati, sulfati, silicati) si organici (oxalati, citrati, tartrati).

Raportul dintre anioni si cationi in cenusa ramane neschimbat indiferent de conditiile exterioare.

Substante cu caracter acid: P₂O₅, SO₃, CO₂, SiO₂, HCl.

Substante cu caracter bazic: K₂O, Na₂O, CaO, MgO, Fe₂O₃.

Cenusa are un caracter bazic din cauza prezentei in cantitate mare a carbonatilor si fosfatilor alcalini. Sarurile acizilor organici se transforma in carbonati prin calcinare.

Sarurile minerale

Dupa cantitatea in care se afla si dupa rolul pe care il indeplinesc in celulele vegetale, sarurile minerale se impart in doua grupe:

- saruri cu elemente plastice (cu macroelemente) formate din:

cationi

anioni

- saruri cu microelemente:

- cationi

- anioni

- compusi organo-minerali

- cu elemente metalice:

- cu elemente nemetalice:

In general sarurile cu macroelemente indeplinesc un rol plastic in structurile celulare si subcelulare, participa la procesele osmotice intercelulare, participa ma mentinerea echilibrului hidric al organismului vegetal si la schimbul de apa cu mediul iar microelementele intra in structura enzimelor oxido-reducatoare unde indeplinesc roluri catalitice.

Cele 12 elemente plastice au urmatoarele concentratii si roluri:

Carbonul: intra in constitutia tuturor compusilor organici din plante - 48-5% din s.u. CO2 din aer este folosit de catre plante in procesul de fotosinteza pentru sinteza glucidelor.

Hidrogenul: 6-7% din s.u. Se gaseste in toate substantele organice si in apa din organism. Participa la reactiile de oxidoreducere.

Oxigenul - in majoritatea constituentilor organismelor vegetale, in proportie de 21-23%. Ia parte la procesele de oxidoreducere.

Azotul - unul din elementele constitutive ale protidelor - la protidele vegetale 16%. In plante concentratia este de 1,4 - 1,6%.

Fosforul - intra in compozitia unor compusi cu rol biologic foarte important ca: enzime, lipide complexe, ATP; intervine in procesele de diviziune celulara, fotosinteza; se gaseste in concentratie de 0,1-1,1%.

Sulful: intra in constitutia unor proteine, enzime, vitamine - 0,02 - 1,8% din s.u. Are rol important in cresterea si dezvoltarea plantelor.

Clorul - favorizeaza depunerea amidonului, formarea tani..Excesul este daunator.

Potasiul - rol catalitic in fotosinteza si acumularea glucidelor, activeaza unele enzime in sinteza proteinelor, favorizeaza absorbtia apei prin radacinile plantelor si stimuleaza procesul general de crestere si reproducere.

Sodiul - analog potasiului. In lipsa potasiului Na preia unele functiuni. Exces

Calciul - constituent important al protoplasmei si reprezinta un element indispensabil. Participa la absorbtia apei in radacini, accelerarea transpiratiei si activarea unor enzime (lipaze, esteraze, debidrogenaze). Lipsa Ca impiedica cresterea si micsoreaza rezistenta la seceta si ger.

Magneziul - rol plastic si catalitic. Participa la formarea moleculelor de clorofila, activeaza numeroase enzime (fosfataza, carboxilaza, aminopeptidaza, lecitinaza), fixeaza fosforul ca fosfat de magneziu si .de unde poate fi usor asimilat in biosinteza acizilor nucleici si nucleotidelor enzimatice, a esterilor fosfatici ai glucidelor.

Siliciul - joaca un rol important in formarea scheletelor si tulpinilor unor plante si sub forma de silicati coloidali favorizeaza mobilizarea si asimilarea fosforului.

Dintre microelemente vorbim despre:

Zincul - intra in compozitia carboxilazei, stabileste legatura dintre enzime si substrat, este implicat in biosinteza clorofilei, triptifanului, auxinelor, participa la reglarea schimbului de apa cu mediul.

Cuprul - intra in structura oxidazei, activeaza .si polifenol oxidaza, este implicat in fotosinteza si biosinteza vitaminei C, protejeaza unele enzime fata de actiunea toxica a unor metale (Mo), in cantitati mari favorizeaza dezvoltarea microorganismelor fixatoare de azot.

Fierul - intra in alcatuirea unor enzime de oxidoreducere (catalaza), favorizeaza cresterea (orz, pomi, vita de vie).

Manganul - influenteaza activitatea enzimelor in procesul fotosintezei .vitamina C, a glucidelor, protidelor. Carenta duce la acumularea unor compusi toxici si la scaderea s.u.

Cobaltul - intra in compozitia vitaminei B12 care are un rol important in biosinteza catenelor de carbon, protejeaza enzimele, factor de crestere.

Aluminiul - manifesta actiune toxica in cantitati mari si favorabila in cantitati mici. Absenta sa impiedica acumularea amidonului si absorbtia calciului si a magneziului din sol.

Borul - stimuleaza activitatea unor enzime, neutralizeaza toxicitatea unor elemente in exces, favorizeaza dezvoltarea mo la nodozitati si fixarea azotului din aer. Carenta se manifesta la pomi.

Rol important au si: F, I, Mo, Va, Cs, Li. Microelemente = catalitice

De mare importanta este mentinerea unui raport relativ constant in celule si tesuturi, intre concentratia diferitelor grupe de elemente chimice. Unele elemente au o actiune fiziologica antagonista, altele se pot substitui in mod reciproc.

Dezechilibrul 'balantei ionice' determina modificari in reactiile biochimice din celule, modificari in permeabilitatea, vascozitatea si conductibilitatea protoplasmei.

Un element se considera esential daca, prin indepartarea lui din mediul de , planta isi intrerupe cresterea. Acest aspect constituie un argument ca, in dezvoltarea filogenetica a plantei elementul respectiv a participat la realizarea unor procese metabolice insemnate. Un element, de asemenea, se considera esential daca are o functie specifica si nu poate fi inlocuit. Sunt importante si elementele care anihileaza toxicitatea unor elemente sau care inlocuiesc unele elemente care lipsesc.

Sub aspectul nutritiei plantelor importanta deosebita prezinta: azotul, fosforul si potasiul. Pentru obtinerea de recolte mari aceste elemente se administreaza sub forma de ingrasaminte.

Plantele isi iau substantele minerale din aer, apa si sol. Din aer iau CO2 pentru fotosinteza, O2 pentru respiratie, azot.

Substantele minerale din plante se transforma partial in compusi organici, restul fiind returnate mediului prin caderea frunzelor.

Analiza elementelor minerale se face din cenusa prin flanfotometria, spectrofotometria, fotocolometria, cromatografia, polarografia, etc.

Plantele contribuoie intr-o proportie insemnata la circuitul elementelor in natura.

Material vegetal - apa - umiditatea

- s.u. - substante organice

- cenusa- indicator sintetic