Биологическая роль и агрономическое значение углеводов в жизнедеятельности растений

Углеводы — важнейший элемент жизнедеятельности растений, определяющий их прочность, устойчивость к неблагоприятным факторам и энергетический баланс. В практической агрономии углеводный обмен напрямую влияет на устойчивость посевов к полеганию, засухе и патогенам. От того, насколько эффективно растение синтезирует и распределяет сахара, зависит итоговая урожайность и качество продукции.

В живых организмах углеводы выполняют шесть ключевых функций:

• энергетическую;
• пластическую;
• защитную;
• опорную;
• регуляторную;
• запасную.

Энергетическая и пластическая роли углеводов неразрывно связаны с ростом культур. Окисляясь в процессе дыхания, они высвобождают скрытую химическую энергию и обеспечивают большую часть потребностей организма. Как пластический материал углеводы необходимы для биосинтеза органических и нуклеиновых кислот, из которых затем строятся белки, аминокислоты и липиды. Они также используются для синтеза гомо- и гетерополисахаридов — обязательных структурных компонентов соединительных тканей (например, мукополисахаридов).

Защитные и опорные свойства углеводов формируют физический барьер против агрессивных факторов внешней среды. Они участвуют в построении наружного скелета насекомых и ракообразных, образуют основу клеточных стенок растений и клеточных мембран всех живых организмов. Именно прочный целлюлозный остов обеспечивает устойчивость стеблей к полеганию под ветровой нагрузкой. У животных и человека углеводы в комплексе с белками входят в состав хрящевых тканей (хондроитинсульфаты), а в печени глюкуроновая кислота связывает токсины, переводя их в растворимые эфиры для вывода с мочой.

Регуляция водного режима и накопление углеводов в тканях

В регулировании жизнедеятельности растений углеводы работают как быстрые диспетчеры. Взаимные превращения крахмала и сахаров в замыкающих клетках устьиц управляют их открытием и закрытием, контролируя транспирацию. Моносахариды активно участвуют в регуляции осмотических процессов, помогая клеткам удерживать воду при засухе. На клеточном уровне углеводные метки на мембранах позволяют организму отличать свои клетки от чужих, а сами сахара входят в состав нуклеиновых кислот, отвечающих за передачу наследственной информации. У животных они предотвращают накопление кетоновых тел при окислении жиров (при сбое этого процесса, например при сахарном диабете, развивается ацидоз), а клетчатка механически стимулирует перистальтику кишечника.

Запасная функция позволяет растениям накапливать резервы в виде крахмала, инулина и фруктозанов. В процессе фотосинтеза в хлоропластах образуется первичный крахмал, который затем превращается в сахара для транспортировки по тканям. В лейкопластах органов накопления эти сахара снова переходят во вторичный крахмал. Для растений семейства Астроцветные главным резервным веществом служит инулин, заменяющий крахмал.

Инулин накапливается в подземных органах и содержится в больших количествах в клубнях земляной груши и георгина, в корнях одуванчика, кок-сагыза, цикория и артишока, а также во всех частях каучуконосной гваюлы (Parthenium argentatum). Он находится в клеточном соке в виде коллоидного раствора и при взаимодействии со спиртом выпадает в сферокристаллы. В процессе гидролиза инулина образуется фруктоза по следующей реакции:

(С6Н10О5)n + nH2O = nC6H12O6

Животные и человек запасают углеводы в форме гликогена, который накапливается преимущественно в печени. В организме регулярно питающегося животного его содержание может достигать 10% от массы ткани. При голодании этот запас быстро расходуется, и его концентрация снижается до 0,2%.