Формы микроэлементов в зрелых семенах
В семенах микроэлементы находятся в ионной и связанной форме. Металлы-микроэлементы в основном входят в состав фитатов — нерастворимых комплексов с различными катионами (Mg2+, Ca2+, К+) фитиновой кислоты или миоинозитолгексафосфата.
Фитаты представляют собой смешанные K-, Mg-, Са-соли мио-инозитолгексафосфорной кислоты. Калий и магний — постоянные компоненты фитатов. Концентрация в фитатах кальция широко варьирует в зависимости от вида растений. В небольших количествах в фитине содержатся натрий, железо, марганец, медь, а также цинк и барий. У бобовых и злаков содержание фитина в семенах достигает 1,5%, у масличных — 3% от сухой массы. Общее содержание фитатов в зерновках кукурузы изменяется от 3 до 6 мкмоль/г сырой массы.
Фитин в клетках растений приурочен к алейроновым зернам — белковым телам вакуолярного происхождения. Такая приуроченность фитина указывает на взаимосвязь процессов накопления в семенах запасных белков и питательных элементов. Установлена корреляция между скоростью накопления в семенах запасных белков и калия, а также фосфора. В зерновках злаков концентрация белка коррелировала с концентрацией в них марганца, цинка, железа и меда.
В клетках семян белковые тела размерами от 0,1 до 25 мкм окружены однослойной мембраной. У некоторых злаков такая мембрана может отсутствовать. В качестве включений белковые тела содержат растворимые (глобоиды) и нерастворимые (кристаллоиды) соединения белковой природы, а также друзы оксалата кальция. В связи с этим алейроновые зерна делят на простые (без включений) и сложные (с включениями). Кристаллический фитин в глобоиде «сложных» зерен погружен в зону, образованную фитин-белковыми комплексами. Алейроновые зерна содержат кроме запасных соединений (фитина, белков) необходимые для их расщепления ферменты.
Синтез фитина происходит в цитозоле в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. Присоединение катионов макро- и микроэлементов к фосфатным группам мио-инозитолгексафосфорной кислоты осуществляется за счет электростатических связей. Затем происходит упаковка фитатов в транспортные везикулы и их миграция к вакуолярной мембране белковых тел. После слияния с вакуолярной мембраной фитах достигает глобоида, где и откладывается. Внутри белковых тел отложение запасных белков происходит одновременно с отложением фитатов. Транспортные везикулы для фитатов и белков образуются с участием аппарата Гольджи.
В семенах фитаты являются основным резервом фосфора. В зависимости от вида растений и органа семян содержание фосфора в фитиновой кислоте может варьировать от 40 до 86% общего фосфора. Фитин встречается главным образом в виде глобоидных включений внутри белковых тел, имеющих вакуолярное происхождение. При этом доля фитина в составе глобоидных кристаллов наиболее высока. Глобоидные кристаллы той или иной формы (призмы, друзы) по-разному распределены в белковых телах.
Зародыш, алейроновый слой, эндосперм, семядоли, щиток идентифицированы как органы биосинтеза и локализации фитина. Исключение составляет такой злак, как кукуруза, у которой до 38% фитиновой кислоты сосредоточено в зародыше. Этот факт объясняют тем, что белковые тела крахмалистого эндосперма не содержат глобоидов, внутри которых локализуются фитаты. Однако А.М. Соболевым было установлено, что в простых алейроновых зернах, не содержащих глобоидов, фитин может откладываться в виде фитин-белковых комплексов.
Концентрация фитина в кукурузе колеблется от 3 до 6 мк/моль на 1 г сырой массы зерновки. В формирующихся зерновках риса фитиновая кислота синтезируется в алейроновом слое и щитке, а в крахмалистом эндосперме она не образуется. Вероятно, биосинтез фитина начинается в цистернах эндоплазматического ретикулума, затем фитин «упаковывается» в транспортные везикулы, которые мигрируют к вакуоляркой мембране и сливаются с ней. На заключительных этапах биосинтеза частицы фитина накапливаются в полости вакуоли и формируют глобоид. Биохимические стадии синтеза фитиновой кислоты до конца не выяснены. Предположительно, сначала из глюкозы-6-фосфата формируется миоинозитол-1-фосфат, к которому присоединяются еще пять фосфорных групп (донор АТФ) и образуется миоинозитолгексафосфорная кислота (фитиновая кислота). Переходных форм от моно- к гексафосфорилированным формам миоинозитола не выявлено.
Ионы минеральных элементов присоединяются к фитиновой кислоте в результате взаимодействия с отрицательно заряженными фосфатными группами. Из минеральных элементов глобоидные кристаллы в наибольших количествах содержат фосфор, калий и магний, отмечаются также кальций, железо, марганец и другие микроэлементы. Глобоидные кристаллы из алейронового слоя пшеницы, удаленного от зародыша, содержат больше кальция, а вблизи зародыша больше железа. Элементный состав фитатов в различных частях семян неоднороден. В семенах бобовых наибольшее количество кальция находится в фитине зародышевого корешка и гипокотиля, наименьшее — в фитине семядолей. У ячменя фитаты алейрона содержат больше кальция, но меньше магния, калия и фосфора, чем фитаты щитка.
Фитаты — плохо растворимые в воде соединения. Однако растворимость фитатов сильно зависит от их элементного состава. Высокая растворимость в воде установлена для фитатов калия и натрия, тогда как фитаты двух- и трехвалентных металлов образуют гораздо менее растворимые формы. Цинк в составе фитатов увеличивает их устойчивость к гидролизу при прорастании семян.
Хотя минеральные вещества концентрируются главным образом в глобоидных кристаллах, некоторое количество элементов непосредственно связывается белками белковых тел. В белковых телах семян сосны (Pictaglauca Moench Voss) содержались наряду с обычными фитатами небольшие частицы размерами 0,14-0,25 мкм, представлявшие собой обогащенную железом форму фитатов. С помощью рентгенофлуоресцентного анализа в них обнаружено очень много железа и фосфора, много калия и магния и мало кальция и цинка.
Ферритин — одна из форм запасания железа, синтезирующаяся а листьях, цветках и семенах растений. В семенах гороха в форме ферритина сосредоточено около 90% от общего содержания железа. Ферритин локализуется в зародышах и семенных покровах. В ходе прорастания ферритин разрушается, а содержащееся в нем железо используется растущим проростком. Деградация ферритина в прорастающих семенах сопровождается образованием свободных радикалов. Эти радикалы модифицируют ферритиновую белковую оболочку, которая затем разрушается протеазами. Вместе с тем существует мнение: предположение о том, что ферритин — основной источник железа для проростков, нуждается в подтверждении.
Часть питательных элементов в семенах растений связана с пектиновыми веществами срединной пластинки и клеточной стенки. Такой тип связи характерен для щелочных (К), щелочноземельных элементов (Ca, Mg), а также микроэлементов (Cu, Fe, Zn). Последние задействованы в биосинтезе клеточных стенок и образуют прочные координационные связи с карбоксильными группами пектиновых веществ и целлюлозы. В клеточных стенках бор вместе с кальцием обеспечивает перекрестное связывание полисахаридов.
Сведения о формах молибдена в семенах немногочисленны. Возможно, молибден связывается группой запасных белков, имеющих к нему высокое сродство. Часть этих белков представляет собой молибдокофактор (Мосо), которого много в семенах бобовых: горох, фасоль, люпин, соя. В покоящихся семенах гороха Мосо обнаружен в трех основных формах: термостабильных белков, термолабильных белков и анализируемого низкомолекулярного кофактора. Во всех выделенных формах Мосо находится в виде безмолибденового предшественника. Возможно, у бобовых молибден включается в состав предшественника Мосо при прорастании семян. Об этом свидетельствует появление активности ксантиндегидрогеназы и нитратредуктазы в процессе прорастания семян гороха одновременно с исчезновением в них Мосо-белкое. Таким образом, Мосо-белки в семенах выступают донорами активного Мосо в процессе прорастания и, кроме того, предшественниками Мо-ферментов.
