Зачем растениям крахмал?

Кто-то, возможно, уже и не вспомнит, что это такое, и для чего используется «скрипучий» белый порошок. Для большинства людей в наши дни уже не актуально, например, воротнички накрахмалить или, там, клейстер для обоев сварить.

Кто-то, возможно, сразу сообразит: а, картошка! Однако не только для картофеля, но и для других растений крахмал – крайне важное вещество, и производится он абсолютно всеми растениями, и даже некоторыми группами «низших растений», водорослей. Например, крахмал умеют вырабатывать и использовать зеленые водоросли, от которых, как считается, высшие растения и произошли. Другие группы водорослей производят аналоги крахмала. А все потому, что растениям без крахмала никуда.

Чем же так важен крахмал?

Для начала разберемся, что крахмал из себя представляет. Крахмал – в первую очередь запасной углевод растений. Он представляет собой полисахарид, состоящий из мономеров глюкозы, то есть цепочек молекул всем известного «простого» сахара. Крахмал, вырабатываемый растениями, как правило, состоит из двух типов полимеров, амилозы и амилопектина, с различной структурой. Химическая формула крахмала (C6H10O5)n.

Простейшей формой крахмала является линейный полимер амилоза; амилопектин имеет разветвленную форму. Структурные формулы амилозы и амилопектина представлены на Рис 1.

В каких частях у растений можно найти крахмал и для чего он там?

В клетках растений крахмал накапливается внутри пластид – клеточных органелл, которые осуществляют фотосинтез, но могут быть бесцветными (например, в корнях), или обесцвечиваться при длительном отсутствии света, утрачивая зеленые пигменты фотосинтеза, а также при созревании плодов… (Рис. 2). Крупные зерна крахмала можно без труда увидеть в микроскоп. Такие зерна обычно формируются в лейкопластах (бесцветных пластидах нефотосинтезирующих клеток растений) как стратегический запас на долгое время. Структура и характерные размеры гранул, а также физические свойства запасенного крахмала различны у разных видов растений (Рис. 3, 4).

Крахмал не зря откладывается в клубнях картофеля, где его можно легко обнаружить с использованием классической пробы, капнув на свежий срез клубня йодом (цвет раствора изменится с коричневого на синий). Все дело в том, что именно за счет использования крахмала клубень, пережив в почве зиму, дает такие мощные побеги. Первое время побеги могут расти совсем без света, поскольку крахмал в клетках «клейстеризуется» (гранулы становятся неструктурированными, размягчаются), а затем при помощи ферментов длинные молекулы разрушаются до отдельных «кирпичиков» - молекул глюкозы.

Однако клубни - далеко не единственное «депо» крахмала в организме растений, тем более, что есть клубни не у всех. Оказывается, крахмал может откладываться где угодно, в любых клетках растений: как в тех, которые сами занимаются фотосинтезом, производя глюкозу из углекислого газа (при участии воды), так и тех, в которых фотосинтез не идет. Практически любая живая клетка растений может вырабатывать крахмал из глюкозы в своих пластидах и откладывать его там в виде гранул. Даже «новорожденный» мох, который после прорастания споры представляет из себя лишь крошечную нить толщиной в одну клетку, и тот активно запасается крахмалом (Рис. 2).

На самом деле, не только какое-либо экстраординарное событие может заставить растение использовать запасенный крахмал. Дело в том, что крахмал очень несложно мобилизовать (расщепить до глюкозы и использовать для нужд растения). Например, капли масла, которые тоже запасают многие виды растений, гораздо сложнее оперативно мобилизовать, чем крахмал, поскольку масла относятся к жирам, а не у углеводам.

Вспомним, что свет, который дает возможность растению получать органические вещество для питания, роста и размножения, в буквальном смысле из воздуха, бывает только днем. А вот ночью полученная в течение дня энергия света заканчивается, и производство первичных органических соединений рано или поздно останавливается (если, конечно, мы не имеем дело с растениями тундры или лесотундры, у которых все лето полярный день без перерыва).

Крахмал вырабатывается в зеленых листьях или стеблях растений из глюкозы, образующейся в процессе фотосинтеза при ее избытке, и служит растению резервным источником питания.

Таким образом, в ночное время растение может подкормиться за счет запасов. А потому, даже в зеленых листьях и стеблях обязательно имеются запасы этого полисахарида. Про способность растений откладывать крахмал в клубнях и корневищах знают многие, но не все знают, что это вовсе не корни, а видоизмененные стебли! Тем не менее, и в настоящих корнях крахмал может откладываться: например, в запасающих корнях моркови, одуванчика, лопуха и др.

Важную роль крахмал как запасное вещество играет в околоплодниках плодов и семенах. Плоды, таким образом, становятся очень питательными (ведь не только растениям легко использовать крахмал как источник энергии), а потому активно поедаются животными. Несъеденные семена (нередко имеющие прочную кожуру) при этом распространяются, пройдя через желудочно-кишечный тракт животного и получив заодно подкормку в виде экскрементов. Крахмал, который откладывается в семенах (в клетках эндосперма – запасающей ткани), наряду с другими запасными веществами позволяет семенам пережить неблагоприятный период (например, зиму или период засухи и т.д.), и лишь в благоприятных условиях прорасти, сохранив зародыш живым.

Мхи, плауны и папоротники, как и семенные растения, могут откладывать крахмал в разных частях.

Интересно, что водоросли также вырабатывают крахмал, или вещества, похожие на него. Красные водоросли вырабатывают т.н. багрянковый крахмал, который по структуре близок к амилопектину и гликогену (полисахарид животных и грибов). В отличие от крахмала растений, багрянковый крахмал откладывается не внутри хлоропластов, а вне их, в цитоплазме клеток (Рис. 3.1).

Еще одну важную функцию крахмала в растительном организме определяет его способность выступать в роли буфера при изменениях в окружающей среде, например, при засолении или при изменении кислотности среды. За счет большого числа ОН-групп, имеющих слабый заряд, у составляющих его цепочки молекул глюкозы (Рис.1), крахмал может нейтрализовать (удерживать) «вредные» ионы, например, ионы натрия или даже ионы тяжелых металлов. Кроме того, крахмал может удерживать воду за счет тех же зарядов OH-групп, притягивающих заряженные молекулы воды. Крахмал – один из важных компонентов слизей, позволяющих сформировать или защитный слой на поверхности эпидермиса, или целую «баррикаду» против патогенов за счет частичного растворения ткани, клетки которой содержат много крахмала и других подобных полисахаридов.

Для чего нужен крахмал человеку и откуда его берут?

Крахмал в наше время активно используется в разных областях промышленности.

Применяют его в производстве различных продуктов питания. Крахмал также используется при производстве бумаги, тканей, в горнодобывающей промышленности, при производстве строительных материалов и товаров народного потребления.

Например, из крахмала получают этиловый спирт за счет гидролиза (расщепления) его длинных молекул, и даже выращивают особые сорта картофеля, которые накапливают крахмал с оптимальными для этого свойствами, в т.ч. соотношением содержания амилозы и амилопектина.

Кроме того, крахмал, применяют для приготовления продуктов питания, в том числе, хлебобулочных изделий, кондитерских изделий, консервированных джемов и фруктов, и др. Крахмал также используют как компонент клеевых составов (сейчас уже есть много более прогрессивных составов, чем обойный клейстер). Промышленный крахмал получают из различных природных источников, таких как пшеница, рис, тапиока, картофель и кукуруза, реже – саговые пальмы и другие культурные растения.


В общем, крахмал – очень важен не только в жизни растений, его производящих, но и в жизни людей. И нам бы пришлось тяжеловато, не будь растений, способных производить и накапливать про запас крахмал.

#крахмал #амилопласт