Giáo trình Sinh lý thực vật (Tập 1 - Phần lý thuyết): Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:192

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 giáo trình "Sinh lý thực vật (Tập 1 - Phần lý thuyết)" tiếp tục cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Hô hấp ở thực vật; Dinh dưỡng khoáng - nitơ ở thực vật; Sinh trưởng và phát triển ở thực vật; Tính chống chịu các nhân tố phi sinh học bất lợi ở thực vật;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Sinh lý thực vật (Tập 1 - Phần lý thuyết): Phần 2

Chương 4 HÔ HẤP Ở THỰC VẬT 4.1. Khái quát chung 4.1.1. Định nghĩa Hô hấp là quá trình phân giải oxy hóa các chất hữu cơ với sự tham gia của oxy không khí cho đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng cung cấp cho tất cả các hoạt động sống của cây và tạo ra các sản phẩm trung gian cho các quá trình sinh tổng hợp các chất khác nhau trong cây. Như vậy, hô hấp không chỉ là quá trình phân giải thuần túy mà còn tham gia vào quá trình tổng hợp ở nghĩa là cung cấp một số nguyên liệu cho một số công đoạn của quá trình tổng hợp các chất khác. Ở đây muốn nói đến vai trò của các sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp. Phương trình đơn giản của hô hấp được viết như sau: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O - Q (kcal + to) Tuy nhiên, hô hấp là một quá trình oxy hóa khử xảy ra rất phức tạp bao gồm hàng loạt các phản ứng hóa sinh liên tục dưới sự xúc tác của một hệ thống enzyme đặc hiệu. Quá trình này được chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Quá trình oxy hóa cơ chất hô hấp với sự tham gia của hệ thống enzyme oxy hóa khử và sự tách điện tử và H+ ra khỏi cơ chất hô hấp để hình thành nên các chất khử mạnh như NADH+H+, FADH2, NADPH+H+ và giải phóng CO2 vào không khí Giai đoạn 2: Quá trình oxy hóa liên tục NADH, FADH2, NADPH với sự tham gia của oxy không khí để giải phóng năng lượng tích lũy trong các liên kết cao năng của ATP và hình thành nên H2O. Theo đó phương trình tổng quát của hai giai đoạn được viết như sau: C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 12H+ 12H+ + 6O2 → 12H2O – Q (kcal + to) C6H12O6 + 6 O2 → 6CO2 + 6H2O - Q (kcal + to) 4.1.2. Vai trò của hô hấp đối với thực vật Hô hấp cung cấp năng lượng cho hầu như tất cả các hoạt động của cây. Quang hợp là quá trình tích lũy năng lượng ánh sáng mặt trời vào trong các chất hữu cơ thì trong quá trình hô hấp năng lượng đó được giải phóng ra để cung cấp cho các hoạt 165
động sống của cây như các quá trình phân chia và sinh trưởng của tế bào, quá trình trao đổi chất như vận chuyển vật chất ngược chiều gradient nồng độ, và đặc biệt giúp cây chống chịu được với các điều kiện bất lợi của môi trường… Như vậy, năng lượng được sinh ra từ quá trình hô hấp có nguồn gốc sâu xa từ năng lượng ánh sáng mặt trời. Trong cây chỉ trừ phần năng lượng dùng trong các phản ứng đồng hóa carbon trong pha tối là lấy từ ánh sáng mặt trời thông qua các phản ứng sáng của quang hợp, còn lại năng lượng cho tất các cả hoạt động sống khác đều lấy từ quá trình hô hấp. Sản phẩm trung gian của hô hấp được dùng làm nguyên liệu tổng hợp các chất hữu cơ khác nhau. Một số sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp, ví dụ như đường pentozo – P, fructose – P, acetyl coenzym – A, các acid amin, các ketoacid… được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác nhau trong cơ thể như protein, lipid, acid nucleic, glucid. Điều đó có nghĩa hô hấp không chỉ là quá trình phân giải đơn thuần mà nó còn mang ý nghĩa tổng hợp vật chất hay nói cách khác hô hấp vừa là quá trình dị hóa vừa mang đặc tính của quá trình đồng hóa. Hô hấp có thể điểu chỉnh được để mang lại lợi ích cho con người Trong sản xuất, việc hiểu biết về hô hấp giúp ta điều chỉnh hô hấp theo hướng có lợi cho con người như tránh hô hấp yếm khí có hại cho cây, khống chế hô hấp trong việc bảo quản nông sản phẩm để giảm thiểu sự hao hụt chất hữu cơ do hô hấp của nông sản phẩm. 4.1.3. Nguyên liệu Điều kiện đầu tiên để cho hô hấp có thể xảy ra là trong mô thực vật phải có những hợp chất hữu cơ làm nguyên liệu cho các phản ứng oxy hóa. Glucose là nguyên liệu phổ biến nhất cho hô hấp, do vậy các mô tả về quá trình hô hấp điển hình thường diễn tả quá trình phân giải glucose. Có thể nói đó là kiến thức kinh điển qua các thời kỳ phát triển của khoa học sinh học. Tuy nhiên, những hợp chất carbon khử có nguồn gốc từ quá trình phân giải tinh bột, hay quang hợp như disaccharide sucrose, hexose phosphate và triose phosphates; các chất đồng phân có chứa fructose như fructan, và các đường khác; hay như lipids (triacylglycerols sơ cấp), các acid hữu cơ, và đôi khi cả protein cũng được tế bào sử dụng làm nguyên liệu hô hấp. Tóm lại, nguyên liệu hô hấp là các hợp chất hữu cơ khác nhau như glucose, các sản phẩm của quá trình chuyển hóa tinh bột, lipid, acid hữu cơ, protein, tuy nhiên phổ biến nhất là glucose. 166
4.2. Bộ máy hô hấp 4.2.1. Cấu tạo của ty thể Khác với quang hợp, trong cơ thể thực vật không có cơ quan hô hấp chuyên biệt. Quá trình hô hấp được thực hiện trong một bào quan nằm trong tế bào chất đó là ty thể. Vì thế, ty thể được coi như là trung tâm sản sinh ra năng lượng của tế bào hay còn gọi là nhà máy điện của tế bào (cell powerhouse). Trong cấu tạo ty thể có rất nhiều đặc điểm để phù hợp với chức năng hô hấp của tế bào. Trong tế bào thực vật ty thể có dạng hình cầu, dạng que hay dạng sợi dài: đường kính 0,5-1 μm, chiều dài 1-5 μm. Số lượng ty thể trong một tế bào phụ thuộc vào hoạt động trao đổi chất của mô bào đó. Cơ quan nào có hoạt động trao đổi chất mạnh thì số lượng ty thể nhiều và ngược lại. Thành phần chủ yếu của ty thể là protein chiếm 70% khối lượng khô, được chia làm hai loại là protein hòa tan như các protein enzyme và protein không hòa tan như các protein tham gia cấu tạo nên các phức hợp chức năng định vị trên màng trong của ty thế. Ngoài ra trong ty thể còn có lipid chiếm khoảng 27% chủ yếu là phospholipid, còn lại là ADN và ARN riêng của ty thể. Ty thể được cấu tạo bởi ba phần: màng ngoài bao bọc; màng trong ty thể và khoang ty thể (Hình 4.1). Hình 4.1. Cấu trúc ty thể, hình mô phỏng ty thể (a), hình ảnh hiển vi điện tử (b); cấu trúc màng trong ty thể (c) 167
Màng ngoài Màng ngoài có cấu trúc của màng cơ bản (màng sinh học), được cấu tạo từ hai lớp kép lipid tương tự như màng sinh chất hay màng ngoài lục lạp; nó có bề dày khoảng 5 – 7nm. Về chức năng, màng ngoài có nhiệm vụ bao bọc, bảo vệ và quyết định tính thấm đối với các chất đi ra và đi vào ty thể. Màng trong Màng trong (Hình 4.1c) của ty thể gồm một hệ thống màng ăn sâu vào không gian bên trong ty thể tạo thành những nếp gấp như những răng lược. Đặc điểm này làm gia tăng đáng kể diện tích bề mặt của màng trong tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển điện tử và phosphoril hóa oxy hóa diễn ra trên đó. Trên bề mặt màng trong có rất nhiều hạt hình cầu có chân gọi là các thể hình nấm (oxisome/hạt). Mỗi oxisome có cấu tạo gồm 3 phần, đầu, thân và chân. Trong đó phần đầu có hình tròn giống như mũ nấm, bên trong chứa các enzyme cho quá trình tổng hợp ATP. Về chức năng màng trong ty thể chứa nhiều enzyme tham gia vào chuỗi chuyển vận electron và phosphoryl hóa. Cơ chất ty thể Màng trong bao quanh một khối chất nền cơ bản được gọi là cơ chất ty thể (Hình 4.1a,b). Cơ chất ty thể có thành phần hóa học chủ yếu là protein chiếm 50%, phần lớn trong số đó là các enzyme của chu trình Krebs và các enzyme khác (xem trong phần cơ chế hô hấp); chiếm một tỷ lệ nhất định lipid và các nguyên tố khoáng. Ngoài ra chất nền còn chứa các phân tử ADN dạng vòng và ARN, ribosom cho quá trình tổng hợp một số protein của riêng ty thể. Cơ chất ty thể là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa chất hữu cơ của chu trình Krebs. Khoang ty thể Ty thể có hai khoảng trống là bên ngoài và bên trong, trong đó khoảng trống bên ngoài ngăn cách giữa màng trong và màng ngoài; còn khoảng trống bên trong được hình thành do hai lớp màng trong gấp nếp lại tạo thành, hay đó chính là khoảng trống bên trong của răng lược (Hình 4.1c). Vai trò của các khoang ty thể là tham gia vào quá trình tổng hợp ATP thông qua việc điều chỉnh điện tử H+ trong khoang. 4.2.2. Chức năng của ty thể Thực hiện oxy hóa các chất hữu cơ để giải phóng năng lượng tích lũy trong các phân tử ATP. 168
Ty thể cung cấp các hợp chất trung gian để thực hiện quá trình sinh tổng hợp một số hợp chất quan trọng cho cây như chlorophyll, cytochrome, pyrimidine, steroid, alkaloid... Chất nền ty thể có chứa các enzyme cho sinh tổng hợp chất béo. Ty thể là nơi tổng hợp một số amino acid. Đầu tiên là acid glutamic và acid aspartic. Những hợp chất này được tổng hợp từ acid α-ketoglutaric và oxaloacetic tương ứng. Các amino acid khác được tổng hợp bằng phương pháp chuyển hóa hoặc chuyển vị amin (nhóm –NH2) từ acid glutamic và acid aspartic. Ty thể là nơi dự trữ và giải phóng Ca2+ khi tế bào cần. Ngoài ra, do trong ty thể có chứa riboxom, ADN và ARN riêng của mình nên có khả năng tổng hợp một số protein riêng và thực hiện chức năng di truyền ngoài nhân một số tính trạng được qui định bởi protein ty thể. 4.3. Cơ chế hô hấp Hô hấp ở thực vật có hai hình thức, hô hấp hiếu khí và hô hấp yếm khí. Với sự tham gia bắt buộc của oxy không khí, nguyên liệu hô hấp được oxy hóa tới sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O và giải phóng năng lượng, được gọi là quá trình hô hấp hiếu khí. Ngoài ra, khi cây rơi vào điều kiện không có oxy, thì hô hấp hiếu khí chuyển sang hình thức hô hấp yếm khí, hay còn gọi là quá trình lên men. Trong hai hình thức này hô hấp hiếu khí xảy ra ở tất cả thực vật trên Trái đất. Trong khi lên men chỉ là hình thức hô hấp tạm thời khi môi trường không có oxy. Nhìn chung hô hấp là quá trình rất phức tạp gồm rất nhiều các phản ứng sinh hóa khác nhau với sự tham gia của một số lượng lớn các enzyme đặc biệt là ở hình thức hô hấp hiếu khí. 4.3.1. Hô hấp hiếu khí Hô hấp hiếu khí là hình thức hô hấp chủ yếu đảm bảo được nguồn năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào. Hình thức này xảy ra ở tất cả các tế bào trong cơ thể thực vật trong điều kiện có O2. Quá trình này được chia làm ba giai đoạn: đường phân, chu trình Krebs; quá trình vận chuyển điện tử và phosphoril hóa hô hấp, được tóm tắt trong Hình 4.2. Trong đó, đường phân là quá trình phân giải yếm khí đường glucose thành pyruvate và giải phóng 2 ATP, 2 NADH, quá trình này diễn ra trong tế bào chất. Chu trình Krebs tiếp tục oxy hóa hoàn toàn pyruvate thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, giải phóng 2 ATP, 6 NADH và 2 FADH2 và điện tử, quá trình này diễn ra trong cơ chất ty thể. Vận chuyển điện tử và phosphoril hóa thực chất là hai quá trình riêng biệt nhưng có sự kết hợp chặt chẽ với nhau trên màng trong ty thể để tạo ra sản phẩm là 32-34 ATP. Chi tiết các giai đoạn này được trình bày ngay sau đây. 169
Hình 4.2. Sơ đồ tóm tắt quá trình hô hấp hiếu khí 4.3.1.1. Quá trình đường phân a) Diễn biến Diễn ra trong tế bào chất, dưới sự xúc tác của một loạt các enzyme oxy hóa khử khác nhau, phân tử đường glucose được phân giải thành acid pyruvic. Quá trình này không đòi hỏi sự tham gia của oxy nên còn được gọi là giai đoạn yếm khí của quá trình hô hấp hiếu khí. Đường phân là giai đoạn chung cho cả quá trình hô hấp hiếu khí và yếm khí. Phương trình tổng quát của quá trình đường phân như sau: C H O + 2ADP + 2NAD + 2H PO → 2C H O + 2NADH + 2ATP 6 12 6 3 4 3 4 3 2 Thực chất đường phân là một quá trình sinh lý rất phức, gồm ít nhất 11 phản ứng, được chia thành ba giai đoạn nhỏ là hoạt hóa đường, phân giải đường và hình thành ATP và NADH (Hình 4.3). Hoạt hóa đường Ở giai đoạn đầu tiên này, phân tử đường được hoạt hóa nhờ ATP để thành đường hexozophosphate. Giai đoạn này cần 2 phân tử ATP để biến đổi glucose thành fructozo- 1,6-diphosphate qua trong gian fructozo-6-diphosphate. Phân giải đường Sau khi hình thành, 2 phân tử fructozo - 1,6 - diphosphate bị phân giải thành 2 triozophosphate là 3- phosphoglyceral aldehyde và dihydroxy aceton phosphate. Trong đó 170
hai đường ba carbon này có thể chuyển hóa lẫn nhau. Dihydroxy aceton phosphate sau đó Hình 4.3. Quá trình đường phân Trong hình mol – molecule: Phân tử 171
được chuyển thành 3- phosphoglyceral aldehyde. Giai đoạn hình thành ATP và NADH Đây là giai đoạn oxy hóa liên tục 3- phosphoglyceral aldehyde với sự tham gia của NAD để hình thành nên acid pyruvic đồng thời giải phóng ATP tự do và NADH. Giai đoạn hình thành ATP và NADH Đây là giai đoạn oxy hóa liên tục 3- phosphoglyceral aldehyde với sự tham gia của NAD để hình thành nên acid pyruvic đồng thời giải phóng ATP tự do và NADH. b) Kết quả Oxy hóa một 1 phân tử glucose bằng con đường đường phân tạo ra 2 phân tử pyruvate, 2ATP tự do và 2NADH2, mà 1NADH2 sau quá trình phosphoril hóa có mức năng lượng tương đương 3ATP. Như vậy, giai đoạn đường phân ngoài 2 phân tử acid pyruvic thì còn tạo ra năng lượng tương đương 8ATP. Trong điều kiện có oxy, pyruvate sau khi tạo thành rời khỏi tế bào chất, di chuyển đến ty thể để thực hiện quá trình phân giải tiếp theo trong chu trình Krebs. Còn nếu không có oxy thì pyruvate sẽ ở lại tế bào chất và bị biến đổi trong quá trình lên men yếm khí. 4.3.1.2. Chu trình Krebs a) Diễn biến Pyruvate sau khi đi qua hai lớp màng của ty thể sẽ được di chuyển vào trong cơ chất. Tại đây, nó bị oxy hóa triệt để với sự xúc tác của một hệ thống các enzyme đặc hiệu để giải phóng CO2 và H2O; đồng thời tạo ra các chất khử có mức năng lượng cao như NADH2, FADH2 và giải phóng ATP tự do. Phương trình tổng quát của chu trình Krebs như sau: 2 C3H4O3 + 6 H2O → 6 CO2 + 2 ATP + 10 [H2] Trong quá trình trên, pyruvate trước khi tham gia vào chu trình Krebs, được decarboxy hóa bởi enzyme pyruvate dehydrogenase, tạo ra sản phẩm là NADH (từ NAD+), CO2, và acetic acid ở dạng acetyl-CoA (Hình 4.4). Enzyme pyruvate dehydrogenase tồn tại ở dạng phức gồm một vài enzyme có khả năng phân giải toàn bộ 3 bước của quá trình oxy hóa, ba bước đó là decarboxylation, oxidation, và kết hợp với CoA. Phản ứng tiếp theo là tổng hợp hợp chất 6C citrate (acid citric) nhờ sự kết hợp của acetyl coenzyme A với hợp chất 4C là oxaloaxetic acid, mở đầu cho chu trình Krebs. Do hợp chất đầu tiên của chu trình là acid citric, nên người ta còn gọi là chu trình citric. Sau đó citrate sẽ tiếp tục được biến đổi liên tục qua các acid: aconitate, izocitrate, 172
oxalosuccinate, α-xetoglutarate, succinyl coA, succinate, fumartate, malate và cuối cùng quay trở lại oxaloaxetate acid để khép kín chu trình. Các phản ứng của quá trình này và các enzyme xúc tác được tóm tắt trong Hình 4.4 dưới đây. Quan sát chu trình Krebs trong Hình 4.4 cho thấy các acid trong chu trình hầu hết đều có 3 nhóm – COOH nên chu trình này có thể gọi là chu trình tricarboxylic acid (chu trình TCA – Tricarboxylic acid). Hình 4.4. Chu trình Krebs (chu trình citric acid - citric acid cycle) b) Kết quả Sau khi oxy hóa hoàn toàn 2 phân tử pyruvate, chu trình Krebs tạo ra 3 phân tử CO 2, 2 ATP tự do, 10 cặp H+ (8NADH2 và 2FADH2), các điện tử H+ này sẽ được chuyển tới O2 không khí, qua quá trình vận chuyển điện tử, năng lượng giải phóng ra được tích lũy trong các phân tử ATP qua quá trình phosphoril hóa ở mức coenzyme (xem phần sau). Kết quả cuối cùng về năng lượng sau khi 2 phân tử pyruvate trải qua chu trình Krebs là 30ATP. c) Ý nghĩa Là chu trình cơ bản nhất cho tất cả thế giới sinh vật, bởi vì nó tạo ra một lượng năng lượng rất lớn 30 ATP sau khi oxy hóa hoàn toàn 2 phân tử pyruvate từ quá trình đường phân. Đây là nguồn năng lượng chủ yếu cung cấp cho các hoạt động sống của cây. Chu trình Krebs tạo ra rất nhiều các sản phẩm trung gian mà chúng là nguyên liệu để 173
tổng hợp nên các chất hữu cơ khác. Ví dụ, như các xetoacid được dùng để tổng hợp acid amin, sau đó sẽ tổng hợp nên protein; Axetin – CoA đóng vai trò trung tâm trong trao đổi lipid, các steroid, terpenoid, isoprinoite, phytochrom, gibberillin (GA3), abscisic acid (ABA) hay tổng hợp nên chlorophyll, acid nucleic... Ngoài ra, khả năng chịu phân đạm, chịu nóng của cây liên quan đến chu trình Krebs nhờ sự tham gia của một số hợp chất trung gian như pyruvate, fumarate, malate, oxaloacetate, succinate... trong quá trình đồng hóa amon, giúp cây giải độc amon khi hàm lượng NH3 trong cây tăng lên do bón dư thừa nitơ hoặc sự phân giải các hợp chất chứa nitơ bởi nhiệt độ cao khi cây gặp nóng. 4.3.1.3. Chu trình pentose phosphate a) Diễn biến Song song với con đường đường phân và chu trình Krebs của quá trình hô hấp hiếu khí trình bày trên đây, trong tế bào còn một con đường hô hấp hiếu khí khác nữa là chu trình pentose phosphate. Đây là quá trình phân giải triệt để glucoze không qua giai đoạn đường phân mà oxy hóa trực tiếp đường glucose-6-phosphate một sản phẩm của quá trình phosphatase đường glucose (Hình 4.5). Hai phản ứng đầu tiên của chu trình là oxy hóa chuyển hóa hợp chất đường 6C, glucose-6phosphate thành đường 5C ribulose-5-phosphate, giải phóng 1 CO2. Tiếp đó ribulose-5-phosphate được biến đổi thành hai sản phẩm trung gian với quá trình đường phân glyceraldehyde-3-phosphate và fructose-6 phosphate. Bởi vì đường 6C glucose-6- phosphate có thể được tái sinh từ glyceraldehyde-3-phosphate và cả fructose-6 phosphate nhờ các enzyme của quá trình đường phân (Hình 4.2), và đường phân được ưu tiên trước sau đó mới đến chu trình pentose phosphate, nên 6 lần quay vòng của chu trình được tóm tắt bằng phương trình sau: 6glucose-6-P + 12NADP+ + 7H2O → 5glucose-6-P + 6CO2 + Pi + 12NADPH + 12H+ Trong đó, 6 phân tử glucose-6-phosphate trải qua chu trình pentose phosphate thì được tái tạo được 5 phân tử, và chỉ 1 phân tử bị oxy hóa để tạo ra 12 phân tử NADPH. 174
Hình 4.5. Chu trình pentose phosphate (Taiz và Zeiger, 2010) Nếu chu trình Krebs dùng enzyme khử là NAD+, thì ở chu trình pentose phosphate dùng NADP (Nicotinamid adenin dinucleotid phosphate). Theo đó, sản phẩm trọng nhất của chu trình là NADPH2 và kèm theo giải phóng CO2. Đây cũng là chu trình hô hấp hiếu khí xảy ra khi có đủ O2 vì các phân tử NADPH2 cần được oxy hóa bởi oxy không khí để tạo thành năng lượng ATP. Do có sử dụng chung các enzyme của quá trình đường phân nên chu trình này chỉ xảy ra khi các enzyme của đường phân có hoạt tính mạnh, trong mối quan hệ này đường phân vẫn được ưu tiên hơn. Khi oxy hóa hết 1 phân tử glucose qua chu trình pentose phosphate này tạo ra 12 NADPH2. b) Ý nghĩa của chu trình 175
Chu trình này sẽ tạo ra một nguồn năng lượng lớn chứa đựng trong 12 phân tử NADPH2 cung cấp cho các hoạt động sống của cây. Ở những bào quan không có diệp lục như hạt tinh bột, hoặc trong lục lạp khi không có ánh sáng, chu trình pentose phosphate có thể cung cấp NADPH cho các phản ứng sinh tổng hợp như sinh tổng hợp lipid, đồng hóa nitơ (Taiz và Zeiger, 2010). Chu trình tạo ra một số sản phẩm trung gian mà quan trọng nhất là đường 5C (pentose phosphate), là xuất phát điểm để tổng hợp nên nhiều hợp chất rất quan trọng trong cây như nucleic acid (ADN và ARN), các hormone sinh trưởng như auxin, cytokinin, các hợp chất phenol như acid amino thơm, lignin, flavonoids, và phytoalexins... 4.3.1.4. Chu trình glyoxylic Chu trình glyoxylic là một dạng biến thể của chu trình Krebs, trong đó thực hiện chuyển đổi hợp chất 2C acetyl-CoA kết hợp với oxaloacetate thành succinate. Sau đó, một mặt succinate được biến đổi qua một loạt các phản ứng sinh hóa, với sự xúc tác của rất nhiều các enzyme khác nhau để tái sinh oxaloacetate khép kín chu trình (Hình 4.6). Quá trình này diễn ra trong glyoxysom. Hình 4.6. Chu trình Glioxylic (Taiz và Zeiger, 2010) cytosol: tế bào chất; mitochondrion: ty thể; gyloxylate cycle: chu trình glyoxylate. Mặt khác succinate được vận chuyển từ glyoxysom đến ty thể để thực hiện chuyển 176
hóa thành malate (Hình 4.6). Tiếp đó malate rời ty thể ra ngoài tế bào chất để tổng hợp nên glucose bởi một loạt các enzyme khác nhau. Chi tiết quá trình này được thể hiện (trong Hình 4.6). Chu trình glioxylic thực hiện sự biến đổi lipid thành carbohydrate (glucose), không tạo ra nhiều năng lượng như chu trình Krebs sau đó, carbohydrate (glucose) tiếp tục được biến đổi qua quá trình đường phân và chu trình Krebs để tạo đủ năng lượng cho tế bào. Không phải tất cả các thực vật đều chuyển hóa lipid thành đường như chu trình glioxylic. Thực tế, chu trình này được phát hiện ở vi khuẩn, nấm mốc và một số thực vật, đặc biệt là quá trình nảy mầm của những hạt chứa nhiều dầu như đậu. Trong quá trình nảy mầm của những hạt cây có dầu do kết quả của sự phân giải các acid béo sẽ tạo nên lượng lớn acetic acid (axetyl-CoA). Acid này sẽ tham gia vào chu trình glioxylic acid để tạo thành glucose, dạng đường khử được chuyển hóa từ hạt (lá mầm) lên các mô của cây mầm. Ý nghĩa của chu trình glioxylic. Glioxylic là chu trình có ý nghĩa quan trọng trong quá trình nảy mầm của các hạt thực vật mà chất dự trữ là lipid. Nhờ chu trình này thực hiện chuyển hóa lipid thành glucose, sau đó glucose được biến đổi bởi chu trình Krebs để tạo ra năng lượng cho các hoạt động trao đổi chất của hạt mầm. Các sản phẩm trung gian của chu trình có thể tham gia vào quá trình chuyển hóa carbohydrate, tổng hợp acid nucleic... 4.3.2. Hô hấp yếm khí Khi lượng O2 trong môi trường quanh tế bào thực vật giảm dưới 5%, thì hô hấp sẽ chuyển sang hô hấp yếm khí. Ở con đường này, chất hữu cơ không được oxy hóa triệt để mà cắt thành các chất có mạch carbon ngắn hơn như rượu etylic (ethanol), acid lactic... Hô hấp yếm khí ở thực vật phổ biến nhất là hai hình thức lên men rượu và lên men lactic. Quá trình hô hấp yếm khí được chia thành hai giai đoạn kế tiếp nhau: đường phân và lên men. Quá trình đường phân trong hô hấp yếm khí xảy ra tương tự như đường phân trong hô hấp hiếu khí được mô tả ở trên (Mục 4.3.1.1). Bản chất của quá trình đường phân là phân giải yếm khí đường glucose thành pyruvate (Hình 4.3). Sau đó, pyruvate được biến đổi tiếp theo hai con đường hoặc là lên men rượu hoặc là lên men lactic. 4.3.2.1. Lên men rượu Đây là quá trình lên men chủ yếu thực vật, xảy ra ở mầm đậu Hà lan, lúa, đại mạch vào những ngày đầu sau khi nảy mầm,... Cũng có thể xảy ra trong mô thực vật được cung cấp O2 bình thường gọi là lên men hiếu khí như mô mọng nước của táo, cam, quýt… Trong quá trình lên men rượu, pyruvate biến đổi yếm khí thành rượu ethanol qua 177
trung gian là acetaldehyde (Hình 4.7). Quá trình này cần sử dụng 2NADH, được lấy từ quá trình đường phân. Như vậy, kết quả, từ một phân tử glucose qua quá trình lên men rượu chỉ tạo ra 2ATP và 2 phân tử ethanol (Hình 4.7). Hình 4.7. Lên men rượu 4.3.2.2. Lên men lactic Quá trình lên men lactic (lactate) cũng có thể xảy khi bảo quản khoai tây trong điều kiện khí nitơ. Trong quá trình này pyruvate được biến đổi trực tiếp thành lactate (Hình 4.8). Sự biến đổi này làm tiêu tốn 2 NADH của quá trình đường phân. Kết quả là từ 1 phân tử glucose qua lên men lactic chỉ tạo được 2 ATP và 2 phân tử lactate. Hình 4.8. Quá trình lên men lactate 178
4.3.2.3.Ý nghĩa của quá trình hô hấp yếm khí Quá trình lên men cho hiệu quả năng lượng rất thấp, khi lên men yếm khí 1 phân tử glucose, chỉ tạo ra được 2 ATP ở cả hai hình thức lên men rượu và lactate. Hơn nữa các sản phẩm lên men là rượu ethanol và lactate nếu được tích lũy trong tế bào có thể gây độc cho cây. Ngoài ra nếu tế bào chỉ có thể thực hiện được hình thức này sẽ làm thiếu các sản phẩm trung gian vốn là một sản phẩm khá quan trọng của chu trình Krebs, cho quá trình tổng hợp các hợp chất quan trọng khác như carbohydrate, lipid, ADN, ARN, chất điều tiết sinh trưởng, diệp lục, đồng hóa nitơ... Vì vậy, trong thực tiễn trồng trọt cần hạn chế để cây xảy ra hô hấp yếm khí, bằng cách chú ý các biện pháp cung cấp đủ O2 cho cây như làm cỏ sục bùn, xới xáo cho đất tơi xốp, tháo nước, phá váng sau khi mưa tránh xảy ra tác hại của ngập úng. Tuy nhiên, đây lại là quá trình bắt buộc, một phản ứng thích nghi của cây trong điều kiện yếm khí tạm thời. Khi đó, cây rất cần năng lượng cho các phản ứng sinh hóa, phân tử để chống chịu, nhưng hô hấp hiếu khí không thể diễn ra, nên thay vì tế bào không có một ATP nào thì 2 phân tử ATP từ quá trình lên men 1 phân tử glucose cũng ít nhiều có ý nghĩa. 4.3.3. Sự vận chuyển điện tử và phosphoril hóa trong hô hấp Trong quá trình phân giải chất hữu cơ trình bày bên trên (giai đoạn 1), sản phẩm tạo ra lúc này (ngoài CO2 thải ra ngoài không khí, các hợp chất trung gian, H2O2) gồm hai loại là ATP tự do, và các hợp chất khử cao năng NADH2, FADH2 và có thể NADPH2 (trong chu trình pentose phosphate). Các điện tử H+ trong các hợp chất khử cao năng sẽ được vận chuyển qua các chất vận chuyển điện tử trung gian để cuối cùng đến O2 không khí và tạo thành H2O. Sự chênh lệch năng lượng giữa các thế năng oxy hóa khử liên tiếp sẽ được tích lũy trong ADP+ để hình thành ATP trong quá trình phosphoril hóa oxy hóa. Cả hai quá trình này đều diễn ra trên màng trong của ty thể. 4.3.3.1. Sự vận chuyển điện tử Chuỗi vận chuyển điện tử phân giải dòng điện tử từ NADH2 và FADH2 đến O2, chất nhận điện tử cuối cùng của quá trình hô hấp, tạo thành H2O thải ra ngoài. Toàn bộ quá trình oxy hóa NADH được tóm tắt thành phương trình sau: NADH + H+ + 1⁄2 O2 → NAD+ + H2O Thế năng khử của cặp NADH/NAD+ (-320 mV) và của cặp H2O/1/2O2 (+810 mV), theo tính toán lượng năng lượng tự do giải phóng ra đạt khoảng 220 kJ mol–1 (52 kcal mol–1) cho mỗi cặp điện tử 2H+. Bởi vì thế năng oxy hóa khử của cặp succinate/fumarate cao hơn (+30 mV), chỉ 152 kJ mol–1 (36 kcal mol–1) của năng lượng tự do được giải phóng cho mỗi cặp điệp tử (2H+) sinh ra trong quá trình oxy hóa succinate. Vai trò của chuỗi vận chuyển điện tử là 179
thực hiện oxy hóa NADH (và FADH2) và trong quá trình này sử dụng một chút năng lượng tự do được giải phóng tạo thành grandient proton điện hóa, ∆H+ xuyên màng trong ty thể. Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp ở thực vật cũng tương tự các dạng sống khác, bao gồm các chất truyền điện tử trung gian, được sắp xếp thành 4 phức hợp đa protein, ký hiệu là I, II, III, IV. Các chất vận chuyển điện tử trong 4 phức này được sắp xếp một cách rất trật tự theo thứ tự như mô tả dưới đây, tạo thành một chuỗi vận chuyển điện tử nằm ở phần đầu của oxisom trên lớp màng trong ty thể (Hình 4.1c). Quá trình vận chuyển điện tử diễn ra như sau (Hình 4.9): Phức hệ I: Điện tử từ NADH được chuyển tới tới Ubiquinone (UQ) còn gọi là phức hệ NADH dehydrogenase. Chất mang điện tử trong phức hệ I bao gồm FMN (Flavin mononucleotide), tương tự FAD về mặt hóa học và một vài trung tâm Fe-S. Ubiquinone (UQ): Là chất mang proton và điện tử nhỏ có thể hòa tan trong lipid. Nó không kết hợp với protein như các phức hợp khác và nó có thể khuếch tán trong nhân kỵ nước của lớp màng kép của màng trong ty thể. Hình 4.9. Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp Phức hệ II (succinate dehydrogenase): Thực hiện oxy hóa succinate nên còn được gọi là succinate dehydrogenase, đương lượng khử của phản ứng này được chuyển qua FAD và nhóm protein Fe-S để đến bể ubiquinone (UQ). Phức hợp này không bơm proton. Phức hệ III: Phức oxy hóa này khử ubiquinone (ubiquinol) và chuyển điện tử qua trung tâm Fe-S, hai loại cytochrome (b565 và b560), và cytochrome c1 liên kết trên màng đến cytochrome c. 4 proton/2H+ được bơm bởi phức hợp III. Cytochrome c là một protein nhỏ gắn lỏng lẻo trên bề mặt màng trong và làm việc như là một chất mang di động chuyển điện tử giữa hai phức hợp III và IV (Hình 4.9). 180
Phức hợp IV (cytochrome c oxidase): Phức hợp này chứa 2 trung tâm hình chóp (Cu A và CuB) và cytochrome a và a3. Phức hợp IV là oxidase cuối cùng và thực hiện khử 4 electron của O2 thành H2O. Hai proton được bơm cho mỗi cặp điện tử được khử (Hình 4.9). Cả về mặt cấu trúc và chức năng, ubiquinone và phức hợp cytochrome bc1 rất giống với phức hợp cytochrome b6f trong chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp (Chương 3). 4.3.3.2. Sự hình thành năng lượng trong hô hấp của thực vật ATP là một hợp chất rất quan trọng, có khả năng tích lũy lượng lớn năng lượng giải phóng trong quá trình oxy hóa. Trong hô hấp sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ có liên kết với quá trình phosphoril hóa của ADP, với sự tham gia của gốc phosphate vô cơ Pi để hình thành ATP. Sự hình thành ATP do sự tích lũy năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ nên gọi là quá trình phophorin hóa oxy hóa và đó là quá trình hình thành năng lượng trong hô hấp. a) Phosphoryl hóa ở mức nguyên liệu Phosphoryl hóa ở mức nguyên liệu là quá trình phosphoril hóa oxy hóa được thực hiện nhờ sự oxy hóa trực tiếp chất hữu cơ nguyên liệu của hô hấp. Quá trình này được xảy ra ở 2 phản ứng, phản ứng đầu tiên trong quá trình đường phân, phản ứng thứ hai trong chu trình Krebs, phương trình phản ứng như sau: G3P + Pi + ADP + NAAD + H2O → 3-PGA + ATP + NADH2 Acetyl CoA Acid α- xetoglutaric + NAD + ADP + Pi → A.succinic + ATP + NADH2 + CO2 Quá trình phosphoril này chỉ tích lũy lượng nhỏ (
Trong chuỗi vận chuyển điện tử có 3 vị trí đạt được điều kiện đó là: NAD → FMN (hoặc FAD) Xyt b → Xyt c Xyt a → O2 Về lý thuyết mức năng lượng được hình thành từ các hợp chất khử này đã được chỉ ra như sau: 1 NADH -> 3 ATP 1 FADH2 -> 2 ATP Quá trình phosphoril hóa được thực hiện bởi phức hợp enzyme FoF1-ATP synthase (còn được gọi là phức hợp V), gồm hai thành phần F1 và Fo (Hình 4.10). F1 là phức hợp protein ngoài màng nằm ở mặt trong cơ chất của màng ty thể, được cấu tạo từ ít nhất 5 tiểu phần khác nhau và có chứa trung tâm hoạt động làm nhiệm vụ chuyển hóa ADP và Pi thành ATP. Fo là phức hợp protein trong màng gồm ít nhất 3 chuỗi polypeptide khác nhau, tạo thành kênh proton xuyên qua màng trong ty thể. Sự di chuyển của ion H+ qua kênh này gắn liền với quá trình xúc tác của phần F1 để tổng hợp ATP, để tổng hợp 1 ATP cần 3 ion H+ xuyên qua Fo. Cấu tạo và chức năng của phức FoF1-ATP synthase tương tự như phức hợp enzyme CFo-CF1 Hình 4.10. Cấu trúc ATP synthase ty thể ATP synthase trong phosphosin hóa quang hợp. Do màng ty thể không thấm với ion H+ nên tế bào cần bơm proton từ khoảng trống giữa hai lớp màng xuyên qua Fo để vào trong cơ chất ty thể tạo nên gradient điện hóa trên màng trong ty thể (Hình 4.10). Gradient H+ này cũng có vai trò trong sự vận chuyển các hợp chất hữu cơ của chu trình Krebs, Pi… vào và ra khỏi ty thể cho quá trình tổng hợp ATP diễn ra. Cơ chế tổng hợp ATP này gọi là cơ chế hóa thẩm, tương tự như ở quá trình quang hợp. Số lượng ATP được tổng hợp phụ thuộc vào bản chất của chất cho điện tử. Thí nghiệm với ty thể tách rời trong ống nghiệm cho thấy số lượng ATP được tổng hợp trong mỗi lần vận chuyển 1 cặp điện tử đến O2 không khí là 2.4 - 2.7 (Taiz và Zeiger, 2010). 182
Để tổng hợp 1 phân tử ATP thì tế bào cần 4 H+ trong đó 3 H+ được dùng để điều khiển phức FoF1 ATP synthase và 1 H+ dùng để vận chuyển ADP và Pi từ khoảng trống giữa hai màng vào trong cơ chất ty thể do sự vận chuyển này là ngược chiều gradient áp suất. Bảng 4.1. Tổng kết năng lượng được hình thành trong hô hấp hiếu khí Phosphoryl hóa ở Phosphoryl hóa Tổng số Quá trình mức cơ chất oxy hóa ATP Glycolysis 2 ATP 2 NADH = 6 ATP 8 Co A 2 NADH = 6 ATP 6 6 NADH = 18 ATP Chu trình Kreps 2ATP 24 2 FADH2 = 4 ATP Tổng số 4 ATP 34 ATP 38 Theo lý thuyết thống kê trong Hình 4.2 và Bảng 4.1, khi oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glucose sẽ thu được từ 38 ATP. Tuy nhiên trong thực tế tế bào đã sử dụng một phần năng lượng này cho sự di chuyển của ADP, Pi và pyruvate từ tế bào chất vào trong cơ chất của ty thể. Do đó hiệu suất năng lượng thực là mỗi NADPH chỉ tạo ra 2.5 ATP và với FADH là 1.5 ATP, và tổng năng lượng tế bào thu được khi oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glucose là 31 ATP. Đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể thực vật. Hô hấp vô hiệu và hô hấp hữu hiệu Quá trình phosphoril hóa và chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp luôn diễn ra song song với nhau. Nhưng năng lượng ATP chỉ được tạo thành khi chúng liên kết với nhau. Khi sự kết hợp này xảy ra, thì quá trình hô hấp được gọi là hô hấp hữu hiệu. Khi gặp các điều kiện bất lợi như hạn hán, nóng, lạnh, sâu bệnh… gây tổn thương cấu trúc màng trong của ty thể làm cho 2 quá trình đó bị tách rời nhau thì ATP không được tạo thành mà năng lượng bị thải ra ngoài dạng nhiệt, gọi là hô hấp vô hiệu. Khi hô hấp vô hiệu xảy ra, sẽ dẫn đến thiếu năng lượng cho các hoạt động sống của cây, ảnh hưởng đến sự sinh trường và hình thành năng suất của cây trồng. Do đó, trong trồng trọt cần có biện pháp để hô hấp vô hiệu xảy ra thấp nhất. 4.4. Cƣờng độ và hệ số hô hấp 4.4.1. Cường độ hô hấp Cường độ hô hấp là lượng khí O2 cây hấp thụ vào hoặc lượng CO2 thải ra trên một đơn vị khối lượng mẫu trong một đơn vị thời gian (mgO2 (CO2)/kg/h). Cường độ hô hấp phản ánh khả năng hô hấp của mô, cơ quan, cơ thể thực vật. 183
Cường độ hô hấp rất biến động thay đổi theo loài cây, và tỷ lệ thuận với mức độ hoạt động sinh lý của cơ quan, bộ phận, của cây đó. Mô cơ quan còn non đang sinh trưởng có hoạt động sống mạnh thì cường độ hô hấp cao và ngược lại. Giai đoạn nảy mầm ra hoa hoạt động trao đổi chất mạnh thì cường độ hô hấp lớn, giai đoạn ngủ nghỉ thì ngược lại. Trong đó hô hấp ở giai đoạn nảy mầm được coi là cao nhất trong cả chu trình sống bình thường của thực vật. Từ đó, dựa vào cường độ hô hấp người ta có thể điều chỉnh theo hướng có lợi cho con người. Ngoài ra cường độ hô hấp chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của nhiều yếu tố ngoại cảnh. 4.4.2. Hệ số hô hấp (RQ - Respiration quotient) Khái niệm: Hệ số hô hấp (RQ) là tỷ số giữa lượng CO2 thải ra và lượng O2 lấy vào trong hô hấp ở điều kiện và thời gian nhất định. Phụ thuộc vào nguyên liệu của hô hấp, hệ số hô hấp cũng khác nhau. Người ta xác định hệ số hô hấp căn cứ vào các phản ứng đốt cháy các nguyên liệu hô hấp khác nhau như các chất béo, carbohydrate, các protein. Đối với carbohydrate, nguyên liệu chủ yếu của hô hấp như saccarite hoặc tinh bột hệ số hô hấp là 1. Ví dụ oxy hóa triệt để gluxit: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O 6CO 2 RQ = =1 6O 2 Đối với lipid, hệ số hô hấp là 0.7. Ví dụ oxy hóa triệt để acid stearic ta có: C18H36O2 + 26O2 → 18CO2 + 18H2O 18CO2 RQ = = 0, 69 26O2 Đối với protein, hệ số hô hấp dao động từ 0.8 – 0.9. Đối với các acid hữu cơ chứa lượng oxy nhiều thì RQ > 1. Ví dụ oxy hóa acid oxalic ta có: 2C2H2O4 + O2 → 4CO2 + 2H2O 4CO2 RQ = =4 O2 Ý nghĩa của RQ: Xác định RQ cho ta khả năng chẩn đoán được cây đang hô hấp loại chất nào hoặc đang trong tình trạng hô hấp nào. Ví dụ, RQ của hạt thóc, ngô thường bằng 1. Khi ta xác định RQ của chúng lớn hơn 1 thì chứng tỏ chúng đang hô hấp trong điều kiện thiếu oxy. 184