SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT

Chia sẻ: Nguyễn NHi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

123
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quang hợp cung cấp các chất hữu cơ cơ bản cho thực vật (và gần như tất cả sự sống khác) phụ thuộc vào. Hô hấp, với sự trao đổi chất carbon liên quan của nó, giải phóng năng lượng lưu trữ trong các hợp chất carbon một cách kiểm soát để sử dụng. Đồng thời nó tạo ra nhiều tiền chất carbon cho sinh tổng hợp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT

SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT
SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT Quang hợp cung cấp các chất hữu cơ cơ bản cho thực vật (và gần như tất cả sự sống khác) phụ thuộc vào. Hô hấp, với sự trao đổi chất carbon liên quan của nó, giải phóng năng lượng lưu trữ trong các hợp chất carbon một cách kiểm soát để sử dụng. Đồng thời nó tạo ra nhiều tiền chất carbon cho sinh tổng hợp. Chuyên đề này sẽ xem xét về quá trình chuyển hoá của hô hấp, nhấn mạnh đến các đặc điểm đặc trưng ở thực vật. Một phần bản chất của hô hấp cũng sẽ được lí giải dựa trên những thành tựu gần đây về hoá sinh và sinh học phân tử ty thể thực vật. Đồng thời, xem xét đến những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hô hấp, từ đó ứng dụng vào bảo quản sản phẩm nông nghiệp. 1. KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP THỰC VẬT Hô hấp hiếu khí (cần oxy phân tử) phổ biến gần như tất cả các sinh vật nhân chuẩn và nhiều cơ thể nhân sơ, và quá trình hô hấp ở thực vật cũng được tìm thấy tương tự ở động vật và vi sinh vật. Tuy nhiên, hô hấp thực vật có một số khía cạnh đặc trưng để phân biệt với hô hấp động vật. Hô hấp hiếu khí là quá trình sinh học, mà các chất hữu cơ được huy động và sau đó bị oxy hoá một cách kiểm soát. Trong quá trình hô hấp, năng lượng tự do được tạo ra và được lưu giữ trong một hợp chất là ATP – được sử dụng cho sự tồn tại và phát triển của thực vật. Glucose là cơ chất phổ biến nhất cho quá trình hô hấp. Tuy nhiên, trong một tế bào thực vật carbon được khử có thể từ sucrose, hexose phosphate và triose phosphate xuất phát từ phân giải tinh bột và quang hợp, polyme có chứa fructose (fructan), các loại đường khác, lipid (chủ yếu là triacylglycerol), các acid hữu cơ, và một vài trường hợp là protein (hình 1). http://www.ebook.edu.vn 1
Hình 1: Khái quát về hô hấp. Cơ chất cho hô hấp được tạo ra bởi các quá trình khác nhau của tế bào và đi vào con đường hô hấp. Đường phân và con đường pentose phosphate trong tế bào chất và lạp thể (plastid) chuyển hóa đường thành các acid hữu cơ, thông qua hexose phosphate và triose phosphate, tạo ra NADH hoặc NADPH và ATP. Các acid hữu cơ được oxy hoá trong chu trình acid citric ty thể, và tạo ra NADH, FADH2 và cung cấp năng lượng cho tổng hợp ATP nhờ chuỗi vận chuyển điện tử và ATP synthase trong quá trình phosphoryl hoá oxy hoá. Trong sự hình thành đường glucose mới(gluconeogenesis), carbon từ lipid được chia nhỏ trong glyoxysome, chuyển hoá trong chu trình acid citric, và sau đó được sử dụng để tổng hợp đường trong tế bào chất bởi quá trình ngược với đường phân. Theo quan điểm hoá học, hô hấp thực vật có thể được thể hiện như là quá trình oxy hoá phân tử 12 carbon – đường sucrose và quá trình khử của 12 phân tử của O2: 12CO2 + 48H+ + 48e- C12H22O11 + 13H2O 12O2 + 48H+ + 48e- 24H2O http://www.ebook.edu.vn 2
Quá trình hô hấp được khái quát theo sơ đồ dưới đây: Từ sơ đồ trên, đưa đến phản ứng thực sau: C12H22O11 + 12O2 12CO2 + 11H2O Phản ứng này “dường như” là ngược chiều của quá trình quang hợp, nó đại diện cho một phản ứng oxy hoá khử trong đó sucrose bị oxy hoá hoàn toàn tới CO2 trong khi O2 đóng vai trò như chất nhận (acceptor) điện tử cuối cùng, bị khử thành nước. Năng lượng tự do chuẩn cho các phản ứng là 5.760 kJ (1380 kcal)/mol (342g) đường sucrose bị oxy hoá. Kiểm soát việc giải phóng năng lượng tự do này, kết hợp với sinh tổng hợp ATP là nội dung chủ yếu của quá trình hô hấp. Để tránh nguy hại (đốt cháy) các cấu trúc tế bào, tế bào huy động số lượng lớn năng lượng tự do được giải phóng trong quá trình oxy hoá sucrose bằng cách thực hiện một dãy các phản ứng theo từng bước một (dạng bậc thang). Các phản ứng này có thể được chia thành các nhóm bốn quá trình chính: đường phân, chu trình acid citric, các phản ứng của con đường pentose phosphate, và phosphoryl hóa oxy hoá. Cơ chất của hô hấp đi vào quá trình hô hấp tại các điểm khác nhau trong các con đường, được tóm tắt trong hình 1. • Đường phân (glycolysis): liên quan đến một loạt các phản ứng được thực hiện bởi một nhóm các enzyme hoà tan nằm trong tế bào chất và cả các lạp thể http://www.ebook.edu.vn 3
(plastid). Một loại đường - ví dụ, sucrose - một phần bị oxy hoá thông qua đường 6-carbon phosphate (hexose photphat) và đường 3-carbon phosphate (triose photphat) để tạo ra một hữu cơ acid – ví dụ như pyruvate. Hiệu suất năng lượng của quá trình này nhỏ gồm ATP, và một nucleotide pyridin khử - NADH. • Con đường pentose phosphate, cũng nằm trong tế bào chất và trong các lạp thể, đường 6-carbon (glucose-6-phosphate) ban đầu bị oxy hoá thành đường 5- carbon (ribulose-5-phosphate). Tạo thành CO2, và năng lượng tạo ra được tích luỹ dưới dạng hai phân tử của một nucleotide pyridin khử - NADPH. Trong các phản ứng sau gần trạng thái cân bằng, ribulose-5-phosphate được chuyển thành đường 3 đến 7 carbon. • Trong chu trình acid citric (citric acid cycle), pyruvate được oxy hoá hoàn toàn tới CO2, và tạo ra một lượng đáng kể lực khử tương đương (16 NADH + 4FADH2)/sucrose được tạo ra trong quá trình. Các phản ứng liên quan đến một loạt các enzyme nằm trong chất nền ty thể (xem hình 5) và chỉ có Succinate dehydrogenase nằm trên màng trong của ty thể. • Trong quá trình phosphoryl hoá oxy hoá, điện tử được vận chuyển nhờ một chuỗi vận chuyển điện tử gồm các protein vận chuyển điện tử nằm ở màng trong ty thể. Hệ thống này chuyển các điện tử từ NADH (và các loại có liên quan) - tạo ra trong đường phân, con đường pentose phosphate, và chu trình acid citric tới oxy. Sự vận chuyển điện tử này giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do được tích lũy trong ATP (tổng hợp từ ADP và Pi - phosphate vô cơ) được xúc tác bởi enzyme ATP synthase. Tập hợp các phản ứng oxy hoá khử của chuỗi vận chuyển điện tử và sinh tổng hợp ATP được gọi là phosphoryl hóa oxy hoá. Đây là giai đoạn cuối cùng quá trình oxy hoá hoàn toàn sucrose. Nicotinamid adenine dinucleotide (NAD+/NADH) là một cofactor hữu cơ (coenzyme) gắn liền với nhiều enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng oxy hoá khử trong tế bào. NAD+ là dạng cofactor oxy hoá và nó trải qua một phản ứng thuận nghịch, và trở thành dạng khử NADH khi phản ứng với 2 điện tử (hình 2): http://www.ebook.edu.vn 4
NAD+ + 2e- + H+ NADH Hình 2: Các cấu trúc và các phản ứng của các cofactor chủ yếu mang điện tử tham gia vào năng lượng sinh học hô hấp. (A) Sự khử NAD(P)+ tới NAD(P)H; (B) Sự khử của FAD tới FADH2. FMN là giống hệt với một phần flavin và được hiển thị trong khung trên hình 2. Các khu vực màu xanh hiển thị phần của các phân tử được tham gia trong phản ứng oxy hoá khử. Thế năng khử chuẩn cho cặp phản ứng oxy hoá khử là khoảng -320mV, tạo ra một chất khử mạnh (tức là chất cho điện tử). Như vậy, NADH là một phân tử thuận tiện để tích lũy năng lượng tự do của các điện tử được giải phóng ra trong phản ứng oxy hoá của đường phân và chu trình acid citric. Một hợp chất có liên quan là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+/NADPH), hoạt động trong các phản ứng oxy hoá khử của quang hợp và trong con đường pentose phosphate, nó còn tham gia vào sự trao đổi chất ty thể. http://www.ebook.edu.vn 5
Sự oxy hoá NADH bởi oxy qua chuỗi vận chuyển điện tử giải phóng năng lượng tự do (220 kJ/mol-1, hoặc 52 kcal/mol-1) được sử dụng để tổng hợp ATP. Bây giờ chúng ta có thể xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh hơn về mối liên quan giữa hô hấp và vai trò của nó trong quá trình chuyển hoá năng lượng tế bào qua hai phản ứng sau đây: C12H22O11 + 12O2 12CO2 + 11H2O 60ADP + 60Pi 60ATP + 60H2O Không phải tất cả carbon đi vào con đường hô hấp đều kết thúc là CO2. Nhiều sản phẩm trung gian của hô hấp là tiền chất cho các quá trình chuyển hóa khác (xem hình 13). 2. ĐƯỜNG PHÂN: QUÁ TRÌNH DIỄN RA TRONG TẾ BÀO CHẤT VÀ LẠP THỂ Trong những bước đầu của đường phân (glycolysis bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “glykos”: đường và “lysis”: tách), carbohydrate được chuyển thành hexose phosphate, sau đó được phân chia thành hai đường triose phosphate. Trong giai đoạn tiếp theo, năng lượng được tích luỹ trong đường triose phosphate được oxy hoá và sắp xếp lại để tạo ra hai phân tử pyruvate. Bên cạnh việc chuẩn bị cơ chất cho quá trình oxy hoá trong chu trình acid citric, hiệu suất năng lượng của đường phân nhỏ, năng lượng được tích luỹ trong các hợp chất hoá học gồm ATP và NADH. Khi phân tử oxy không có sẵn chẳng hạn như ở rễ cây trồng trong vùng đất ngập nước thì con đường lên men (fermentation pathway), với các phản ứng diễn ra trùng khớp với quá trình đường phân, diễn ra trong tế bào chất, khử pyruvate để tuần hoàn NADH được tạo ra từ đường phân. http://www.ebook.edu.vn 6
2.1. Đường phân chuyển hóa carbohydrate thành pyruvate, tạo ra NADH và ATP Đường phân xảy ra ở tất cả các cơ thể sống (sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn). Các phản ứng chính gắn liền với quá trình đường phân và lên men trong các ty thể gần như giống với trong tế bào động vật (hình 3). Tuy nhiên, đường phân thực vật có đặc trưng điều hoà riêng, ví dụ như một phần con đường đường phân diễn ra song song trong lạp thể và enzyme xúc tác thay đổi ở một vài bước trong tế bào chất. Trong động vật, cơ chất của đường phân là glucose và sản phẩm cuối cùng là pyruvate. Nhưng vì sucrose lại là đường chủ yếu trong hầu hết các loài thực vật, do đó đường này là cơ chất cho cây hô hấp ở các mô không quang hợp (không phải glucose). Sản phẩm cuối cùng của đường phân thực vật bao gồm acid hữu cơ gồm pyruvate và malate. Trước khi diễn ra đường phân, sucrose dễ dàng được “bẻ” thành hai monosaccharid (glucose và fructose) có thể đi vào con đường đường phân. Hai con đường cho sự phân giải sucrose được biết trong thực vật đều lấy sucrose từ libe. Trong hầu hết các mô thực vật, sucrose synthase có trong tế bào chất, được sử dụng để phân giải sucrose bằng cách kết hợp sucrose với UDP để sản xuất fructose và UDP-glucose. UDP-glucose pyrophosphorylase xúc tác chuyển UDP- glucose và pyrophosphate (PPi) thành UTP và glucose-6-phosphate theo sơ đồ dưới đây (và xem thêm ở hình 3). http://www.ebook.edu.vn 7
Trong một số mô, sự có mặt của invertase ở trong thành tế bào, không bào, hoặc tế bào chất sẽ thuỷ phân sucrose để tạo thành hai thành phần của nó là đường 6-carbon (glucose và fructose). Các hexose này sau đó được phosphoryl hoá trong phản ứng có sử dụng ATP. Ngược lại, khi phản ứng xúc tác bởi sucrose synthase gần tới trạng thái cân bằng, phản ứng xúc tác bởi invertase giải phóng đủ năng lượng về cơ bản đây là phản ứng không thuận nghịch. Lạp thể (có thể là lục lạp hoặc bột lạp) cũng có thể cung cấp cơ chất cho đường phân. Tinh bột được tổng hợp và được phân giải chỉ trong các lạp thể, và carbon thu được từ sự phân giải tinh bột đi vào con đường đường phân trong tế bào chất chủ yếu như hexose phosphate (được di chuyển ra khỏi bột lạp) hoặc triose phosphate (được di chuyển ra khỏi lục lạp). Sản phẩm quang hợp cũng có thể trực tiếp vào con đường đường phân như triose phosphate. Các lạp thể chuyển tinh bột thành triose phosphate sử dụng một dãy isozyme riêng biệt xúc tác phản ứng chuyển hexose phosphate thành triose photphat. Tất cả các enzyme được thể hiện trong hình 3 đã được đánh giá ở mức http://www.ebook.edu.vn 8
vừa đủ để hỗ trợ hô hấp và kết quả đã được quan sát trong các mô thực vật nguyên vẹn. Trong giai đoạn đầu tiên của đường phân, mỗi đơn vị hexose được phosphoryl hóa hai lần và sau đó chia tách, cuối cùng tạo ra hai phân tử triose phosphate. Các phản ứng này tiêu thụ 2-4 phân tử ATP trên một đơn vị sucrose, tuỳ thuộc vào việc sucrose được tách ra bởi sucrose synthase hoặc invertase. Các phản ứng này cũng bao gồm hai trong ba phản ứng cơ bản không thuận nghịch của con đường đường phân được xúc tác bởi hexokinase và phosphofructokinase (xem hình 3). Phản ứng phosphofructokinase là một trong những điểm kiểm soát (điều khiển) ở cả đường phân thực vật và động vật. 2.2. Phase tích lũy năng lượng của đường phân Các phản ứng chuyển carbon từ các “bể” (tạm dịch: “bể”) cơ chất khác nhau đến triose phosphate. Khi glyceraldehyde-3-phosphate được hình thành, con đường đường phân có thể bắt đầu trích xuất năng lượng để tích lũy. Enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase xúc tác quá trình oxy hóa aldehyde thành một acid carboxylic, khử NAD+ tạo NADH. Phản ứng này giải phóng năng lượng tự do để sử dụng cho phosphoryl hóa (sử dụng phosphate vô cơ) glyceraldehyde-3-phosphate để tạo ra 1,3-bisphosphoglycerate. Sự phosphoryl hóa acid carboxylic ở carbon số 1 của 1,3-bisphosphoglycrerate (xem hình 3) tạo ra một năng lượng tự do chuẩn lớn (-49,3 kJ/mol-1, hoặc -11,8 kcal.mol-1). Do đó, 1,3-bisphosphoglycerate là một chất khử mạnh của các nhóm phosphate. Trong bước tiếp theo của đường phân, được xúc tác bởi phospho glycerate kinase, phosphate ở carbon số 1 được chuyển tới một phân tử ADP, tạo ra ATP và 3-phosphoglycerate. Mỗi phân tử sucrose đi vào con đường này có 4 phân tử ATP được hình thành – mỗi phân tử ATP được hình thành từ một phân tử 1,3- bisphosphoglycerate. Loại tổng hợp ATP theo kiểu này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ chất có nghĩa là diễn ra sự chuyển giao trực tiếp một nhóm phosphate từ một http://www.ebook.edu.vn 9
phân tử cơ chất cho ADP để tạo thành ATP. ATP tổng hợp bằng cách phosphoryl hóa ở mức cơ chất có cơ chế khác biệt với ATP được tổng hợp bởi ATP synthase tham gia vào việc phosphoryl hóa oxy hóa trong ty thể hoặc quang phosphoryl hóa trong lục lạp. Trong phản ứng tiếp theo, phosphate ở 3-phosphoglyxerat được chuyển đến carbon số 2 và một phân tử nước bị loại bỏ, sự linh động của hợp chất phosphoenolpyruvate (PEP). Nhóm phosphate của PEP có năng lượng tự do chuẩn cao (-61,9 kJ / mol-1, hoặc -14,8 kcalmol-1), điều đó làm cho PEP là một chất khử rất tốt cho hình thành ATP. Bằng cách sử dụng PEP như là cơ chất, các enzyme pyruvate kinase xúc tác một phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất lần 2 để tạo ra ATP và pyruvate. Bước cuối cùng, đó là bước thứ ba về cơ bản không thể thuận nghịch trong đường phân, hiệu suất năng lượng là thêm bốn phân tử ATP cho mỗi phân tử sucrose vào con đường đường phân. 2.3. Thực vật có các phản ứng đường phân biến thể Trình tự của các phản ứng tạo thành pyruvate từ đường xảy ra ở tất cả các sinh vật nhờ thực hiện đường phân. Ngoài ra, các sinh vật có thể tổng hợp đường từ các acid hữu cơ. Quá trình này được gọi là tổng hợp đường mới - gluconeogenesis. Gluconeogenesis không phổ biến ở thực vật, nhưng nó hoạt động trong hạt của một số loài thực vật, chẳng hạn như đậu castor và hướng dương, lưu trữ số lượng đáng kể carbon dự trữ dưới dạng các loại dầu (triacylglycerol). Sau khi các hạt giống nảy mầm, dầu được chuyển theo gluconeogenesis tạo ra sucrose, mà sau đó sẽ được sử dụng để hỗ trợ cây giống. Trong giai đoạn đầu tiên của đường phân, gluconeogenesis trùng lặp với các lộ trình tổng hợp sucrose từ quang tổng hợp triose phosphate, là điển hình cho các thực vật. Bởi vì phản ứng phân giải đường được xúc tác bởi phosphofructokinase phụ thuộc ATP (ATP-dependent phosphofructokinase) cơ bản là không thuận nghịch (xem hình 3), thêm vào đó là một loại enzyme được bổ sung, fructose-1,6- http://www.ebook.edu.vn 10
bisphosphatease, chuyển fructose-1,6-bisphosphate tạo thành fructose-6- phosphate và Pi trong suốt quá trình gluconeogenesis. Phosphofructokinase phụ thuộc ATP và fructose-1,6-bisphosphatease kiểm soát điểm chính của dòng carbon thông qua con đường phân giải đường /gluconeogenic trong cả thực vật và động vật, cũng như trong tổng hợp sucrose ở thực vật Trong thực vật, sự chuyển hóa qua lại giữa fructose-6-phosphate và fructose-1,6-bisphosphate phức tạp hơn bởi sự hiện diện của một enzyme (bổ sung trong tế bào chất) đó là phosphofructokinase phụ thuộc -PPi (pyrophosphate: fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase), xúc tác phản ứng thuận nghịch (xem hình 3): Fructose-6-P + PPi ↔ Fructose-1,6-P2 + Pi Trong đó P là phosphate và P2 và bisphosphate phosphate. Phosphofructokinase phụ thuộc PPi được tìm thấy trong tế bào chất của hầu hết các mô thực vật với hàm lượng cao hơn đáng kể so với của phosphofructokinase phụ thuộc ATP. Sự ngăn cản của phosphofructokinase phụ thuộc PPi ở khoai tây biến đổi gen đã chỉ ra rằng của enzyme này giúp đường phân diễn ra mạnh mẽ, nhưng mà nó không phải là thiết yếu cho sự sống còn của thực vật, các enzyme khác có thể giữ chức năng này. Phản ứng xúc tác của phosphofructokinase phụ thuộc PPi là dễ dàng thuận nghịch, nhưng nó không hoạt động trong tổng hợp sucrose. Giống như phosphofructokinase phụ thuộc ATP và fructose bisphosphatease, enzyme này dường như xuất hiện để điều hòa quá trình chuyển hóa tế bào, điều đó gợi ý rằng trong một số trường hợp hoạt động của con đường phân giải đường ở thực vật có sự khác biệt với các sinh vật khác. Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân trong tế bào chất của tế bào được xác định bởi hoạt động của 3 enzyme có liên quan, các enzyme này sử dụng phosphoenolpyruvate làm cơ chất. Hai enzyme pyruvate kinase và PEP phosphatase xúc tác phản ứng tạo thành pyruvate, riêng PEP carboxylase xúc tác http://www.ebook.edu.vn 11
phản ứng tạo thành oxaloacetate. Pyruvate được chuyển trực tiếp vào trong ty thể. OAA có thể hoặc chuyển trực tiếp vào ty thể hoặc đầu tiên bị khử tới malate bởi enzyme malate dehydrogenase tế bào chất, theo phương trình sau: Màng trong của ty thể có chứa các chất mang riêng biệt nơi mà malate và pyruvate có thể được chuyển vào trong chất nền ty thể. Trong chất nền ty thể, malate có thể bị oxy hóa bởi hai enzyme: isoenzyme của malate dehydrogenase ty thể tạo thành OAA và NADH, và một enzyme nữa là NAD+ liên kết malic enzyme xúc tác hình thành pyruvate, CO2, và NADH, cả hai enzyme này đều nằm trong chất nền ty thể, phản ứng được chỉ ra theo phương trình dưới đây. Trước đó malate có thể đi vào trong ty thể từ tế bào chất nhờ sự khử tương đương (reducing equivalents). http://www.ebook.edu.vn 12
http://www.ebook.edu.vn 13
Hình 3: Các phản ứng của đường phân và lên men ở thực vật (A). Trong con đường chính, sucrose bị oxy hóa thành acid hữu cơ pyruvic. Các mũi tên kép chỉ chiều phản ứng thuận nghịch; các mũi tên đơn, chủ yếu là phản ứng không thuận nghịch. (B) Các cấu trúc của chất trung gian chứa P, phosphate P2, biphosphate. 2.4. Trong điều kiện thiếu (không có) O2, lên men tái sinh NAD+ cần thiết cho đường phân Nếu không có oxy, chu trình acid citric và phosphoryl hóa oxy hóa không thể hoạt động, đường phân do đó không thể tiếp tục vì cung cấp NAD+ của tế bào bị hạn chế vì tất cả các NAD+ chuyển lên trạng thái khử (NADH), các phản ứng xúc tác bằng glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase không thể xảy ra (NAD+ giống như con thuyền chở điện tử và proton). Để khắc phục vấn đề này, thực vật và các sinh vật khác có thể chuyển hóa pyruvate bằng cách thực hiện một hoặc nhiều hình thức trao đổi chất lên men (xem hình 3). Trong quá trình lên men rượu (phổ biến trong các thực vật, nhưng được biết đến rộng rãi hơn ở nấm men rượu), hai enzyme pyruvate decarboxylase và alcohol pyruvate dehydrogenase hoạt động trên pyruvate, cuối cùng tạo ra ethanol và khí CO2 và oxy hóa NADH trong quá trình. Trong quá trình lên men acid lactic (thường có ở bắp thịt động vật có vú và còn tìm thấy ở thực vật), các loại enzyme lactate dehydrogenase sử dụng NADH để khử pyruvate tới lactate, do đó tái sinh NAD+. Trong một số trường hợp, mô thực vật có thể chịu nồng độ thấp (hypoxic) hay không có (anoxic) oxy xung quanh, khiến chúng phải thực hiện http://www.ebook.edu.vn 14
chuyển hóa lên men. Ví dụ tốt nhất để thực hiện nghiên cứu này bao gồm các loại đất bị ngập lụt hoặc no nước mà ở đó sự khuếch tán oxy giảm là nguyên nhân để các mô gốc bị thiếu oxy. Ở ngô, các phản ứng ban đầu với oxy thấp là quá trình lên men acid lactic, nhưng các phản ứng tiếp theo là lên men rượu. Ethanol được cho là một sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ít độc hại vì nó có thể khuếch tán ra khỏi tế bào, trong khi tích lũy lactate sự đẩy nhanh quá trình axit hóa tế bào chất. Trong nhiều trường hợp, chức năng thực vật tùy theo điều kiện gần/kỵ khí mà thực hiện một số hình thức lên men. 2.5. Lên men không phải giải phóng tất cả năng lượng có sẵn trong phân tử đường Trước khi chúng ta rời khỏi chủ đề của đường phân, chúng ta cần phải xem xét hiệu quả của quá trình lên men. Hiệu quả được xác định ở đây là năng lượng được chuyển như ATP liên quan đến năng lượng thế năng sẵn có trong một phân tử sucrose. Năng lượng tự do chuẩn (ΔG0’) thay đổi trong quá trình oxy hóa hoàn toàn sucrose là -5.760 kJmol-1 (1380 kcal.mol-1). Giá trị của ΔG0' để tổng hợp ATP là 32 kJ mol-1 (7,7 kcal.mol-1). Tuy nhiên, dưới các điều kiện bình thường không chuẩn tồn tại ở cả tế bào động vật có vú và các tế bào thực vật, tổng hợp ATP đòi hỏi phải cung cấp năng lượng tự do khoảng 50 kJ.mol-1 (12 kcal.mol-1). Đem lại sự tổng hợp thực là bốn phân tử ATP từ mỗi phân tử sucrose được chuyển thành ethanol (hoặc lactate), hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí chỉ khoảng 4%. Hầu hết năng lượng có sẵn trong sucrose vẫn trong sản phẩm khử của quá trình lên men: lactate hoặc ethanol. Trong hô hấp hiếu khí, các pyruvate tạo ra qua đường phân được vận chuyển vào ty thể, nơi nó được tiếp tục bị oxy hóa, tạo ra năng lượng tự do nhiều hơn giá trị ban đầu có trong sucrose. Bởi vì hiệu quả tích lũy năng lượng qua lên men thấp, nên việc tăng tỷ lệ đường phân là cần thiết để duy trì sản xuất ATP rất cần thiết cho sự sống còn của tế bào. Điều này được gọi là hiệu ứng Pasteur sau khi Louis Pasteur nhà vi sinh Pháp, người đầu http://www.ebook.edu.vn 15
tiên ghi nhận nó khi nấm men chuyển từ hô hấp hiếu khí tới lên men rượu kỵ khí. Tỷ lệ cao hơn của đường phân là kết quả từ những thay đổi trong mức độ chuyển hóa phân giải đường, cũng như từ các gia tăng biểu hiện của các gen mã hoá enzyme của đường phân và lên men. 2.6. Đường phân thực vật được điều khiển bởi các sản phẩm của nó Trong in vivo, đường phân dường như được điều hòa bởi mức độ của sự phosphoryl hóa fructose-6-phosphate và sự quay vòng PEP. Trái ngược với động vật, AMP và ATP không phải là phân tử chính trả lời kích thích của phosphofructokinase và pyruvate kinase thực vật. Nồng độ PEP của tế bào chất, là một chất ức chế mạnh phosphofructokinase phụ thuộc ATP thực vật, đóng vai trò quan trọng trong điều hòa đường phân của thực vật. Hiệu quả ức chế này của PEP lên phosphofructokinase bị giảm mạnh bởi phosphate vô cơ, làm cho tỷ lệ của PEP/Pi trong tế bào chất là một yếu tố quan trọng trong sự kiểm soát hoạt động phân giải đường ở thực vật. Pyruvate kinase và PEP cacboxylase, các enzyme chuyển hóa PEP trong các bước cuối cùng của đường phân (xem hình 3), nhạy cảm với ức chế ngược (feed-back) bởi các chất trung gian của chu trình acid citric và dẫn xuất của chúng, bao gồm malate, citrate, 2- oxoglutarate và glutamate. Trong thực vật, sự kiểm soát đường phân xuất phát từ “dưới lên" (bottom - up) (xem hình 12), với chuyển hóa PEP được điều hòa ở mức sơ cấp bởi pyruvate kinase và PEP carboxylase và điều hòa thứ cấp được thực hiện bởi PEP trong chuyển hóa của fructose-6-phosphate tạo fructose-1,6-bisphosphate (xem hình 3). Ở động vật, điều hòa sơ cấp có hiệu lực ở các phosphofructokinase, và điều hòa thứ cấp tại pyruvate kinase. Một lợi ích có thể được thấy ở kiểm soát từ “dưới lên” đối với đường phân là nó cho phép thực vật kiểm soát thực sự phân giải đường để pyruvate độc lập với các quá trình trao đổi chất có liên quan chẳng hạn như các chu trình Calvin và chuyển đổi qua lại sucrose ↔ triose phosphate ↔ tinh bột. Một lợi ích khác của http://www.ebook.edu.vn 16
cơ chế kiểm soát này là đường phân có thể điều chỉnh cho nhu cầu sinh tổng hợp các tiền chất. Sự có mặt của hai enzyme trong chuyển hóa PEP trong các tế bào thực vật - pyruvate kinase và PEP carboxylase – dẫn tới sự kiểm soát của đường phân là không rõ ràng. Mặc dù hai enzyme bị ức chế bởi chất chuyển hóa tương tự, PEP carboxylase dưới một số điều kiện có thể thực hiện một phản ứng vượt qua pyruvate kinase. Kết quả là malate sau đó có thể nhập chu trình acid citric ty thể. Do vậy, điều hòa “dưới lên” cho phép một sự linh hoạt cao trong sự kiểm soát của đường phân thực vật. Thực nghiệm ủng hộ cho các con đường chuyển hóa PEP là các nghiên cứu về cây thuốc lá chuyển gen có pyruvate kinase trong tế bào chất ít hơn 5% so với mức bình thường trong lá của chúng. Trong thực vật đó, tỷ lệ của hô hấp lá và quang hợp đều không bị ảnh hưởng liên quan với việc điều khiển các mức độ của pyruvate kinase ở kiểu hình dại. Tuy nhiên, sự giảm tăng trưởng ở rễ các cây trồng chuyển gen chỉ ra rằng phản ứng pyruvate kinase không thể bị phá vỡ mà không có một số tác động có hại. Sự điều hòa của chuyển hóa fructose-6-phosphate tới fructose-1,6- bisphosphate cũng phức tạp. Fructose-2,6-bisphosphate, các hexose bisphosphate còn lại, có ở các mức độ khác nhau trong tế bào chất. Nó ức chế rõ rệt hoạt động của fructose-1,6-bisphosphatese tế bào chất nhưng kích thích hoạt động của phosphofructokinase phụ thuộc PPi. Những quan sát này cho thấy rằng fructose- 2,6-bisphosphate đóng một vai trò trung tâm trong dòng “thông” giữa con đường phụ thuộc ATP và con đường phụ thuộc PPi của chuyển hóa fructose phosphate tại điểm giữa tổng hợp sucrose và đường phân. 2.7. Con đường pentose phosphate tạo ra NADPH và sinh tổng hợp các sản phẩm trung gian Con đường đường phân + chu trình Krep không phải là con đường duy nhất cho quá trình oxy hóa đường trong tế bào thực vật. Con đường oxy hóa pentose http://www.ebook.edu.vn 17
phosphate (còn được gọi là con đường hexose monophosphate) cũng có thể thực hiện nhiệm vụ này (hình 4). Hình 4: Các phản ứng oxy hóa theo con đường pentose phophat ở thực vật bậc cao. P, phosphate. http://www.ebook.edu.vn 18
Các phản ứng được thực hiện bởi các enzyme hòa tan có trong tế bào chất và trong các lạp thể. Nói chung, các con đường trong các lạp thể chiếm ưu thế hơn con đường trong tế bào chất. Hai phản ứng đầu tiên của con đường này bao gồm các phản ứng oxy hoá chuyển đường 6-carbon: glucose-6-phosphate đến một đường 5-carbon, ribulose- 5-phosphate, một phân tử CO2 và sinh ra 2 phân tử NADPH (không phải NADH). Các phản ứng còn lại của con đường là chuyển ribulose-5-phosphate tới chất trung gian của phân giải đường glyceraldehyde-3-phosphate và fructose-6- phosphate. Bởi vì glucose-6-phosphate có thể được tái sinh từ glyceraldehyde-3- phosphate và fructose-6-phosphate bởi enzyme đường phân, trong sáu vòng của chu trình, chúng ta có thể viết những phản ứng như sau: 6 glucose – 6 P + 12 NADP+ + 7H2O 5 glucose-6-P + 6CO2 + Pi + 12NADPH + 12H+ Kết quả thu được từ quá trình oxy hóa hoàn toàn của một phân tử glucose- 6-phosphate tới CO2 là tổng hợp đồng thời 12 phân tử NADPH. 14 Nghiên cứu sử dụng đồng vị phóng xạ C của glucose đã chỉ ra rằng đường phân là con đường phổ biến, chiếm 80-95% tổng dòng carbon trong hầu hết các mô thực vật. Tuy nhiên, con đường pentose phosphate cũng góp phần vào chuyển hóa dòng carbon này, và những nghiên cứu về sinh học phát triển đã chỉ ra rằng vai trò của nó tăng cùng với sự phát triển của tế bào thực vật từ tế bào phân sinh đến trạng thái đã biệt hóa. Vai trò của con đường pentose phosphate được thể hiện: * Sản phẩm NADPH sẽ tham gia vào các phản ứng của các con đường sinh tổng hợp khác xảy ra trong tế bào chất. Con đường này cũng cung cấp NADPH cho quá trình sinh tổng hợp lipit và đồng hóa nitơ ở các thể vô sắc như bột lạp và lạp thể hoạt động trong tối. http://www.ebook.edu.vn 19