81 Chưong 4 HÔ HẤP THỰC VẬT 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HÔ HẤP THỰC VẬT 1.1. Định nghĩa Hô hấp là quá trình phân giải hoàn toàn nguyên liệu hữu cơ (trước hết là gluxit) vơi sự tham gia của oxi không khí tạo thành các sản phẩm vô cơ cuối cùng nghèo năng lượng là CO 2 và H 2 O, đồng thời giải phóng 1 lượng lớn năng lượng cung cấp cho tất cả hoạt động sống của cơ thể và tạo ra những sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho các quá trình trao đổi chất khác nhau ở trong cây. 1.2. Phương trình tổng quát Về thực chất, hô hấp là một hệ thống oxy hóa - khử phức tạp trong đó diễn ra các phản ứng oxy hóa - khử tách điện tử và hydro từ nguyên liệu hô hấp chuyển tới oxy không khí và tạo thành nước. Năng lượng giải phóng ra trong các phản ứng oxy hoá-khử đó được cố định lại trong các mối liên kết giàu năng lượng. 1.3. Vai trò của hô hấp đối với thực vật Hô hấp được xem là quá trình sinh lý trung tâm của cây xanh, có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng: - Hô hấp cung cấp năng lượng cho tất cả các hoạt động của cây. Nếu như trong quang hợp năng lượng ánh sáng mặt trời được tích lũy vào trong các hợp chất hữu cơ thì trong quá trình hô hấp, năng lượng đó lại được giải phóng ra dưới dạng ATP và năng lượng ATP này được sử dụng cho các hoạt động sống của cơ thể: quá trình trao đổi chất, quá trình hấp thu và vận chuyển chủ động các chất, quá trình phân chia, vận động và sinh trưởng của tế bào . - Quá trình hô hấp tạo ra nhiều hợp chất trung gian, chúng là nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp nên các chất hữu cơ khác nhau trong cơ thể. Do đó không thể xem hô hấp như là quá trình phân giải đơn thuần mà nó còn mang ý nghĩa đối với quá trình tổng hợp nữa. - Hô hấp tạo nên cơ sở năng lượng và nguyên liệu giúp cây chống chịu với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi như chịu bệnh, chịu nóng, chịu rét . Trong sản xuất, việc hiểu biết về hô hấp giúp ta đề xuất các biện pháp điều chỉnh hô hấp theo hướng có lợi có lợi cho con người như giảm thiểu hô hấp vô hiệu, tránh hô hấp yếm khí và khống chế hô hấp trong quá trình bảo quản nông sản để giảm thiểu sự hao hụt chất hữu cơ do hô hấp. 2. CƠ QUAN VÀ BÀO QUAN HÔ HẤP 2.1. Cơ quan hô hấp Thực vật không có cơ quan chuyên trách về hô hấp như ở động vật. Hô hấp xãy ra ở tất cả C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O –Q + 689 kcal/mol glucose ▲Q= - 689 kcal/mol glucose 2880 kJ/mol glucose 82 Màng trong Chất nền ribosome s ADN Tấm răng lượt Màng ngoài các cơ quan của ty thể, đặc biệt xãy ra mạnh ở các cơ quan đang sinh trưởng, sinh sản và ở rễ. 2.2. Bào quan hô hấp Ty thể là bào quan đóng vai trò chính trong quá trình hô hấp và được xem là “trạm biến thế năng lượng” của tế bào. Hình dạng, số lượng, kích thước của ty thể thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào từng loài, từng cơ quan, loại tế bào khác nhau và mức độ trao đổi chất của chúng. - Ty thể có dạng hình cầu trong các tế bào phôi sớm; kéo dài như sợi chỉ trong nguyên bào, ngoài ra còn có dạng hình que, hạt, bầu dục, dạng sợi dài… - Kích thướcdao động từ 0.2-1 m - Số lượng ty thể rất nhiều, dao động từ vài trăm đến vài nghìn ty thể trong một tế bào. 2.2.1. Cấu trúc bên trong của ty thể Ti thể điển hình gồm màng ngoài, khoang ty thể và hệ thống màng trong của ty thể. Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc điển hình ti thể của tế bào Màng ngoài là lớp màng kép gồm hai màng cơ sở hợp thành, dày khoảng 5-7 nm, mặt ngoài và trong nó đều nhẵn. Màng ngoài của ty thể có tính thấm rất tốt với những chất có phân tử lượng nhỏ và các ion. Nó chứa enzyme của quá trình trao đổi axit béo và phospholipit. Chức năng chủ yếu của màng ngoài là bao bọc ty thể, ngăn cách nguyên sinh chất với không gian bên trong ty thể, đồng thời quyết định tính thấm đối với các chất đi ra, đi vào ty thể. Màng trong dày xấp xỉ màng ngoài. Bề mặt của nó không nhẵn mà gồ ghề tạo nên nhiều nếp gấp kiểu mào răng lượt (mồng) ăn sâu vào trong khoang ty thể và vuông góc với bề mặt ty thể. Mặt trong của màng trong ty thể có nhiều hạt nhỏ có chân (thể hình nấm). Các hạt này chính là nơi xãy ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và tổng hợp ATP và được gọi là oxisom (hạt cơ bản). Oxisom chứa nhiều enzyme của mạch chuyển điện tử. Qua mạch này điện tử được chuyển từ bản thể oxy hóa tới oxy của không khí để tạo thành nước (hình 4.2). Lớp màng trong chứa tất cả enyme của chuỗi vận chuyển điện tử và phosphoryl hóa oxy hóa. Chức năng chủ yếu của màng trong là thực hiện qúa trình chuyển 83 vận điện tử và phosphoryl hóa oxy hóa để tạo nên ATP. Không gian giữa hai lớp màng chứa đầy chất dịch trong đó có nhiều enzyme như: adenylat kinaza, các enzyme phosphoryl hóa…Nó đảm bảo sự liên hệ giữa hai màng và khoảng đệm trung gian… Khoang ty thể là khoảng không gian còn lại trong ty thể, chứa đầy chất nền cơ bản gọi là cơ chất. Thành phần hóa học chủ yếu gồm 50% protein mà chủ yếu là các enzyme của chu trình Krebs, ARN và vài phân tử ADN vòng sợi kép. Chức năng của khoang ty thể là thực hiện quá trình oxihóa chất hữu cơ triệt để thông qua chu trình Krebs. 2.2.2. Chức năng của ty thể Chức năng cơ bản của ti thể là oxihóa các chất hữu cơ để giải phóng năng lượng tích lũy trong các phân tử ATP. Ty thể chứa hệ thống di truyền hoàn chỉnh ADN, bộ máy tạo ARN, protein riêng và các enzyme cần cho quá trình tự nhân đôi ADN trong giai đoạn phiên mã, giải mã, vì thế nó có thể tự tái tạo khi cần thiết bằng cơ chế nhân đôi và phân chia như một số bào quan khác trong tế bào. Khả năng này giúp ty thể thực hiện di truyền tế bào chất, một số tính trạng không di truyền qua nhân mà di truyền qua ty thể. 3. CÁC CON ĐƯỜNG BIẾN ĐỔI CƠ CHẤT HÔ HẤP Quá trình hô hấp thực vật bao gồm 2 giai đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn tách hydro (H 2 ) từ cơ chất và giai đoạn chuyển điện tử trên chuỗi chuyển vận điện tử. 3.1. Giai đoạn tách hydro từ cơ chất Giai đoạn này được thực hiện theo 3 con đường có bản chất sinh hóa khác nhau: - Con đường thứ nhất là quá trình đường phân (glycolysis) và tiếp theo đó là quá trình lên men (fermentation), xãy ra trong tế bào chất. Trong con đường này cơ chất không được oxy hóa hoàn toàn đến CO 2 và nước mà tạo nên các sản phẩm có mạch carbon ngắn hơn như rượu etylic, axit lactic…Con đường này được goi là hô hấp yếm khí và năng lượng hữu ích được tạo ra rất nhỏ. - Con đường thứ hai bao gồm quá trình đường phân xãy ra ở tế bào chất và tiếp đó là chu trình Krebs xãy ra trong khoang ty thể. Chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn đến CO 2 và nước. Con đường này gắn liền với chuỗi chuyển vận điện tử và tiêu tốn oxy nên gọi là hô hấp hiếu khí và năng lượng hữu ích được tạo ra rất lớn. - Con đường thứ ba là quá trình oxy hóa gluxit theo đường hướng của chu trình pentozo phosphate xãy ra ở tế bào chất và không qua giai đoạn đường phân như hai con đường trên. Con đường này cũng gắn liền với chuỗi chuyển vận điện tử của hô hấp và tiêu tốn oxy. Chất hữu cơ cũng bị oxy hóa hoàn toàn đến CO 2 và nước, năng lượng giải phóng ra tương đương năng lượng của con đường thứ hai và đây cũng là sự hô hấp hiếu khí. CO 2 + H 2 O Đường phân + Chu trình Krebs C 6 H 12 O 6 Hô hấp hiếu khí Hô hấp hiếm khí Rượu Axít hữu cơ Đường phân + Lên men C 6 H 12 O 6 84 3.1.1 Hô hấp yếm khí - Đường phân và lên men a. Đường phân Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp tế bào và là quá trình phân giải glucose trong cả điều kiện yếm khí và hiếu khí với sự tham gia của nhiều hệ enzyme. Quá trình này xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống và là giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu chung cho cả hô hấp hiếu khí và lên men. Trong chu trình đường phân, phân tử glucose sẽ bị phân cắt và oxy hóa từng phần cho đến axit hữu cơ có 3 carbon là axit pyruvic (C 3 H 3 O 4 ). Chu trình đường phân xãy ra qua 10 phản ứng chi tiết như sau: CO 2 + H 2 O C 6 H 12 O 6 Chu trình Pentozophosphat Hô hấp hiếu khí 85 A, Giai đoạn tiêu tốn ATP (hoạt hóa đường) B, Giai đoạn phân giải đường C, Giai đoạn sản sinh ATP, NADH và H + Hiệu quả năng lượng của quá trình đường phân: A 1 2 3 4 5 A B C Hình4.2. Các phản ứng trong chu trình đường phân 6 8 7 10 9 86 b. Lên men Acid pyruvic tiếp tục biến đổi khi không có oxy theo hướng lên men. Sự biến đổi acid pyruvic trong quá trình lên men thay đổi tùy theo cơ thể sinh vật (Hình 4.4a, 4.4b). Ở hầu hết thực vật và vi sinh vật xãy ra quá trình lên men ethylic (tạo ethanol) còn ở động vật và nhiều vi sinh vật xãy ra quá trình lên men lactic (tạo lacate). Ở một số loài thực vật cũng có khả năng lên men ethylic như ở mầm đậu Hà Lan, lúa, đại mạch vào những ngày đầu sau khi nảy mầm, ở rễ cà rốt trong giai đoạn đầu của sự yếm khí hoặc lên men lactic như khoai tây giữ ở khí quyển nitơ. Những dạng lên men này diễn ra theo phương thức như lên men ở vi sinh vật. 3.1.2. Đường phân và chu trình Krebs (hô hấp hiếu khí). Đường hướng này xãy ra trong tế bào bắt đầu từ tế bào chất (đường phân) và kết thúc trong khoang ty thể (chu trình Krebs). Quá trình đường phân đã được đề cập ở trên, trong Giai đoạn đầu tư năng lượng Giai đoạn trả năng lượng Năng lượng tạo thành Hình 4.3.Cơ chế chuyển hóa năng lượng trong quá trình đường phân Trong chu trình đường phân để chuyển hóa 1 phân tử glucose thành 2 phân tử axit pyruvic thì cần trải qua 10 phản ứng chuyển hóa khác nhau với sự tham gia của nhiều enzyme khác nhau. Giai đoạn đầu sử dụng 2 ATP (phản ứng 1 và 3), giai đoạn sau tạo thành 4 ATP (phản ứng 7 và 10) và 2 NADH (phản ứng 6) do vậy hiệu quả năng lượng đạt được trong chu trình này là: 2 ATP tự do và 2 NADH, mà 1 NADH có mức năng lượng tương đương 3 ATP. Do vậy, giai đoạn đường phân ngoài 2 phân tử pyruvate tao thành, còn tạo ra năng lượng tương đương 8 ATP. H H ì ì n n h h 4 4 . . 4 4 a a . . L L ê ê n n m m e e n n t t ạ ạ o o E E t t h h a a n n o o l l H H ì ì n n h h 4 4 . . 4 4 b b . . L L ê ê n n m m e e n n t t ạ ạ o o A A c c i i d d l l a a c c t t i i c c 1: pyruvate decarboxylase, 2: alcoldehydrogenase ĐƯỜNG PHÂN ĐƯỜNG PHÂN 1 2 Lactate decarboxylase 87 phần này sẽ nghiên cứu giai đoạn tiếp theo sau đường phân là chu trình Krebs (còn gọi là chu trình axit tricarbonxylic TCA, chu trình axit citric). 3.1.2.Chu trình Krebs + Sự oxy hóa pyruvic acid tạo thành acetyl-CoA. Nếu có sự hiện diện của O 2 , thì O 2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid pyruvic trong dịch tế bào chất sẽ được chuyển qua màng kép để vào ngăn trong của ty thể Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy hóa thành CO 2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắn với một coenzim được gọi là coenzim A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA. Acetyl CoA là một chất rất hoạt động. Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H + bị lấy đi, và một lần nữa NAD + là chất nhận điện tử và ion H + để tạo ra NADH (Hình. 4.6) Tế bào chất Protein vận chuyển Ty thể Hình 4.6. Phản ứng chuyển hóa pyruvate từ tế bào chất vào ty thể Hình 4.5: Sơ đồ chung của quá trình hô hấp hiếu khí Photphorin hóa cơ chất Photphorin hóa cơ chất Photphorin hóa oxi hóa Tế bào chất Đương phân Chuỗi chuyền điện tử và sự Photphorin hóa oxi hóa 88 Kế tiếp acetyl-CoA đi vào một chuỗi phản ứng của chu trình Krebs. Các phản ứng chính và hiệu quả năng lượng của chu trình được trình bày trong hình 4.7a và 4.7b. + Ý nghĩa của chu trình Krebs - Chu trình Krebs là quá trình phân hủy triệt để glucose, cung cấp năng lượng chủ yếu cho hoạt động của cơ thể. Đây là chu trình cơ bản cho tất cả thế giới sinh vật. - Chu trình này tạo ra rất nhiều sản phẩm trung gian. Các chất trung gian của chu trình có thể đi ra ngoài ty thể vào tế bào chất thành nguyên liệu quan trong cho việc tổng hợp các chất hữu cơ khác nhau ở trong cây. - Chu trình Krebs được xem là giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp ảy ra trong thời kỳ sinh trưởng của các tế bào non. 3. 1.3. Chu trình pentosophosphate Chu trình này xảy ra theo hai pha: tách [H 2 ] khỏi cơ chất và tái tạo lại glucozophosphat. Điểm đặc trưng của con đường pentosophosphate là từ 6 phân tử hexose tham gia vào chuỗi các phản ứng của chu trình thì 5 phân tử được tái sinh, chỉ có 1 phân tử được oxy hoá theo phương trình thông thường của hô hấp. Phương trình phản ứng có thể biểu diễn như sau: Hình 4.7a. Các phản ứng của chu trình Krebs Hình 4.7b. Hiệu quả năng lượng của hô hấp hiếu khí 89 Pha 1: 6 C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O 6 C 5 H 10 O 5 + 6 CO 2 + 12 [H 2 ] Pha 2: 6 C 5 H 10 O 5 5 C 6 H 12 O 6 Tổng quát: C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O 6 CO 2 + 12 [H 2 ] + 2867 Kj Ý nghĩa của chu trình pentosephosphate: - Chu trình Pentosophosphate góp phần cung cấp nguồn năng lượng đáng kể cho các hoạt động sống của tế bào. Năng lượng oxy hóa được tập trung hình thành nên NADPH + H + . Mức năng lượng của NADPH + H + tương đương với NADH + H + ≈ 3ATP. NADPH + H + có thể sử dụng trực tiếp vào các phản ứng oxy hóa khử của tế bào như các phản ứng carboxyl hóa khử pyruvat, các phản ứng tổng hợp axit béo…Ngoài ra nó cũng có thể đi qua chuỗi hô hấp để tổng hợp nên ATP. Khi oxy hóa một phân tử glucose theo con đường này thì sản sinh ra một năng lượng là ≈ 35 ATP, tương đương với năng lượng tạo thành trong con đường đường phân và chu trình Krebs. 3.2. Giai đoạn chuyển điện tử trên chuỗi chuyển vận điện tử Ở giai đoạn tách H 2 ra khỏi cơ chất thì con đường hô hấp yếm khí tạo ra NADH và ATP, con đường hô hấp hiếu khí theo chu trình đường phân và Krebs tạo ra NADH, FADH và ATP, còn theo chu trình pentozophosphat thì tạo ra NADPH. Cả 3 con đường này đều giải phóng CO 2 vào không khí, còn NADH, FADH và NADPH sẽ tiếp tục bị oxi hóa trong giai đoan tiếp ở chuỗi chuyển vận điện tử để tạo nên ATP. Các thành phần của chuỗi hô hấp được định vị trên màng trong của ty thể (Hình.4.8). Trong giai đoạn tiếp này điện tử sẽ được chuyền từ NADH và FADH 2 tới oxy thông qua một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử kế tiếp nhau. Điện tử đi qua các chặng trên chuỗi chuyển vận điện tử thì tỏa ra năng lượng. Năng lượng đó lập tức được liên kết vào Chuỗi chuyền điện tử Phosphoryl hóa oxi hóa Màng trong của ty thể Chất nền của ty thể Khoảng giữa màng Phưc hơp protein mang điện tử Màng trong của ty thể Hình 4.8. Các thành phần của chuỗi hô hấp được định vị trên màng trong của ty thể 90 liên két cao năng photphat của ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa. Như vậy, chu trình Krebs hình thành nên 4 NADH, 1 FADH và 1 ATP tự do. Do sự oxy hóa một phân tử glucose phải trải qua hai vòng chu trình Krebs nên tổng cộng có khoảng 8 NADH, 2 FADH 2 và 2 ATP tự do. Qua chuỗi chuyển điện tử 1 NADH hình thành 3 ATP và 1 FADH 2 hình thành 2 ATP, do vậy tổng cộng của chu trình Krebs và chuỗi chuyển vận điện tử sẽ hình thành 30 ATP. Nếu cộng với năng lượng sản sinh ra trong chu trình đường phân (8 ATP) thì toàn bộ quá trình hô hấp hiếu khí tạo ra 38 ATP. Đây là một năng lượng khá lớn, có thể cung cấp cho tất cả hoạt động sống xãy ra trong cây. 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN HÔ HẤP 4.1. Nhiệt độ: Hô hấp bao gồm các phản ứng hóa học với sự xúc tác của các enzyme, do đó hô hấp phụ thuộc chặt chẽ. Nhiệt độ tối thiểu cây bắt đầu hô hấp biến thiên trong khoảng 0-10ºC tùy theo loài cây ở các vùng sinh thái khác nhau. Nhiệt độ tối ưu cho hô hấp trong khoảng 30-35 ºC và nhiệt độ tối đa cho hô hấp trong khoảng 40-45 ºC. 4.2. Hàm lượng nước: Nước là dung môi cho các phản ứng hóa học xãy ra. Nước còn tham gia trực tiếp vào quá trình oxi hóa nguyên liệu hô hấp vì thế, hàm lượng nước trong cơ quan, cơ thể liên quan trực tiếp đến cường độ hô hấp. 4.3. Nồng độ CO 2 và O 2 : O 2 tham gia vào oxi hóa các chất hữu cơ và là chất nhậ điện tử cuối cùng trong chuỗi chuyển vận hô hấp để sau đó hình thành nước trong hô hấp hiếu khí. Vì vậy, nếu nồng độ O 2 trong không khí giảm xuống dưới 10% thì hô hấp sẽ bị ảnh hưởng và khi giảm xuống dưới 5% thì cây chuyển sang phân giải hiếm khí, gây bất lợi cho cây. CO 2 là sản phẩm của quá trình hô hấp. Các phản ứng đêcacboxi hóa để giải phóng CO 2 là các phản ứng thuận nghịch. Nếu hàm lượng CO 2 trong môi trường cao sẽ làm cho phản ứng chuyển dịch sang chiều nghich, gây ức chế hô hấp. 5. HÔ HẤP VÀ CÁC HOẠT ĐỘNG SINH LÝ TRONG CÂY Hình 4.9. Mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp Hệ sinh Năng lượng cho mọi hoạt động của tế bào Hô hấp trong ty thể Phân tử hữu cơ Quang hợp trong lục lạp Giữa hô hấp và các hoạt động sinh lý trong cây có mối liên hệ mật thiết với nhau. Trong đó, quang hợp và hô hấp là hai chức năng sinh lý quan trọng nhất quyết định năng suất cây trồng. Hai quá trình này vừa mâu thuẩn vừa thống nhất nhau. Có thể hình dung mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp theo sơ đồ ở hình 4.9. Hô hấp còn có ý nghĩa quan trọng đối với hút nước, hút khoáng và tính miễn dịch của cây trồng. . chế hô hấp trong quá trình bảo quản nông sản để giảm thiểu sự hao hụt chất hữu cơ do hô hấp. 2. CƠ QUAN VÀ BÀO QUAN HÔ HẤP 2.1. Cơ quan hô hấp Thực vật không. 81 Chưong 4 HÔ HẤP THỰC VẬT 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HÔ HẤP THỰC VẬT 1.1. Định nghĩa Hô hấp là quá trình phân giải hoàn toàn nguyên