Seminar sinh lý thực vật khái quát về hô hấp ở thực vật

Định nghĩa Hô hấp ở thực vật là quá trình oxi hóa sinh học của của tế bào sống, trong đó các phân tử hữu cơ bị oxi hóa đến CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng và một phần năng l

MỤC LỤC

I KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP Ở THỰC VẬT 3

1 Định nghĩa 3

2 Vai trò của hô hấp đối với cơ thể thực vật 3

II CÁC CON ĐƯỜNG HÔ HẤP Ở THỰC VẬT 4

1 HÔ HẤP HIẾU KHÍ Ở THỰC VẬT 5

2 HÔ HẤP KỊ KHÍ Ở THỰC VẬT 7

1/ Đường phân 7

2/ Lên men 7

3 HÔ HẤP SÁNG 8

1/ Khái niệm 8

2/ Diễn biến 9

3/ Vai trò của hô hấp sáng 10

III MỐI QUAN HỆ GIỮA QUANG HỢP VÀ HÔ HẤP 10

IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HÔ HẤP Ở THỰC VẬT 11

1 Nhiệt độ: 11

2 Nước: 12

3 Ánh sáng: 12

4 Khí cacbonic và oxy: 13

V ỨNG DỤNG CỦA HÔ HẤP Ở THỰC VẬT VÀO THỰC TIỄN 13

1 Hô hấp trong bảo quản nông sản: 13

a Điều chỉnh hàm lượng nước 13

b Điều chỉnh nhiệt độ 15

c Điều chỉnh thành phần không khí trong môi trường bảo quản 15

2 Hô hấp trong trồng trọt: 15

VI KẾT LUẬN 15

I KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

1 Định nghĩa

Hô hấp ở thực vật là quá trình oxi hóa sinh học của của tế bào sống, trong đó các phân tử hữu cơ bị oxi hóa đến CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng và một phần năng lượng đó được tích luỹ trong ATP

- Thực vật không có cơ quan hô hấp chuyên trách Hô hấp diễn ra trong mọi cơ quan của cơ thể thực vật, đặc biệt là các cơ quan đang có các hoạt động sinh lí mạnh như hạt đang nảy mầm, hoa và quả đang sinh trưởng

- Bào quan thực hiện chức năng hô hấp chính là ti thể

Phương trình tổng quát: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + năng lượng (nhiệt + ATP)

B ả n

chất, hồ hấp là quá trình OXH – khử phức tạp trong đó diễn ra các phản ứng oxy hóa - khử giải phóng điện tử và hydro từ nguyên liệu hô hấp chuyển thành O2 trong không khí và tạo thành H2O Năng lượng được tạo ra trong các phản ứng OXH - khử đó được cố định lại trong các liên kết giàu năng lượng

Quá trình biến đổi cơ chất hồ hấp: Hô hấp ở thực vật gồm 2 giai đoạn xảy ra liên tiếp nhau: giai đoạn tách H từ cơ chất và giai đoạn chuyển điện từ trên chuỗi ₂ từ cơ chất và giai đoạn chuyển điện từ trên chuỗi

truyền điện tử

2 Vai trò của hô hấp đối với cơ thể thực vật

Quá trình hô hấp là quá trình sinh lý trung tâm của thực vật, quá trình này đóng vai

trò đặc biệt quan trọng trong quá trình trao đổi chất và chuyển hỏa năng lượng:

• Hô hấp giúp cung cấp nguồn năng lượng cho mọi hoạt động trong cây Nếu như trong quá trình quang hợp, năng lượng từ ánh sáng mặt trời được tích lũy trong các

hợp chất hữu cơ thì trong hô hấp, năng lượng này lại được giải phóng dưới dạng ATP và năng lượng ATP này lại được sử dụng cho các hoạt động sống trong cơ thể như: quá trình TĐC, quá trình hấp thu và vận chuyển chủ động các chất dinh

dưỡng, hay trong quá trình phân chia, vận động và sinh trường ở tế bào,

• Quá trình hô hấp tạo được nhiều hợp chất trung gian, chúng lại là nguyên liệu đầu vào cho quá trình tổng hợp nên các chất hữu cơ khác nhau của cơ thể Do đó hô hấp không thể là quá trình phân giải các chất đơn thuần mà nó còn có ý nghĩa cả trong quá trình tổng hợp

• Hô hấp hình thành nên cơ sở năng lượng và nguyên liệu giúp cây có khả năng chống chịu đối với những điều kiện ngoại cảnh bất lợi như dịch bệnh, nắng nóng, rét buốt

Trong quá trình sản xuất, việc hiểu biết về hô hấp sẽ giúp ta nghĩ ra các biện pháp điều chỉnh được hô hấp theo hướng mong muốn của con người như giảm thiểu hô hấp không hiệu quả, tránh được các loại hô hấp yếm khí và khống chế hô hấp giúp bảo quản nông sản để giảm thiểu hao hụt chất hữu cơ trong quá trình hô hấp

Tóm lại hô hấp ở thực vật có những vai trò như sau:

- Năng lượng được tạo ra dưới dạng nhiệt rất cần thiết trong quá trình duy trì nhiệt

độ thuận lợi cho hoạt động sống của cơ thể thực vật

- Năng lượng được tích lũy dưới dạng ATP được sử dụng để vận chuyến vật chất trong cây, giúp cây sinh trưởng, tổng hợp được chất hữu cơ, sửa chữa được các hư hại trong tế bào

Tạo được nhiều sản phẩm trung gian để tham gia vào những quả trình tổng hợp chất hữu cơ khác trong cơ thể thực vật

II CÁC CON ĐƯỜNG HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

Hô hấp có hai loại, hô hấp hiếu khí và hô hấp kỵ khí:

 Hô hấp hiếu khí: Đó là quá trình hô hấp tế bào diễn ra với sự có mặt của

khí oxy để tạo ra năng lượng từ thức ăn Kiểu hô hấp này phổ biến ở hầu hết các loài thực vật và động vật, chim, con người và các động vật có vú khác Trong quá trình này, nước và carbon dioxide được tạo ra dưới dạng sản phẩm cuối cùng

 Hô hấp kỵ khí: Là quá trình diễn ra trong điều kiện không có khí oxi Trong

quá trình này, năng lượng thu được từ sự phân hủy glucose khi không có

oxy Một trong những ví dụ điển hình nhất về hô hấp kỵ khí là quá trình lên men ở nấm men

1 HÔ HẤP HIẾU KHÍ Ở THỰC VẬT

Hô hấp hiếu khí là một quá trình sinh học trong đó glucose trong thức ăn được chuyển hóa thành năng lượng với sự có mặt của oxy Phương trình hóa học của hô hấp hiếu khí như sau:

Glucose (C6 H12O6 ) + 6 Oxy (O2 ) → 6Carbon-dioxide (CO2 ) + 6 Nước (H2O) + Năng lượng (ATP)

Theo phương trình hóa học nêu trên, năng lượng được giải phóng bằng cách tách các phân tử glucose với sự trợ giúp của khí oxy Khi kết thúc phản ứng hóa học, năng lượng, phân tử nước và khí carbon dioxide được giải phóng dưới dạng sản phẩm phụ hoặc sản phẩm cuối cùng của phản ứng

Năng lượng 2900 kJ được giải phóng trong quá trình phân hủy phân tử glucose và năng lượng này được sử dụng để tạo ra các phân tử ATP – Adenosine Triphosphate được hệ thống sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau

Quá trình hô hấp hiếu khí diễn ra ở tất cả các sinh vật đa bào bao gồm động vật, thực vật và các sinh vật sống khác

Trong quá trình hô hấp ở thực vật, khí oxy đi vào tế bào thực vật thông qua khí khổng, được tìm thấy trong lớp biểu bì của lá và thân cây Với sự trợ giúp của quá trình quang hợp, tất cả các cây xanh đều tổng hợp thức ăn của chúng và do đó giải phóng năng lượng

Sơ đồ hô hấp hiếu khí:

Các bước hô hấp hiếu khí

Toàn bộ quá trình hô hấp hiếu khí xảy ra trong bốn giai đoạn khác nhau:

 Đường phân

Bước đầu tiên của quá trình hô hấp hiếu khí là quá trình đường phân và diễn ra trong bào tương của tế bào Trong quá trình đường phân, các phân tử glucose

được tách ra thành hai phân tử ATP và hai phân tử NADH, sau này được sử dụng trong quá trình hô hấp hiếu khí

 Sự hình thành Acetyl Coenzym A

Bước thứ hai trong quá trình hô hấp hiếu khí là sự hình thành acetyl coenzym A.

Trong quá trình này, pyruvate bị oxy hóa trong ty thể và tạo ra nhóm 2-cacbon acetyl Nhóm 2-cacbon acetyl mới được tạo ra liên kết với coenzym A, tạo ra acetyl coenzim A

 Chu trình axit citric

Bước thứ ba trong hô hấp hiếu khí là chu trình axit citric, còn được gọi là chu trình Krebs Trong giai đoạn hô hấp hiếu khí này, oxaloacetate kết hợp với

acetyl-coenzym A và tạo ra axit xitric Chu trình axit citric trải qua một loạt các phản ứng

và tạo ra 2 phân tử carbon dioxide, 1 phân tử ATP và các dạng khử NADH và FADH

 Chuỗi vận chuyển điện tử

Đây là bước cuối cùng trong quá trình hô hấp hiếu khí Trong giai đoạn này, một

lượng lớn phân tử ATP được tạo ra bằng cách chuyển các electron từ NADH và FADH Một phân tử glucose tạo ra tổng cộng 34 phân tử ATP

Những điểm chính về hô hấp hiếu khí:

- Hô hấp hiếu khí là quá trình sử dụng oxy để phân hủy glucose, axit amin, axit béo

để tạo ra ATP

- Pyruvate sau đó được chuyển đổi thành acetyl CoA trong chất nền ty thể

- Chu trình Kreb xảy ra hai lần cho mỗi phân tử glucose.

- Các phức hợp protein được sắp xếp trên ma trận ty thể bên trong để các electron truyền từ phân tử phản ứng này sang phân tử phản ứng khác Điều này được gọi là chuỗi vận chuyển điện tử

- ATP synthase tạo ra ATP từ ADP và photphat vô cơ.

2 HÔ HẤP KỊ KHÍ Ở THỰC VẬT

Hô hấp kỵ khí xảy ra qua hai bước: đường phân và lên men

1/ Đường phân

Glycolysis là bước đầu tiên và phổ biến của hô hấp tế bào Một phân tử glucose phân tách thành hai phân tử pyruvate, giải phóng các electron trong quá trình này

và tạo ra ATP

Trong quá trình sinh hóa gồm 10 bước này, 4 phân tử ATP được hình thành nhờ quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất Trong số đó, hai phân tử ATP được sử dụng hết trong các bước đầu tiên Do đó, năng suất ròng là 2 ATP trên mỗi phân tử glucose

Ngoài ra, bốn electron được giải phóng trong quá trình hình thành NADH, có thể được sử dụng để tạo ra ATP bằng quá trình hô hấp hiếu khí

2/ Lên men

Tiếp theo, do thiếu oxy, chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) không hoạt động vì O 2 không có mặt như chất nhận điện tử cuối cùng Vì vậy, pyruvate được tạo ra ở bước trước không thể đi vào ty thể để hô hấp hiếu khí Kết quả là có quá nhiều NADH và pyruvate trong bào tương

Vì quá trình đường phân là giai đoạn sinh năng lượng duy nhất của quá trình hô hấp yếm khí nên nó cần được lặp lại thường xuyên để tạo ra ATP trong thời gian ngắn Quá trình đường phân diễn ra không ngừng nếu có nguồn cung cấp NAD + liên tục Để đáp ứng nhu cầu đó, NADH được tạo ra ở bước trước sẽ nhường electron của nó cho pyruvate và chuyển hóa thành NAD + , tạo ra axit hữu cơ hoặc rượu dưới dạng sản phẩm phụ Hiện tượng tạo ra axit hoặc rượu từ pyruvate do tác dụng của NADH được gọi là quá trình lên men

3 HÔ HẤP SÁNG

1/ Khái niệm

Hô hấp sáng, quang hô hấp hay hô hấp ánh sáng là một quá trình hô hấp xảy ra ở thực vật trong điều kiện có nhiều ánh sáng nhưng ít CO

Trong quá trình này, đường RuBP bị oxy hóa bởi enzyme RuBisCO - thay vì nhận phân tử carbonic như trong chu trình Calvin của quá trình quang hợp Hô hấp sáng được đánh giá là tác nhân làm giảm đáng kể hiệu suất quang hợp của các thực vật C3, cho dù một số nghiên cứu cho thấy quá trình hô hấp sáng có một số vai trò tích cực đối với thực vật

Ở các thực vật C4 và thực vật CAM, chức năng oxy hóa của Rubisco bị ngăn chặn

và vì vậy hô hấp sáng bị triệt tiêu, đảm bảo được hiệu suất quang hợp cao của chúng trong các điều kiện khô nóng

2/ Diễn biến

Tại lục lạp:

CO2 + RiDP (nồng độ CO2 cao) → 2APG → Quang hợp

O2 + RiDP (nồng độ O2 cao) → 1APG + 1AG → Quang hợp + Hô hấp sáng

Tại peroxixom:

+ Axit glicolic bị oxi hóa bởi O2 và tạo thành axit glioxilic với sự xúc tác của enzim glicolat - oxidase Đồng thời cũng tạo thành H2O2 (H2O2 sẽ bị phân huỷ bởi catalase để tạo thành H2O và O2)

+ Axit glioxilic sẽ chuyển thành glyxin thông qua phản ứng chuyển vị amin Sau

đó glyxin sẽ được chuyển vào ti thể

Tại ti thể:

+ Glyxin chuyển thành xerin nhờ xúc tác của enzime kép - glycin decacboxylaza

và serin hydroxylmetyl transferase

+ Serin lại biến đổi thành axit glyoxilic để chuyển sang lục lạp

Ảnh hưởng:

+ Hô hấp sáng gây lãng phí sản phẩm quang hợp

+ Thông qua hô hấp sáng đã hình thành 1 số axit amin cho cây (glixerin, serin )

3/ Vai trò của hô hấp sáng

Thủ tiêu toàn bộ lượng ATP và NADPH dư thừa trong pha sáng của quang hợp Nhờ đó mà không thể thực hiện các phản ứng oxi hóa quang và sản sinh ra các gốc

tự do làm hại đến thành phần cấu trúc của tế bào

Năng lượng được thải ra ở dạng nhiệt duy trì nhiệt độ thuận lợi cho các hoạt động sống của cơ thể Năng lượng được tích lũy trong ATP được dùng để vận chuyển vật chất trong cây → Kích thích sự sinh trưởng, tổng hợp chất hữu cơ, sửa chữa những hư hại của tế bào

III MỐI QUAN HỆ GIỮA QUANG HỢP VÀ HÔ HẤP

Quang hợp và hô hấp là hai quá trình có mối quan hệ chặt chẽ và phụ thuộc lẫn

nhau, liên quan đến trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng diễn ra trong cây

 Quang hợp tạo ra chất hữu cơ và O2 cung cấp nguyên liệu cho quá trình hô hấp

 CO2 là sản phẩm của hô hấp được sử dụng làm nguyên liệu cho quang hợp

Hô hấp còn tạo ra các sản phẩm trung gian làm tăng áp suất thẩm thấu của tế bào rễ, tạo điều kiện cho rễ hút nước, cung cấp nguyên liệu cho quang hợp

Quang hợp và hô hấp là 2 quá trình trái ngược nhau:

Quang hợp:

 Quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ

 Biến năng lượng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học

 Bào quan diễn ra : Lục lạp

 Chỉ xảy ra khi có ánh sáng

 Cần sắc tố quang hợp

Hô hấp:

 Quá trình phân giải chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ

 Giải phóng năng lượng trong các hợp chất hữu thành dạng năng lượng dễ sử dụng (ATP)

 Bào quan diễn ra: Ty thể

 Không cần ánh sáng vẫn diễn ra

 Không cần sắc tố

Quang hợp và hô hấp là hai quá trình bổ sung cho nhau:

Quang hợp tạo các chất hữu cơ chính là nguồn vật chất năng lượng cho sự sống nhưng tế bào không thể sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này mà phải thông qua

hô hấp để chuyển thành nguồn năng lượng dễ sử dụng

Hai quá trình này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau:

Hô hấp sẽ không thực hiện được, nếu không có chất hữu cơ do quang hợp tạo ra Ngược lại, quang hợp cũng không thể thực hiện được, nếu không có năng lượng do

hô hấp giải phóng ra

IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

1 Nhiệt độ:

- Hô hấp bao gồm các phản ứng hóa học với sự xúc tác của các enzim Mà hoạt động của enzim phụ thuộc vào nhiệt độ

* Giới hạn nhiệt độ của hô hấp:

 Nhiệt độ tối thiểu (0oC → 10oC): Là nhiệt độ mà cây bắt đầu của biểu hiện

hô hấp Nhiệt độ tối thấp còn tùy thuộc vào loài cây ở các vụng sinh thái khác nhau

 Nhiệt độ tối ưu (30oC → 35oC): Là nhiệt độ mà cường độ hô hấp đạt giá trị cao nhất

 Nhiệt độ tối đa (40oC → 45oC), ở nhiệt độ quá cao thì protein bị biến tính, cấu trúc của nguyên sinh chất bị phá hủy, cây chết

- Khi nhiệt độ tăng thì cường độ hô hấp tăng đến giới hạn chịu đựng của cây

- Sự phụ thuộc của hô hấp vào nhiệt độ tuân theo định luật Van –Hop Theo đó, nhiệt độ tăng lên 10°C thì tốc độ hô hấp tăng gấp đôi

2 Nước:

- Nước đóng vai trò là môi trường cho mọi hoạt động trao đổi chất Nguyên sinh chất chứa tới 90-95% nước Nước đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt enzyme, khuếch tán khí, vận chuyển, v.v

- Ở hạt khô, tốc độ hô hấp cực kỳ thấp do thiếu nước nên chúng có thể được bảo quản trong thời gian dài Khi có nước dự trữ, carbohydrate chuyển thành đường hòa tan và tốc độ hô hấp tăng lên

3 Ánh sáng:

- Cơ chế tác động của ánh sáng chưa rõ ngoài ảnh hưởng gián tiếp thông qua ảnh hưởng lên quang hợp Ngoài ra một số tác giả còn cho rằng ánh sáng làm tăng sự hình thành axit glicolic mà sự oxi hoá nhanh của chất này sẽ làm tăng sự thải CO2

và hấp thụ O Các nghiên cứu cho thấy những tia có bước sóng ngắn (300-500 nm) hoạt hoa hô hấp mạnh hơn cả Ánh sáng không chỉ ảnh hưởng đến cường độ mà còn ảnh hưởng đến hệ số hô hấp: ngoài sáng RQ thấp hơn trong tối

Tốc độ hô hấp không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi ánh sáng và do đó nó diễn ra trong hiện tại cũng như khi không có ánh sáng Tuy nhiên, ánh sáng là một yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ hô hấp như sau:

=> Ánh sáng làm tăng nhiệt độ dẫn đến tăng cường độ hô hấp Quá trình quang hợp dẫn đến sự tổng hợp đường hoạt động như một chất nền hô hấp Khi khí khổng

mở, quá trình trao đổi khí diễn ra thuận lợi

4 Khí cacbonic và oxy:

Khi hàm lượng oxi giảm, hô hấp giảm Thường thì hàm lượng oxi thấp hơn 5% hô hấp hướng về yếm khí và con đường đường phân chiếm ưu thế Hàm lượng oxi tối

ưu là khoảng 20% Theo quy luật chung khi tăng hàm lượng CO2, hô hấp giảm

Có điều đáng lưu ý là thành phần khí trong mô khác thành phần khí quyển, ở trong

mô hàm lượng oxi thấp (7-18%) còn hàm lượng CO2 cao (0.9-7.5%)

Ngoài các yếu tố trên thì chế độ dinh dưỡng khoáng, các yếu tố vật lí, hoá học, các chất có hoạt tính sinh lí cũng ảnh hưởng đến quá trình hô hấp

+ O2 là nguyên liệu tham gia vào quá trình hô hấp Khi nồng độ oxygen trong không khí giảm xuống dưới 5% thì cường độ hô hấp giảm