Hoá sinh thực vật - Trao đổi chất và trao đổi năng lượng

Hoá sinh thực vật - Trao đổi chất và trao đổi năng lượng

Chương Trao đổi chất lượng sinh học 1.1 Khái niệm chung trao đổi chất Mỗi thể sống tồn môi trường liên hệ mật thiết với mơi trường Hiện tượng thể lấy số chất từ môi trường kiến tạo nên sinh chất thải ngồi chất cặn bã gọi trao đổi chất Sự trao đổi chất giới vô sinh khác với giới hữu sinh Ở giới vô sinh, trao đổi chất làm cho chất hữu vô bị phân huỷ Ví dụ, đá vơi (canxi carbonate) bị xói mịn H2CO3 có nước tác dụng với đá vơi thành canxi bicarbonate, mỡ bị hố thành số chất khác tác dụng với oxy Ở giới sinh vật, thể sống luôn trao đổi chất với môi trường, lấy thức ăn vào chuyển hoá thành chất sử dụng cho thể thải ngồi chất cặn bã Q trình thực biến đổi hố học liên tục xảy thể Toàn biến đổi hố học gọi trao đổi chất Quá trình trao đổi chất gồm nhiều khâu chuyển hoá trung gian Mỗi chuyển hoá mắt xích hai q trình bản: đồng hoá dị hoá Đồng hoá dị hoá hai trình đối lập, lại thống với thể: chúng xảy đồng thời liên quan mật thiết với Các chất tổng hợp nên q trình đồng hố ngun liệu cho q trình dị hố (ví dụ gluxit sản phẩm trình quang hợp, nguyên liệu cho q trình hơ hấp) Năng lượng giải phóng q trình dị hố sử dụng phần cho trình tổng hợp 1.2 Năng lượng sinh học Hệ thống sống cần lượng để chuyển động, lớn lên, tổng hợp phân tử sinh học vận chuyển ion, phân tử qua màng Các thể lấy lượng từ môi trường sống sử dụng lượng để thực q trình sống có hiệu Để nghiên cứu lượng sinh học địi hỏi phải có hiểu biết nhiệt động học, số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi nhiệt, lượng vật chất hệ thống nghiên cứu Nhiệt động học cho xác định q trình hố học phản ứng tự xảy hay không Mặc dù nhiệt động học khái niệm phức tạp, dựa ba định luật tương đối đơn giản dễ hiểu Một vài nguyên lý nhiệt động học đưa chương bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm lượng tự mối liên quan entropy thông tin Chương đề cập đến ATP hợp chất cao khác Khái niệm nhiệt động học Bất kỳ quan tâm nhiệt động học phải phân biệt hệ thống môi trường Hệ thống phần vũ trụ mà quan tâm, mơi trường gồm tất cịn lại Có ba trạng thái bản: hệ thống lập, hệ thống đóng hệ thống mở Hệ thống lập: Khơng có trao đổi chất lượng với môi trường Hệ thống đóng: Có trao đổi lượng, khơng có trao đổi chất với mơi trường Hệ thống mở: Có trao đổi chất lượng với môi trường Cơ thể sống hệ thống mở điển hình có trao đổi chất (dinh dưỡng sản phẩm thải ra) lượng (nhiệt từ trao đổi chất) với môi trường Định luật 1: Nhiệt, công dạng lượng khác Trước phát triển nhiệt động học người ta cho nhiệt độ biến đổi thành dạng lượng khác tất dạng lượng cách biến đổi thành số dạng khác Định luật nói rằng: tổng lượng hệ thống lập không thay đổi Các nhà nhiệt động học mơ thành hàm tốn học để nghiên cứu biến đổi nhiệt sử dụng công hệ thống nhiệt động học Hàm gọi lượng nội năng, thường ký hiệu E U Năng lượng phụ thuộc vào trạng thái hệ thống coi hàm trạng thái Năng lượng nội không phụ thuộc vào hệ thống xảy khơng phụ thuộc vào đường hướng Nói cách khác thay đổi hệ thống đường hệ thống trở trạng thái ban đầu, lượng nội không thay đổi Năng lượng nội năng, E hệ thống thay đổi nguồn lượng vào khỏi hệ thống dạng nhiệt công cho trình biến đổi trạng thái (1) sang trạng thái khác (2) thay đổi lượng nội là: E = E2 - E1 = q + w (1.1) q lượng nhiệt hệ thống hấp thụ từ môi trường w công thực hệ thống môi trường Công học định nghĩa chuyển động từ chỗ đến chỗ khác, gây sử dụng lực Cả hai phải xảy cơng thực Ví dụ: Một tàu chở khách chứa đầy khách không di chuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công không thực Trong hệ thống hoá sinh học hoá học công thường liên quan với áp suất thể tích hệ thống Cơng học xác định w = -P V Trong P áp suất, V thay đổi thể tích, V = V2-V1 Cơng thực nhiều dạng: học, điện, từ hoá học E, q, w phải có đơn vị: calorie (cal) kilocalorie (kcal) sử dụng theo truyền thống, theo đơn vị SI: Joule đề nghị nên dùng Enthalpy: Hàm có nhiều tiện lợi cho hệ thống sinh học Nếu định nghĩa công giới hạn công học, trường hợp E thay đổi nhiệt thể tích khơng đổi Vì V khơng đổi, cơng khơng thực E = q Vì E định lượng tiện lợi trình thể tích khơng thay đổi E khơng cần thiết biến đổi nhiệt Vì lý nhà hố sinh học, hoá học xác định hàm đặc biệt phù hợp cho q trình áp suất khơng đổi Nó gọi enthalpy, H định nghĩa: H = E + PV (1.2) Nếu áp suất không thay đổi có: H = E + P V = q + w + P V = q - P V + P V = q (1.3) Rõ ràng H tương đương với biến đổi nhiệt trình áp suất khơng đổi Vì phản ứng hố sinh thường xảy thể lỏng rắn thể khí nên thay đổi thể tích nhỏ enthalpy lượng nội thường Để thuận lợi so sánh số nhiệt động học phản ứng khác người ta xác định điều kiện tiêu chuẩn Một dung dịch hoà tan trạng thái tiêu chuẩn, thường sử dụng đơn vị đơn giản nồng độ 1M Enthalpy, lượng nội định lượng nhiệt động học khác thường đưa xác định cho điều kiện tiêu chuẩn ký hiệu H0, E0 Enthalpy thay đổi q trình hố sinh xác định việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) calorimeter Mặt khác cho trình A  B trạng thái cân bằng, thay đổi enthalpy trạng thái tiêu chuẩn xác định từ phụ thuộc vào nhiệt độ hệ số cân bằng: d (ln Keq) H = -(1.4) d (1/T) 30 20 RlnKeq 10 o 54,5 C -10 -3,21-(-17,63) =14,42 -20 -30 3,04-3,067 =-0,027 2,98 3,00 3,02 3,04 3,06 3,08 1000 -1 (K ) T 3,10 Hình 1.1 Sự thay đổi enthapy, H0 phản ứng xác định độ dốc sơ đồ RlnKeq ngược với 1/T Để minh họa phương pháp giá trị hai bên 327K (54,50C) nêu Số liệu sử dụng để tính H0 54,50C Ở R số khí = 8.314 J/mol K Ví dụ: biến tính nhiệt protein chymotripsinogen (quá trình thuận nghịch) Trạng thái nguyên thuỷ (N)  Trạng thái biến tính (D) Keq = D / N John F Brandts đo số cân cho biến tính số protein số giá trị pH nhiệt độ khác (bảng 1.1) Giá trị H0 có ý nghĩa biến tính protein? Giá trị dương H0 biểu diễn bẻ gãy liên kết hydro giải phóng nhóm ưa nước từ bên phân tử protein ban đầu qúa trình biến tính, nâng lượng dung dịch protein Bảng 1.1 Các số nhiệt động học cho biến tính protein Protein (và điều kiện) Chymotrypsinogen (pH 3; 250C) b- Lactoglobulin (5 M urea; pH 3; 250C) Myoglobin (pH 9; 250C) Ribonuclease (pH 2,5; 300C) H0 kJ/mol 164 S0 kJ/mol.K 0,440 G0 kJ/mol 31 Gp kJ/mol.K 10,9 -88 -0,300 2,5 9,0 180 0,400 57 5,9 240 0,780 3,8 8,4 Định luật thứ hai entropy: Định luật thứ hai nhiệt động học mô tả thể nhiều cách bao gồm điểm sau: Hệ thống có xu hướng tiến từ trạng thái trật tự sang trạng thái không trật tự (tăng entropy) Entropy hệ thống + môi trường không đổi q trình thuận nghịch Entropy hệ thống + mơi trường tăng q trình khơng thuận nghịch Tất trình xảy tự nhiên hướng tới trạng thái cân bằng, trạng thái lượng nhỏ Một số điểm định luật dẫn đến khái niệm entropy, thước đo trật tự hệ thống, trạng thái trật tự trạng thái có entropy cao Entropy xác định theo vài cách Nếu W số cách để xếp thành phần hệ thống mà không thay đổi lượng nội enthalpy (đó số lượng trạng thái kính hiển vi đưa nhiệt độ, ánh sáng tổng vật chất) Entropy tính: S = klnW (1.5) k số Boltzmann = 1,38.10-23 J/K Định nghĩa tiện lợi cho tính tốn thống kê, dạng phổ biến liên quan entropy đến biến đổi nhiệt trình là: dQ dSthuận nghịch = (1.6) T dSthuận nghịch thay đổi entropy hệ thống trình thuận nghịch, q nhiệt độ biến đổi, T nhiệt độ biến đổi nhiệt xảy Định luật 3: Tại sao”0 tuyệt đối” quan trọng vậy? Định luật nhiệt động học nói rằng: entropy chất hồn tồn có trật tự, tinh thể phải tiến đến Ở nhiệt độ tiến đến K T= K entropy xác = Dựa điều có khả thiết lập hệ thống tỷ lệ entropy tuyệt đối, số lượng T S = Cp dlnT (1.7) Cp: khả biến đổi nhiệt áp suất không đổi Khả nhiệt chất tổng số nhiệt 1M dự trữ nhiệt độ chất nâng lên độ Đối với trình áp suất khơng đổi mơ tả tốn học dH Cp = (1.8) dt Nếu khả nhiệt tính tất nhiệt độ K nhiệt độ đó, entropy tuyệt đối tính q trình sinh học thay đổi entropy có nhiều tiện lợi entropy tuyệt đối Thay đổi entropy cho q trình tính thay đổi enthalpy lượng tự biết Năng lượng tự do: Một giả thuyết công cụ tiện lợi Một câu hỏi quan trọng nhà hoá học, đặc biệt nhà hoá sinh học là: Phản ứng xảy theo hướng từ phải sang trái? Gibbs, người xây dựng nên nhiệt động học nhận thấy câu trả lời cho câu hỏi nằm so sánh thay đổi enthalpy thay đổi entropy nhiệt độ đó, lượng tự Gibbs định nghĩa sau: G = H - TS (1.9) Cho trình A  B nhiệt độ áp suất không đổi Sự thay đổi lượng tự tính: G = H - T S (1.10) Nếu G gần = q trình cân bằng, khơng theo hướng thuận ngược lại G = S = H/T thay đổi enthalpy entropy cân xác Bất kỳ q trình với G khác thực tự động đến trạng thái cuối có lượng tự thấp Nếu G âm trình xảy theo hướng từ trái sang phải Nếu G phản ứng xảy theo hướng ngược lại (ký hiệu giá trị G cho phép xác định trình xảy nhanh nào) Nếu q trình có G âm trình tự xảy ra, G dương q trình khơng tự xảy (hay tự xảy theo chiều nghịch) Thay đổi lượng tự tiêu chuẩn Thay đổi lượng tự G cho phản ứng phụ thuộc vào chất tham gia phản ứng sản phẩm phản ứng bị ảnh hưởng điều kiện phản ứng kể nhịêt độ, áp suất pH nồng độ chất phản ứng sản phẩm Nếu thay đổi lượng tự cho phản ứng nhạy cảm với điều kiện hồ tan, điều đặc biệt có ý nghĩa cho thay đổi lượng tự trạng thái tiêu chuẩn Để trả lời cho câu hỏi xem xét phản ứng hai chất A B để tạo nên sản phẩm C D A + B C + D (1.11) Thay đổi lượng tự cho nồng độ không trạng thái tiêu chuẩn [C] [D] G = G0 + RT ln [A] [B] (1.12) [C] [D] [A] [B] = Keq Ở trạng thái cân G = Chúng ta có G0 = - RT ln Keq (1.13) logarit số 10 G0 = - 2,3 RT/ log 10 Keq (1.14) Nó biến đổi Keq =10 - G/2,3 RT (1.15) Trong dạng mối liên hệ cho phép xác định thay đổi lượng tự tiêu chuẩn cho trình số cân biết Quan trọng hơn, điều nói cân thiết lập cho phản ứng dung dịch hàm thay đổi lượng tự tiêu chuẩn cho trình, nghĩa G0 cách viết khác số cân Ví dụ số cân xác định Brandts số nhiệt độ với biến tính chymotrypsinogen dùng để tính thay đổi lượng tự cho trình biến tính Ví dụ hệ số cân 54,50C 0,27, G0 = - (8,314 J/mol K (327,5K) ln (0,27) G0 = - (2,72 kJ/mol ln (0,27) G0 = 3,56 kJ/mol Ký hiệu dương G0 nghĩa q trình biến tính khơng ưu Dạng gập dạng bền protein 54,50C Mặt khác độ lớn tương đối nhỏ G0 nghĩa dạng gập chiếm ưu nhỏ 10 G, kj/mol -2 -4 -6 -8 -10 50 52 54 56 58 60 62 o Nhiệt độ C Hình 1.2 Sự phụ thuộc biến tính chymotrypsinogen G0 vào nhiệt nhiệt độ trình Hình 1.2 phụ thuộc G0 vào nhiệt độ biến tính pH = Tính H0 G0 biến tính chymotrypsin, tính S0 sử dụng phương trình (3.10) ( G ΔH ) S0 = (1.16) T Ở 54,50C (327,5 K) S0 = - (3560 - 533,000 J/mol) / 327,5 K S0 = 1,620J/mol.K Hình 1.3 biểu diễn phụ thuộc S0 vào nhiệt độ biến tính chymotrypsin pH = Giá trị dương S0 dung dịch protein trở nên khơng trật tự protein bị biến tính So sánh giá trị 1,62 kJ/mol.K với giá trị S0 bảng 1.1 giá trị cho chymotrypsin 54,50C hoàn toàn lớn Ý nghĩa vật lý số nhiệt động học cho biến tính chymotrypsin rõ phần sau Ý nghĩa vật lý đặc tính nhiệt động học Những số nhiệt động học cho ta biết tượng sinh hố gì? Cách tốt để trả lời câu hỏi số riêng rẽ (ví dụ H G ) khơng có nhiều ý nghĩa Một giá trị dương H0 cho biến tính protein phản ánh gãy liên kết hydro protein xuất nhóm ưa nước bên ngồi Tuy so sánh số tiêu nhiệt động học cung cấp hiểu biết bên có ý nghĩa trình 2,4 2,3 2,2 G, kj/mol-K 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 52 54 56 58 o Nhiệt độ C 60 Hình 1.3 Sự phụ thuộc S0 vào nhiệt độ q trình biến tính chymotrypsinogen Ảnh hưởng nồng độ đến thay đổi lượng tự thực tế Phương trình (3.12) thay đổi lượng tự phản ứng khác so với giá trị trạng thái tiêu chuẩn nồng độ chất phản ứng sản phẩm khác với nồng độ hoạt động (1M cho dung dịch) Xem xét thuỷ phân phosphocreatine: Phosphocreatine + H2O Creatine + Pi Phản ứng toả nhiệt mạnh G0 370C -42,8 kJ/mol Nồng độ sinh lý phosphocreatine, creatine Pi thường mM 10 mM Cho nồng độ mM sử dụng phương trình (3.12) G cho thuỷ phân phosphocreatine G = - 42,8 kJ/M + (8.314J/M) (310 K) ln [0,001][0,001] [0,001] G = - 60,5 kJ/M Ở 370C khác trạng thái tiêu chuẩn nồng độ mM cho phản ứng khoảng -17,7 kJ/mol Tầm quan trọng trình kết hợp thể sống Nhiều phản ứng cần thiết để giữ tế bào thể chống lại nhiệt động học, theo hướng G dương Trong có tổng hợp ATP phân tử cao khác tạo nên gradient ion tất tế bào động vật có vú Những trình thực theo hướng bắt buộc nhiệt động học 10 Quá trình tổng hợp GA dược xúc tác enzyme đặc hiệu Tồn số đột biến lùn mà thiếu số gen định điểu khiển tổng hợp nên enzyme xúc tác cho hình thành chất trung gian kết GA khơng hình thành, sinh trưởng chiều cao Với đột biến này, xử lý GA ngoại sinh lấy lại dạng bình thường 2.4 Hiệu sinh lý GA a) Các đột biến lùn thực vật: Các đột biến có sai lệch định trình tổng hợp enzyme cần cho tổng hợp nên GA; GA khơng hình thành bình thường b) GA với giãn sinh trưởng tế bào: Cùng với auxin, GA có ảnh hưởng quan trọng lên giãn tế bào GA kích thích giãn tế bào làm cho tế bào giãn chiều dọc Vì mà tế bào kéo dài nhanh chóng Kết kích thích giãn tế bào GA làm cho sinh trưởng nhanh chiều cao Một số cần chiều cao đay, gai, … Có thể sử dụng GA ngoại sinh để điều khiển chiều cao chúng c) GA với nảy mầm: Trong hạt, nội nhũ đóng vai trị thụ động q trình nảy mầm, chứa chất dự trữ Khi nảy mầm có q trình thủy phân chất dự trữ chúng Sự thủy phân nhờ enzyme thủy phân amylase đóng vai trị quan trọng Sự hình thành nên enzyme thủy phân hoạt hóa GA tổng hợp giải phóng từ trạng thái liên kết phơi hạt Chính mà người ta kích thích cho hạt nảy mầm cách xử lý GA ngoại sinh Với loại củ: Sự nảy mầm chúng kích thích GA có củ Xử lý GA ngoại sinh phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ củ d) GA với sinh trưởng tạo không hạt: Hiệu GA trường hợp tương tự auxin Vì xử lý GA ngoại thay GA nội sinh phôi hạt tạo nên khơng có hạt Trong số trường hợp, auxin khơng gây hiệu GA lại có hiệu tốt trường hợp nho, anh đào, táo, … e) GA với hoa phân hóa giới tính: Trailakhian xem GA hai thành phần hormone hoa (florigen) học thuyết hoa ông Khi xử lý GA cho 273 ngày dài làm cho chúng hoa điều kiện ngày ngắn điều kiện ngày dài tổng hợp GA khó khăn - GA thay cho xử lý lạnh làm cho hai năm hoa năm đầu - GA có tác dụng việc phân hóa quan sinh sản đặc biệt phân hóa giới tính đực Trong trường hợp GA có tác dụng đối kháng với cytokinin, tức kích thích biểu hình thành giới tính đực: kích thích hình thành hoa đực ức chế hình thành hoa Chính người ta sử dụng GA để điều khiển số lượng hoa đực họ bầu bí 2.5 Cơ chế tác động GA Một tác động đặc trưng GA làm tăng hoạt động thủy phân hạt, củ, … trình nảy mầm Ví dụ hạt lúa, ngơ, lúa mì, … phơi hạt nơi tổng hợp nên GA GA giải phóng khỏi phơi khuyếch tán vào lớp tế bào aleuron đấy, GA kích thích hình thành giải phóng enzyme thủy phân tế bào aleuron Các enzyme khuyếch tán vào tế bào nội nhũ chúng xúc tác cho thủy phân hợp chất hữu phức tạp thành chất đơn giản cần cho q trình nảy mầm GA đóng vai trị nhân tố mở gen mà gen bị ức chế hồn tồn q trình ngủ nghỉ hạt, củ Trong trình ngủ nghỉ, gen bị bao vây loại protein gọi histone GA nhân tố hoạt hóa gen, giải phóng gen khỏi trạng thái ức chế enzyme thủy phân hình thành Sơ đồ tác động GA lên nảy mầm: DNA mRNA Protein-enzyme GA Amylase Tinh bột n.glucoso-(P) n H3PO4 Hô hấp Tế bào hút nước Sức trương Nguyên liệu ATP NẢY MẦM 274 * Sự giãn tế bào chế hoạt hóa bơm H+ GA gây nên hiệu ứng mềm tế bào Sự có mặt GA gây nên tăng chất hoạt động thẩm thấu áp suất thẩm thấu tế bào tạo điều kiện cho tế bào hút nước, sức trương tăng lên, tế bào giãn * Các tác động khác GA hoa, phân hóa giới tính: thực thơng qua chế hoạt hóa gen GA 2.6 Ứng dụng GA a) Kích thích tăng chiều cao, tăng sinh khối: Với đay, người ta phun GA (2  ppm) làm chiều cao tăng lên nhiều, tăng suất sợi mà chất lượng sợi đảm bảo Với rau bắp cải, xu hào, xà lách việc xử lý GA (2  ppm) làm tăng suất chất xanh b) Tăng suất tạo không hạt c) Phá bỏ ngủ nghỉ hạt, củ Xử lý GA (2 ppm) ngâm phun làm cho củ khoai tây nảy mầm nhanh d) Điều chỉnh giới tính: Xử lý GA cho bầu, bí, loại dưa, … làm tăng tỷ lệ hoa đực Điều có ý nghĩa quan trọng việc sản xuất hạt lai họ bầu bí Người ta biến hàng thành mang hoa xen hàng mang hoa đực Chúng thụ tinh cho tạo nên hạt lai e) Ứng dụng sản xuất malt bia: Để kích thích sản xuất amylase cơng nghệ sản xuất bia người ta xử lý GA (2  5ppm) cho hạt đại mạch trình nảy mầm tăng suất malt phẩm chất malt bia Cytokinin 3.1 Lịch sử phát hiện: Từ 1913, Haberlandt chứng minh rằng: Các mơ thương tổn có khả sinh chất kích thích sinh trưởng khuyếch tán vào mơ khơng thương tổn kích thích phân chia Năm 1941, Overbeek chứng minh nước dừa có khả tồn chất kích thích phân chia phân hóa tế bào Năm 1955, Miller Skoog tách hợp chất từ việc hấp mẫu DNA tinh dịch cá mịi, chất có khả kích thích phân chia tế bào mạnh nuôi cấy mô thuốc gọi Kinetin Cytokinin chiết tách từ 1963(Letham Muller) dạng kết tinh từ hạt ngơ non gọi Zeatin Sau người ta chứng minh Zeatin có mặt tất giới thực vật Trước người ta 275 phát nguồn chất giàu có nước dừa có hoạt tính cytokinin diphenylurea Cơng thức cấu tạo tổng quát cytokinin sau: NH - R N N N Nếu R là: NH Kinetin CH2 O Nếu R – CH – CH = C – CH – OH 2 Zeatin CH3 NH C=O NH Diphenylurea 3.2 Sự trao đổi cytokinin cây: Rễ quan tổng hợp cytokinin Từ rễ cytokinin vận chuyển lên phận mặt đất Cytokinin tổng hợp mạnh giai đoạn Cytokinin phân bố nhiều nơi có hoạt động trao đổi chất sinh trưởng mạnh Do sinh trưởng mạnh, chồi non nhiều hàm lượng cytokinin cao Cytokinin tồn dạng tự có hoạt tính sinh học dạng liên kết khơng có hoạt tính hoạt tính yếu Cytokinin liên kết với đường để tạo nên glycoside Ngồi cytokinin có mặt RNA vận chuyển cho serine, phenylalanine, tryptophan, tyrosine, cysteine 276 Cytokinin bị phân giải nhờ hệ thống enzyme đặc hiệu sản phẩm phân giải cuối urê 3.3 Hiệu sinh lý cytokinin: * Cytokinin giãn nở tế bào * Cytokinin phân hóa chồi * Cytokinin hóa trẻ: Cytokinin hormone hóa trẻ Chúng có tác dụng kéo dài tuổi thọ quan, toàn Tác dụng đặc trưng cytokinin kìm hãm hóa già Khi già chúng rụng Trong phân hủy nhanh protein lá, tách chất phiprotein, lipid, nucleic acid qua màng tế bào gân lá, cuống dẫn theo phá hủy lục lạp Do việc xử lý cytokinin có tác dụng kìm hãm phân hủy protein nên kìm hãm phân hủy diệp lục kéo dài tuổi thọ Trong thực tế rễ phát triển mạnh, trẻ lâu rễ quan tổng hợp cytokinin Vì muốn kéo dài tuổi thọ quan tồn cần phải điều khiển sinh trưởng rễ thật tốt Ngược lại muốn rút ngắn thời gian sinh trưởng, nhanh chóng hoa kết phải hạn chế sinh trưởng rễ, chặt bớt rễ * Cytokinin có ảnh hưởng đến nảy mầm hạt Vì số trường hợp định, cytokinin có tác dụng kích thích nảy mầm, phá bỏ ngủ nghỉ hạt, củ 3.4 Cơ chế tác động cytokinin: Cytokinin tác động đến phân chia tế bào, phân hóa quan, trẻ hóa quan tồn Cơ chế tác động cytokinin lên sinh trưởng tóm tắt sau: - Khi thiếu cytokinin tế bào khơng phân chia DNA tiếp tục tổng hợp, mà tổng hợp protein khơng xảy Vì cho cytokinin kiểm tra tổng hợp protein giai đoạn giải mã (translation): Transcription DNA Translation mRNA Protein-Enzyme Sinh trưởng Cytokinin - Có thể có chế thứ hai cytokinin có mặt RNA vận chuyển nên ảnh hưởng đến tổng hợp protein Cytokinin RNA vận chuyển vị trí liên kết với anticodon ribosome Vì chức 277 điều chỉnh cytokinin có lẽ chế ngăn chặn nhận mặt sai lầm codon trình tổng hợp protein - Hiệu ứng cytokinin việc ngăn chặn hóa già liên quan nhiều đến khả ngăn chặn phân hủy protein, nucleic acid diệp lục 3.5 Ứng dụng cytokinin Cytokinin ứng dụng chủ yếu việc nuôi cấy mô tế bào thực vật Các chất cytokinin nhân tạo benzyladenine (BA), kinetin cytokinin tự nhiên nước dừa ứng dụng rộng rãi nuôi cấy mơ Việc có mặt chúng mơi trường định phân chia phân hóa chồi mơ nuôi cấy NH – CH2 N N Benzyladenine (BA) N NH B CÁC CHẤT ỨC CHẾ SINH TRƯỞNG THỰC VẬT Abcisic acid (ABA) 1.1 Lịch sử phát hiện: * 1961 - Luc Carn (Mỹ) tách chất dạng tinh thể từ già xử lý lên bơng non gây nên tượng rụng đặt tên abcisin I 1963 – Ohkuma Eddicott tách chất khác từ trẻ gây nên tượng rụng, họ gọi abcisin II Đồng thời Waring cộng phương pháp sắc ký tách chất ức chế từ Betula xử lý cho gây nên tượng ngủ nghỉ chồi Họ gọi chất dormin Năm 1966 người ta xác định chất hóa học chất Năm 1967 người ta gọi chất abcisic acid (ABA) 278 CH3 CH3 O CH = CH – C = CH – COOH OH CH3 CH3 Abcisic acid (ABA) * ABA tổng hợp hầu hết phận cây, tích lũy nhiều quan sinh sản, quan dự trữ, quan già, quan ngủ nghỉ - ABA gây nên rụng (lá, hoa, quả, …), hoạt hóa hình thành tầng rời chủ yếu hình thành enzyme thủy phân vỏ tế bào ABA ức chế sinh trưởng chồi; Gây nên ngủ nghỉ - ABA chất đối kháng auxin - ABA hormone hóa già - ABA điều chỉnh đóng mở khí khổng: Việc phát vai trò ABA việc điều chỉnh xuất phát từ việc phát đột biến héo cà chua Cây cà chua ln ln bị héo khí khổng ln ln mở mà khơng đóng Phân tích hàm lượng chất đột biến thấy thiếu ABA Khi xử lý ABA cho khí khổng đóng lại Đột biến thiếu gen tổng hợp ABA nên ABA khơng hình thành Vai trò ABA ức chế hấp thu K+ tế bào khí khổng Một dịng vật chất khác có liên quan đến đóng mở khí khổng tác động ABA malic acid Acid giải phóng với K+ có mặt ABA tạo nên thiếu hụt K+ tế bào khí khổng, thiếu sức trương, tế bào nước khí khổng đóng lại - ABA xem “hormone stress”: Các điều kiện bất thuận mơi trường hạn, úng, nóng, lạnh, mặn, sâu bệnh, … gọi điều kiện stress môi trường Khi gặp tác nhân stress hàm lượng ABA tăng lên mạnh Đó phản ứng thích nghi chống lại điều kiện bất thuận môi trường Khi gặp hạn, hàm lượng ABA tăng lên mạnh (có lẽ tổng hợp mới) khí khổng đóng lại, chống thoát nước Người ta xác nhận ABA tổng hợp lục lạp giữ lục lạp tế bào đủ nước Khi tế bào nước tính thấm màng lục lạp tăng lên ABA thấm tế bào chất, vận chuyển vào tế bào khí khổng để gây nên đóng khí khổng Khi hết stress tính thấm màng lục lạp với ABA giảm xuống ABA 279 dự trữ lục lạp Vì vậy, ABA có vai trị định tính chống chịu điều kiện bất thuận môi trường 1.2 Cơ chế tác động ABA a) Tác động ABA lên tính thấm màng: ABA làm thay đổi điện qua màng mà điều tiết tiết ion K+ qua màng Cơ chế liên quan đến đóng mở khí khổng Cơ chế vai trị ABA lên đóng mở khí khổng sau: Khi thiếu ABA, bơm H+ không bị ức chế, malate K+ vận chuyển vào không bào tế bào hút nước  khí khổng mở Khi xử lý ABA, bơm H+ bị ức chế nên H+ không vào thành tế bào; malate K+ không qua màng vào không bào mà vận chuyển thụ động khỏi tế bào, lúc tế bào nước khí khổng đóng lại Thành tế bào Chất nguyên sinh Không bào Glucose ABA ức chế bơm H+, ức chế ATP-ase ức chế thấm K+ malate vào không bào CO2 PEP H+ K+ Malate K+ K+ b) ABA tác động lên chế tổng hợp protein nucleic acid: Năm 1964, Dorothy Bonner cho tế bào ngủ nghỉ vật liệu di truyền (DNA) hồn tồn bị trấn áp q trình tổng hợp protein khơng diễn ra; q trình sinh trưởng bị ngừng trệ Nếu xử lý chất đối kháng ABA GA chẳng hạn làm giảm ức chế tác dụng ABA lên hệ thống mà trình sinh trưởng diễn Hiệu ức chế ABA hiệu đóng gen (khóa gen) q trình chép (Transcription) giải mã (Translation) không diễn Gibberellin (GA) làm tác dụng ức chế gen ABA, làm cho q trình diễn bình thường Có lẽ ABA tác động lên giai đoạn transcription: Transcription DNA Translation mRNA Protein (Enzyme, cấu trúc) Sinh trưởng 280 1.3 Ứng dụng hiểu biết ABA trồng trọt: Trong ABA thường gây hiệu ức chế lên trình sinh trưởng phát triển khác Để loại bỏ tác dụng ức chế ABA trồng thường sử dụng tác nhân đối kháng với ABA để làm thay đổi cân hormone theo hướng làm tác dụng ABA: - Để phá bỏ ngủ nghỉ, kích thích nảy mầm làm giảm lượng ABA làm tăng gibberellin (GA) hay hai - Kìm hãm rụng lá, cách tăng hàm lượng auxin, giảm hàm lượng ABA Cytokinin - Điều chỉnh hóa già: Tỷ lệ quy định độ già ABA hóa Muốn chống già hóa tiến hành cách phun cytokinin ngoại sinh, cho cytokinin vào môi trường nuôi cấy cách tăng cường phát triển rễ để tổng hợp nhiều cytokinin cung cấp cho quan mặt đất để kéo dài tuổi thọ chúng Ethylene (CH2 = CH2) Là sản phẩm trao đổi chất, chất khí đơn giản Ethylene kích thích chín Ethylene tương tác với ABA gây nên rụng lá, Ethylene kích thích hoa số thực vật kích thích cho dứa hoa trái vụ Trong nghề trồng dứa việc sử dụng chất tạo ethylene (đó ethrene) đất đèn (cho acetylene) làm cho dứa thêm vụ Ethylene chất khí nên thực tế không sử dụng trực tiếp ethylene mà người ta sử dụng chất tạo ethylene CEPA: O Cl(CH2)2 – P – OH H2O HCl OH CEPA (Chloroethylenephosphoric acid) H3PO4 CH2 = CH2 Ethylene - Trong việc phân hóa giới tính thuộc họ bầu bí ethylene có ảnh hưởng lên hình thành giới tính Xử lý ethrene làm cho chúng phát triển chủ yếu hoa 281 Các chất phenol Là sản phẩm trao đổi chất Chúng có tác dụng ức chế hoạt động trao đổi chất ức chế sinh trưởng Các phenol kích thích hoạt động enzyme phân hủy auxin; kìm hãm giãn tế bào làm cho tế bào hóa gỗ nhanh Một số phenol thường gặp như: O COOH O HO O O Urgon Cumarin Oxybenzoic acid Các chất làm chậm sinh trƣởng (Retardant) Retardant nhóm chất nhân tạo, có chất hóa học khác nhau, chúng gây ảnh hưởng ức chế giãn tế bào, làm thấp, mở rộng phiến lá, gây hoa sớm Một số ví dụ điển hình: 4.1 CCC (Chlorocholine chlorid): [(CH3)3N – CH2 – CH2 – Cl]+ Cl- CCC chất kháng GA, làm cho thấp Làm tăng hình thành diệp lục Khi xử lý CCC lên cây, tốc độ thấm vào nhanh, tồn vài tuần bị phân hủy, hoạt tính 4.2 MH (Malein hydrazide) MH chất kháng auxin làm tăng hoạt tính enzyme phân hủy auxin, IAA-oxidase O NH NH O 282 MH chất ức chế sinh trưởng, ức chế nảy mầm kéo dài thời gian ngủ nghỉ; ức chế sinh trưởng chồi bên nên sử dụng để ngăn chặn mọc chồi nách thuốc lá, tránh việc đánh tỉa nhánh tay tốn công lao động 4.3 TIBA (Triiodobenzoic acid) I COOH I I TIBA chất kháng auxin, kìm hãm vận chuyển auxin cây; làm giảm sinh trưởng chồi ngọn, hạn chế chiều cao, xúc tiến phân cành; TIBA xúc tiến hoa hình thành củ Câu hỏi: Các nhóm hợp chất thứ cấp quan trọng thực vật? Cơ chế tác động nhóm chất điều hịa sinh sinh trưởng thực vật ứng dụng chúng sản xuất nông nghiệp? 283 M ỦC LỦC Chỉång 1 TRAO ÂÄØI CHÁÚT V NÀNG LỈÅÜNG SINH HC, 1 Khại niãûm chung vãư trao âäøi cháút,1 Nàng læåüng sinh hoüc, 2.1 Âàûc nàng lỉåüng ca sỉû trao âäøi cháút, 11 2.2 Cạc håüp cháút cao nàng, 13 Chæång 2: VITAMIN, 18 Âënh nghéa vitamin,18 Cạc vitamin ho tan nỉåïc (cáúu tảo, vai tr), 18 Cạc vitamin ho tan cháút bẹo (cáúu tảo, vai tr), 29 Chỉång 3 ENZYME V SỈÛ XỤC TẠC SINH HC, 36 Khại niãûm chung vãư sỉû xục tạc, 36 Enzyme l cháút xục tạc sinh hc, 37 Bn cháút hoạ hc ca enzyme, 38 Cạc úu täú nh hỉåíng hoảt xục tạc ca enzyme, 42 Cå chãú tạc âäüng ca enzyme, 43 Âäüng hc ca enzyme, 44 Cạch gi tãn v phán loải enzyme Cạc nhọm enzyme riãng biãût, 55 Chỉång 4 CARBOHYDRATE V SỈÛ TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG CƠ THỂ THỰC VẬT, 63 Cáúu tảo, cháút v vai tr ca carbohydrate, 63 Cạc monose, 63 Cạc polyose, 69 Hoaï sinh quang håüp, 73 Pha saïng quang hồỹp, 73 Pha tọỳi quang hồỹp (chu trỗnh Calvin, 81 Họ hỏỳp saùng, 87 Chu trỗnh Hatch vaỡ Slack, 91 Chu trỗnh CAM, 98 Tọứng hồỹp sucrose, 99 Hoaï sinh hä háúp,103 5.1 Âënh nghéa hä háúp, 103 5.2 Quaù trỗnh õổồỡng phỏn, 109 5.3 Caùc loaỷi họ hỏỳp, 113 5.4 Họ hỏỳp haùo khờ chu trỗnh Krebs, 117 5.5 Chu trỗnh pentosephosphate, 123 Chổồng LIPID V SỈÛ TRAO ĐỔI LIPID TRONG CƠ THỂ THỰC VẬT,128 Cáúu tảo v cháút, 129 Sỉû phán gii triglycerid, 130 Sỉû phán gii cạc acid bẹo chỉa bo ho, 136 Sỉû phán gii cạc acid bẹo cọ säú ngun tỉí carbon l, 136 Chu trỗnh glyoxilate, 138 Sinh tọứng hồỹp triglycerid, 139 Sinh täøng håüp v phán gii phospholipid, 144 Chỉång NUCLEIC ACID V SỈÛ TRAO ĐỔI NUCLEIC ACID TRONG CƠ THỂ THỰC VẬT, 147 Cáúu trục ca nucleic acid, 147 Phán loaûi nucleic acid, 154 Sinh täøng håüp nucleic acid, 155 Chỉång 7 PROTEIN V TRAO ĐỔI PROTEIN TRONG CƠ THỂ THỰC VẬT Âải cỉång vãư protein Vai tr ca protein Cáúu trục ca protein Aminoacid Phán loặ aminoacid Tênh cháút ca aminoacid Sinh tọứng hồỹp aminoacid Quaù trỗnh khổớ nitrate Quaù trỗnh cọỳ õởnh nitồ phỏn tổớ Caùc õổồỡng hổồùng bióỳn õọứi NH3- chu trỗnh ornithine Caùc âỉåìng hỉåïng täøng quạt ca sỉû biãún âäøi aminoacid 10 Sinh täøng håüp protein 10.1 Caïc yãúu täú tham gia sinh täøng håüp protein 10.2 Cạc giai âoản sinh täøng håüp protein 10.3 Cå chãú âiãưu ho sinh täøng håüp protein 11 Phán gii protein Chỉång 8: MỐI LIÊN QUAN GIỮA CÁC CHẤT TRONG TRAO ĐỔI CHẤT 9.1 Mäúi liãn quan giỉỵa carbohydrate v lipid 9.2 Mäúi liãn quan giỉỵa carbohydrate v protein 9.3 Mäúi liãn quan giỉỵa lipid v protein Chỉång 9 CẠC HÅÜP CHÁÚT CỌ NGƯN GÄÚC THỈÏ CÁÚP Khại niãûm chung vãư cạc håüp cháút cọ ngưn gäúc thỉï cáúp Acid hỉỵu cå Isoprenoid vaì steroid Cao su Flavon vaì anthocyan Cạc dáùn sút ca benzen v cạc håüp cháút cọ vng ngỉng tủ Cạc håüp cháút cọ ngưn gäúc thỉï cáúp chỉïa nitå Cạc cháút kêch thêch ức chế sinh trỉåíng ca thỉûc váût TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Kim Bảng – Đặng Hùng – Lê Khắc Thận: Bài giảng hóa sinh – NXBĐH GDCN – Hà nội 1991 Lê Dỗn Diên: Hóa sinh thực vật – NXBNN – Hà nội 1993 Đặng Hùng – Vũ Thị Thư: Hóa sinh học trồng nông nghiệp – NXBNN – Hà nội 1993 Võ Văn Quang: Bài giảng sinh hóa thực vật – Đại học Nơng lâm Huế – 1996 Hồng Văn Tiến – Lê Khắc Thận – Lê Dỗn Diên: Sinh hóa học với sở công nghệ gen – NXBNN – Hà nội 1997 Nguyễn Duy Minh: Những tập trắc nghiệm chọn lọc trả lời sinh hóa – NXB Đại học Quốc gia Hà Nội – 2001 Nguyễn Đình Hun – Mai Xn Lương: Hóa sinh học đại theo sơ đồ – NXB y học TP HCM – 1983 Hoàng Minh Tấn - Nguyễn Quang Thạch: Chất điều hòa sinh trưởng trồng – NXBNN 1993 Nguyễn Văn Uyển: Phân bón chất kích thích sinh trưởng – NXBNN – TP HCM 1995 10 Stryer L Biochemistry – NY 1987 11 BreskiW Practikum z Biochemi – Warszawa 1971 258 ... phóng lượng sử dụng để phosphoryl hố ADP thành ATP, q trình mà mặt lượng không tự xảy 1.2.1 Đặc tính lượng trao đổi chất Năng lượng trình trao đổi chất (năng lượng sinh học) khác với lượng thực chất. .. thống mở Hệ thống lập: Khơng có trao đổi chất lượng với mơi trường Hệ thống đóng: Có trao đổi lượng, khơng có trao đổi chất với mơi trường Hệ thống mở: Có trao đổi chất lượng với môi trường Cơ thể... lượng thấp Glucose-1-P (glucose+ Pi) o G (kJ/mol) Công tức cấu tạo -2 1,0 Fructose-1-P (fructose+ Pi) -1 6,0 Glucose-6-P (glucose+ Pi) -1 3,9 Glycerol-3-P (glycerol+ Pi) -9 ,2 Adenosine-5’ monophosphate