Sinh lý hô hấp thực vật

SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT Quang hợp cung cấp chất hữu cơ cho thực vật (và gần tất sống khác) phụ thuộc vào Hô hấp, với trao đổi chất carbon liên quan nó, giải phóng lượng lưu trữ hợp chất carbon cách kiểm soát để sử dụng Đồng thời tạo nhiều tiền chất carbon cho sinh tổng hợp Chuyên đề xem xét trình chuyển hoá hô hấp, nhấn mạnh đến đặc điểm đặc trưng thực vật Một phần chất hô hấp lí giải dựa thành tựu gần hoá sinh sinh học phân tử ty thể thực vật Đồng thời, xem xét đến yếu tố ảnh hưởng đến trình hô hấp, từ ứng dụng vào bảo quản sản phẩm nông nghiệp KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP THỰC VẬT Hô hấp hiếu khí (cần oxy phân tử) phổ biến gần tất sinh vật nhân chuẩn nhiều thể nhân sơ, trình hô hấp thực vật tìm thấy tương tự động vật vi sinh vật Tuy nhiên, hô hấp thực vật có số khía cạnh đặc trưng để phân biệt với hô hấp động vật Hô hấp hiếu khí trình sinh học, mà chất hữu huy động sau bị oxy hoá cách kiểm soát Trong trình hô hấp, lượng tự tạo lưu giữ hợp chất ATP – sử dụng cho tồn phát triển thực vật Glucose chất phổ biến cho trình hô hấp Tuy nhiên, tế bào thực vật carbon khử từ sucrose, hexose phosphate triose phosphate xuất phát từ phân giải tinh bột quang hợp, polyme có chứa fructose (fructan), loại đường khác, lipid (chủ yếu triacylglycerol), acid hữu cơ, vài trường hợp protein (hình 1) http://www.ebook.edu.vn Hình 1: Khái quát hô hấp Cơ chất cho hô hấp tạo trình khác tế bào vào đường hô hấp Đường phân đường pentose phosphate tế bào chất lạp thể (plastid) chuyển hóa đường thành acid hữu cơ, thông qua hexose phosphate triose phosphate, tạo NADH NADPH ATP Các acid hữu oxy hoá chu trình acid citric ty thể, tạo NADH, FADH2 cung cấp lượng cho tổng hợp ATP nhờ chuỗi vận chuyển điện tử ATP synthase trình phosphoryl hoá oxy hoá Trong hình thành đường glucose mới(gluconeogenesis), carbon từ lipid chia nhỏ glyoxysome, chuyển hoá chu trình acid citric, sau sử dụng để tổng hợp đường tế bào chất trình ngược với đường phân Theo quan điểm hoá học, hô hấp thực vật thể trình oxy hoá phân tử 12 carbon – đường sucrose trình khử 12 phân tử O2: C12H22O11 + 13H2O Æ 12CO2 + 48H+ + 48e12O2 + 48H+ + 48e- Æ 24H2O http://www.ebook.edu.vn Quá trình hô hấp khái quát theo sơ đồ đây: Từ sơ đồ trên, đưa đến phản ứng thực sau: C12H22O11 + 12O2 Æ 12CO2 + 11H2O Phản ứng “dường như” ngược chiều trình quang hợp, đại diện cho phản ứng oxy hoá khử sucrose bị oxy hoá hoàn toàn tới CO2 O2 đóng vai trò chất nhận (acceptor) điện tử cuối cùng, bị khử thành nước Năng lượng tự chuẩn cho phản ứng 5.760 kJ (1380 kcal)/mol (342g) đường sucrose bị oxy hoá Kiểm soát việc giải phóng lượng tự này, kết hợp với sinh tổng hợp ATP nội dung chủ yếu trình hô hấp Để tránh nguy hại (đốt cháy) cấu trúc tế bào, tế bào huy động số lượng lớn lượng tự giải phóng trình oxy hoá sucrose cách thực dãy phản ứng theo bước (dạng bậc thang) Các phản ứng chia thành nhóm bốn trình chính: đường phân, chu trình acid citric, phản ứng đường pentose phosphate, phosphoryl hóa oxy hoá Cơ chất hô hấp vào trình hô hấp điểm khác đường, tóm tắt hình • Đường phân (glycolysis): liên quan đến loạt phản ứng thực nhóm enzyme hoà tan nằm tế bào chất lạp thể http://www.ebook.edu.vn (plastid) Một loại đường - ví dụ, sucrose - phần bị oxy hoá thông qua đường 6-carbon phosphate (hexose photphat) đường 3-carbon phosphate (triose photphat) để tạo hữu acid – ví dụ pyruvate Hiệu suất lượng trình nhỏ gồm ATP, nucleotide pyridin khử - NADH • Con đường pentose phosphate, nằm tế bào chất lạp thể, đường 6-carbon (glucose-6-phosphate) ban đầu bị oxy hoá thành đường 5carbon (ribulose-5-phosphate) Tạo thành CO2, lượng tạo tích luỹ dạng hai phân tử nucleotide pyridin khử - NADPH Trong phản ứng sau gần trạng thái cân bằng, ribulose-5-phosphate chuyển thành đường đến carbon • Trong chu trình acid citric (citric acid cycle), pyruvate oxy hoá hoàn toàn tới CO2, tạo lượng đáng kể lực khử tương đương (16 NADH + 4FADH2)/sucrose tạo trình Các phản ứng liên quan đến loạt enzyme nằm chất ty thể (xem hình 5) có Succinate dehydrogenase nằm màng ty thể • Trong trình phosphoryl hoá oxy hoá, điện tử vận chuyển nhờ chuỗi vận chuyển điện tử gồm protein vận chuyển điện tử nằm màng ty thể Hệ thống chuyển điện tử từ NADH (và loại có liên quan) - tạo đường phân, đường pentose phosphate, chu trình acid citric tới oxy Sự vận chuyển điện tử giải phóng lượng lớn lượng tự tích lũy ATP (tổng hợp từ ADP Pi - phosphate vô cơ) xúc tác enzyme ATP synthase Tập hợp phản ứng oxy hoá khử chuỗi vận chuyển điện tử sinh tổng hợp ATP gọi phosphoryl hóa oxy hoá Đây giai đoạn cuối trình oxy hoá hoàn toàn sucrose Nicotinamid adenine dinucleotide (NAD+/NADH) cofactor hữu (coenzyme) gắn liền với nhiều enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng oxy hoá khử tế bào NAD+ dạng cofactor oxy hoá trải qua phản ứng thuận nghịch, trở thành dạng khử NADH phản ứng với điện tử (hình 2): http://www.ebook.edu.vn NAD+ + 2e- + H+ Æ NADH Hình 2: Các cấu trúc phản ứng cofactor chủ yếu mang điện tử tham gia vào lượng sinh học hô hấp (A) Sự khử NAD(P)+ tới NAD(P)H; (B) Sự khử FAD tới FADH2 FMN giống hệt với phần flavin hiển thị khung hình Các khu vực màu xanh hiển thị phần phân tử tham gia phản ứng oxy hoá khử Thế khử chuẩn cho cặp phản ứng oxy hoá khử khoảng -320mV, tạo chất khử mạnh (tức chất cho điện tử) Như vậy, NADH phân tử thuận tiện để tích lũy lượng tự điện tử giải phóng phản ứng oxy hoá đường phân chu trình acid citric Một hợp chất có liên quan nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+/NADPH), hoạt động phản ứng oxy hoá khử quang hợp đường pentose phosphate, tham gia vào trao đổi chất ty thể http://www.ebook.edu.vn Sự oxy hoá NADH oxy qua chuỗi vận chuyển điện tử giải phóng lượng tự (220 kJ/mol-1, 52 kcal/mol-1) sử dụng để tổng hợp ATP Bây xây dựng tranh hoàn chỉnh mối liên quan hô hấp vai trò trình chuyển hoá lượng tế bào qua hai phản ứng sau đây: C12H22O11 + 12O2 Æ 12CO2 + 11H2O 60ADP + 60Pi Æ 60ATP + 60H2O Không phải tất carbon vào đường hô hấp kết thúc CO2 Nhiều sản phẩm trung gian hô hấp tiền chất cho trình chuyển hóa khác (xem hình 13) ĐƯỜNG PHÂN: QUÁ TRÌNH DIỄN RA TRONG TẾ BÀO CHẤT VÀ LẠP THỂ Trong bước đầu đường phân (glycolysis bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “glykos”: đường “lysis”: tách), carbohydrate chuyển thành hexose phosphate, sau phân chia thành hai đường triose phosphate Trong giai đoạn tiếp theo, lượng tích luỹ đường triose phosphate oxy hoá xếp lại để tạo hai phân tử pyruvate Bên cạnh việc chuẩn bị chất cho trình oxy hoá chu trình acid citric, hiệu suất lượng đường phân nhỏ, lượng tích luỹ hợp chất hoá học gồm ATP NADH Khi phân tử oxy sẵn chẳng hạn rễ trồng vùng đất ngập nước đường lên men (fermentation pathway), với phản ứng diễn trùng khớp với trình đường phân, diễn tế bào chất, khử pyruvate để tuần hoàn NADH tạo từ đường phân http://www.ebook.edu.vn 2.1 Đường phân chuyển hóa carbohydrate thành pyruvate, tạo NADH ATP Đường phân xảy tất thể sống (sinh vật nhân sơ sinh vật nhân chuẩn) Các phản ứng gắn liền với trình đường phân lên men ty thể gần giống với tế bào động vật (hình 3) Tuy nhiên, đường phân thực vật có đặc trưng điều hoà riêng, ví dụ phần đường đường phân diễn song song lạp thể enzyme xúc tác thay đổi vài bước tế bào chất Trong động vật, chất đường phân glucose sản phẩm cuối pyruvate Nhưng sucrose lại đường chủ yếu hầu hết loài thực vật, đường chất cho hô hấp mô không quang hợp (không phải glucose) Sản phẩm cuối đường phân thực vật bao gồm acid hữu gồm pyruvate malate Trước diễn đường phân, sucrose dễ dàng “bẻ” thành hai monosaccharid (glucose fructose) vào đường đường phân Hai đường cho phân giải sucrose biết thực vật lấy sucrose từ libe Trong hầu hết mô thực vật, sucrose synthase có tế bào chất, sử dụng để phân giải sucrose cách kết hợp sucrose với UDP để sản xuất fructose UDP-glucose UDP-glucose pyrophosphorylase xúc tác chuyển UDPglucose pyrophosphate (PPi) thành UTP glucose-6-phosphate theo sơ đồ (và xem thêm hình 3) http://www.ebook.edu.vn Trong số mô, có mặt invertase thành tế bào, không bào, tế bào chất thuỷ phân sucrose để tạo thành hai thành phần đường 6-carbon (glucose fructose) Các hexose sau phosphoryl hoá phản ứng có sử dụng ATP Ngược lại, phản ứng xúc tác sucrose synthase gần tới trạng thái cân bằng, phản ứng xúc tác invertase giải phóng đủ lượng phản ứng không thuận nghịch Lạp thể (có thể lục lạp bột lạp) cung cấp chất cho đường phân Tinh bột tổng hợp phân giải lạp thể, carbon thu từ phân giải tinh bột vào đường đường phân tế bào chất chủ yếu hexose phosphate (được di chuyển khỏi bột lạp) triose phosphate (được di chuyển khỏi lục lạp) Sản phẩm quang hợp trực tiếp vào đường đường phân triose phosphate Các lạp thể chuyển tinh bột thành triose phosphate sử dụng dãy isozyme riêng biệt xúc tác phản ứng chuyển hexose phosphate thành triose photphat Tất enzyme thể hình đánh giá mức http://www.ebook.edu.vn vừa đủ để hỗ trợ hô hấp kết quan sát mô thực vật nguyên vẹn Trong giai đoạn đường phân, đơn vị hexose phosphoryl hóa hai lần sau chia tách, cuối tạo hai phân tử triose phosphate Các phản ứng tiêu thụ 2-4 phân tử ATP đơn vị sucrose, tuỳ thuộc vào việc sucrose tách sucrose synthase invertase Các phản ứng bao gồm hai ba phản ứng không thuận nghịch đường đường phân xúc tác hexokinase phosphofructokinase (xem hình 3) Phản ứng phosphofructokinase điểm kiểm soát (điều khiển) đường phân thực vật động vật 2.2 Phase tích lũy lượng đường phân Các phản ứng chuyển carbon từ “bể” (tạm dịch: “bể”) chất khác đến triose phosphate Khi glyceraldehyde-3-phosphate hình thành, đường đường phân bắt đầu trích xuất lượng để tích lũy Enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase xúc tác trình oxy hóa aldehyde thành acid carboxylic, khử NAD+ tạo NADH Phản ứng giải phóng lượng tự để sử dụng cho phosphoryl hóa (sử dụng phosphate vô cơ) glyceraldehyde-3-phosphate để tạo 1,3-bisphosphoglycerate Sự phosphoryl hóa acid carboxylic carbon số 1,3-bisphosphoglycrerate (xem hình 3) tạo lượng tự chuẩn lớn (-49,3 kJ/mol-1, -11,8 kcal.mol-1) Do đó, 1,3-bisphosphoglycerate chất khử mạnh nhóm phosphate Trong bước đường phân, xúc tác phospho glycerate kinase, phosphate carbon số chuyển tới phân tử ADP, tạo ATP 3-phosphoglycerate Mỗi phân tử sucrose vào đường có phân tử ATP hình thành – phân tử ATP hình thành từ phân tử 1,3bisphosphoglycerate Loại tổng hợp ATP theo kiểu gọi phosphoryl hóa mức chất có nghĩa diễn chuyển giao trực tiếp nhóm phosphate từ http://www.ebook.edu.vn phân tử chất cho ADP để tạo thành ATP ATP tổng hợp cách phosphoryl hóa mức chất có chế khác biệt với ATP tổng hợp ATP synthase tham gia vào việc phosphoryl hóa oxy hóa ty thể quang phosphoryl hóa lục lạp Trong phản ứng tiếp theo, phosphate 3-phosphoglyxerat chuyển đến carbon số phân tử nước bị loại bỏ, linh động hợp chất phosphoenolpyruvate (PEP) Nhóm phosphate PEP có lượng tự chuẩn cao (-61,9 kJ / mol-1, -14,8 kcalmol-1), điều làm cho PEP chất khử tốt cho hình thành ATP Bằng cách sử dụng PEP chất, enzyme pyruvate kinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa mức chất lần để tạo ATP pyruvate Bước cuối cùng, bước thứ ba thuận nghịch đường phân, hiệu suất lượng thêm bốn phân tử ATP cho phân tử sucrose vào đường đường phân 2.3 Thực vật có phản ứng đường phân biến thể Trình tự phản ứng tạo thành pyruvate từ đường xảy tất sinh vật nhờ thực đường phân Ngoài ra, sinh vật tổng hợp đường từ acid hữu Quá trình gọi tổng hợp đường gluconeogenesis Gluconeogenesis không phổ biến thực vật, hoạt động hạt số loài thực vật, chẳng hạn đậu castor hướng dương, lưu trữ số lượng đáng kể carbon dự trữ dạng loại dầu (triacylglycerol) Sau hạt giống nảy mầm, dầu chuyển theo gluconeogenesis tạo sucrose, mà sau sử dụng để hỗ trợ giống Trong giai đoạn đường phân, gluconeogenesis trùng lặp với lộ trình tổng hợp sucrose từ quang tổng hợp triose phosphate, điển hình cho thực vật Bởi phản ứng phân giải đường xúc tác phosphofructokinase phụ thuộc ATP (ATP-dependent phosphofructokinase) không thuận nghịch (xem hình 3), thêm vào loại enzyme bổ sung, fructose-1,6http://www.ebook.edu.vn 10 Một điều cho thấy mô hoạt tính trao đổi chất cao hoạt động hô hấp lớn Ở chồi mọc có hoạt động hô hấp xảy cao thường giảm thời kì sinh trưởng Một ví dụ nghiên cứu kĩ lúa mạch sinh trưởng mô trưởng thành gốc nhìn chung có hoạt động hô hấp thấp hoạt động hô hấp thân khác loài thực vật khác điều kiện khác Khi mô thực vật đạt đến độ trưởng thành hoạt động hô hấp trì ổn định giảm chậm Một ngoại trừ mô hình việc tăng đột biến hô hấp mà xảy giai đoạn đầu trình chín nhiều loại xảy trình rụng hoa Nhìn chung trình hô hấp cảm ứng ethylen liên quan tới đường thay nhiên vai trò đường trình chín chưa rõ? CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HÔ HẤP Ở THỰC VẬT Cường độ hô hấp Cường độ hô hấp lượng khí oxy mô hấp thụ lượng khí carbonic mô thải đơn vị khối lượng đơn vị thời gian Đối với mô chứa diệp lục cần phải hô hấp cao tối để tránh ảnh hưởng trao đổi CO2 trình quang hợp.Cường độ hô hấp thay đổi tùy theo loài đặc điểm mô quan giai đoạn phát triển cá thể (bảng 3) Bảng 3: Cường độ hô hấp số loài thực vật nhiệt độ 10 – 150C (mg CO2/1g chất khô 24 giờ) Đối tượng Cường độ hô hấp Lá lúa mì 138,70 Củ khoai tây 2,45 Rễ củ cải đường 6,70 Quả chanh 12,40 Hạt hướng dương nảy mầm 43,70 http://www.ebook.edu.vn 52 Sợi nấm Aspergillus niger ngày tuổi 343,20 54,10 ngày tuổi Các thuộc nhóm phân loại khác hô hấp khác nhiều Các vi khuẩn, thực vật bậc thấp có cường độ hô hấp cao, đặc biệt nấm mốc sử dụng chất khô cho hô hấp khối lượng chúng ngày đêm Thực vật vùng sinh thái khác hô hấp khác Những chịu bóng hô hấp ưa sáng Những mọng nước mà mô xốp chúng bao bọc lớp cutin dày không thấm khí nói chung thủy sinh có hoạt tính hô hấp thụ Những miền Bắc hô hấp mạnh miền Nam điều kiện nhiệt độ thấp Những vùng cao đặc trưng mạnh cường độ hô hấp hoạt tính enzyme oxy hóa tạo cho tính thích nghi với áp suất oxy thấp vùng núi cao Trong giới hạn cây, quan khác có cường độ hô hấp khác Những quan sinh sản hô hấp mạnh quan sinh dưỡng (nhị nhụy hô hấp mạnh gấp lần lá) Những mô quan có mức độ hoạt động sống thấp có hoạt tính hô hấp yếu Đó quan dự trữ, quan sinh dưỡng sinh sản thời kì nghỉ Đặc biệt hạt khô có cường độ hô hấp yếu tới hàng vạn lần Những hạt nảy mầm có cường độ hô hấp gấp hàng trăm lần so với hạt khô liên quan đến hình thành tế bào phân sinh Trong quan, mô hoàn thành chức sinh lí, mô phân sinh phân chia mạnh, tầng phát sinh mạch … hô hấp mạnh Các mô bên ngoại biên có hoạt tính hô hấp cao liên quan với cung cấp oxy tốt hơn… Hô hấp ánh sáng Cơ chế tác động ánh sáng chưa rõ ảnh hưởng gián tiếp thông qua ảnh hưởng lên quang hợp Ngoài số tác giả cho ánh sáng làm http://www.ebook.edu.vn 53 tăng hình thành axit glicolic mà oxy hóa nhanh chất làm tăng thải carbonic hấp thụ oxy Các nghiên cứu cho thấy tia có bước sóng ngắn (300-500nm) hoạt hóa hô hấp mạnh Ánh sáng không ảnh hưởng đến cường độ mà ảnh hưởng đến hệ số hô hấp (ngoài sáng RQ thấp tối) Hô hấp nhiệt độ Cường độ hô hấp tăng nhiệt độ tăng giới hạn chưa làm tổn thương màng sinh chất hoạt động sống bình thường tế bào Nhiệt độ tối ưu cho hô hấp vào khoảng 350C Nhiệt độ tối thiểu phụ thuộc vào loài vùng sinh thái Hô hấp độ ẩm mô Ảnh hưởng hàm lượng nước mô lên hô hấp phụ thuộc vào đặc điểm sinh thái mô Đối với đại phận cây, hoạt tính hô hấp giảm thiếu nước Riêng mô mọng nước, hô hấp lại tăng bị héo Ảnh hưởng độ ẩm lên hô hấp thể rõ hạt Hạt khô có cường độ hô hấp thấp, ví dụ hạt lúa mì có độ ẩm 12% có cường độ hô hấp 1,5 mg CO2/kg hạt.h Khi độ ẩm tăng 30-35% hô hấp tăng hàng nghìn lần Độ ẩm mà xuất nước tự hô hấp tăng mạnh gọi độ ẩm tới hạn Đối với đại phận họ Lúa (ngũ cốc) độ ẩm tới hạn 14,5 = 15,5%, có dầu từ 8-9% Hô hấp thành phần không khí Khi hàm lượng oxy giảm làm hô hấp giảm Thường hàm lượng oxy thấp 5% hô hấp hướng yếm khí đường đường phân chiếm ưu Hàm lượng oxy tối ưu khoảng 20% Theo quy luật chung tăng hàm lượng CO2 làm giảm hô hấp Có điều đáng lưu ý thành phần khí mô khác thành phần khí khí quyển, mô hàm lượng oxy thấp (7-18%) hàm lượng CO2 cao (0,9-7,5%) http://www.ebook.edu.vn 54 Ngoài yếu tố chế độ dinh dưỡng, yếu tố vật lí, hóa học, chất có hoạt tính sinh học ảnh hưởng đến trình hô hấp TRAO ĐỔI CHẤT LIPID Trong động vật sử dụng chất béo để tích lũy lượng thực vật chúng chủ yếu sử dụng nguồn dự trữ carbongydrate Mỡ dầu nguồn tích lũy quan trọng carbon dạng khử nhiều loại hạt loài nông nghiệp quan trọng đậu tương, hoa hướng dương, lạc Dầu thường sử dụng nguồn tích lũy nhiều hoang dại mà tạo hạt nhỏ Một số oliu lê tàu (avocados) tích lũy chất béo dầu Trong phần sau chuyên đề bàn đến sinh tổng hợp hai loại glicerolipid: tracylglycerol (chất béo dầu tích lũy hạt) glycerollipid phân cực (hình 14) Chúng ta thấy sinh tổng hợp triacylglycerol (mỡ trung tính) glycerollipid phân cực cần thiết cho hợp tác hai bào quan: lạp thể màng lưới nội chất Thực vật sử dụng chất béo dầu để sinh lượng xem xét trình phức tạp mà hạt nảy mầm thu lượng trao đổi chất nhờ oxy hóa mỡ dầu Hình 14 Cấu trúc triacylglycerols glycerolipid phân cực thực vật bậc cao Mỡ dầu tích lũy lượng lượng lớn Mỡ dầu thuộc vào lớp lipid, mặt cấu trúc nhóm đa dạng hợp chất kỵ nước hòa tan dung môi hữu cơ, không tan http://www.ebook.edu.vn 55 nước Lipid thể dạng carbon khử nhiều so với carbongydrate, oxy hóa hoàn toàn 1g mỡ dầu tạo nhiều ATP (khoảng 40 kJ 9,3 kcal) oxy hóa 1g tinh bột (khoảng 15,9 kJ 3,8 kCal) Ngược lại sinh tổng hợp mỡ dầu phân tử liên quan phospholipid màng cần đầu tư lượng đáng kể lượng trao đổi chất Các lipid khác quan trọng cho cấu trúc chức thực vật không sử dụng tích lũy lượng thực vật Đó sáp, tạo lớp cutin để giảm nước mô thực vật lộ ngoài, terpenoid (hay gọi isoprenoid), chúng gồm carotenoid tham gia quang hợp sterol có nhiều màng thực vật Triacylglycerol tích lũy olesome Mỡ dầu tồn chủ yếu dạng triacylglycerol (acyl nói phần acid béo), trglycerid phân tử acid béo liên kết ester với nhóm hydroxyl glycerol Các acid béo thực vật thường acid carboxylic mạch thẳng có số carbon chẵn Chuỗi carbon biến động từ 12-20 chủ yếu 16 18 Dầu chủ yếu dạng lỏng nhiệt độ bình thường có mặt liên kết đôi thành phần acid béo nó; mỡ tỷ lệ cao acid béo no, thể rắn nhiệt độ bình thường Các acid béo chủ yếu trình bày bảng Thành phần acid béo lipid thực vật thay đổi theo loài ví dụ dầu lạc acid palmitic chiếm 9%, acid olecic 59% acid linoleic 21% dầu có acid palmitic 20%, acid oleic 30%, acid linoleic 45% Sự tổng hợp acid béo thảo luận ngắn gọn Triacylglycerol nhiều hạt tích lũy tế bào chất tế bào thuộc mầm tế bào nội nhũ bào quan gọi olesome (hoặc thể cầu, thể dầu) Olesome có màng ngăn không bình thường để cách ly triglyceride với tế bào chất Một lớp phospholipid bao quanh thể dầu với đuôi ưa nước phospholipid hướng tế bào chất chuỗi hydrocarbon kỵ nước quay bên http://www.ebook.edu.vn 56 Olesome ổn định có mặt protein đặc trưng gọi oleosin, chúng bao bề mặt ngăn ngừa phospholipid thể dầu tiếp xúc với hợp Cấu trúc màng độc đáo olesome kết theo cách tổng hợp triacylglycerol Sinh tổng hợp triacylglycerol thực nhờ enzyme màng lưới nội chất, chất béo tạo thành tích lũy hai lớp màng đơn màng lưới nội chất Lớp màng kép lưới nội chất phồng nhiều chất béo bổ sung vào cấu trúc hình thành cuối thể dầu trưởng thành tách từ lưới nội chất Glycerollipid phân cực lipid cấu trúc chủ yếu màng Mỗi màng tế bào màng kép có tính phân cực (amphipathicmột đầu ưa nước đầu ghét nước) mà có đầu phân cực tương tác với pha nước chuỗi acid béo kỵ nước tạo lõi màng Lõi kỵ nước ngăn ngừa khuếch tán ngẫu nhiên chất hòa tan khoang tế bào cho phép phản ứng sinh hóa tế bào có tính tổ chức Lipid cấu trúc màng glycerolipid phân cực (hình 14) mà phần kỵ nước gồm phân tử chuỗi acid béo 16 18 carbon ester hóa với carbon số số glycerol Nhóm đầu phân cực liên kết với carbon số glycerol có hai dạng glycerollipid phân cực : Glyceroglycolipids đường tạo nhóm đầu (hình 15A) Glycerophospholipids có nhóm đầu chứa phosphate (hình 15B) http://www.ebook.edu.vn 57 Hình 15 Một số lipid phân cực màng tế bào thực vật Màng thực vật có lipid cấu trúc bổ sung bao gồm sphingolipids sterol, chúng thành phần không đáng kể Các lipid khác thực vai trò đặc trưng trình quang hợp trình khác Trong số http://www.ebook.edu.vn 58 lipid có chlorophyll, plastoquinone, carotenoid, tocopherol chúng chiếm 1/3 lipid bổ sung lipid Hình 15 lớp glycolipid chủ yếu thực vật, lớp tổ hợp với nhiều loại acid béo khác Các cấu trúc nêu hình minh họa cho số lớp phân tử thường gặp Màng lục lạp chứa đến 70% lipid màng mô quang hợp chủ yếu glyceroglycolipid, màng khác tế bào glycerophospholipid (bảng 4) Trong mô không quang hợp, phospholipid glycerolipid chủ yếu màng Bảng Thành phần glycerolipid màng tế bào Sinh tổng hợp acid béo gồm chu trình thêm carbon Sinh tổng hợp acid béo gồm phản ứng trùng ngưng có tính tuần hoàn đơn vị carbon mà acetyl-CoA tiền chất Ở thực vật, acid béo tổng hợp chủ yếu lạp thể, động vật acid béo tổng hợp chủ yếu tế bào chất Các enzyme đường liên kết với tạo thành phức fatty acid synthase Có lẽ phức cho phép chuỗi phản ứng diễn cách hiệu enzyme tách rời mặt vật lý Bên cạnh đó, việc kéo dài chuỗi acyl liên kết cộng hóa trị với với protein acid có phân tử thấp gọi chất mang protein mang acyl ký hiệu ACP Khi liên kết với ACP, acid béo nhắc đến acyl-ACP Bước xảy đường (là bước độc đáo để tổng hợp acid béo) tổng hợp malonyl –CoA từ acetyl-CoA CO2 nhờ enzyme http://www.ebook.edu.vn 59 acetyl-CoAcarboxylase (hình 16) Sự điều hòa chặt chẽ acetylCoAcarboxylase kiểm soát toàn tốc độ tổng hợp acid béo Sau Malonyl-CoA tác dụng với ACP để sinh malonyl-ACP: Trong chu kỳ đầu sinh tổng hợp acid béo, nhóm acetate acetylCoA chuyển cho cysteine enzyme trùng ngưng (3-ketoacylACPsynthase) sau liên kết với malonyl-ACP để tạo acetoacetyl-ACP Tiếp theo nhóm keto carbon thứ tách (bị khử) qua hoạt động enzyme để tạo chuỗi acyl (butyryl-ACP) có carbon (hình 16) Acid carbon phân tử malonyl –Acp sau trở thành chất enzyme trùng ngưng (kết hợp phân tử) kết thêm carbon vào vào chuỗi kéo dài, tiếp tục chuỗi 16 18 carbon Một số phức chuỗi acyl 16:0 (bão hòa) carbon-ACP giải phóng từ máy tổng hợp acid béo phần lớn phân tử kéo dài đến 18:0-ACP chuyển thành 18:1-ACP nhờ enzyme desaturase (tạo liên kết đôi) Sự lặp lại kiện tạo 16:0-Acp 18:1-ACP sản phẩm sinh tổng hợp acid béo lạp thể (hình 17) Các acid béo trải qua biến đổi sau chúng liên kết với glyceol để tạo thành glycrlipid Các liên kết đôi bổ sung acid béo 16:0 18:1 nhờ loạt isozyme Desaturase isozyme protein liên kết hoàn toàn với màng tìm thấy lục lạp lưới nội chất Mỗi desaturase gắn liên kết đôi vị trí đặc trưng chuỗi acid béo, enzyme tác động cách trình tự để tạo sản phẩm acid béo 18:3 16:3 http://www.ebook.edu.vn 60 Hình 16 Chu kỳ sinh tổng hợp acid béo lạp thể thực vật http://www.ebook.edu.vn 61 Hình 17 Hai đường sinh tổng hợp glycerolipid lục lạp màng lưới nội chất Arabidosis Glycerolipids tổng hợp lạp thể lưới nội chất Các acid béo tổng hợp lạp thể sau sử dụng để tổng hợp Glycerolipidscủa màng oleosome Bước tổng hợp Glycerolipids phản ứng acyl hóa chuyển acid béo từ acyl-ACP acyl-CoA đến glycerol-3phosphate để tạo acid phosphatidic Sự hoạt động đặc hiệu phosphatase tạo diacylglycerol (ADG) từ acid phosphatidic Acid phosphatidic chuyển trực tiếp thành phosphatidylinositol phosphatidylglycerol; DAG làm tăng to phosphatidylethanolamine phosphatidylcholine (hình 17) Sự định vị enzyme sinh tổng hợp glycerolipid cho thấy tương tác chặt chẽ phức tạp lục lạp – nơi acid béo tổng hợp với hệ thống màng sinh học khác tế bào Theo thuật ngữ đơn giản, trình sinh hóa có hai đường đường nhân sơ prokaryot (hoặc chloroplast) đường nhân chuẩn eukaryot (con đường ER) Sơ đồ đơn giản mô hình trình bày hình 17 Ở lục lạp, đường prokaryot sử dụng 16:0 18:1 ACP acid béo tổng hợp lục lạp để tổng hợp acid phosphatidic dẫn xuất Các acid béo đưa tế bào chất dạng ester CoA http://www.ebook.edu.vn 62 Ở tế bào chất, đường Eukaryot sử dụng loạt acyltransferase khác màng lưới nội chất đưa acid béo vào acid phosphatidic dẫn xuất chúng Ở số thực vật bậc cao, gồm Arabidopsis rau bina, hai đường thực với mức độ tổng hợp lipid lục lạp Tuy nhiên nhiều hạt kín khác, phosphatidylglycerol (phospholipid) sản phẩm đường nhân sơ, lipid lại diệp lục tổng hợp theo đường nhân chuẩn Hóa sinh tổng hợp triacylglycerol hạt chứa dầu mô tả glycerolipid 16:0 18:1-ACP tổng hợp lạp thể tế bào sau đưa dạng thioester CoA để đưa vào DAG lưới nội chất (hình 17) Lipid tích lũy chuyển hóa thành carbonhydrate hạt nảy mầm Sau nảy mầm, hạt chứa dầu chuyển hóa triacylglucerol tích lũy chuyển lipid thành sucrose Thực vật khả chuyển chất béo từ nội nhũ tới mô rễ chồi hạt nảy mầm, chúng phải chuyển lipid dự trữ thành dạng carbon linh động phổ biến sucrose Quá trình gồm chuỗi bước khoang khác tế bào: oleosome, glyosome, ty thể tế bào chất Tổng quan chuyển hóa lipid thành đường Sự chuyển đổi lipid thành sucrose hạt có dầu khởi đầu nảy mầm bắt đầu với thủy phân triacylglycerol dự trữ thể dầu thành acid béo tự do, sau nhờ oxy hóa acid béo thành acetyl-CoA (hình 18) Acid béo oxy hóa loại peroxisome gọi gluoxisome, bào quan bao quanh màng kép đơn giản tìm thấy mô tích lũy nhiều dầu hạt Acetyl-CoA chuyển hóa glyoxisome (hình 18A) tạo succinate, chuyển từ glyoxisome đến ty thể, chuyển thành oxaloacetate sau malate Quá trình kết thúc tế bào chất http://www.ebook.edu.vn 63 với việc chuyển malate thành glucose qua gluconeogenesis, sau đến sucrose Mặc dù số carbon từ acid béo tách vào phản ứng trao đổi chất khác số hạt dầu, đậu castor (Ricinus communis) http://www.ebook.edu.vn 64 trình hiệu mà g lipid oxy hóa kết tạo 1g carbongydrate, tương đương với 40% phục hồi lượng tự dạng liên kết carbon ([15,9kJ/40kJ]x 100 = 40%) Enzyme thủy phân lipase Bước chuyển hóa chất béo thành carbongydrate phá vỡ triglyceride tích lũy hạt dầu nhờ lipase, mà nội nhũ đậu castor, nằm nửa màng mà thể ranh giới bên thể dầu Lipase thủy phân triacylglycerol đến phân tử acid béo glycerol Ngô chứa hoạt tính lipase thể dầu, lạc, đậu tương dưa chuột thể hoạt tính lipase glyoxisome (hình 18B) β- oxy hóa acid béo Sau thủy phân triacylglycerol, acid béo tạo vào glyoxisome, nơi chúng hoạt hóa đến fatty-acyl-CoA enzyme fatty-acyl-CoA synthase fatty-acyl-CoA chất cho loạt phản ứng β-oxy hóa, mà acid béo Cn (gồm acid béo n số C) bước phân cắt đến đến n/2 phân tử acetyl-CoA (hình 18A) trình tự phản ứng gồm khử ½ O2 đến nước tạo NADH FADH2 cho acetyl-CoA tạo Trong mô động vật có vú, bốn enzyme liên quan đến β-oxy hóa có mặt ty thể; mô hạt thực vật, chúng định vị glyoxisome Sự thú vị mô sinh dưỡng thực vật (chẳng hạn củ khoai tây), phản ứng β-oxy hóa diễn peroxisome Chu kỳ glyoxylate Chức chu kỳ glyoxylate chuyển hai phân tử acetyl-CoA tới succinate Acetyl-CoA tạo β-oxy hóa chuyển hóa glyoxisome thông qua dãy phản ứng tạo chu kỳ glyoxylate (hình 18A) Đầu tiên, acetyl-CoA phản ứng với oxaloacetate để tạo citrate, sau chuyển đến tế bào chất để đồng phân hóa thành isocitrate aconitase Isoncitrate chuyển trở lại vào peroxisome chuyển thành malate hai phản ứng đặc trưng cho đường glyoxylate: http://www.ebook.edu.vn 65 Đầu tiên isocitrate (C6) phân cắt enzyme isocitratelyase tạo succinate (C4) glyoxylate (C2) Succinate chuyển vào ty thể Tiếp theo, malate synthase kết hợp với phân tử acetyl-CoA thứ hai với glyoxylate tạo malate Malate sau bị oxy hóa malate dehydrogenase tới oxaloacetate, kết hợp với phân tử acetyl-CoA khác để tiếp tục chu kỳ (hình 18A) Glyoxylate tạo tham gia hoạt động chu trình glyoxylate glyoxisome succinate chuyển sang ty thể cho trình khác Vai trò ty thể Succinate chuyển từ glyoxisome đến ty thể sau chuyển thành malate phản ứng acid citric Malate sau bị oxy hóa tới oxaloacetate malate dehydrogenase tế bào chất, kết oxaloacetate chuyển thành carbonhydrate Sự chuyển đổi cần phá bỏ phản ứng không thuận nghịch pyruvate kinase (hình 3) dễ dàng enzyme PEP carboxylase, sử dụng khả phosphoryl hóa ATP để chuyển oxaloacetate thành PEP CO2 (hình 18A) Từ PEP, gluconeogenesis phát triển để sản xuất glucose Sucrose sản phẩm cuối trình dạng chủ yếu carbon khử chuyển từ mầm tới mô Không phải tất hạt chuyển hóa chất béo thành đường Tài liệu tham khảo Nguyễn Như Khanh, Cao Phi Bằng (2008), Sinh lý học thực vật, Nxb Giáo dục B.Buchanan., W.Gruissem., R.Jones (2000), Biochemistry & Molecular Biology of Plants American Society of Plant Physiologists Albert L.Lehninger (2005).Biochemistry.4e Taiz.L., Zeiger E (2006) Plant physiology 4th edition http://4e.plantphys.net/ http://www.ebook.edu.vn 66 [...]... với quan sát ở nhiều thực vật, ngoài ra nó còn thực hiện chu trình chuyển hóa acid ở họ Xương rồng (thực vật CAM), malate được lưu trữ trong không bào trung tâm của chúng Hình 7: Enzyme malic và PEP carboxylase cung cấp cho thực vật với sự linh động trong chuyển hóa phosphoenolpyruvate enzyme malic làm cho ty thể thực vật có thể oxy hóa cả malate (A) và citrate (B) tới CO2 mà không liên quan đến pyruvate... cứu chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể thực vật 4.2 Một số enzyme vận chuyển điện tử duy nhất có trong ty thể thực vật Ngoài các enzyme của chuỗi vận chuyển điện tử được mô tả trong phần trên, ty thể thực vật còn chứa một số thành phần không có trong ty thể động vật có vú (xem hình 8) Lưu ý rằng không có enzyme nào bơm proton và do đó sự tích lũy năng lượng là thấp hơn bất cứ khi nào chúng được sử dụng:... ứng của chu trình acid citric nêu trong hình 6 không phải tất cả giống hệt với các phản ứng xảy ra ở ty thể động vật Ví dụ, bước xúc tác của succinyl-CoA synthetase sản xuất ATP ở thực vật và GTP ở động vật Một đặc trưng của chu trình acid citric thực vật mà không có mặt trong các sinh vật khác là hoạt động quan trọng của enzyme NAD+ malic, đã được tìm thấy trong chất nền của tất cả ty thể được phân... 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... “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... 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... 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... trình đồng hóa lại amon trong suốt quá trình quang hô hấp, mặc dù những sàng lọc gần đây ở thể đột biến với quang hô hấp cây lúa mạch và Arabidosis chưa được nhận thấy vai trò glutamate dehydrogenase Cũng có bằng chứng cho rằng β-oxy hóa các acid béo thành acetyl-CoA có thể diễn ra trong ty thể thực vật Tuy nhiên, gần như sự oxy hóa acid béo ở thực vật dường như chỉ xảy ra ở peroxisome http://www.ebook.edu.vn... 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... 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 ... dưỡng Mức độ hô hấp toàn thể thực vật, cụ thể xem xét sở trọng lượng tươi nhìn chung thấp động vật Sự khác thực vật có không bào thành tế bào không chứa ty thể Vì mức độ hô hấp số mô thực vật cao... động vật, thực ty thể thực vật có mức độ hô hấp cao ty thể động vật trạng thái tách biệt biểu theo mg protein Mặc dù thực vật nhìn chung có mức độ hô hấp thấp vai trò chúng tương đương động vật. .. vào hô hấp giá trị giảm thực vật già Đối với thực vật non gần phần ba chất đạt quang hợp vào hoạt động hô hấp điều thực vật già gấp đôi Ở vùng nhiệt đới, 70-80% chất thu quang hợp vào hô hấp