- Tính huỳnh quang: Khi quan sát ánh sáng phản xạ từ dung dịch diệp lục thấy dung dịch có màu huyết dụ, nếu tắt nguồn sáng thấy dung dịch có màu xanh như cũ.
3. Cơ chế quá trình hô hấp
Khác với quá trình đốt cháy chất hữu cơ ngoài cơ thể, quá trình oxy hóa trong cơ thể phải trải qua nhiều chặng, bao gồm nhiều phản ứng hóa sinh để cuối cùng giải phóng CO2, H2O và năng lượng với dạng ATP. Có thể chia quá trình này thành 2 giai đoạn:
• Giai đoạn 1: tách hydro ra khỏi cơ chất hô hấp. Giai đoạn này được thực hiện bằng ba con đường khác nhau:
- Đường phân và lên men
- Đường phân và chu trình krebs.
- oxy hóa trực tiếp đường qua chu trình pentozophotphat.
• Giai đoạn 2: oxy hóa các cofecment khử để tổng hợp ATP. Giai đoạn này xảy ra trên màng trong của ty thể, bao gồm 2 quá trình diễn ra đồng thời và song song nhau: quá trình chuyển vận electron và quá trình photphoryl hóa.
3.1. Hô hấp hiếu khí và hô hấp yếm khí (lên men)
Cây xanh phóng thích CO2 không chỉ tạo điều kiện bình thường của khí quyển mà cả ở trong môi trường không có oxi.
Bằng những dẫn liệu chính xác Pasteur đã chỉ ra rằng sự giải phóng CO2 của cây xanh trong điều kiện không có oxy không phụ thuộc vào sự có mặt của vi sinh vật mà là kết quả của các quá trình diễn ra trực tiếp ngay trong mô thực vật. Ông còn chứng minh
lên men là sự sống không cần oxy và cho rằng quá trình yếm khí có vai trò lớn ngay cả trong các hoạt động sống của sinh vật hiếu khí.
Pluger lần đầu tiên đưa ra ý kiến hô hấp tiến hành theo hai giai đoạn: ở giai đoạn đầu các nguyên liệu hô hấp phân giải thành các hợp chất dễ bị oxy hoá như rượu etylic, tới giai đoạn sau các sản phẩm của sự yếm khí khi bị oxy hoá bởi oxy của khí quyển đến những chất cuối cùng là khí cacbonic và nước.
Quan điểm đó được các nhà thực vật học nổi tiếng nhất hồi cuối thế kỷ 19 thừa nhận. Pleffer coi rượu là một sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp hiếu khí thông thường của thực vật và quá trình này có liên quan với sự lên men.
Nhưng học thuyết của Cotxtuxev khẳng định: hô hấp và lên men hoàn toàn khác nhau nhưng có quan hệ với nhau. Giai đoạn đầu biến đổi từ đường đến các sản phẩm trung gian (axit pyruvic) là chung cho cả hô hấp và lên men, sau đó phân ly thành hai quá trình khác nhau.
Sự sai khác giữa hô hấp và lên men là trong quá trình hô hấp hiếu khí các sản phẩm trung gian bị oxy hoá bằng oxy tự do dẫn đến sự hình thành CO2 và H2O. Ở quá trình lên men nếu như các sản phẩm trung gian được tạo nên của giai đoạn đầu biến đổi tiếp tục trong điều kiện không có oxy thì sản phẩm cuối cùng sẽ là rượu và CO2.
3.2. Quá trình đường phân – Con đường E.M.P. (Embden Meyerhof Parnas)
Giai đọan chuẩn bị chung của quá trình hô hấp và lên men.
Quá trình đường phân bao gồm trên mười phản ứng riêng biệt diễn ra theo một trình tự xác định và đựơc các hệ enzym tương ứng xúc tác, chia thành 4 chặng:
a) Chặng hoạt hóa phân tử đường: nhờ ATP các enzym tham gia, glucoza biến đổi lần lượt thành dạng este mono và kế đó thành dạng este diphosphat rất linh động và dễ biến đổi. Việc chuyển hóa dạng gluco-piranoza thành fructofuranoza cũng làm tăng thêm tính linh động của nguyên liệu hô hấp.
b) Chặng phân cắt đường 6C thành đường 2C3: Cấu trúc đối xứng của F-1,6-P dễ bẻ gẫy giữa C3 và C4 thành DOAP và Al-3-PG. DOAP dễ dàng biến đổi thành Al-3-PG để tiếp tục biến đổi và tránh việc mất ½ lượt glucoza tham gia trong phản ứng.
c) Chặng oxy hóa Al-3-PG thành Al-2-PG. chặng này sinh ra năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy hóa. H được tách ra và chuyển đến NAD về sau chuyển cho enzym khác và cuối cùng cho oxy khí trời trong trường hợp hô hấp hiếu khí hoặc được sử dụng để khử các nguyên liệu hữu cơ khác như axit piruvic, axetaldehyt trong hình thức lên men.
d) Chặng chuyển hóa Al-2-PG thành axit piruvic. Chặng cuối diễn ra phản ứng tích năng lượng thứ hai và biến một oxy axit thành một xeto axit có khả năng phản ứng cao và có vị trí quan trọng trong quá trình trao đổi chất.
Phương trình cân bằng tổng quát của đường phân có thể tóm tắt như sau:
C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2H3PO4 → 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H+
Cũng cần phải chú ý rằng, những phản ứng của quá trình đường phân đã cho ta những chất tiền thân có thể tham gia trong sự hình thành một số Axit amin. Bằng cách khử hydro hóa, APG có thể tạo thành axit phosphohydroxypiruvic và axit này là tiền chất của serin. Serin có thể tạo thành mạch bên của Axit amin có nhân benzen (phenylalanin, tyrozin…) và nhân indol (tryptophan); serin cũng là chất tiền thân của Cystein hay glysin.
APEP có thể đính CO2 và cho axit oxaloaxetic. Axit này trong sự chuyển vị amin sẽ thành axit aspactic và aspactic là tiền thân của methionin, threonin và β-alanin. Axit piruvic có thể biến thành alanin bằng chuyển vị amin.
3.3. Quá trình lên men
Trong điều kiện không có oxy, axit pyruvic biến đổi theo con đường yếm khí theo các hình thức lên men tạo ra các hợp chất đơn giản hơn còn chứa nhiều năng lượng.
Tùy thuộc vào sản phẩm hình thành trong quá trình lên men người ta phân biệt các dạng lên men: lên men rượu, lên men lactic, butyric…
3.3.1. Lên men rượu etylic
Dưới tác dụng của enzym decacboxylaza, axit pyruvic sẽ bị khử cacboxin hóa giải phóng khí cacbonic và aldehytacetic.
Phản ứng xảy ra như sau:
Nhờ có NADH2 aldehyt acetic bị khử thành rượu:
Sản phẩm cuối cùng của lên men rượu là rượu ethylic và khí CO2.
3.3.2. Lên men axit lactic
Sự lên men lactic tiến hành bởi các vi khuẩn lactic (lúc muối dưa, làm sữa chua, làm tương…)
Axit pyruvic bị khử trực tiếp bởi NADH2 dưới tác dụng của enzym dehydrogenaza tạo axit lactic.
3.4. Quá trình phân giải hiếu khí axit pyruvic
3.4.1. Chu trình Krebs
Khi có mặt của oxy, axit pyruvic sẽ chịu những biến đổi phức tạp. Những biến đổi này là một chu trình của các phản ứng có tên là chu trình Krebs. Chu trình Krebs còn có tên là chu trình axit citric hay chu trình axit di- và tricacboxylic phát hiện năm 1937. Chu trình này là sự kế tục trực tiếp của các quá trình đường phân trong tế bào sống, nó rất phổ biến trong mô thực vật bậc cao và ở mô động vật.
Chu trình Krebs đã diễn ra ba nhóm quá trình quan trọng: loại trừ hoặc kết hợp nước, khử cacboxyl và oxy hóa. Như ý kiến của Palađin 1914 đã đề xuất. nước là một nhân tố tham gia tích cực trong quá trình phân giải chất hữu cơ trong cơ thể sống. Nước đóng vai trò là chất oxy hóa, cung cấp oxy để oxy hóa cacbon của nguyên liệu để tạo nên sản phẩm cuối cùng là CO2. Các phản ứng khử cacboxyl trong chu trình có tính chất là phản ứng yếm khí. Nguồn gốc CO2 là các cetoaxit, nhóm cacboxyl ở các chất này dễ dàng tách ra dưới
tác động của những cacboxylaza tương ứng. Nguồn gốc CO2 là một trong các điểm sai biệt giữa hô hấp và đốt cháy vì trong quá trình đốt cháy, CO2 thóat ra là kết quả trực tiếp của sự oxy hóa cacbon nguyên liệu bằng oxy của khí trời đã hút vào, còn trong quá trình hô hấp CO2 được giải phóng không phụ thuộc vào sự hấp thụ oxy. Các phản ứng oxy hóa khử tách H+ và điện tử vận chuyển qua dây chuyền điện tử là những phản ứng quan trọng diễn ra trong chu trình Kreb và chính ở chặng cuối cùng này năng luợng và H2O đã được hình thành, chu trình được tóm tắt bằng phương trình:
Rất nhiều thực nghiệm đã xác nhận tính phổ biến của chu trình krebs trong các mô thực vật. Người ta đã phát hiện được tất cả các axit hữu cơ và các enzym tham gia trong chu trình krebs. Nếu thêm axit hữu cơ của chu trình sẽ kích thích sự hô hấp của mô thực vật. Malonat là chất kìm hãm các phản ứng chu trình Krebs đã ức chế quá trình hô hấp của mô thực vật.
Như đã nêu trong quá trình đường phân cũng đã diễn ra một phản ứng oxy hóa biến AlPG thành APG và ứng với 1 phân tử glucoza, 2 cặp H2 đã được dehydraza yếm khí tách ra sẽ tác dụng với 1 phân tử oxy của khí trời tạo thành 2H2O. Tổng hợp lại ta có phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí:
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O Rút gọn lại: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
3.4.2. Chu trình axit Glyoxylic
Năm 1957 Kornberg và Krebs đã phát hiện được chu trình axit glyoxylic, một dạng cải biến của chu trình crep. Sự sai biệt được bắt đầu ở axit isocitric tác động của enzym isoitraza, axit isocitric biến thành axit succinic và axit glyoxylic. Axit glyoxylic sẽ ngưng tụ với axit acetic nhờ enzym malatsynthetaza xúc tác và tạo thành axit malic. Chu trình axit glyoxylic đã phát hiện thấy ở nấm mốc, vi khuẩn và một số thực vật, các phản ứng của nó là cơ sở của việc biến đổi lipit thành gluxit, thường xảy ra trong sự nẩy mầm của hạt có dầu.
Hình 6.1. Chu trình glyoxylat biến đổi lipit thành đường cần cho sự nảy mầm ở hột có dầu
3.5. Con đường pentozo photphat
Con đường oxy hóa các chất hữu cơ còn có tên là sự oxy hóa hexozomonophosphat hoặc oxy hóa trực tiếp hoặc con đường chuyển hóa của pentoza. Đó là con đường biến đổi hiếu khí gluxit thường gặp ở thực vật bậc cao và vi sinh vật. phản ứng đầu của nó trùng với phản ứng đường phân. Sự khác biệt được bắt đầu từ G-6- P.
Khác với đường phân, trong quá trình này G-6-P không qua chặng đường bẻ đôi phân tử thành 2 trioza mà nó bị oxy hóa thành các hợp chất cacbon. Các hợp chất này qua nhiều phản ứng trung gian và cuối cùng lại tạo thành G-6-P. Hợp chất này làm đóng kín quá trình trên. Vì thế quá trình này gọi là chu trình pentozo photphat hoặc hexozomonophosphat.
Tất cả các giai đọan riêng biệt của chu trình này đã đuợc chứng minh bằng thực nghiệm trên các đối tượng nấm men, động vật cũng như thực vật. Mức độ tham gia của nó ở các loài cây, trong các giai đọan phát triển, trong các điều kiện ngoại cảnh khác nhau thường không giống nhau. Pentoza đặc biệt có ý nghĩa đối với quá trình sinh trưởng và quá trình sinh tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng như axit nucleic, Coenzym NADP, ATP… Pentoza tham gia vào quá trình quang hợp là hợp chất đầu tiên nhận CO2 và ta có thể xem về cơ bản quá trình này giống chu trình calvin trong quang hợp nhưng diễn ra theo chiều ngược lại.
Hai giai đọan đầu là những phản ứng oxy hóa đòi hỏi phải có NADP tham gia. ở phản ứng thứ nhất G-6-P oxy hóa tạo thành 6-phosphogluconat, chất này sẽ bị khử cacboxyl và oxy hóa. Kết quả là tạo thành pentoza và một phân tử CO2 được giải phóng.
Pentoza được tạo thành ở dạng Ru-5-P, chất này bị đồng phân hóa bằng cách như sau: cứ 3 phân tử ribuloza tạo thành thì 2 phân tử biến thành xilulozo-5-P(X-5-P) và một phân tử biến thành R-5-P.
Trong các phản ứng tiếp theo của chu trình có sự tham gia của các enzym transxetolaza và transaldolaza chuyển tòan bộ mạch các nguyên tử cacbon. Nhờ enzym transxetolaza các pentoza vừa tạo thành sẽ phản ứng với nhau, transxetolaza sẽ chuyển nhóm “Glycolaldehyt hoạt động” từ X-5-P đến R-5-P. kết quả là tạo thành sedoheptulozo- 7-phosphat (Se-7-P) và gốc trioza-3-P. Các sản phẩm của phản ứng này một lần nửa lại tác dụng với nhau nhờ transaldolaza. Kết quả là tạo F-6-P và E-4-I.
E-4-P phản ứng với X-5-P tạo thành F-6-P và triozo-P. Hai trioza-P ngưng tụ với nhau nhờ aldolaza cho ta phản ứng Fr-6-P thứ ba. Chu trình pentozophosphat được biểu diễn như sau:
6 G-6-P + 6 H2O + 12 NADP → 6 R-5-P + 6 CO2 + 12 NADPH2