IV. Vài nét về sự sống trong vũ trụ
60 -Động vật lan tràn trên mặt đất
CHƯƠNG II I: CÁC QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG
I.Các phương thức dinh dưỡng ở thực vật
1.Quá trình quang hợp
a. Cấu tạo hóa học và tính chất của các sắc tố
Diệp lục gồm nhân pecphirin (4 vòng 5 cạnh gắn với nhau chứa Mg ở trung tâm, có tính ưa nước, tương tự phân hem chứa Fe trong phân tử hemoglobin) và
đuôi phitol (một loại rượu, mạch phân tử dài có tính ghét nước). Có 10 loại diệp
lục, trong đó quan trọng nhất là diệp lục a và b.
-Diệp lục a và b chỉ khác nhau chỗ nhóm chức CH3 (a) và CHO (b). Diệp lục vừa có tính ưa nước vừa có tính ghét nước nên sắp xếp rất trật tự thành lớp đơn
phân tử, trong đó đầu poocphirin quay về lớp protein, cịn đi phitol quay về lớp photpholipit trong các bản mỏng (tilacoit) của lục lạp.
-Diệp lục có khả năng hấp thu ánh sáng có chọn lọc. Nó hấp thu được cả 6 bức xạ của ánh sáng trắng, nhưng mạnh nhất là vùng tia xanh tím (λ = 430 nm) và tia đỏ (λ = 662 nm). Diệp lục hút rất ít tia lục (do đó lá có màu lục). Đây là một
đặc điểm thích nghi có lợi bởi vì ban trưa ánh sáng có cường độ mạnh và rất giàu
tia lục nên việc ít hấp thu ánh sáng lúc này tránh đốt nóng mơ lá.
Nhiều thí nghiệm (Engelman 1883 với tảo Spinogyra ) đã chứng minh vùng ánh sáng đỏ và xanh tím được diệp lục hút mạnh nhất, đồng thời cũng là vùng có hoạt động quang hợp mạnh nhất.
b. Pha sáng của quang hợp
+Cấu tạo của NADP và sự hình thành lực khử trong pha sáng. (Nicotin amit adenin di nucleotit photphat)
Trong tế bào nhiều enzim muốn hoạt động bình thường cần phẩi có mặt một số phân tử bổ sung gọi là coenzim hay nhân tố hỗ trợ (cofactor). Các coenzim quan trọng nhất là NAD (nicotinamit adenin dinucleotit), NADP (nicotinamit adenin dinucleotit photphat), FAD (flavin adenin dinucleotit), coenzim A. Trong quang hợp NADP đóng vai trị là chất nhận hydro hoạt động ( do nước phân ly tạo ra). Lúc đó nó có tính khử mạnh, dễ dàng tham gia vào phản ứng khử trong pha
tối của quang hợp.
+Đường đi của điện tử sau khi tách khỏi diệp lục tạo thành ATP. 12H2O + 12NADP+ + 18ADP +18 Pi + 60 lượng tử
⎯⎯ ⎯ ⎯ →
⎯DiƯplơc 6O2 + 12 NADP H + 18ATP + 18 H2O (Pi là PO4 vô cơ ) + Q trình photphorin hóa quang hợp vịng chỉ tiến hành ở cây trong điều kiện bất lợi, chỉ tạo ra được ATP dùng để tổng hợp tinh bột, protit và lipit mà khơng hình thành các chất đồng hóa mới. Trong q trình này tính trung bình cứ 2 fôton vận chuyển được 2 điện tử và tạo được 1 - 2 phân tử ATP (1ATP = 9kcal )
Hiệu suất thấp x100=11%
2x x 42
9 (1ATP)
42 kcal ≈ 1photon, còn 22% đối với 2ATP
+ Q trình photphorin hóa quang hợp khơng vịng: Kết quả của quá trình này là một phần quang năng bị biến đổi được dùng vào việc tạo thành ATP, phần còn lại dùng để tạo NADP ở dạng khử và giải phóng oxy
H2O + NADP + ADP + Pi → NADPH - H+ + ATP + 1/2O2 Tỷ lệ photon : điện tử NADPH - H+ : ATP là 4 : 2 : 1 : 1. Ta có 4 photon có năng lượng 42 x 4 = 168 kcal
1 NADPH - H+ có năng lượng = 52 kcal 1ATP có năng lượng = 9 kcal
Hiệu quả năng lượng của quá trình này là : + x100=36%
1689 9 52
c.Pha tối của quang hợp + Sơ đồ tổng quát của pha tối :
Trong pha tối quang hợp diễn ra quá trình đồng hóa CO2, từ đó tổng hợp nên các chất hữu cơ nhờ enzim xúc tác và nhờ nguồn năng lượng ATP và NADPH đã
được tạo ra trong pha sáng.
Trong chu trình Canvin diễn ra các nhóm q trình chủ yếu sau đây : -Cố định CO2 nhờ chất nhận là riboclodiphotphat có khả năng phản ứng cao. -Khử axit photphat glixerinic thành Aldehyt P glixerinic P -O- CH2-CH - COOH | OH P -O- CH2-CH - CHO | OH
-Từ C3 tổng hợp đường 6 cacbon (gluco, fructo) và tiếp đó thành disaccarit
và tinh bột.
-Tái tổng hợp chất nhận CO2 bằng một loạt các tương hỗ giữa các loại đường 3C, 4C, 5C, 7C.
Phương trình cân bằng của pha tối có thể biểu diễn như sau :
6CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12ADP+ + 18 ADP + 18 gốc phôtphat vơ cơ.
Phương trình chung của 2 pha quang hợp có thể biểu diễn tóm tắt như sau: 6CO2 + 12 H2O + 60 lượng tử ⎯DiÖp⎯ →⎯⎯lôc C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O
2.Dinh dưỡng khoáng ở thực vật
Để xây dựng các cấu thành của tế bào như protein và axit nucleic thì ngồi
CO2 và nước thực vật cần phải có Nitơ sunfua và photpho; thực vật cũng cần nhiều chất vô cơ khác . Các nitrat, photphat, Kali, Magiê, Fe và các cation khác
được thực vật hấp thụ từ đất nhờ rễ. Nếu như trong đất không đủ chất nào đó thì
sự sinh trưởng bình thường của thực vật bị ức chế thậm chí có thể chết.
Hiện nay ngồi những chất kể trên, thực vật cịn cần đến một lượng vơ cùng ít các chất Bo, mangan, đồng, kẽm, molipđen, coban, natri và clo...Người ta gọi
đó là những nguyên tố vi lượng cần cho thực vật.
Để cho sự trao đổi chất thuận lợi, năng suất cao và thực vật phát triển tốt thì
phải làm thế nào cho thực vật nhận được dinh dưỡng, bao gồm cả các chất vi
lượng, không những đủ về mặt số lượng mà còn phải cân đối về tỷ lệ. a.Cấu tạo của rễ
b.Sự hấp thụ các chất dinh dưỡng qua rễ
+Sự thâm nhập của các muối khoáng vào rễ được thực hiện một phần nhờ
cách khuyếch tán đơn giản cùng với nước, bởi vì các ion ở trong dung dịch đất có nồng độ lớn hơn trong tế bào chất của lông rễ, những ion này được thấm vào tế bào chất. Đây là q trình hồn tồn bị động, xảy ra bởi sự chênh lệch nồng độ và
điện tích giữa dung dịch đất và phần tế bào chất của lông hút.
+Trong một số trường hợp, sự hấp thụ các muối khoáng do rễ tiến hành do kết quả của quá trình tiêu thụ năng lượng, như vậy sự hấp thu của rễ trong trường hợp này ngược với gradien nồng độ. Khả năng này rất quan trọng, đặc biệt với các
thực vật sống trong môi trường nước, bởi vì mơi trường xung quanh chứa các ion vơ cùng thấp.
+Tế bào thực vật buộc phải hấp thụ các ion chứa trong môi trường xung quanh, mặc dù những ion này khơng cần thiết.
Ví dụ: Trong đất mặn, tế bào tích đầy các ion (Na+, Cl-) mà thực ra không cần thiết một số lượng nhiều.
c.Vận chuyển các chất khoáng trong thực vật
Theo mạch gỗ các chất khoáng được phân bố khắp thực vật. Tại các vị trí cuối cùng của màng lưới ống dẫn, chúng khuyếch tán qua thành tế bào lên bề mặt chất ngun sinh trong nhu mơ của các bó dẫn, chúng được vận chuyển tích cực vào trong tế bào. Sự vận chuyển lân cận xảy ra bằng con đường cộng bào và một phần các chất khống được tích tụ trong các không bào, một số trường hợp các chất khoáng bị mất đi theo sự thoát hơi nước.
3.Sự cố định Nitơ
Tuy cây xanh không sử dụng được nitơ trong khí quyển nhưng một số loại vi khuẩn trong đất thì lại có khả năng hấp thu được Nitơ (N2) và kết hợp nitơ với các nguyên tố khác thành hợp chất nitơ. Đó là sự cố định nitơ hay cố định đạm. Có 2 dạng cố định đạm khác nhau.
a.Các vi sinh vật cố định đạm sống tự do (clostridium pasteurianum và
Azotobacter chroococum), nhiều loại tảo lam cũng có khả năng này. Ví dụ: Nostoc, Anabana, Calothrix và Mastigocladus.
- Ở nước ta, bèo hoa dâu được sử dụng làm nguồn phân xanh và thức ăn cho gia súc, trong lá bèo hoa dâu có tảo lam cộng sinh, anabaena azollae.
-Ở các nước công nghiệp tiên tiến người ta chủ động cấy vi khuẩn
Azotobacter. Để tăng cường khả năng cố định đạm giàu nitơ cho đất (phân
Azotobacterin)
b.Cố định đạm cộng sinh
Các sinh vật cố định đạm cộng sinh đã sử dụng hydratcacbon trong các tế
bào thực vật tự dưỡng. Nhờ thế chúng có thể liên kết nitơ nhiều hơn và cung cấp cả cho cây chủ.
vi khuẩn nốt sần cọng sinh với cây họ đậu hằng năm làm giàu thêm nitơ cho đất
từ 100 - 200kg/ha. Còn vi sinh vật cố định đạm sống tự do khoảng 5kg/ha. Ngồi ra có khoảng 3 - 30kg/ha hợp chất nitơ từ khơng khí được trở về theo vật chấtác trận mưa trong một năm.
- Ngày nay người ta sử dụng rộng rãi phân vi khuẩn nốt sần (nitrogin) tức là sản xuất nốt sần trong nhà máy và chủ động nhiễm cho các cây bộ đậu làm cho
năng suất tăng 15 -20%.
c.Cơ chế quá trình cố định nitơ
Quá trình cố định nitơ phân tử là một quá trình khử liên tục N2, sản phẩm đầu tiên mà ta có thể thấy được là NH3. Nếu thừa nhận ở q trình này có sự vận
chuyển 2 điện tử thì có thể dự đốn sản phẩm trung gian của q trình này có thể là Diimit và hydrazin
N2 → N ≡ N ⎯ATP⎯ →⎯ HN = NH ⎯ATP⎯ →⎯ H2N - NH2 ⎯⎯ →ATP⎯ NH3 → NH3