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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (867.85 KB, 16 trang )

Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

I. KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP Ở THỰC VẬT...3

1. Định nghĩa...3

2. Vai trị của hơ hấp đối với cơ thể thực vật...3

II. CÁC CON ĐƯỜNG HƠ HẤP Ở THỰC VẬT...4

3/ Vai trị của hơ 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 khơng khí trong mơi trường bảo quản...15

2. Hơ hấp trong trồng trọt:...15

VI. KẾT LUẬN...15

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

I. KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

1. Định nghĩa

Hơ hấp ở thực vật là q 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 khơng có cơ quan hơ hấp chun 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 qt: 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 khơng 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 trị của hơ hấp đối với cơ thể thực vật

Q trình hơ hấp là q trình sinh lý trung tâm của thực vật, q trình này đóng vai

trị đặc biệt quan trọng trong q trình trao đổi chất và chuyển hỏa năng lượng:

• Hơ 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

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

hợp chất hữu cơ thì trong hơ 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,...

• Q trình hơ 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 hơ hấp khơng thể là q trình phân giải các chất đơn thuần mà nó cịn có ý nghĩa cả trong q trình tổng hợp.

• Hơ 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 q 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 hơ hấp yếm khí và khống chế hơ hấp giúp bảo quản nông sản để giảm thiểu hao hụt chất hữu cơ trong q trình hơ hấp. Tóm lại hơ 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

Hơ hấp có hai loại, hơ hấp hiếu khí và hơ hấp kỵ khí:

 Hơ hấp hiếu khí: Đó là q trình hơ 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 q trình diễn ra trong điều kiện khơng có khí oxi. Trong

q trình này, năng lượng thu được từ sự phân hủy glucose khi khơng có

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

oxy. Một trong những ví dụ điển hình nhất về hơ hấp kỵ khí là q trình lên men ở nấm men.

1. HƠ HẤP HIẾU KHÍ Ở THỰC VẬT

Hơ hấp hiếu khí là một q 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 hơ 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.

Q trình hơ 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 q trình hơ hấp ở thực vật, khí oxy đi vào tế bào thực vật thơng 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 hơ hấp hiếu khí:

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Các bước hơ hấp hiếu khí

Tồn bộ q trình hơ hấp hiếu khí xảy ra trong bốn giai đoạn khác nhau:  Đường phân

Bước đầu tiên của q trình hơ hấp hiếu khí là q trình đường phân và diễn ratrong 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 hơ hấp hiếu khí.

 Sự hình thành Acetyl Coenzym A

Bước thứ hai trong q trình hơ 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 hơ hấp hiếu khí là chu trình axit citric, cịn được gọi là chutrình Krebs. Trong giai đoạn hơ 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 q trình hơ 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 hơ hấp hiếu khí:

- Hơ hấp hiếu khí là q 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.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

- 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. HƠ HẤP KỊ KHÍ Ở THỰC VẬT

Hơ 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 q 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 rịng là 2 ATP trên mỗi phân tử glucose.

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

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

2/ Lên men

Tiếp theo, do thiếu oxy, chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) khơng hoạt động vì O 2 khơng 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 hơ 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 q trình hơ hấp yếm khí nên nó cần được lặp lại thường xun để tạo ra ATP trong thời gian ngắn. Quá trình đường phân diễn ra khơng 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 q trình lên men.

3. HƠ HẤP SÁNG

1/ Khái niệm

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

Trong q trình này, đường RuBP bị oxy hóa bởi enzyme RuBisCO - thay vì nhận phân tử carbonic như trong chu trình Calvin của q trình quang hợp. Hơ 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 q trình hơ hấp sáng có một số vai trị 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 hơ hấp sáng bị triệt tiêu, đảm bảo được hiệu suất quang hợp cao của chúng trong các điều kiện khơ nóng.

2/ Diễn biến

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Tại lục lạp:

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

O2 + RiDP (nồng độ O2 cao) → 1APG + 1AG → Quang hợp + Hơ 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:

+ Hơ hấp sáng gây lãng phí sản phẩm quang hợp.

+ Thơng qua hơ hấp sáng đã hình thành 1 số axit amin cho cây (glixerin, serin ).

3/ Vai trị của hơ hấp sáng

Thủ tiêu tồn bộ lượng ATP và NADPH dư thừa trong pha sáng của quang hợp. Nhờ đó mà khơng 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.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

III. MỐI QUAN HỆ GIỮA QUANG HỢP VÀ HƠ HẤP

Quang hợp và hơ hấp là hai q 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 ngun liệu cho q trình hơ

hấp.

 CO2 là sản phẩm của hô hấp được sử dụng làm ngun liệu cho quang hợp. Hơ hấp cịn 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 hơ hấp là 2 q 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

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

 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 hơ hấp là hai q 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:

Hơ hấp sẽ khơng thực hiện được, nếu khơng có chất hữu cơ do quang hợp tạo ra. Ngược lại, quang hợp cũng không thể thực hiện được, nếu khơng có năng lượng do hơ 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 cịn tùy thuộc vào lồi 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 q cao thì protein bị biến tính, cấu trúc của nguyên sinh chất bị phá hủy, cây chết.

- Khi nhiệt độ tăng thì cường độ hơ 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 hơ hấp tăng gấp đơi.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

2. Nước:

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

- Ở hạt khơ, 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 hịa tan và tốc độ hơ hấp tăng lên.

3. Ánh sáng:

- Cơ chế tác động của ánh sáng chưa rõ ngồi ảnh hưởng gián tiếp thơng 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 hố 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 hơ hấp: ngồi 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 khơng 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 hơ hấp. Q trình quang hợp dẫn đến sự tổng hợp đường hoạt động như một chất nền hơ hấp. Khi khí khổng mở, q trình trao đổi khí diễn ra thuận lợi.

4. Khí cacbonic và oxy:

Khi hàm lượng oxi giảm, hơ 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 mơ khác thành phần khí quyển, ở trong mơ hàm lượng oxi thấp (7-18%) cịn hàm lượng CO2 cao (0.9-7.5%).

Ngồi các yếu tố trên thì chế độ dinh dưỡng khống, các yếu tố vật lí, hố học, các chất có hoạt tính sinh lí cũng ảnh hưởng đến q trình hơ hấp.

+ O2 là ngun liệu tham gia vào q trình hơ hấp. Khi nồng độ oxygen trong khơng khí giảm xuống dưới 5% thì cường độ hơ hấp giảm.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

+ Nồng độ CO2 trong khơng khí thuận lợi cho hô hấp tế bào là 0,03%. Khi nồng độ carbon dioxide tăng sẽ ức chế q trình hơ hấp.

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

1. Hô hấp trong bảo quản nông sản:

a. Điều chỉnh hàm lượng nước

Trong giới hạn nhất định, hàm lượng nước tỉ lệ thuận với cường độ hơ hấp, vì vậy cần điều chỉnh hàm lượng nước trong nơng sản phù hợp mục đích và đối tượng bảo quản nằm kéo dài thời gian bảo quản.

Ví dụ:

 Độ ẩm phù hợp để bảo quản hạt là 10 - 13% (phơi hoặc sấy khô sau thu hoạch, sau đó cất giữ trong các dụng cụ có nắp đậy hoặc trong kho).

 Độ ẩm phù hợp để bảo quản các loại rau có hàm lượng nước cao và thời gian bảo quản ngắn là 90 - 95%.

</div>