BÀI 4: Hô hấp ở thực vật
( Tiết 1 )
I. KHÁI NIỆM
1. Định nghĩa
- Hô hấp là quá trình Oxy hóa các hợp chất hữu cơ thành [TEX]CO_2[/TEX] và [TEX]H_2O[/TEX] đồng thời giải phóng năng lượng cần thiết cho các hoạt động của cơ thể
[TEX]C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \Large\longrightarrow 6CO_2 + 6H_2O + Q ( ATP + t^o)[/TEX]
2. Vai trò của hô hấp
- Hô hấp được xem là quá trình sinh lý trung tâm của cây xanh có vai trò đặc biệt quan trọng trong các QT trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng
- Thông qua quá trình hô hấp, năng lượng hóa học dưới dạng ATP được giải phóng từ cấc hợp chất hữu cơ. ATP được sử dụng cho cấc hoạt động sống của cơ thể: sinh trưởng, phát triẻn, trao đổi chất,......
- Hô hấp tạo ra các sản phẩm trung gian để tổng hợp các hợp chất hữu cơ cần thiết cho TB và cơ thể để cấu tạo nên các bào quan và cấc thành phần của các cơ quan trong cơ thể
- Sơ đồ minh họa:
II. CƠ QUAN VÀ BÀO QUAN HÔ HẤP
1. Cơ quan hô hấp
- Hô hấp xảy ra ở tất cả các cơ quan của cơ thể, xảy ra mạnh ở cấc cơ quan đang sinh trưởng, sinh sản và ở rễ
2. Bào quan hô hấp - Ti thể
- Ti thể có dạng hình cầu, dạng que hay sợi dài: đuờng kính 0,5 - 1 micromet, chiều dài 1 - 5 micromet
- Ti thể được bao bọc bởi vỏ gồm màng ngoài và màng trong. Màng trong có diện tích lớn hơn màng ngoài vì từ màng trong tạo ra những gờ hướng vào phía trong của ti thể thường vuông góc với trục chính ti thể
- Màng trong và màng ngoài đều được cấu trúc từ các lớp protein và lipid xen kẽ nhau. Trên vách ngăn ở màng trong hình thành những mấu lồi, người ta gọi là ôxixom. Ôxixom chứa nhiều enzyme của mạch chuyền electron
- Ti thể gồm những hạt lipoprotein, hàm lượng protein đạt 65 - 70%, lipid chiếm 25 - 30% chất khô. Ti thể có thể tự tổng hợp protein vì có ADN và ARN riêng
III. CƠ CHẾ HÔ HẤP
- Quá trình oxy hóa cấc chất hữu cơ trong cơ thể phải trải qua nhiều giai đoạn, 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.
- Trong giai đoạn 1 ta chỉ tìm hiểu con đường
Đường phân - Chu trình krebs và Lên men
· 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.
a. QT đường phân
- 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 giai đoạn:
1. Hoạt hóa phân tử đường
2. Phân cắt đường 6C thành 2 đường 3C
3. Oxy hóa Al-3-PG thành Al-2-PG
4. Chuyển hóa Al-2-PG thành axit piruvic
- Phương trình cân bằng tổng quát của đường phân có thể tóm tắt như sau:
[TEX] C_6H_{12}O_6 + 2NAD + 2ADP + 2H_3PO_4 \Large\longrightarrow 2C_3H_4O_3 + 2NADH + 2H^+ + 2ATP + 2H^+[/TEX]
b. Chu trình Kreb
- 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 Kreb gồm 8 phản ứng ( quá trình ):
1: Ngưng tụ acetylCoA và oxaloacetat \Rightarrow citrat
2: Đồng phân hoá citrat \Rightarrow isocitrat
3: Khử carboxyl lần 1 \Rightarrow a-cetoglutarat (a- CG)
4: Khử CO2-Oxy hóa a-cetoglutarat \Rightarrow succinylCoA
5: Từ succinylCoA \Rightarrow succinat
6: Oxy hóa succinat \Rightarrow fumarat
7: Hydrat hóa fumarat \Rightarrow malat
8: Oxy hóa malat \Rightarrow oxaloacetat
- Phương trình cân bằng tổng quát của chu trình Kreb có thể tóm tắt như sau:
[TEX]2C_3H_4O_3 \Large\longrightarrow^{+O_2} 2axetyl-CoA + 2NADH + 2CO_2[/TEX]
[TEX]2axetyl-CoA \Large\longrightarrow 4CO_2 + 6 NADH+ 2 FADH_2[/TEX]
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…
* 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.
* 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:
d. QT Oxy hóa - photphorin hóa
* Sự Photphorin hóa - oxy hóa:
- Sau giai đoạn đường phân và chu trình acid citric, năng lượng từ thức ăn được tích trữ trong NADH và FADH2
- Cả hai chất này sẽ chuyển điện tử đến chuỗi dẫn truyền điện tử để tổng hợp ATP thông qua sự phosphoryl hóa oxi hóa
* Con đường vận chuyển điện tử:
- Chuỗi dẫn truyền điện tử nằm trong các cristae của ty thể
- Phần lớn các thành phần của chuỗi là các protein, tồn tại dưới dạng phức hệ
- Các chất chuyên chở luân phiên chuyển từ trạng thái bị khử sang bị oxi hóa khi chúng nhận và cho điện tử
- Càng về cuối chuỗi, các điện tử càng giảm năng lượng tự do và cuối cùng chuyển đến O2 để tạo thành H2O
* Sự hóa thẩm thấu (Chemiosmosis)
- Sự vận chuyển các điện tử trong chuỗi dẫn truyền làm cho các protein bơm H+ từ dịch ty thể (matrix) ra ngăn ngoài (khoảng giữa hai màng)
- Sau đó H+di chuyển ngược vào trong, qua các kênh trên ATP synthase
- ATP synthase dùng năng lượng sinh ra từ dòng H+ để tiến hành sự phosphoryl hóa ATP
- Phương trình tổng quát:
[TEX]10NADH + 2FADH_2 \Large\longrightarrow^{O_2} H_2O + 34 ATP - 2ATP[/TEX]
