Hô hấp ở thực vật SVIP

I. Khái quát về hô hấp ở thực vật

1. Khái niệm

Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp, phổ biến là carbohydrate thành các chất đơn giản, đồng thời tạo ra ATP và nhiệt năng.

Hô hấp có thể diễn ra trong điều kiện có oxygen (hô hấp hiếu khí) hoặc không có oxygen (lên men). Ở thực vật, hô hấp hiếu khí là hình thức hô hấp chủ yếu.

Phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Năng lượng (nhiệt + ATP)

2. Quá trình hô hấp ở thực vật

a. Hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí diễn ra mạnh ở các tế bào, mô, cơ quan đang có các hoạt động sinh lí mạnh như hạt đang nảy mầm, cây đang ra hoa, tạo quả,... Hô hấp hiếu khí gồm đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron.

Đường phân

Giai đoạn này xảy ra ở tế bào chất, trong điều kiện không có O₂, khi đó 1 phân tử glucose sẽ phân giải thành 2 phân tử pyruvate và thu được 2 ATP, 2 NADH.

Oxy hóa pyruvate và chu trình Krebs

2 phân tử pyruvate tạo ra được chuyển vào chất nền ti thể, tại đây chúng được biến đổi thành 2 phân tử acetyl - CoA, 2 NADH và 2 CO₂.

2 phân tử acetyl - CoA đi vào chu trình Krebs (diễn ra trong chất nền ti thể). Tại đây, mỗi phân tử acetyl - CoA bị chuyển hóa hoàn toàn giải phóng ra 2 CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ và 1 ATP.

Chuỗi truyền electron

Chuỗi truyền electron phân bố ở màng trong của ti thể. Tại đây, electron sẽ được truyền từ các phân tử NADH và FADH₂ tới O₂ qua một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử, cuối cùng tạo ra ATP và H₂O. Giai đoạn này tạo ra nhiều ATP nhất trong quá trình hô hấp.

→ 1 phân tử glucose, qua hô hấp hiếu khí giải phóng 6 H₂O, 6 CO₂, 30 - 32 ATP.

b. Lên men

Con đường lên men gồm 2 giai đoạn: đường phân và lên men, trong đó giai đoạn đường phân diễn ra tương tự như ở hô hấp hiếu khí.

Ở giai đoạn lên men, pyruvate được tạo ra từ quá trình đường phân, trong điều kiện không có O₂ sẽ lên men tạo thành ethanol hoặc lactate.

→ 1 phân tử glucose phân giải theo con đường lên men chỉ thu được 2 phân tử ATP.

3. Vai trò của hô hấp

• Năng lượng (dưới dạng ATP) sinh ra từ hô hấp được sử dụng cho hầu hết các hoạt động sống của cây.
• Nhiệt năng được giải phóng ra trong hô hấp giúp duy trì nhiệt độ cơ thể, đảm bảo cho các hoạt động sống trong cơ thể thực vật diễn ra một cách bình thường.
• Hô hấp tạo ra các sản phẩm trung gian là nguyên liệu để tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ trong cơ thể.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến hô hấp ở thực vật

1. Nước

Nước là dung môi, là môi trường cho các phản ứng hóa học xảy ra, đồng thời hoạt hóa các enzyme hô hấp. Vì vậy, nước trong mô, cơ quan, cơ thể thực vật liên quan trực tiếp đến cường độ hô hấp.

Trong giới hạn nhất định, cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với hàm lượng nước. Các hạt khô đang ở trạng thái ngủ, nghỉ có hàm lượng nước rất thấp, khi hạt hút nước và nảy mầm thì cường độ hô hấp tăng nhanh.

Ví dụ: Hạt ngô, thóc phơi khô có hàm lượng nước khoảng 11 - 12%.

• Khi hàm lượng nước trong hạt tăng lên 14 - 15% thì cường độ hô hấp tăng 4 - 5 lần.
• Khi hàm lượng nước trong hạt tăng lên 30 - 35% thì cường độ hô hấp tăng lên nghìn lần.

2. Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động của các enzyme hô hấp, từ đó ảnh hưởng đến cường độ hô hấp.

Trong giới hạn nhất định, khi nhiệt độ tăng, cường độ hô hấp cũng tăng, thúc đẩy sự nảy mầm của hạt, tạo năng lượng cung cấp cho các giai đoạn tiếp theo của cây non.

Mỗi loại hạt khác nhau thường có giới hạn nhiệt độ cho sự nảy mầm khác nhau.

3. Hàm lượng O₂

Khí O₂ là nguyên liệu của hô hấp nên nồng độ O₂ ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ hô hấp.

Nếu hàm lượng O₂ trong không khí giảm xuống dưới 10% thì hô hấp bị ảnh hưởng; dưới 5% thì cây chuyển sang con đường lên men. Khi đó, năng lượng tạo ra không đủ cung cấp cho các hoạt động của cây, cây có thể chết nếu tình trạng này kéo dài.

4. Hàm lượng CO₂

Hàm lượng CO₂ trong không khí cao sẽ ức chế hô hấp hiếu khí, cây chuyển sang con đường lên men, tạo nhiều sản phẩm độc, gây hại cho cây trồng hoặc làm giảm sức sống của hạt.

Khi hàm lượng CO₂ trong không khí tăng 35% so với nồng độ CO₂ ở điều kiện bình thường thì hầu hết các hạt giống đều mất khả năng nảy mầm.

III. Mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp

Quang hợp và hô hấp là hai quá trình sinh lí quan trọng, 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 nguyên liệu cho quá trình hô hấp.
• CO₂ là sản phẩm của hô hấp được sử dụng làm nguyên liệu cho quang hợp. Hô hấp còn 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.

IV. Thực hành: Thí nghiệm hô hấp ở thực vật

1. Cơ sở lí thuyết

Trong quá trình hô hấp, thực vật hấp thụ O₂ và thải CO₂. Do vậy, có thể đánh giá quá trình hô hấp của thực vật thông qua sự hình thành CO₂.

2. Các bước tiến hành

a. Chuẩn bị

• Dụng cụ: bình tam giác có dung tích 250 mL, nút cao su có khoan lỗ hoặc màng bọc thực phẩm, que tăm và bật lửa.
• Mẫu vật: hạt (lúa, ngô, đậu) mới nảy mầm.

b. Tiến hành

• Cân 200g hạt nảy mầm và chia thành hai phần bằng nhau.
• Ngâm 100g hạt nảy mầm trong nước sôi (khoảng 95 - 100^oC), 100g hạt còn lại ngâm trong nước ấm (30 - 35^oC) khoảng 5 phút.
• Cho hạt vào hai bình tam giác. Nút chặt bình tam giác bằng nút cao su hoặc sử dụng màng bọc thực phẩm bao kín miệng bình.

• Để khoảng 15 - 20 phút. Mở nút cao su (hoặc màng bọc thực phẩm), đồng thời cho que tăm đang cháy vào miệng bình.

• Quan sát hiện tượng xảy ra đối với que tăm đang cháy ở hai miệng bình.

c. Báo cáo

Học sinh trình bày báo cáo và giải thích kết quả thu được.

1. Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp, phổ biến là carbohydrate tạo thành các chất đơn giản, đồng thời tạo ra ATP và nhiệt năng.

2. Hô hấp tạo ra năng lượng để duy trì nhiệt độ cho cơ thể và sử dụng cho các hoạt động sống của cây, đồng thời tạo ra các sản phẩm trung gian cung cấp nguyên liệu cho quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác trong cơ thể.

3. Hô hấp hiếu khí là con đường phổ biến ở thực vật, xảy ra trong điều kiện có O₂, gồm 3 giai đoạn là đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron. Năng lượng thu được khi phân giải hiếu khí 1 phân tử glucose là 30 - 32 ATP.

4. Lên men diễn ra trong điều kiện môi trường thiếu O₂, gồm 2 giai đoạn là đường phân và lên men; 1 phân tử glucose qua lên men chỉ thu được 2 ATP.

5. Hô hấp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ, nước, hàm lượng CO₂,... Con người có thể dựa vào hiểu biết về các yếu tố đó để điều khiển quá trình hô hấp ở thực vật theo hướng có lợi trong trồng trọt và bảo quản nông sản.

6. Hô hấp và quang hợp có mối quan hệ mật thiết, phụ thuộc lẫn nhau. Quang hợp cung cấp nguyên liệu cho hô hấp và ngược lại.