Quá trình hô hấp ở thực vật có vai trò gì?

1. Quá trình hô hấp ở thực vật được thực hiện như thế nào?

Thực vật không có cơ quan hô hấp riêng biệt. Quá trình hô hấp diễn ra trong tất cả các bộ phận của cây, đặc biệt là ở những bộ phận đang hoạt động sinh lý mạnh như hạt đang nảy mầm, hoa và quả đang phát triển. Ti thể là bào quan chính thực hiện chức năng hô hấp ở thực vật.

Hô hấp ở thực vật là quá trình chuyển hóa hoàn toàn các chất hữu cơ (chủ yếu là đường) thành các sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, không cần oxy từ không khí. Quá trình này giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của cây và cung cấp các chất trung gian cho các quá trình trao đổi chất khác. Nói cách khác, hô hấp ở thực vật là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ thành CO2 và nước, đồng thời giải phóng năng lượng.

Phương trình tổng quát là: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + năng lượng (nhiệt + ATP), như được mô tả trong hình dưới đây.

Hình ảnh mô tả quá trình hô hấp ở thực vật

Quá trình hô hấp ở thực vật diễn ra qua các giai đoạn sau: Đường phân → Hô hấp hiếu khí (Chu trình Crep → Chuỗi truyền electron hô hấp). Quá trình này gọi là phân giải hiếu khí và diễn ra mạnh mẽ trong các mô và cơ quan đang hoạt động sinh lý mạnh mẽ như hạt đang nảy mầm hoặc hoa đang nở khi có đủ oxi.

- Trong quá trình đường phân, xảy ra ở tế bào chất, đường được chuyển hóa thành axit piruvic và năng lượng, với phương trình: 1 Glucozo → 2 Axit piruvic + 2 ATP + 2 NADH. Kết quả từ 1 phân tử glucozo qua phân giải kị khí sẽ giải phóng 2 phân tử ATP.

- Trong quá trình hô hấp hiếu khí, diễn ra trong chất nền của ti thể, gồm hai giai đoạn chính: chu trình Crep và chuỗi truyền electron. Quá trình này chuyển hóa 2 Axit piruvic thành 6CO2 + 2ATP + 8NADH + 2FADH2.

• Chu trình Crep xảy ra trong chất nền của ti thể khi có oxy, axit piruvic từ tế bào chất vào ti thể sẽ được chuyển hóa và oxy hóa hoàn toàn theo chu trình Crep.
• Chuỗi truyền electron xảy ra ở màng trong của ti thể, nơi mà hydro tách ra từ axit piruvic trong chu trình Crep được chuyển đến chuỗi truyền electron và kết hợp với oxy để tạo thành nước, đồng thời tích lũy được 36 ATP.

Kết quả của quá trình này là từ 1 phân tử glucozơ qua phân giải hiếu khí tạo ra 38 ATP và nhiệt lượng.

Ngoài phân giải hiếu khí, quá trình hô hấp ở thực vật còn có thể xảy ra qua phân giải kị khí, tức là thông qua đường phân và quá trình lên men.

- Phân giải kị khí xảy ra khi rễ cây bị ngập úng, hạt bị ngâm nước, hoặc cây ở trong điều kiện thiếu oxy. Quá trình này diễn ra trong tế bào chất và bao gồm hai giai đoạn chính: đường phân và lên men.

• Đường phân là quá trình chuyển hóa Glucozo thành axit piruvic.
• Lên men là quá trình chuyển hóa axit piruvic thành rượu etilic và CO2 hoặc thành axit lactic.

Kết quả của quá trình này là từ 1 phân tử glucozo qua phân giải kị khí tạo ra 2 phân tử ATP.

Do đó, hô hấp hiếu khí tạo ra nhiều năng lượng hơn gấp 19 lần so với hô hấp kị khí, giúp cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho tế bào và cơ thể. Hô hấp kị khí có thể tạo ra một số axit có thể gây độc cho thực vật.

- Một dạng khác của hô hấp ở thực vật là hô hấp sáng. Hô hấp sáng là quá trình hấp thụ oxy và giải phóng CO2 diễn ra đồng thời với quang hợp khi có ánh sáng mạnh. Để hô hấp sáng xảy ra, cần có cường độ ánh sáng cao, lượng CO2 thấp và O2 tích lũy nhiều trong lục lạp. Quá trình này diễn ra chủ yếu ở lục lạp, peroxisome và kết thúc tại ti thể.

Kết quả: Hô hấp sáng làm lãng phí sản phẩm quang hợp, nhưng cũng hình thành một số axit amin như glixerin và serin cho cây.

2. Bản chất của quá trình hô hấp ở thực vật.

Hô hấp ở thực vật thực chất là hô hấp tế bào, bao gồm chuỗi các phản ứng oxy hóa-khử, trong đó điện tử và hydro từ nguyên liệu hô hấp được chuyển đến oxy không khí và tạo thành nước. Năng lượng giải phóng từ các phản ứng này được lưu trữ trong các liên kết năng lượng cao. Quá trình phân giải glucozo diễn ra từ từ, năng lượng không giải phóng ồ ạt. Tốc độ hô hấp phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào và các yếu tố như enzyme, nhiệt độ, và các điều kiện khác.

Quá trình hô hấp được chia thành hai giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1: Bao gồm quá trình phân giải và oxy hóa các chất hữu cơ, tách H+ khỏi cơ chất hô hấp và giải phóng CO2.

- Giai đoạn 2: Bao gồm quá trình oxy hóa liên tục H2 kết hợp với các coenzym oxi hóa khử như NADH2, FADH2, NADPH2 để giải phóng năng lượng lưu trữ trong các liên kết cao năng của ATP.

Cơ chất hô hấp có thể là nhiều loại chất hữu cơ khác nhau, chủ yếu là gluxit và đặc biệt là glucozơ. Các chất khác cần được chuyển hóa thành đường trước khi tham gia vào quá trình hô hấp.

Bào quan hô hấp chính là ty thể, đóng vai trò chủ yếu trong quá trình hô hấp và được coi là “trạm biến thế năng lượng” của tế bào. Hình dạng, số lượng và kích thước của ty thể thay đổi đáng kể tùy theo loài, cơ quan, loại tế bào và mức độ trao đổi chất của chúng.

Trong quá trình hô hấp, môi trường đóng vai trò quan trọng, được thể hiện qua các yếu tố sau:

- Nước: Cần thiết cho hô hấp, sự thiếu nước làm giảm cường độ hô hấp; đối với các cơ quan trong trạng thái nghỉ (như hạt), tăng lượng nước sẽ kích thích hô hấp; cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với hàm lượng nước trong cơ thể.

- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, cường độ hô hấp cũng tăng đến mức giới hạn chịu đựng của cây. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình hô hấp được xác định là từ khoảng 30 đến 35 độ C.

- Nồng độ oxy (O2): Khi nồng độ oxy trong không khí giảm xuống dưới 10%, quá trình hô hấp sẽ bị ảnh hưởng. Nếu giảm xuống dưới 5%, cây sẽ chuyển sang phân giải kị khí, dẫn đến sản sinh năng lượng thấp, gây bất lợi cho cây trồng.

- Nồng độ CO2: Khi nồng độ CO2 trong môi trường vượt quá 40%, quá trình hô hấp sẽ bị ức chế. CO2 là sản phẩm cuối cùng của hô hấp hiếu khí và lên men etilic.

3. Ý nghĩa của quá trình hô hấp ở thực vật.

Hô hấp là một quá trình sinh lý quan trọng của thực vật, đóng vai trò thiết yếu trong trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng. Quá trình hô hấp ở thực vật mang lại những ý nghĩa sau:

- Ý nghĩa sinh học: Hô hấp tế bào chuyển hóa năng lượng từ các nguyên liệu hữu cơ (như glucozo và oxy) để tạo ra ATP. Quá trình này cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể cây, đồng thời thải ra khí carbonic và hơi nước. Năng lượng tạo ra được sử dụng cho các hoạt động như tổng hợp chất cần thiết, vận chuyển chất qua màng, sinh công cơ học, và duy trì nhiệt độ cơ thể thực vật thuận lợi cho các hoạt động sống.

- Quá trình hô hấp của thực vật giúp chuyển đổi các nguyên liệu hữu cơ nghèo nàn thành các sản phẩm vô cơ giàu năng lượng, cung cấp năng lượng cho tất cả các hoạt động sống của cây. Đồng thời, hô hấp còn tạo ra những sản phẩm trung gian, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trao đổi chất khác. Hô hấp cũng có khả năng tiếp nhận và hoàn tất phân giải các sản phẩm phân giải dở từ các hợp chất khác.