Sinh lý hô hấp thực vật

SINH LÝ HÔ HẤP THỰC VẬT
Quang hợp cung cấp các chất hữu cơ cơ bản cho thực vật (và gần như tất
cả sự sống khác) phụ thuộc vào. Hô hấp, với sự trao đổi chất carbon liên quan
của nó, giải phóng năng lượng lưu trữ trong các hợp chất carbon một cách kiểm
soát để sử dụng. Đồng thời nó tạo ra nhiều tiền chất carbon cho sinh tổng hợp.
Chuyên đề này sẽ xem xét về quá trình chuyển hoá của hô hấp, nhấn mạnh
đến các đặc điểm đặc trưng ở thực vật. Một phần bản chất của hô hấp cũng sẽ
được lí giải dựa trên những thành tựu gần đây về hoá sinh và sinh học phân tử ty
thể thực vật. Đồng thời, xem xét đến những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hô
hấp, từ đó ứng dụng vào bảo quản sản phẩm nông nghiệp.
1. KHÁI QUÁT VỀ HÔ HẤP THỰC VẬT
Hô hấp hiếu khí (cần oxy phân tử) phổ biến gần như tất cả các sinh vật
nhân chuẩn và nhiều cơ thể nhân sơ, và quá trình hô hấp ở thực vật cũng được tìm
thấy tương tự ở động vật và vi sinh vật. Tuy nhiên, hô hấp thực vật có một số khía
cạnh đặc trưng để phân biệt với hô hấp động vật. Hô hấp hiếu khí là quá trình
sinh học, mà các chất hữu cơ được huy động và sau đó bị oxy hoá một cách kiểm
soát. Trong quá trình hô hấp, năng lượng tự do được tạo ra và được lưu giữ trong
một hợp chất là ATP – được sử dụng cho sự tồn tại và phát triển của thực vật.
Glucose là cơ chất phổ biến nhất cho quá trình hô hấp. Tuy nhiên, trong
một tế bào thực vật carbon được khử có thể từ sucrose, hexose phosphate và
triose phosphate xuất phát từ phân giải tinh bột và quang hợp, polyme có chứa
fructose (fructan), các loại đường khác, lipid (chủ yếu là triacylglycerol), các acid
hữu cơ, và một vài trường hợp là protein (hình 1).



1


Hình 1: Khái quát về hô hấp. Cơ chất cho hô hấp được tạo ra bởi các quá trình khác nhau của tế bào và đi vào con
đường hô hấp. Đường phân và con đường pentose phosphate trong tế bào chất và lạp thể (plastid) chuyển hóa

đường thành các acid hữu cơ, thông qua hexose phosphate và triose phosphate, tạo ra NADH hoặc NADPH và
ATP. Các acid hữu cơ được oxy hoá trong chu trình acid citric ty thể, và tạo ra NADH, FADH2 và cung cấp năng
lượng cho tổng hợp ATP nhờ chuỗi vận chuyển điện tử và ATP synthase trong quá trình phosphoryl hoá oxy hoá.
Trong sự hình thành đường glucose mới(gluconeogenesis), carbon từ lipid được chia nhỏ trong glyoxysome,
chuyển hoá trong chu trình acid citric, và sau đó được sử dụng để tổng hợp đường trong tế bào chất bởi quá trình
ngược với đường phân.

Theo quan điểm hoá học, hô hấp thực vật có thể được thể hiện như là quá
trình oxy hoá phân tử 12 carbon – đường sucrose và quá trình khử của 12 phân tử
của O2:
C12H22O11 + 13H2O Æ 12CO2 + 48H+ + 48e12O2 + 48H+ + 48e- Æ 24H2O


2


Quá trình hô hấp được khái quát theo sơ đồ dưới đây:

Từ sơ đồ trên, đưa đến phản ứng thực sau:
C12H22O11 + 12O2 Æ 12CO2 + 11H2O
Phản ứng này “dường như” là ngược chiều của quá trình quang hợp, nó đại
diện cho một phản ứng oxy hoá khử trong đó sucrose bị oxy hoá hoàn toàn tới
CO2 trong khi O2 đóng vai trò như chất nhận (acceptor) điện tử cuối cùng, bị khử
thành nước. Năng lượng tự do chuẩn cho các phản ứng là 5.760 kJ (1380
kcal)/mol (342g) đường sucrose bị oxy hoá. Kiểm soát việc giải phóng năng
lượng tự do này, kết hợp với sinh tổng hợp ATP là nội dung chủ yếu của quá trình
hô hấp.
Để tránh nguy hại (đốt cháy) các cấu trúc tế bào, tế bào huy động số lượng
lớn năng lượng tự do được giải phóng trong quá trình oxy hoá sucrose bằng cách
thực hiện một dãy các phản ứng theo từng bước một (dạng bậc thang). Các phản

ứng này có thể được chia thành các nhóm bốn quá trình chính: đường phân, chu
trình acid citric, các phản ứng của con đường pentose phosphate, và
phosphoryl hóa oxy hoá. Cơ chất của hô hấp đi vào quá trình hô hấp tại các điểm
khác nhau trong các con đường, được tóm tắt trong hình 1.
• Đường phân (glycolysis): liên quan đến một loạt các phản ứng được thực hiện
bởi một nhóm các enzyme hoà tan nằm trong tế bào chất và cả các lạp thể


3


(plastid). Một loại đường - ví dụ, sucrose - một phần bị oxy hoá thông qua đường
6-carbon phosphate (hexose photphat) và đường 3-carbon phosphate (triose
photphat) để tạo ra một hữu cơ acid – ví dụ như pyruvate. Hiệu suất năng lượng
của quá trình này nhỏ gồm ATP, và một nucleotide pyridin khử - NADH.
• Con đường pentose phosphate, cũng nằm trong tế bào chất và trong các lạp
thể, đường 6-carbon (glucose-6-phosphate) ban đầu bị oxy hoá thành đường 5carbon (ribulose-5-phosphate). Tạo thành CO2, và năng lượng tạo ra được tích luỹ
dưới dạng hai phân tử của một nucleotide pyridin khử - NADPH. Trong các phản
ứng sau gần trạng thái cân bằng, ribulose-5-phosphate được chuyển thành đường
3 đến 7 carbon.
• Trong chu trình acid citric (citric acid cycle), pyruvate được oxy hoá hoàn
toàn tới CO2, và tạo ra một lượng đáng kể lực khử tương đương (16 NADH +
4FADH2)/sucrose được tạo ra trong quá trình. Các phản ứng liên quan đến một
loạt các enzyme nằm trong chất nền ty thể (xem hình 5) và chỉ có Succinate
dehydrogenase nằm trên màng trong của ty thể.
• Trong quá trình phosphoryl hoá oxy hoá, điện tử được vận chuyển nhờ một
chuỗi vận chuyển điện tử gồm các protein vận chuyển điện tử nằm ở màng trong
ty thể. Hệ thống này chuyển các điện tử từ NADH (và các loại có liên quan) - tạo
ra trong đường phân, con đường pentose phosphate, và chu trình acid citric tới
oxy. Sự vận chuyển điện tử này giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do được

tích lũy trong ATP (tổng hợp từ ADP và Pi - phosphate vô cơ) được xúc tác bởi
enzyme ATP synthase. Tập hợp các phản ứng oxy hoá khử của chuỗi vận chuyển
điện tử và sinh tổng hợp ATP được gọi là phosphoryl hóa oxy hoá. Đây là giai
đoạn cuối cùng quá trình oxy hoá hoàn toàn sucrose.
Nicotinamid adenine dinucleotide (NAD+/NADH) là một cofactor hữu cơ
(coenzyme) gắn liền với nhiều enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng oxy hoá khử
trong tế bào. NAD+ là dạng cofactor oxy hoá và nó trải qua một phản ứng thuận
nghịch, và trở thành dạng khử NADH khi phản ứng với 2 điện tử (hình 2):


4


NAD+ + 2e- + H+ Æ NADH

Hình 2: Các cấu trúc và các phản ứng của các cofactor chủ yếu mang điện tử tham gia vào năng lượng sinh học hô
hấp. (A) Sự khử NAD(P)+ tới NAD(P)H; (B) Sự khử của FAD tới FADH2. FMN là giống hệt với một phần flavin
và được hiển thị trong khung trên hình 2. Các khu vực màu xanh hiển thị phần của các phân tử được tham gia
trong phản ứng oxy hoá khử.

Thế năng khử chuẩn cho cặp phản ứng oxy hoá khử là khoảng -320mV, tạo
ra một chất khử mạnh (tức là chất cho điện tử). Như vậy, NADH là một phân tử
thuận tiện để tích lũy năng lượng tự do của các điện tử được giải phóng ra trong
phản ứng oxy hoá của đường phân và chu trình acid citric. Một hợp chất có liên
quan là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+/NADPH), hoạt
động trong các phản ứng oxy hoá khử của quang hợp và trong con đường pentose
phosphate, nó còn tham gia vào sự trao đổi chất ty thể.


5

Sự oxy hoá NADH bởi oxy qua chuỗi vận chuyển điện tử giải phóng năng
lượng tự do (220 kJ/mol-1, hoặc 52 kcal/mol-1) được sử dụng để tổng hợp ATP.
Bây giờ chúng ta có thể xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh hơn về mối liên quan
giữa hô hấp và vai trò của nó trong quá trình chuyển hoá năng lượng tế bào qua
hai phản ứng sau đây:
C12H22O11 + 12O2 Æ 12CO2 + 11H2O
60ADP + 60Pi Æ 60ATP + 60H2O
Không phải tất cả carbon đi vào con đường hô hấp đều kết thúc là CO2.
Nhiều sản phẩm trung gian của hô hấp là tiền chất cho các quá trình chuyển hóa
khác (xem hình 13).
2. ĐƯỜNG PHÂN: QUÁ TRÌNH DIỄN RA TRONG TẾ BÀO CHẤT VÀ
LẠP THỂ
Trong những bước đầu của đường phân (glycolysis bắt nguồn từ tiếng Hy
Lạp “glykos”: đường và “lysis”: tách), carbohydrate được chuyển thành hexose
phosphate, sau đó được phân chia thành hai đường triose phosphate. Trong giai
đoạn tiếp theo, năng lượng được tích luỹ trong đường triose phosphate được oxy
hoá và sắp xếp lại để tạo ra hai phân tử pyruvate.
Bên cạnh việc chuẩn bị cơ chất cho quá trình oxy hoá trong chu trình acid
citric, hiệu suất năng lượng của đường phân nhỏ, năng lượng được tích luỹ trong
các hợp chất hoá học gồm ATP và NADH. Khi phân tử oxy không có sẵn chẳng
hạn như ở rễ cây trồng trong vùng đất ngập nước thì con đường lên men
(fermentation pathway), với các phản ứng diễn ra trùng khớp với quá trình đường
phân, diễn ra trong tế bào chất, khử pyruvate để tuần hoàn NADH được tạo ra từ
đường phân.



6

2.1. Đường phân chuyển hóa carbohydrate thành pyruvate, tạo ra NADH và
ATP
Đường phân xảy ra ở tất cả các cơ thể sống (sinh vật nhân sơ và sinh vật
nhân chuẩn). Các phản ứng chính gắn liền với quá trình đường phân và lên men
trong các ty thể gần như giống với trong tế bào động vật (hình 3). Tuy nhiên,
đường phân thực vật có đặc trưng điều hoà riêng, ví dụ như một phần con đường
đường phân diễn ra song song trong lạp thể và enzyme xúc tác thay đổi ở một vài
bước trong tế bào chất.
Trong động vật, cơ chất của đường phân là glucose và sản phẩm cuối cùng
là pyruvate. Nhưng vì sucrose lại là đường chủ yếu trong hầu hết các loài thực
vật, do đó đường này là cơ chất cho cây hô hấp ở các mô không quang hợp
(không phải glucose). Sản phẩm cuối cùng của đường phân thực vật bao gồm acid
hữu cơ gồm pyruvate và malate.
Trước khi diễn ra đường phân, sucrose dễ dàng được “bẻ” thành hai
monosaccharid (glucose và fructose) có thể đi vào con đường đường phân. Hai
con đường cho sự phân giải sucrose được biết trong thực vật đều lấy sucrose từ
libe. Trong hầu hết các mô thực vật, sucrose synthase có trong tế bào chất, được
sử dụng để phân giải sucrose bằng cách kết hợp sucrose với UDP để sản xuất
fructose và UDP-glucose. UDP-glucose pyrophosphorylase xúc tác chuyển UDPglucose và pyrophosphate (PPi) thành UTP và glucose-6-phosphate theo sơ đồ
dưới đây (và xem thêm ở hình 3).



7


Trong một số mô, sự có mặt của invertase ở trong thành tế bào, không bào,
hoặc tế bào chất sẽ thuỷ phân sucrose để tạo thành hai thành phần của nó là

đường 6-carbon (glucose và fructose). Các hexose này sau đó được phosphoryl
hoá trong phản ứng có sử dụng ATP. Ngược lại, khi phản ứng xúc tác bởi sucrose
synthase gần tới trạng thái cân bằng, phản ứng xúc tác bởi invertase giải phóng đủ
năng lượng về cơ bản đây là phản ứng không thuận nghịch.

Lạp thể (có thể là lục lạp hoặc bột lạp) cũng có thể cung cấp cơ chất cho
đường phân. Tinh bột được tổng hợp và được phân giải chỉ trong các lạp thể, và
carbon thu được từ sự phân giải tinh bột đi vào con đường đường phân trong tế
bào chất chủ yếu như hexose phosphate (được di chuyển ra khỏi bột lạp) hoặc
triose phosphate (được di chuyển ra khỏi lục lạp). Sản phẩm quang hợp cũng có
thể trực tiếp vào con đường đường phân như triose phosphate.
Các lạp thể chuyển tinh bột thành triose phosphate sử dụng một dãy
isozyme riêng biệt xúc tác phản ứng chuyển hexose phosphate thành triose
photphat. Tất cả các enzyme được thể hiện trong hình 3 đã được đánh giá ở mức


8


vừa đủ để hỗ trợ hô hấp và kết quả đã được quan sát trong các mô thực vật
nguyên vẹn.
Trong giai đoạn đầu tiên của đường phân, mỗi đơn vị hexose được
phosphoryl hóa hai lần và sau đó chia tách, cuối cùng tạo ra hai phân tử triose
phosphate. Các phản ứng này tiêu thụ 2-4 phân tử ATP trên một đơn vị sucrose,
tuỳ thuộc vào việc sucrose được tách ra bởi sucrose synthase hoặc invertase. Các
phản ứng này cũng bao gồm hai trong ba phản ứng cơ bản không thuận nghịch
của con đường đường phân được xúc tác bởi hexokinase và phosphofructokinase
(xem hình 3). Phản ứng phosphofructokinase là một trong những điểm kiểm soát
(điều khiển) ở cả đường phân thực vật và động vật.
2.2. Phase tích lũy năng lượng của đường phân

Các phản ứng chuyển carbon từ các “bể” (tạm dịch: “bể”) cơ chất khác
nhau đến triose phosphate. Khi glyceraldehyde-3-phosphate được hình thành, con
đường đường phân có thể bắt đầu trích xuất năng lượng để tích lũy. Enzyme
glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase xúc tác quá trình oxy hóa aldehyde
thành một acid carboxylic, khử NAD+ tạo NADH. Phản ứng này giải phóng năng
lượng tự do để sử dụng cho phosphoryl hóa (sử dụng phosphate vô cơ)
glyceraldehyde-3-phosphate để tạo ra 1,3-bisphosphoglycerate. Sự phosphoryl
hóa acid carboxylic ở carbon số 1 của 1,3-bisphosphoglycrerate (xem hình 3) tạo
ra một năng lượng tự do chuẩn lớn (-49,3 kJ/mol-1, hoặc -11,8 kcal.mol-1). Do đó,
1,3-bisphosphoglycerate là một chất khử mạnh của các nhóm phosphate.
Trong bước tiếp theo của đường phân, được xúc tác bởi phospho glycerate
kinase, phosphate ở carbon số 1 được chuyển tới một phân tử ADP, tạo ra ATP và
3-phosphoglycerate. Mỗi phân tử sucrose đi vào con đường này có 4 phân tử ATP
được hình thành – mỗi phân tử ATP được hình thành từ một phân tử 1,3bisphosphoglycerate.
Loại tổng hợp ATP theo kiểu này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ
chất có nghĩa là diễn ra sự chuyển giao trực tiếp một nhóm phosphate từ một


9


phân tử cơ chất cho ADP để tạo thành ATP. ATP tổng hợp bằng cách phosphoryl
hóa ở mức cơ chất có cơ chế khác biệt với ATP được tổng hợp bởi ATP synthase
tham gia vào việc phosphoryl hóa oxy hóa trong ty thể hoặc quang phosphoryl
hóa trong lục lạp.
Trong phản ứng tiếp theo, phosphate ở 3-phosphoglyxerat được chuyển đến
carbon số 2 và một phân tử nước bị loại bỏ, sự linh động của hợp chất
phosphoenolpyruvate (PEP). Nhóm phosphate của PEP có năng lượng tự do
chuẩn cao (-61,9 kJ / mol-1, hoặc -14,8 kcalmol-1), điều đó làm cho PEP là một
chất khử rất tốt cho hình thành ATP. Bằng cách sử dụng PEP như là cơ chất, các

enzyme pyruvate kinase xúc tác một phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất lần
2 để tạo ra ATP và pyruvate. Bước cuối cùng, đó là bước thứ ba về cơ bản không
thể thuận nghịch trong đường phân, hiệu suất năng lượng là thêm bốn phân tử
ATP cho mỗi phân tử sucrose vào con đường đường phân.
2.3. Thực vật có các phản ứng đường phân biến thể
Trình tự của các phản ứng tạo thành pyruvate từ đường xảy ra ở tất cả các
sinh vật nhờ thực hiện đường phân. Ngoài ra, các sinh vật có thể tổng hợp đường
từ các acid hữu cơ. Quá trình này được gọi là tổng hợp đường mới gluconeogenesis.
Gluconeogenesis không phổ biến ở thực vật, nhưng nó hoạt động trong hạt
của một số loài thực vật, chẳng hạn như đậu castor và hướng dương, lưu trữ số
lượng đáng kể carbon dự trữ dưới dạng các loại dầu (triacylglycerol). Sau khi các
hạt giống nảy mầm, dầu được chuyển theo gluconeogenesis tạo ra sucrose, mà
sau đó sẽ được sử dụng để hỗ trợ cây giống. Trong giai đoạn đầu tiên của đường
phân, gluconeogenesis trùng lặp với các lộ trình tổng hợp sucrose từ quang tổng
hợp triose phosphate, là điển hình cho các thực vật.
Bởi vì phản ứng phân giải đường được xúc tác bởi phosphofructokinase
phụ thuộc ATP (ATP-dependent phosphofructokinase) cơ bản là không thuận
nghịch (xem hình 3), thêm vào đó là một loại enzyme được bổ sung, fructose-1,6

10


bisphosphatease,

chuyển

fructose-1,6-bisphosphate

tạo

thành

fructose-6-

phosphate và Pi trong suốt quá trình gluconeogenesis. Phosphofructokinase phụ
thuộc ATP và fructose-1,6-bisphosphatease kiểm soát điểm chính của dòng
carbon thông qua con đường phân giải đường /gluconeogenic trong cả thực vật và
động vật, cũng như trong tổng hợp sucrose ở thực vật
Trong thực vật, sự chuyển hóa qua lại giữa fructose-6-phosphate và
fructose-1,6-bisphosphate phức tạp hơn bởi sự hiện diện của một enzyme (bổ
sung trong tế bào chất) đó là phosphofructokinase phụ thuộc -PPi
(pyrophosphate: fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase), xúc tác phản ứng
thuận nghịch (xem hình 3):
Fructose-6-P + PPi ↔ Fructose-1,6-P2 + Pi
Trong đó P là phosphate và P2 và bisphosphate phosphate.
Phosphofructokinase phụ thuộc PPi được tìm thấy trong tế bào chất của
hầu hết các mô thực vật với hàm lượng cao hơn đáng kể so với của
phosphofructokinase phụ thuộc ATP. Sự ngăn cản của phosphofructokinase phụ
thuộc PPi ở khoai tây biến đổi gen đã chỉ ra rằng của enzyme này giúp đường
phân diễn ra mạnh mẽ, nhưng mà nó không phải là thiết yếu cho sự sống còn của
thực vật, các enzyme khác có thể giữ chức năng này. Phản ứng xúc tác của
phosphofructokinase phụ thuộc PPi là dễ dàng thuận nghịch, nhưng nó không
hoạt động trong tổng hợp sucrose. Giống như phosphofructokinase phụ thuộc
ATP và fructose bisphosphatease, enzyme này dường như xuất hiện để điều hòa
quá trình chuyển hóa tế bào, điều đó gợi ý rằng trong một số trường hợp hoạt
động của con đường phân giải đường ở thực vật có sự khác biệt với các sinh vật
khác.
Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân trong tế bào chất của tế bào
được xác định bởi hoạt động của 3 enzyme có liên quan, các enzyme này sử dụng
phosphoenolpyruvate làm cơ chất. Hai enzyme pyruvate kinase và PEP

phosphatase xúc tác phản ứng tạo thành pyruvate, riêng PEP carboxylase xúc tác


11


phản ứng tạo thành oxaloacetate. Pyruvate được chuyển trực tiếp vào trong ty thể.
OAA có thể hoặc chuyển trực tiếp vào ty thể hoặc đầu tiên bị khử tới malate bởi
enzyme malate dehydrogenase tế bào chất, theo phương trình sau:

Màng trong của ty thể có chứa các chất mang riêng biệt nơi mà malate và
pyruvate có thể được chuyển vào trong chất nền ty thể. Trong chất nền ty thể,
malate có thể bị oxy hóa bởi hai enzyme: isoenzyme của malate dehydrogenase ty
thể tạo thành OAA và NADH, và một enzyme nữa là NAD+ liên kết malic
enzyme xúc tác hình thành pyruvate, CO2, và NADH, cả hai enzyme này đều nằm
trong chất nền ty thể, phản ứng được chỉ ra theo phương trình dưới đây. Trước đó
malate có thể đi vào trong ty thể từ tế bào chất nhờ sự khử tương đương (reducing
equivalents).



12




13


Hình 3: Các phản ứng của đường phân và lên men ở thực vật (A). Trong con đường chính, sucrose bị oxy hóa

thành acid hữu cơ pyruvic. Các mũi tên kép chỉ chiều phản ứng thuận nghịch; các mũi tên đơn, chủ yếu là phản
ứng không thuận nghịch. (B) Các cấu trúc của chất trung gian chứa P, phosphate P2, biphosphate.

2.4. Trong điều kiện thiếu (không có) O2, lên men tái sinh NAD+ cần thiết cho
đường phân
Nếu không có oxy, chu trình acid citric và phosphoryl hóa oxy hóa không
thể hoạt động, đường phân do đó không thể tiếp tục vì cung cấp NAD+ của tế bào
bị hạn chế vì tất cả các NAD+ chuyển lên trạng thái khử (NADH), các phản ứng
xúc tác bằng glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase không thể xảy ra
(NAD+ giống như con thuyền chở điện tử và proton). Để khắc phục vấn đề này,
thực vật và các sinh vật khác có thể chuyển hóa pyruvate bằng cách thực hiện một
hoặc nhiều hình thức trao đổi chất lên men (xem hình 3).
Trong quá trình lên men rượu (phổ biến trong các thực vật, nhưng được
biết đến rộng rãi hơn ở nấm men rượu), hai enzyme pyruvate decarboxylase và
alcohol pyruvate dehydrogenase hoạt động trên pyruvate, cuối cùng tạo ra ethanol
và khí CO2 và oxy hóa NADH trong quá trình. Trong quá trình lên men acid
lactic (thường có ở bắp thịt động vật có vú và còn tìm thấy ở thực vật), các loại
enzyme lactate dehydrogenase sử dụng NADH để khử pyruvate tới lactate, do đó
tái sinh NAD+. Trong một số trường hợp, mô thực vật có thể chịu nồng độ thấp
(hypoxic) hay không có (anoxic) oxy xung quanh, khiến chúng phải thực hiện


14


chuyển hóa lên men. Ví dụ tốt nhất để thực hiện nghiên cứu này bao gồm các loại
đất bị ngập lụt hoặc no nước mà ở đó sự khuếch tán oxy giảm là nguyên nhân để
các mô gốc bị thiếu oxy.
Ở ngô, các phản ứng ban đầu với oxy thấp là quá trình lên men acid lactic,
nhưng các phản ứng tiếp theo là lên men rượu. Ethanol được cho là một sản phẩm

cuối cùng của quá trình lên men ít độc hại vì nó có thể khuếch tán ra khỏi tế bào,
trong khi tích lũy lactate sự đẩy nhanh quá trình axit hóa tế bào chất. Trong nhiều
trường hợp, chức năng thực vật tùy theo điều kiện gần/kỵ khí mà thực hiện một
số hình thức lên men.
2.5. Lên men không phải giải phóng tất cả năng lượng có sẵn trong phân tử
đường
Trước khi chúng ta rời khỏi chủ đề của đường phân, chúng ta cần phải xem
xét hiệu quả của quá trình lên men. Hiệu quả được xác định ở đây là năng lượng
được chuyển như ATP liên quan đến năng lượng thế năng sẵn có trong một phân
tử sucrose. Năng lượng tự do chuẩn (ΔG0’) thay đổi trong quá trình oxy hóa hoàn
toàn sucrose là -5.760 kJmol-1 (1380 kcal.mol-1). Giá trị của ΔG0' để tổng hợp
ATP là 32 kJ mol-1 (7,7 kcal.mol-1). Tuy nhiên, dưới các điều kiện bình thường
không chuẩn tồn tại ở cả tế bào động vật có vú và các tế bào thực vật, tổng hợp
ATP đòi hỏi phải cung cấp năng lượng tự do khoảng 50 kJ.mol-1 (12 kcal.mol-1).
Đem lại sự tổng hợp thực là bốn phân tử ATP từ mỗi phân tử sucrose được
chuyển thành ethanol (hoặc lactate), hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí chỉ
khoảng 4%. Hầu hết năng lượng có sẵn trong sucrose vẫn trong sản phẩm khử của
quá trình lên men: lactate hoặc ethanol. Trong hô hấp hiếu khí, các pyruvate tạo
ra qua đường phân được vận chuyển vào ty thể, nơi nó được tiếp tục bị oxy hóa,
tạo ra năng lượng tự do nhiều hơn giá trị ban đầu có trong sucrose. Bởi vì hiệu
quả tích lũy năng lượng qua lên men thấp, nên việc tăng tỷ lệ đường phân là cần
thiết để duy trì sản xuất ATP rất cần thiết cho sự sống còn của tế bào. Điều này
được gọi là hiệu ứng Pasteur sau khi Louis Pasteur nhà vi sinh Pháp, người đầu


15


tiên ghi nhận nó khi nấm men chuyển từ hô hấp hiếu khí tới lên men rượu kỵ khí.
Tỷ lệ cao hơn của đường phân là kết quả từ những thay đổi trong mức độ chuyển

hóa phân giải đường, cũng như từ các gia tăng biểu hiện của các gen mã hoá
enzyme của đường phân và lên men.
2.6. Đường phân thực vật được điều khiển bởi các sản phẩm của nó
Trong in vivo, đường phân dường như được điều hòa bởi mức độ của sự
phosphoryl hóa fructose-6-phosphate và sự quay vòng PEP.
Trái ngược với động vật, AMP và ATP không phải là phân tử chính trả lời
kích thích của phosphofructokinase và pyruvate kinase thực vật. Nồng độ PEP
của tế bào chất, là một chất ức chế mạnh phosphofructokinase phụ thuộc ATP
thực vật, đóng vai trò quan trọng trong điều hòa đường phân của thực vật. Hiệu
quả ức chế này của PEP lên phosphofructokinase bị giảm mạnh bởi phosphate vô
cơ, làm cho tỷ lệ của PEP/Pi trong tế bào chất là một yếu tố quan trọng trong sự
kiểm soát hoạt động phân giải đường ở thực vật. Pyruvate kinase và PEP
cacboxylase, các enzyme chuyển hóa PEP trong các bước cuối cùng của đường
phân (xem hình 3), nhạy cảm với ức chế ngược (feed-back) bởi các chất trung
gian của chu trình acid citric và dẫn xuất của chúng, bao gồm malate, citrate, 2oxoglutarate và glutamate.
Trong thực vật, sự kiểm soát đường phân xuất phát từ “dưới lên" (bottom up) (xem hình 12), với chuyển hóa PEP được điều hòa ở mức sơ cấp bởi pyruvate
kinase và PEP carboxylase và điều hòa thứ cấp được thực hiện bởi PEP trong
chuyển hóa của fructose-6-phosphate tạo fructose-1,6-bisphosphate (xem hình 3).
Ở động vật, điều hòa sơ cấp có hiệu lực ở các phosphofructokinase, và điều hòa
thứ cấp tại pyruvate kinase.
Một lợi ích có thể được thấy ở kiểm soát từ “dưới lên” đối với đường phân
là nó cho phép thực vật kiểm soát thực sự phân giải đường để pyruvate độc lập
với các quá trình trao đổi chất có liên quan chẳng hạn như các chu trình Calvin và
chuyển đổi qua lại sucrose ↔ triose phosphate ↔ tinh bột. Một lợi ích khác của


16


cơ chế kiểm soát này là đường phân có thể điều chỉnh cho nhu cầu sinh tổng hợp

các tiền chất.
Sự có mặt của hai enzyme trong chuyển hóa PEP trong các tế bào thực vật
- pyruvate kinase và PEP carboxylase – dẫn tới sự kiểm soát của đường phân là
không rõ ràng. Mặc dù hai enzyme bị ức chế bởi chất chuyển hóa tương tự, PEP
carboxylase dưới một số điều kiện có thể thực hiện một phản ứng vượt qua
pyruvate kinase. Kết quả là malate sau đó có thể nhập chu trình acid citric ty thể.
Do vậy, điều hòa “dưới lên” cho phép một sự linh hoạt cao trong sự kiểm soát của
đường phân thực vật.
Thực nghiệm ủng hộ cho các con đường chuyển hóa PEP là các nghiên cứu
về cây thuốc lá chuyển gen có pyruvate kinase trong tế bào chất ít hơn 5% so với
mức bình thường trong lá của chúng. Trong thực vật đó, tỷ lệ của hô hấp lá và
quang hợp đều không bị ảnh hưởng liên quan với việc điều khiển các mức độ của
pyruvate kinase ở kiểu hình dại. Tuy nhiên, sự giảm tăng trưởng ở rễ các cây
trồng chuyển gen chỉ ra rằng phản ứng pyruvate kinase không thể bị phá vỡ mà
không có một số tác động có hại.
Sự điều hòa của chuyển hóa fructose-6-phosphate tới fructose-1,6bisphosphate cũng phức tạp. Fructose-2,6-bisphosphate, các hexose bisphosphate
còn lại, có ở các mức độ khác nhau trong tế bào chất. Nó ức chế rõ rệt hoạt động
của fructose-1,6-bisphosphatese tế bào chất nhưng kích thích hoạt động của
phosphofructokinase phụ thuộc PPi. Những quan sát này cho thấy rằng fructose2,6-bisphosphate đóng một vai trò trung tâm trong dòng “thông” giữa con đường
phụ thuộc ATP và con đường phụ thuộc PPi của chuyển hóa fructose phosphate
tại điểm giữa tổng hợp sucrose và đường phân.
2.7. Con đường pentose phosphate tạo ra NADPH và sinh tổng hợp các sản
phẩm trung gian
Con đường đường phân + chu trình Krep không phải là con đường duy nhất
cho quá trình oxy hóa đường trong tế bào thực vật. Con đường oxy hóa pentose


17

phosphate (còn được gọi là con đường hexose monophosphate) cũng có thể thực
hiện nhiệm vụ này (hình 4).

Hình 4: Các phản ứng oxy hóa theo con đường pentose phophat ở thực vật bậc cao. P, phosphate.



18


Các phản ứng được thực hiện bởi các enzyme hòa tan có trong tế bào chất
và trong các lạp thể. Nói chung, các con đường trong các lạp thể chiếm ưu thế
hơn con đường trong tế bào chất.
Hai phản ứng đầu tiên của con đường này bao gồm các phản ứng oxy hoá
chuyển đường 6-carbon: glucose-6-phosphate đến một đường 5-carbon, ribulose5-phosphate, một phân tử CO2 và sinh ra 2 phân tử NADPH (không phải NADH).
Các phản ứng còn lại của con đường là chuyển ribulose-5-phosphate tới chất
trung gian của phân giải đường glyceraldehyde-3-phosphate và fructose-6phosphate. Bởi vì glucose-6-phosphate có thể được tái sinh từ glyceraldehyde-3phosphate và fructose-6-phosphate bởi enzyme đường phân, trong sáu vòng của
chu trình, chúng ta có thể viết những phản ứng như sau:
6 glucose – 6 P + 12 NADP+ + 7H2O Æ
5 glucose-6-P + 6CO2 + Pi + 12NADPH + 12H+
Kết quả thu được từ quá trình oxy hóa hoàn toàn của một phân tử glucose6-phosphate tới CO2 là tổng hợp đồng thời 12 phân tử NADPH.
Nghiên cứu sử dụng đồng vị phóng xạ

14

C của glucose đã chỉ ra rằng

đường phân là con đường phổ biến, chiếm 80-95% tổng dòng carbon trong hầu
hết các mô thực vật. Tuy nhiên, con đường pentose phosphate cũng góp phần vào
chuyển hóa dòng carbon này, và những nghiên cứu về sinh học phát triển đã chỉ

ra rằng vai trò của nó tăng cùng với sự phát triển của tế bào thực vật từ tế bào
phân sinh đến trạng thái đã biệt hóa.
Vai trò của con đường pentose phosphate được thể hiện:
* Sản phẩm NADPH sẽ tham gia vào các phản ứng của các con đường sinh tổng
hợp khác xảy ra trong tế bào chất. Con đường này cũng cung cấp NADPH cho
quá trình sinh tổng hợp lipit và đồng hóa nitơ ở các thể vô sắc như bột lạp và lạp
thể hoạt động trong tối.



19


* Do ty thể ở thực vật có khả năng oxy hóa NADPH trong tế bào chất nhờ
enzyme NADPH dehydrogenase nằm trên bề mặt ngoài của màng trong nên một
số phân tử NADPH tạo ra bởi con đường này sẽ tham gia vào quá trình trao đổi
năng lượng của tế bào; cụ thể là các điện tử từ NADPH có thể khử O2 và tạo ra
ATP.
* Con đường này tạo ra ribose-5-phosphate, một phân tử tiền chất của đường
ribose và deoxyribose cần thiết trong quá trình sinh tổng hợp ARN và ADN
tương ứng.
* Các chất trung gian khác trong con đường này, như đường erythrose-4phosphate, kết hợp với PEP trong phản ứng khởi đầu để tạo ra các hợp chất
phenolic thực vật bao gồm các acid amin thơm và các tiền chất của lignin,
flavonid và phytoalexin.
* Trong các giai đoạn đầu của phát triển, trước khi mô lá có khả năng thực hiện
quang tự dưỡng hoàn toàn thì người ta cho rằng con đường pentose phosphate có
vai trò trung gian tạo ra các chất cho chu trình calvin.
Điều hòa con đường pentose phosphate
Con đường oxy hóa pentose phosphate được điều hòa ở phản ứng đầu tiên
xúc tác bởi enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase. Hoạt tính của enzyme

này bị ức chế mạnh khi tỷ lệ NADPH/NADP+ cao. Tuy nhiên, dưới điều kiện ánh
sáng con đường pentose phosphate ít xảy ra trong lạp thể bởi vì các sản phẩm
cuối cùng của con đường này bao gồm fructose-6-phosphate và glyxeral-3phosphate đang được tổng hợp bởi chu trình calvin. Vì vậy, mà sẽ hướng các
phản ứng biến đổi trong pha không oxy hóa của con đường này theo chiều tổng
hợp nên các đường pentose. Hơn nữa, enzyme glucose-6-phosphate
dehydrogenase sẽ bị ức chế trong quá trình quang hợp do tỷ lệ NADPH/NADP+
cao ở lục lạp, cũng như bị bất hoạt do hệ thống ferredoxyn–thioredoxyn.



20


3. CHU TRÌNH ACID CITRIC: QUÁ TRÌNH DIỄN RA TRONG CHẤT
NỀN TY THỂ
Trong thế kỉ thứ 19, các nhà sinh học đã phát hiện ra rằng trong điều kiện
yếm khí tế bào sẽ sản sinh ethanol hoặc acid lactic còn trái lại trong điều kiện
hiếu khí tế bào sẽ sử dụng oxy để tạo ra CO2 và H2O. Vào năm 1937, một nhà hóa
sinh người Anh gốc Đức, tên là Hans A. Krebs đã công bố rằng phát hiện ra chu
trình acid citric hay còn gọi là chu trình acid tricarboxylic (TCA) hoặc chu trình
Krebs. Việc làm sáng tỏ chu trình acid citric không chỉ giúp giải thích quá trình
pyruvate bị phân giải thành CO2 và H2O như thế nào mà nó còn giúp đánh giá vai
trò của chu trình trong các con đường trao đổi chất. Nhờ công trình trên ông được
giải Nobel về sinh lí và y học năm 1953.
Bởi vì chu trình acid citric xảy ra trong chất nền của ty thể nên trước hết
chúng ta sẽ xem xét cấu trúc và chức năng của ty thể. Sau đó chúng ta sẽ tìm hiểu
các bước của chu trình acid citric, nhấn mạnh vào các đặc điểm đặc trưng với
thực vật.
3.1. Đặc điểm siêu cấu trúc ty thể ở thực vật
Phân giải đường sucrose thành pyruvate sẽ giải phóng ít hơn 25% năng

lượng trong đường sucrose, phần năng lượng còn lại sẽ được dự trữ trong 2 phân
tử pyruvate. Hai giai đoạn tiếp theo của quá trình hô hấp (đó là chu trình acid
citric và phosphoryl hóa oxy hóa) sẽ xảy ra trong một cơ quan tử được gọi là ty
thể.
Quan sát dưới kính hiển vi điện tử thấy rằng, ty thể ở thực vật dù cho là
trong tế bào hay trong in vitro có hình cầu hoặc hình que có đường kính 0,5 – 1
µm vào dài tới 3 µm. Trừ một số trường hợp ngoại lệ, thông thường các tế bào
thực vật có số lượng ty thể ít hơn số ty thể của tế bào động vật. Số lượng ty thể
trên mỗi tế bào là khác nhau liên quan trực tiếp đến hoạt động trao đổi chất của



21


mô và nó phản ánh mức độ trao đổi chất. Ví dụ như các tế bào bảo vệ thường
không có nhiều ty thể.
Giống với ty thể ở các mô không phải của thực vật. Ty thể thực vật có 2
màng một màng ngoài trơn bao bọc hoàn toàn một màng trong gấp khúc. Sự gấp
khúc màng trong của ty thể được gọi là cristae (còn được gọi là lược). Việc gấp
khúc này sẽ tạo ra một diện tích
bề mặt lớn, do đó màng trong của
ty thể chứa tới >50% protein của
ty thể. Phần chất nhầy chứa trong
màng trong được gọi là chất nhày
ty thể và khoảng trống giữa hai
màng được gọi là khoảng không
(hình 5)
Một ty thể ở trạng thái
nguyên vẹn có tính chất thấm tích

cực đó là chúng lấy nước và
trương lên khi đặt trong môi
trường nhược trương. Hầu hết các
ion vô cơ và các phân tử hữu cơ
tích điện không có khả năng qua
lại tự do qua màng. Màng trong
của ty thể là một vật cản thẩm
thấu, còn màng ngoài là có khả
năng thấm đối với các phân tử có
khối lượng phân tử nhỏ hơn
Hình 5: Cấu trúc ty thể thực vật

10kDa. Phần lipid của cả hai

màng chủ yếu cấu tạo bởi phospholipid mà 80% trong số chúng là
phosphateidylcholine hoặc phosphateidylethanolamine.



22


Giống như lạp thể, ty thể là một bào quan bán tự động, bởi vì chúng chứa
ribosome, ADN và ARN và có khả năng tổng hợp nên một số lượng protein nhất
định của ty thể. Vì vậy ty thể của thực vật có khả năng thực hiện nhiều bước trong
quá trình tổng hợp protein và truyền thông tin di truyền của chúng. Ty thể tăng
sinh qua quá trình phân chia một ty thể tồn tại trước đó mà không có sự tổng hợp
mới ty thể.
3.2. Pyruvate có thể vào ty thể và được oxy hóa qua chu trình acid citric
Như đã đề cập ở trên, chu trình acid citric hay còn gọi là TCA do phần

quan trọng của acid citric và acid isocitric như là các chất trung gian ban đầu. Chu
trình này cấu thành nên giai đoạn thứ hai của quá trình hô hấp xảy ra trong chất
nền ty thể hoạt động của nó đòi hỏi pyruvate tạo ra trong quá trình đường phân ở
trong tế bào chất phải được vận chuyển vào ty thể thông qua một protein đặc
hiệu.
Khi vào trong chất nền ty thể, pyruvate sẽ bị loại bỏ đi một phân tử carbon
trong một phản ứng xúc tác bởi pyruvate dehydrogenase, sản phẩm của phản ứng
này bao gồm NADH, CO2 và axetyl CoA (hình 6).

Enzyme pyruvate dehydrogenase là một phức hệ lớn gồm ba enzyme khác
nhau: pyruvate dehydrogenase (E1), dihydrolipoyl transacetylase (E2), và
dihydrolipoyl dehydrogenase (E3). Trình tự các bước của phản ứng này gồm:



23


- Pyruvate phản ứng với thiamine pyrophosphate (TPP) ở vùng biên của
pyruvate dehydrogenase (E1) dẫn đến tách CO2 khỏi phân tử pyruvate và tạo
thành dẫn xuất của hydroxylethyl.
- Pyruvate dehydrogenase chuyển hai điện tử và nhóm acetyl từ TPP tới
dạng oxy hóa của nhóm lipoyllysyl của lõi enzyme dihydrolipoyl transacetylase
(E2), để hình thành acetyl thioester của nhóm lipoyl khử.
- Bước này là sự chuyển ester hóa mà nhóm –SH của CoA thay nhóm –SH
của E2 tạo acetyl-CoA và dạng khử đầy đủ của (dithiol) nhóm lipoyl.
- Dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) định hướng chuyển hai nguyên tử
hydro từ nhóm khử lipoyl của E2 tới FAD – được gắn vào E3, trở lại dạng oxy hóa
của nhóm lipoyllysyl của E2.
- FADH2 dạng khử của E3 chuyển một ion hydride (:H-) tới NAD+ hình

thành dạng NADH. Phức hệ enzyme này xúc tác theo trình tự và quay vòng cho
phản ứng xúc tác tiếp theo.
Trong phản ứng tiếp theo của chu trình acid citric, enzyme citratesynthase
kết hợp nhóm acetyl của acetyl-CoA với một phân tử 4 carbon là acid
oxaloacetate (OAA) để tạo thành một phân tử 6-carbon là acid citric (citrate).
Citrate sau đó được đồng phân hóa thành isocitrate, bởi enzyme asconitase.


24


Hai phản ứng tiếp theo là hai phản ứng decarboxyl hóa oxy hóa, mỗi phản
ứng tạo ra một NADH và giải phóng một phân tử CO2 và một phân tử succinylCoA. Đến thời điểm này, mỗi phân tử pyruvate khi vào ty thể đã tạo ra 3 phân tử
CO2 hoặc 12 phân tử CO2 khi mỗi phân tử sucrose bị oxy hóa.
Trong phần còn lại của chu trình acid citric, succinyl-CoA sẽ được oxy hóa
trở lại thành oxaloaccetate. Ban đầu, năng lượng tự do lớn trong liên kết thioeste
của succinyl-CoA được tích lũy thông qua quá trình tổng hợp từ ADP và Pi trong
một phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất, xúc tác bởi enzyme succinyl-CoA
synthetase. Succinate tạo ra sẽ được oxy hóa tiếp tạo thành fumarate bởi enzyme
succinate dehydrogenase đây là enzyme duy nhất của chu trình acid citric liên kết
với màng và cũng là một phần của chuỗi truyền điện tử.
Các điện tử và proton được tạo ra từ sucinate sẽ không chuyển tới NAD+
mà được chuyển tới FAD. FAD liên kết cộng hóa trị với vị trí hoạt động của
enzyme sucinate dehydrogenase và diễn ra một phản ứng khử tạo thành FDAH2.
Trong 2 phản ứng cuối cùng của chu trình acid citric, fumarate bị thủy
phân tạo thành malate, malate sau đó sẽ được oxy hóa bởi enzyme malate
dehydrogenase tái tạo oxaloacetate tạo ra một phân tử NADH. Oxaloacetate phản
ứng với một phân tử acetyl-CoA khác và tiếp tục chu trình. Như vậy, quá trình
oxy hóa một phân tử pyruvate sẽ tạo ra 3 phân tử CO2, và năng lượng tự do giải
phóng trong những phản ứng oxy hóa này sẽ được tích lũy trong 4 phân tử

NADH và 1 phân tử FADH2. Ngoài ra, một phân tử ATP được tạo ra ở mức
phosphoryl hóa cơ chất trong chu trình.
Tất cả các enzyme tham gia trong chu trình TCA đều được tìm thấy trong
ty thể của thực vật. Một vài trong số chúng sẽ liên kết với nhau thành phức hệ
enzyme, điều này sẽ giúp quá trình vận chuyển các chất trao đổi giữa các enzyme.



25