Vai trò và ý nghĩa quá trình hô hấp sáng ở thực vật

Trong bài viết này, Kiến thức THPT sẽ khám phá và cung cấp thông tin chi tiết về các ý nghĩa và tầm quan trọng của quá trình hô hấp ở thực vật.

Quá trình hô hấp sáng ở thực vật được hoạt động như thế nào?

Thực vật không có cơ quan hô hấp đặc biệt, mà hô hấp xảy ra ở mọi cơ quan của cơ thể, đặc biệt trong những bộ phận đang trải qua hoạt động sinh lý mạnh như hạt nảy mầm, hoa và quả đang phát triển. Ti thể là bào quan chính thực hiện chức năng hô hấp trong thực vật.

Quá trình hô hấp ở thực vật là quá trình biến đổi toàn diện các chất hữu cơ, chủ yếu là các loại đường, thành carbon dioxide (CO2) và nước (H2O), diễn ra mà không cần sự hiện diện của oxy từ không khí. 

Quá trình này không chỉ giải phóng năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của cây mà còn cung cấp các chất trung gian cho nhiều quá trình trao đổi chất khác trong cây. Như vậy, hô hấp ở thực vật là một quá trình oxi hóa hợp chất hữu cơ để tạo ra CO2, nước và giải phóng năng lượng.

Phương trình hô hấp tổng quát trong thực vật được biểu diễn như sau: 

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + năng lượng (dưới dạng nhiệt và ATP). 

Phản ứng này mô tả cách thức một phân tử glucose được oxy hóa, qua đó giải phóng carbon dioxide, nước và năng lượng cần thiết cho sự sống của thực vật, như minh họa chi tiết trong hình dưới đây:

Quá trình hô hấp ở thực vật là một chuỗi phức tạp các phản ứng sinh hóa, xảy ra mạnh mẽ trong các mô và cơ quan đang có hoạt động sinh lý cao như hạt nảy mầm hay hoa đang nở, đặc biệt khi có đủ khí oxi. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính: đường phân và hô hấp hiếu khí.

Trong giai đoạn đường phân, diễn ra ở tế bào chất, glucose được chuyển hóa thành axit piruvic. Phương trình cho quá trình này là: 1 Glucozo → 2 Axit piruvic + 2 ATP + 2 NADH. Điều này có nghĩa là từ một phân tử glucozo, quá trình phân giải kị khí có thể giải phóng 2 phân tử ATP.

Giai đoạn hô hấp hiếu khí tiếp tục trong chất nền của ti thể, bao gồm Chu trình Crep và chuỗi truyền electron. Trong giai đoạn này, 2 axit piruvic được chuyển hóa thành 6CO2 + 2ATP + 8NADH + 2FADH2. Chu trình Crep, xảy ra khi có sự hiện diện của oxi, là nơi axit piruvic được oxi hóa hoàn toàn. 

Sau đó, trong chuỗi truyền electron ở màng trong ti thể, các nguyên tử hidro tách ra từ axit piruvic trong chu trình Crep được chuyển qua chuỗi truyền electron, cuối cùng chuyển hóa thành nước và tích lũy đến 36 ATP.

Quá trình hô hấp hiếu khí không chỉ đơn thuần là quá trình cung cấp năng lượng mà còn giúp duy trì sự sống và phát triển của thực vật.

Quá trình hô hấp hiếu khí trong thực vật mang lại hiệu quả năng lượng cao, với kết quả là từ một phân tử glucose, có thể giải phóng tới 38 ATP cùng với nhiệt lượng đáng kể. Ngoài ra, thực vật còn có khả năng thực hiện hô hấp kị khí, bao gồm đường phân và lên men, đặc biệt trong các điều kiện thiếu oxy như rễ bị ngập úng, hạt ngâm trong nước, hoặc khi cây sống trong môi trường oxy khan hiếm.

Trong quá trình phân giải kị khí, đường phân là bước chuyển hóa glucose thành axit piruvic, diễn ra trong tế bào chất. Tiếp theo, axit piruvic có thể lên men thành rượu etylic và CO2, hoặc thành axit lactic. Quá trình này chỉ giải phóng 2 ATP từ mỗi phân tử glucose, là một lượng năng lượng khiêm tốn so với hô hấp hiếu khí.

Hô hấp hiếu khí không chỉ sản sinh năng lượng cao hơn gấp 19 lần so với hô hấp kị khí mà còn đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho hoạt động sống của tế bào và cơ thể. Trong khi đó, sản phẩm của hô hấp kị khí, như một số axit, có thể trở thành chất độc đối với thực vật, gây ảnh hưởng đến sự phát triển và sinh trưởng của chúng.

Vai trò của hô hấp ở thực vật

Hô hấp ở thực vật, hay còn được gọi là hô hấp tế bào, là một quá trình phức tạp gồm hàng loạt phản ứng oxi hóa khử. Trong quá trình này, điện tử và hydro từ các nguồn cung cấp năng lượng như glucose được truyền đến oxy, tạo thành nước và giải phóng năng lượng. Năng lượng thu được từ các phản ứng này được lưu trữ trong các mối liên kết giàu năng lượng, cho phép tế bào thực vật duy trì hoạt động sống.

Quá trình phân giải glucose diễn ra từng bước, giúp đảm bảo rằng năng lượng được giải phóng một cách kiểm soát, không gây lãng phí. Tốc độ của quá trình hô hấp tế bào phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào, và cũng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như hoạt động của enzim, nhiệt độ môi trường và các điều kiện bên ngoài khác. 

Qua đó, hô hấp tế bào không chỉ cung cấp năng lượng cần thiết cho các hoạt động sinh học mà còn điều chỉnh các quá trình trao đổi chất trong cây, góp phần vào sự sinh trưởng và phát triển bền vững của thực vật.

>> Xem thêm: Lý thuyết sinh học 11 quá trình quang hợp ở thực vật

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

• Giai đoạn 1: bao gồm quá trình phân giải oxy hóa các chất hữu cơ, trong đó hydro (H+) được tách ra khỏi các chất cơ bản của hô hấp và giải phóng ra khí CO2.
• Giai đoạn 2: bao gồm quá trình oxy hóa liên tục H2 kết hợp với các coenzyme oxy hóa khử như NADH2, FADH2, NADPH2 để giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các liên kết cao năng của ATP.

Chất cơ bản cho quá trình hô hấp thường là các gluxit, đặc biệt là glucose. Các chất khác cần được chuyển hóa thành đường trước khi tham gia vào quá trình hô hấp.

Về bào quan hô hấp, ti thể đóng vai trò trung tâm và được xem là “trạm biến thế năng lượng” của tế bào. Hình dạng, số lượng và kích thước của ti thể có thể thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào loài, cơ quan và loại tế bào cũng như mức độ trao đổi chất của chúng.

Môi trường sống cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hô hấp qua các yếu tố sau:

• Nước: Cần thiết cho quá trình hô hấp. Sự thiếu hụt nước sẽ làm giảm cường độ hô hấp; ngược lại, tăng lượng nước có thể kích thích hô hấp ở những cơ quan đang trong trạng thái ngủ như hạt; cường độ hô hấp tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong cơ thể.
• Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, cường độ hô hấp cũng tăng lên cho đến giới hạn chịu đựng của cây. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình hô hấp theo nghiên cứu khoảng 30 đến 35 độ C.
• Nồng độ oxy (O2): Nếu nồng độ oxy trong không khí giảm xuống dưới 10%, quá trình hô hấp sẽ bị ảnh hưởng, và khi giảm xuống 5%, cây sẽ chuyển sang phân giải kị khí (quá trình này sinh ra năng lượng thấp và có hại cho cây trồng).
• Nồng độ CO2: Nồng độ CO2 trong môi trường cao hơn 40% sẽ ức chế quá trình hô hấp, vì CO2 là sản phẩm cuối cùng của hô hấp hiếu khí và quá trình lên men etilic.

Ý nghĩa của quá trình xảy ra hô hấp ở thực vật

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

Ý nghĩa sinh học: Hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng từ các chất hữu cơ (như glucose, oxy, …) thành năng lượng ATP, cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của các tế bào và cơ thể. Trong quá trình này, thực vật sử dụng oxy để phân giải các chất hữu cơ, sản sinh ra năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của cây, đồng thời thải ra khí carbon dioxide và hơi nước.

Năng lượng thu được từ quá trình hô hấp được dùng cho các hoạt động sinh lý của thực vật như tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào, vận chuyển các chất qua màng tế bào, và sinh công cơ học. Ngoài ra, trong quá trình hô hấp cũng giải phóng ra năng lượng dưới dạng nhiệt, giúp thực vật duy trì nhiệt độ thuận lợi cho sự sống.

Chuyển hóa và tái chế: Quá trình hô hấp giúp biến đổi các nguyên liệu hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ giàu năng lượng, cung cấp năng lượng cho tất cả các hoạt động sống của thực vật và tạo ra các sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho các quá trình trao đổi chất khác trong cây.

Hô hấp còn có thể tiếp nhận và tiếp tục phân giải các sản phẩm đang được phân giải dang dở từ các hợp chất khác, qua đó đảm bảo sự chuyển hóa triệt để và hiệu quả trong cơ thể thực vật.

Sơ đồ tư duy hô hấp ở thực vật

Sơ đồ tư duy giải thích quá trình hô hấp ở thực vật, từ khí khổng đến tế bào, chi tiết quá trình chuyển hóa glucose thành năng lượng.