- Nước, muối khoáng được vận chuyển trong cây nhờ bó mạch gỗ theo chiều từ dưới lên nhờ các lực sau: Lực đẩyáp suất rễ; Lực hút của ládo thoạt hơi nước; Lực liên kết giữa các phân tử nướ[r]
Trang 1CHUYÊN ĐỀ II: SINH HỌC CƠ THỂ VẤN ĐỀ 1- CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở THỰC VẬT
A TÓM TẮT LÍ THUYẾT
1 Sự trao đổi nước ở thực vật
Trao đổi nước ở thực vật bao gồm: Quá trình hấp thụ nước ở rễ; Quá trình vận chuyển nước trong thân(từ
rễ lên lá); Quá trình thoát hơi nước từ lá ra ngoài không khí
Ba quá trình này, trong điều kiện bình thường, hoạt động nhịp nhàng, liên tục, liên hệ khăng khít với nhau, tạo nên trạng thái cân bằng nước cần thiết cho sự sống của thực vật
1.1 Quá trình hấp thụ nước ở rễ
- Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước từ môi trường xung quanh qua bề mặt các tế bào biểu bì của toàn cây.
- Thực vật trên cạn hấp thụ nước từ đất chủ yếu nhờ các tế bào lông hút (do các tế bào biểu bì rễ phát
triển thành) Quá trình hấp thụ nước ở rễ xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau:
1.1.1 Giai đoạn nước từ đất vào lông hút
Để hấp thụ nước, tế bào lông hút có ba đặc điểm cấu tạo và sinh lí phù hợp với chức năng nhận nước từ đất:
- Có thành tế bào mỏng, không thấm cutin
- Chỉ có một không bào lớn ở trung tâm
- Có áp suất thẩm thấu cao do hoạt động hô hấp của rễ mạnh
Vì vậy các dạng nước tự do và dạng nước liên kết không chặt từ đất được lông hút hấp thụ một cách dễ
dàng nhờ sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu (nước đi từ nơi có áp suất thẩm thấu thấp đến nơi có áp suất thẩm thâu cao), hay nói một cách khác, nhờ sự chênh lệch về thế nước (từ thế nước cao đến thế nước thấp)
1.1.2 Giai đoạn nước từ lông hút vào mạch gỗ(mạch xilem) của rễ
Sau khi vào tế bào lông hút, nước vận chuyển một chiều qua các tế bào vỏ, nội bì vào mạch gỗ của rễ do
sự chênh lệch sức hút nước theo hướng tăng dần từ ngoài vào trong giữa các tế bào
Có hai con đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ:
- Con đường qua thành tế bào - gian bào đến dải Caspary ( Con đường vô bào - Apoplats )
+ H2O và một số ion khoáng từ đất → TB lông hút → không gian giữa các bó sợi của các tế bào vỏ rễ
→ nội bì ⃗đai Caspari TBC của nội bì → mạch gỗ rễ (Đai caspari nằm ở phần nội bì của rễ, có vai trò kiểm soát các chất đi vào trung trụ,điều hòa vận tốc hút nước của rễ)
+ Đặc điểm của con đường này là nhanh, không được chọn lọc.
- Con đường qua chất nguyên sinh - không bào:
+ H2O và một số ion khoáng từ đất → TB lông hút → xuyên qua TBC của các tế bào vỏ rễ → TBC của các tế bào nội bì → mạch gỗ rễ
+ Đặc điểm của con đường này là chậm, được chọn lọc.
1.1.3 Giai đoạn nước bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân
Nước bị đẩy từ rễ lên thân do một lực đẩy gọi là áp suất rễ Có hai hiện tượng minh hoạ cho áp suất rễ: Hiện tượng rỉ nhựa và hiện tượng ứ giọt
- Hiện tượng rỉ nhựa: đây là hiện tượng thân cây bị cắt ngang gần mặt đất, một thời gian sau ở mặt cắt rỉ
ra các giọt nhựa Nhựa ở đây là một hỗn hợp gồm nước(chủ yếu) muối khoáng và một số hợp chất hữu cơ
được tổng hợp ở rễ được rễ đẩy từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân
- Hiện tượng ứ giọt (Úp cây trong chuông thuỷ kín, sau một đêm, ta sẽ thấy các giọt nước ứ ra ở mép lá
qua khí khổng Như vậy mặc dù không khí trong chuông thuỷ tinh đã bão hoà hơi nước, nước vẫn bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên lá và không thoát được ở dạng hơi nên ứ thành các giọt)
1.2 Quá trình vận chuyển nước ở thân
- Nước được chuyển theo dòng mạch gỗ từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân → mạch gỗ của lá
- Nước, muối khoáng được vận chuyển trong cây nhờ bó mạch gỗ theo chiều từ dưới lên nhờ các lực sau: Lực đẩy(áp suất rễ); Lực hút của lá(do thoạt hơi nước); Lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và với thành mạch gỗ.
1.3 Sự thoát hơi nước qua lá
- Lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu ở cây
Trang 2- Quá trình thoát hơi nước thông qua 2 con đường: qua khí khổng và qua cutin
1.4 Các tác nhân của môi trường ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nước ở thực vật
- Ánh sáng: Tác nhân gây đóng mở khí khổng ảnh hưởng đến thoát hơi nước.
- Nhiệt độ: ảnh hưởng đến hấp thụ nước ở rễ (do ảnh hưởng đến sinh trưởng và hô hấp ở rễ) và
thoát hơi nước ở lá (do ảnh hưởng đến độ ẩm không khí)
- Độ ẩm: Độ ẩm đất càng tăng thì quá trình hấp thụ nước tăng, độ ẩm không khí càng tăng thì sự
thoát hơi nước càng giảm
- Dinh dưỡng khoáng: Hàm lượng khoáng trong đất càng cao thì áp suất dung dịch đất càng cao
hấp thụ nước càng giảm
2 Dinh dưỡng khoáng ở thực vật
2.1 Vai trò của các nguyên tố dinh dưỡng khoáng đối với thực vật
2.1.1 Các nguyên tố khoáng đại lượng(C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg) tham gia vào cấu trúc của tế bào,
cơ thể; điều tiết các quá trình sinh lí
Ví dụ: về nguyên tố N và vai trò của N đối với thực vật
- Nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho cây
+Nitơ phân tử trong khí quyển(N2), chiếm khoảng 80%, cây không hấp thu được Chỉ khi được các vi
khuẩn tự do (Azotobacter – trong ruộng lúa, Anabaena…) và vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium – cộng sinh ở nốt sần cây họ đậu, Anabaena azollae – cộng sinh ở bèo hoa dâu …) tiết enzim nitrogenaza để cố định N2 → NH4+, quá trình này được thực hiện trong điều trong điều kiện kị khí, có các lực khử mạnh và ATP: NN ⃗2 H NH=NH ⃗2 H NH2-NH2 ⃗2 H NH3 ⃗H2O NH4+
+Trong đất(đất là nguồn cung cấp nitơ chủ yếu cho cây), N tồn tại ở 2 dạng : nitơ khoáng và nitơ hữu
cơ nhưng cây chỉ hấp thụ được N ở dạng NH+¿
4
¿ và NO3− do vậy, trong đất xảy ra quá trình chuyển hoá nitơ nhờ các vi khuẩn:
- Vai trò của nguyên tố N:
+Vai trò chung : là nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu
+Vai trò cấu trúc: Nitơ là thành phần của hầu hết các hợp chất trong cây (prôtêin, axit nuclêic …)
cấu tạo nên tế bào, cơ thể
+Vai trò điều tiết: Tham gia thành phần của các enzim, hoocmôn… điều tiết các quá trình sinh lí, hoá
sinh trong tế bào, cơ thể
2.1.2 Các nguyên tố khoáng vi lượng(chiếm 100mg/1kg chất khô của cây), chủ yếu đóng vai trò
hoạt hóa các enzim
2.2 Cơ chế hấp thụ ion khoáng
Khác với sự hấp thụ nước, các ion khoáng di chuyển từ đất vào tế bào một cách chọn lọc theo hai cơ chế:
- Cơ chế thụ động: Các ion khoáng di chuyển từ đất (hoặc môi trường dinh dưỡng) vào rễ theo chiều
građien nồng độ Có thể cần chất mang nhưng không tiêu tốn ATP
- Cơ chế chủ động : Đối với một số ion cây có nhu cầu cao tuy nhiên nồng độ trong các tế bào rễ cây lại
cao hơn dung dịch đất(môi trường), do vậy các ion này được vận chuyển ngược chiều gradient nồng độ.
Cần chất mang(bơm) và tiêu tốn ATP
3.Chuyển hóa vật chất và năng lượng trong cây
Quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong cây bao gồm 2 quá trình quang hợp và hô hấp Đây là 2 quá trình đối lập nhưng thống nhất với nhau Sản phẩm của quang hợp là nuyên liệu cho hô hấp Sản phẩm
của hô hấp lại chính là các nguyên liệu tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp như trên hình 22.2 SGK
3.1 Quang hợp
3.1.1 Cơ chế quang hợp:
* Khái niệm:
NO3-Vi khuẩn amôn hoá Vi khuẩn nitrat hoá
Trang 3- Quang hợp là quá trình trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được lá(diệp lục) hấp thụ để tạo ra
cacbonhyđrat và ôxy từ khí CO2 và H2O
- PTTQ: 6CO 2 + 12H 2 O ⃗ASMT C 6 H 12 O 6 + 6O 2 +6 H 2 O
Diệp lục
* Cơ chế:
+ Khái niệm : là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các
liên kết hóa học trong ATP và NADPH
+Cơ chế : Các sắc tố quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền cho diệp lục a ở trung tâm phản ứng quang hợp theo sơ đồ: Carôtenôit Diệp lục b Diệp lục a Diệp lục a trung tâm Sau đó quang năng được chuyển cho quá trình quang phân li nước và phản ứng quang hoá để hình thành ATP và NADPH(nicôtin amit ađenin đinuclêôtit photphat) Như vậy, pha sáng diễn ra theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn quang lí: Diệp lục(clorophyl) hấp thụ năng lượng ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích
thích: Chl + h Chl*, năng lượng kích thích đó được sử dụng cho giai đoạn tiếp theo:
Giai đoạn photphoryl quang hóa:
Quang phân li nước: 2H 2 O ⃗Chl* 4H + + 4e - + O 2
Phot phoril hoá tạo ATP: 3 ADP + 3 Pi 3 ATP
Tổng hợp NADPH: 2 NADP + 4 H + 2 NADPH
PTTQ: 12H 2 O + 18ADP + 18Pvô cơ + 12NADP + 18ATP + 12NADPH + 6O 2
- Pha tối:
+Pha tối diễn ra khác nhau ở các nhóm thực vật Tuy nhiên, điểm giống nhau là đều được thực hiện bằng chu trình Canvin gồm 3 giai đoạn chính:
Giai đoạn cố định CO 2(cacboxil hoá ): 3 RiDP + 3 CO2 6 APG
Giai đoạn khử (tốn 6ATP và 6NADPH): 6APG 6AlPG
Giai đoạn tái sinh chất nhận RiDP và tạo đường (tiêu tốn 3 ATP):
5AlPG 3RiDP
Quang hợp ở thực vật
Pha tối Pha sáng
Nơi diễn
ra
Tilacoit
(grana)
Ng Liệu
AS, H2O, ADP, NADP+
Sản phẩm
O2, ATP, NADPH
Nơi diễn ra Chất nền lục lạp(stroma)
Sản phẩm
C6H12O6
Ng Liệu
CO2, ATP, NADPH
Trang 41AlPG Tham gia tạo C6H12O6
Tóm tắt chu trình Canvin PTTQ: 12 H 2 O + 6 CO 2 + Q (năng lượng ánh sáng) C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O
+Điểm khác nhau trong pha tối ở 3 nhóm thực vật
Nhóm Đặc điểm Thực vật C3 Thực vật C4 Thực Vật CAM
Giống nhau Đều có chu trình Canvin tạo ra ALPG rồi từ đó hình thành nên các hợp chấtcacbohiđrit, axit amin, prôtêin, lipit,…
Khác
nhau
Chất nhận
CO2 Ribulôzơ-1,5-điphôtphat PEP (axit phôtphoenol piruvic) Sản phẩm
đầu tiên Hợp chất 3 cacbon:APG(axitphotphoglyxeric) Hợp chất 4 cacbon: AOA và axit malic/aspactic
Đặc điểm
thích nghi
Sống ở vùng ôn đới và á nhiệt đới trong điều kiện khí hậu ôn hòa, cường độ
CO2, O2 bình thường
Bao gồm Rêu, đa số cây trồng(lúa, khoai, sắn, các loài rau, đậu, )
Sống ở khí hậu nhiệt đới
và cận nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm kéo dài
Bao gồm một số loài ngô, mía, cao lương, rau dền,
cỏ lồng vực,
Thực vật sống vùng sa mạc, là thực vật mọng nước
Điều kiện sống: khí hậu khô hạn kéo dài
Giai đoạn
Chỉ một giai đoạn là chu trình Canvin xảy ra trong
các tế bào mô giậu.
- GĐ cố định CO2 tạm
thời xảy ra trong tế bào
mô giậu
- GĐ cố định CO2 theo chu trình Canvin xảy ra
trong tế bào bao bó mạch.
- GĐ cố định CO2 tạm thời
(ban đêm)
- GĐ cố định CO2 theo chu
trình Canvin (ban ngày)
xảy ra trong cùng một loại
tế bào mô giậu
Các tiêu
chí khác
Có cường độ quang hợp trung bình, điểm bù CO2
cao, thoát hơi nước cao,
có xảy ra hô hấp sáng tiêu tốn sản phẩm quang hợp Do vậy, có năng suất trung bình
Có cường độ quang hợp cao, điểm bù CO2 thấp, thoát hơi nước thấp hơn, không có hô hấp sáng,
Nên có năng suất cao hơn
Có cường độ quang hợp thấp, điểm bù CO2 thấp hơn, không có hô hấp sáng, thoát hơi nước thấp rất thấp, Do
đó, có năng suất thấp
Trang 53.1.2 Vai trò quang hợp: Tạo chất hữu cơ cung cấp cho sự sống trên trái đất; Biến đổi và tích luỹ năng
lượng (năng lượng vật lí thành năng lượng hoá học); Hấp thụ CO2 và thải O2 điều hòa không khí
3.2 Hô hấp
3.2.1 Cơ chế hô hấp
- Khái niệm về hô hấp: quá trình chuyển đổi năng lượng của tế bào sống Trong đó, các phân tử
cacbohyđrat bị phân giải đến CO2 và H2O đồng thời năng lượng được giải phóng và một phần năng lượng
đó được tích lũy trong ATP
- Cơ chế: Tùy điều kiện có oxi hoặc không có oxi phân tử mà có thể xảy ra các quá trình sau:
+Hô hấp hiếu khí: Khi có oxi phân tử, xảy ra theo các giai đoạn: Đường phân(diễn ra trong TBC), chu
trình Crep và chuỗi chuyền êlectron(diễn ra trong ti thể) được tóm tắt theo sơ đồ:
Đường phân Chu trình Crep Chuỗi chuyền êlectron Glucôzơ 2.Axit pyruvic 10 NADH, 2FADH2, 6CO2
6H2O + (36 -38) ATP + Nhiệt
- PTTQ: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO2 + 12H2O + (36 - 38) ATP + Nhiệt
+ Lên men: Khi không có oxi phân tử trải qua các giai đoạn: Đường phân và phân giải kị khí(đều xảy ra
ở TBC) tạo các sản phẩm còn nhiều năng lượng: Rượu etilic hoặc axit lactic
Đường phân phân giải kị khí
Glucôzơ 2 Axit pyruvic 2 êtilic + 2CO2 + 2ATP + Nhiệt
2 axit lactic + 2ATP + Nhiệt PTTQ: C6H12O6 2 êtilic + 2CO2 + 2ATP + Nhiệt
C6H12O6 2 axit lactic + 2ATP + Nhiệt
* Hô hấp sáng là quá trình hấp thụ O2 và giải phóng CO2 ở ngoài sáng Chủ yếu xảy ra ở thực vật C3, trong điều kiện cường độ ánh sáng cao (CO2 cạn kiệt, O2 tích luỹ nhiều) với sự tham gia của ba bào quan: Ti thể,
lục lạp, perôxixôm Xảy ra đồng thời với quang hợp, không tạo ATP nhưng tiêu hao rất nhiều sản phẩm quang hợp (30 – 50%).
3.1.2 Mối quan hệ giữa hô hấp với quang hợp và môi trường
* Mối quan hệ giữa hô hấp và quang hợp
- Quang hợp tích luỹ năng lượng, tạo các chất hữu cơ, oxi là nguyên liệu cho quá trình hô hấp.
- Hô hấp tạo năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống trong đó có tổng hợp các chất tham gia vào
quá trình quang hợp (sắc tố, enzim, chất nhận CO2 ), tạo ra H2O, CO2 là nguyên liệu cho quá trình quang hợp
* Mối quan hệ giữa hô hấp và môi trường
- Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng đến nhiệt độ tối ưu cường độ hô hấp tăng (do tốc độ các phản ứng enzim
tăng); nhiệt độ tăng quá nhiệt độ tối ưu thì cường độ hô hấp giảm
- Hàm lượng nước: Cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với hàm lượng nước.
Nồng độ CO 2 : CO2 là sản phẩm của hô hấp vì vậy nếu CO2 được tích lại (> 40%) sẽ ức chế hô hấp→
cường độ hô hấp tỉ lệ nghịch với nồng độ CO2→ CO2 được sử dụng trong bảo quản nông sản
- Nồng độ O 2 : Cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với nồng độ O2