TÌM HIỂU QUANG HỢP Ở THỰC VẬT doc

Các hoạt động sinh lí trong cây rất phức tạp, trong đó quá trình quang hợp là quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũy trong các hợp chất hữu c

LUẬN VĂN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU QUANG

HỢP Ở THỰC VẬT

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 3

I - Lí do chọn đề tài: 3

II Mục đích nghiên cứu 4

III Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4

IV Giả thuyết khoa học 4

V Nhiệm vụ nghiên cứu 5

VI Phương pháp nghiên cứu 5

VII Dự kiến tính mới đề tài 5

VIII Dàn ý nội dung được kết cấu: 5

B NỘI DUNG 6

I Khái quát chung về quang hợp 6

1.1 Định nghĩa quang hợp 6

1.2 Phương trình tổng quát của quang hợp 6

1.3 Vai trò của quang hợp 7

II Cấu trúc và chức năng của bộ máy quang hợp .9

2.1 Lá là cơ quan quang hợp 9

2.1.2 Giải phẫu của lá 11

2.2 Lục lạp 12

2.2.1.Cấu trúc lục lạp 12

2.2.2 Hình thái, số lượng, kích thước của lục lạp 13

2.2.3 Các loại lục lạp 14

2.2.4 thành phần hóa học của lục lạp: 15

2.2.5 chức năng của lạp lục 15

2.3 Cấu tạo và chức năng của các hệ sắc tố: 16

2.3.1 Cấu tạo và chức năng của nhóm sắc tố xanh- diệp lục 16

2.3.2 Nhóm sắc tố vàng - Carotenoit 21

2.3.3 Nhóm sắc tố xanh ở thực vật bậc thấp: phycobilin 24

2.3.4 Nhóm antoxyan – Các sắc tố dịch bào 25

III Cơ chế quang hợp 25

3.1 Pha sáng 25

3.1.1 Giai đoạn quang vật lí 26

2.1.2.Giai đoạn quang hóa học 29

3.2.2 Con đường đồng hóa CO2 của thực vật C4 38

3.2.3 Con đường đồng hóa CO2 của thực vật CAM 43

IV Quang hợp và năng suất cây trồng 45 4.1 Ảnh hưởng quang hợp đến năng suất cây trồng 45 4.2.Biện pháp nâng cao năng suất cây trồng thông qua hoạt động quang hợp 48

C KẾT LUẬN 55 D: Tài liệu tham khảo 56

A MỞ ĐẦU

I - Lí do chọn đề tài:

Sự phát triển của khoa học-kĩ thuật là kết quả của quá trình nghiên cứu, tìm tòi sáng tạo của loài người trên nhiều lĩnh vực khác nhau như toán học, hóa học, lí học, sinh học…

Sinh học là khoa học nghiên cứu về thế giới sinh vật trong tự nhiên Có nhiều loại sinh vật khác nhau: động vật, thực vật, vi khuẩn, nấm …

Sinh học được chia làm nhiều phân môn như: động vật không xương sống, động vật có xương sống, phân loại thực vật, hình thái giải phẫu, sinh lí thực vật, hóa-sinh, giải phẫu sinh lí người …

Sinh lí thực vật là một môn khoa học nghiên cứu về các hoạt động sinh

lí xảy ra trong cơ thể thực vật, mỗi quan hệ giữa các điều kiện sinh thái với các hoạt động sinh lí của cây để cho ta khả năng điều chỉnh thực vật theo hướng có lợi cho con người

Các hoạt động sinh lí trong cây rất phức tạp, trong đó quá trình quang hợp là quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũy trong các hợp chất hữu cơ cung cấp cho các hoạt động sống của cây và cung cấp một lượng lớn O2 cho sự sống của các sinh vật trên trái đất, đảm bảo sự cân bằng tỉ lệ O2/CO2 trong khí quyển thuận lợi cho các hoạt động sống của mọi sinh vật Đối với con người quang hợp có vai trò vô cung

dạng cho mọi nhu cầu của con người trên trái đất…Quang hợp là một quá trình độc nhất có khả năng biến những “chất không ăn được” thành “chất ăn được”, một quá trình mà tất cả hoạt động sống đều phụ thuộc vào nó

Cơ chế xảy ra của quá trình quang hợp như thế nào? Ảnh hưởng của quang hợp đến năng suất cây trồng như thế nào? Nhiều câu hỏi được đặt ra cho các nhà khoa học từ đó đề ra các biện pháp để nâng cao năng suất cây trồng thông qua điều chỉnh hoạt dộng quang hợp của cay trồng

Đặc biệt là nghiên cứu đề tài này không chỉ giúp em trả lời những thắc mắc, giải thích được một số hiện tượng thường gặp Đây còn là cơ sở giúp em hiểu rõ nắm chắc kiến thức làm nền tảng cho việc giảng dạy sau này

Xuất phát từ những lí do trên nên tôi chọn đề tài “Tìm hiểu quang hợp của thực vật ”

II Mục đích nghiên cứu

- Nắm vững cơ sở lí thuyết của quá trình quang hợp

- Tìm hiểu các biện pháp nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp

III Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình quang hợp ở thực vật

- Phạm vi nghiên cứu: Sự quang hợp ở thực vật

IV Giả thuyết khoa học

Trên cơ sở lí thuyết quá trình quang hợp ở thực vật thì giúp ngườ đọc thấy rõ cơ chế xảy ra quá trình quang hợp ở thực vật và biết cách điều chỉnh hoạt động quang hợp của cây trồng theo hướng có lợi cho con người Từ đó làm tăng sự hứng thú và lòng say mê nghiên cứu khoa học, đặc biệt là môn sinh học Đồng thời kích thích sự sáng tạo, tìm tòi kiến thức sinh lí học thực vật và kiến thức sinh học nói chung của sinh viên, đặc biệt là sinh viên chuyên ngành sinh-hóa

V Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ chế xảy ra quá trình quang hợp ở thực vật

- Tìm hiểu việc điều chỉnh hoạt động quang hợp của cây trồng theo hướng có lợi cho con người

VI Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu các kiến thức lí thuyết thông qua giáo trình sinh lý thực vật, các tài liệu sách báo, internet… kết hợp với bài giảng của giáo viên

VII Dự kiến tính mới đề tài

Đề tài đi sâu nghiên cứu quá trình quang hợp ở thực vật, từ đó làm rõ

cơ chế xảy ra quá trình quang hợp ở thực vật giúp người đọc dễ hiểu và từ đó giúp con người biết cách điều chỉnh quá trình quang hợp ở cây xanh để nâng cao năng suất cây trồng

VIII Dàn ý nội dung được kết cấu:

Gồm 4 mục:

I Khái quát chung về quang hợp ở thực vật

II Cấu trúc, chức năng của bộ máy quang hợp

III Cơ chế quá trình quang hợp

IV Quang hợp và năng suất cây trồng

B NỘI DUNG

I Khái quát chung về quang hợp

1.1 Định nghĩa quang hợp

- Định nghĩa quang hợp một cách đơn giản như sau:

Quang hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản là CO2 và H2O dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng Mặt Trời và

sự tham gia của sắc tố diệp lục

- Xét về bản chất của quá trình biến đổi năng lượng trong quang hợp

có thể định nghĩa: Quang hợp là quá trình biến đổi quang năng thành hóa năng xảy ra ở thực vật.

- Xét về bản chất hóa học thì quang hợp là quá trình oxi hóa khử, trong

đó CO2 được khử thành sản phẩm quang hợp

1.2 Phương trình tổng quát của quang hợp

+ Phản ứng tổng quát chung của quang hợp được viết:

CO2 + H2O [CH2O] +O2

Sản phẩm quan trọng nhất của quang hợp là đường glucozơ Để tổng hợp 1 phân tử glucozơ phải cần 6 phân tử CO2 và 6 phân tử H2O nên ta có phương trình tổng quát của quang hợp

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2

+ Quả trình quang hợp được chia làm 2 pha: pha sáng và pha tối

12 H2O 12[H2] + 6O2 (pha sáng )

6CO2 + 12[H2] C6H12O6 + 6 H2O (pha tối )

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2

1.3 Vai trò của quang hợp

Quang hợp của cây xanh có một vai trò vô cùng to lớn đối với hoạt động sống của mọi sinh vật trên trái đất , trong đó có con người

+ Hoạt động quang hợp cung cấp một nguồn các chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú thỏa mãn mọi nhu cầu về dinh dưỡng của moi sinh vật trên trái đất Thực vật quang hợp sản xuất ra các chất hữu cơ đáp ứng cho như cầu của chình mình và còn cung cấp cho các sinh vật khác không có khả năng quang hợp như động vật, con người… Năng lượng ánh sáng được tích lũy vào các chất hữu cơ lại được các sinh vật sử dụng cho các hoạt động sống của mình

+ Hoạt động quang hợp bảo đảm sự cân bằng tỉ lệ O2/CO2 trong khí quyển thuận lợi cho các hoạt động sống của mọi sinh vật Tất cả sinh vật đều hấp thụ O2 để hô hấp và lại thải CO2 vào khí quyển Ngoài ra, hoạt động phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, sự đốt cháy nhiên liệu trong các nhà máy, các phương tiện giao thông cũng thải một lượng lớn CO2 đáng kể vào môi trường Ngược lại thế giới thực vật do hoạt động quang hợp hấp thụ CO2 trong khí quyển và thải O2 ra khí quyển, sự trao đổi khí O2 và CO2 ngược chiều nhau giữa hai quá trình đó đã bảo đảm một sự cân bằng khá ổn định

về nồng độ Oxi và cacbonic trong khí quyển: nồng độ O2 ổn định ở mức 21% và CO2 là 0,03% Nếu hoạt động quang hợp giảm sút thì nồng độ trong khí quyển CO2 tăng lên rất nguy hiểm cho sự sống của các sinh vật.Chính vì vậy, cây xanh có vai trò quan trọng là làm trong sạch không khí

• Đối với con người quang hợp có vai trò vô cùng to lớn nữa là:

+ Vai trò quang trọng bậc nhất của quang hợp là ở chỗ nhờ có quá trình này mà năng lượng Mặt Trời đã chuyển thành năng lượng hóa học dự trữ cần thiết cho tất cả các sinh vật trên Trái Đất Người ta đã tính toán thấy rằng thực vật ở dưới nước và trên cạn của thực bì tự nhiên hằng năm tạo ra gần 110 tỉ tấn hữu cơ (trong đó con người khai thác sử dụng gần 80 triệu tấn ) và tổng sản lượng của thực vật trồng trọt hằng năm là 10 tỉ tấn.

+ Cung cấp một nguồn nguyên liệu rất phong phú cho mọi nhu cầu của con người trên trái đất Hiện tại, nguồn năng lượng con người sử dụng chủ yếu lấy từ than đá, đầu mỏ, củi, than bùn… Hiện nay con người có sử dụng nguồn năng lượng nguyên tử hoặc ánh sáng, gió… nhưng chưa thể thay thế được than đá và dầu mỏ…

Thực vật quang hợp

(Năng lượng Mặt Trời)

CO2 + H2O [ CH2O] + O2

Hô hấp thực vật, động vật,

Vi sinh vật, quá trình

phân giải, đốt cháy

Hình 1 – Chu trình CO2 và O2 trong tự nhiên.

Hình 2: Chu trình CO2 và O2 trong thực vật

+ Hoạt động quang hợp của thực vật đã cung cấp cho con người một nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho công nghiệp như công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá, công nghiệp đường… Sự phát triển của các ngành công nghiệp này hoàn toàn phụ thuộc vào sản phẩm của thực vật, tức là sản phẩm quang hợp

+ Với sản xuất nông nghiệp thì quang hợp quyết định 90 95% năng suất cây trồng Do vậy, muốn cây trồng đạt năng suất cao thì phải điều chỉnh hoạt động quang của chúng bằng các biện pháp kĩ thuật canh tác hợp lí

Tóm lại, quang hợp là một quá trình độc nhất có khả năng biến những chất không ăn được thành những chất ăn được, một quá trình mà tất cả các hoạt động sống đều phụ thuộc vào nó Hay nói cách khác, nguồn gốc của tất

cả nền văn minh hiện nay của loài người đều sản sinh từ công thức đơn giản của quang hợp

II Cấu trúc và chức năng của bộ máy quang hợp

2.1 Lá là cơ quan quang hợp

2.1.1 Hình thái của lá

- Lá thường có dạng bản và mang đặc tính hướng sáng rõ rệt nên luôn luôn vận động sao cho mặt phẳng của lá vuông góc với tia sáng Mặt Trời để nhận được nhiều nhất năng lượng ánh sáng

- Lá của đa số cây hạt kín gồm 3 bộ phận chính: phiến lá, cuống lá, bẹ lá.+ Phiến lá: Là một bản mỏng, rộng, màu lục, gồm các tế bào thịt lá chứa nhiều lạp lục

Lá có 2 mặt: mặt trên và mặt dưới, trên phiến lá có các gân nổi lên làm

Hình 9: Cấu tạo của lá

+ Gân song song hay gân hình cung: Đặc trưng cho các cây một lá mầm

+ Gân hình mạng: Đặc trưng cho các cây hai lá mầm

+ Gân hình mạng lông chim

+ Gân hình mạng chân vịt: Các gân lá từ đầu ngọn cuống lá xòe ra như bàn tay

Hinhf gaan las

+ Cuống lá: Hình trụ, hơi lõm ở phía trên, là phần nối lá với thân hoặc cành Ở một số cây, lá không có cuống nên gốc lá đính trực tiếp vào thân( như

lá dứa )

+ Bẹ lá: Một phần gốc cuống lá phình to thành bẹ lá ôm lấy thân (lá cau, lúa, mía…) Một số họ cây (như họ lúa, họ hoa tán…) có bẹ lá, nhưng nhiều cây lá không có bẹ lá

2.1.2 Giải phẫu của lá

- Mô đồng hóa, nơi xảy ra quá trình quang hợp là mô giậu và mô xốp

( mô khuyết)

Hình 11: Sơ đồ giải phẫu của lá.

+ Mô giậu có từ 1 đến 2 lớp tế bào hình chữ nhật dài, trong chất tế bào

có rất nhiều lạp lục Trong tế bào, các hạt diệp lục thường xếp theo chiều dọc

tế bào và ngay cả các tế bào mô giậu cũng được sắp xếp thành một hàng theo trục dài thẳng đứng, nhờ đó chúng hấp thụ ánh sáng một cách có hiệu quả Giữa các tế bào mô giậu vẫn có những khoảng gian bào nhỏ, đó là nơi dự trữ CO2 cần thiết cho quang hợp Đây gọi là lớp mô đồng hóa của lá

+ Mô xốp (mô khuyết): Gồm những tế bào đa giác, cạnh tròn, không đều, sắp xếp rời rạc, để hở ra nhiều khoảng trống chứa khí, các khoảng trống

đó thông với phòng chứa khí Với lối cấu tạo này, mô xốp đã thực hiện chức năng trao đổi khí giữa cây với môi trường

Tế bào mô xốp có ít lục lạp hơn tế bào mô giậu nên quá trình quang hợp ở mô xốp xảy ra yếu hơn mô giậu Và cũng vì vậy mà mặt trên lá thường

có màu sẫm hơn mặt dưới lá

Giữa mô giậu và mô xốp có những tế bào thâu góp, hình đa giác, chứa

ít lạp lục hơn các tế bào khác của mô xốp, thực hiện chức năng thâu góp các sản phẩm của quang hợp, chuyển tới libe của gân lá

Như vậy, mô giậu chủ yếu thực hiện chức năng đồng hóa, còn mô xốp

có thể coi là một mô vận chuyển: chuyển các sản phẩm tạo thành trong quang hợp vào khí quyển

Ngoài ra lá còn có các bó dẫn làm thành nên gân lá, gồm gân chính ở giữa và các gân con thực hiện chức năng dẫn truyền nước và muối khoáng cho quá trình quang hợp và dẫn các sản phẩm quang hợp đến các cơ quan khác Cuối cùng là hệ thống dày đặc các khí khổng ở mặt trên và mặt dưới lá giúp cho CO2, O2, H2O đi vào và đi ra khỏi lá một cách dễ dàng

Ngoài protein và lipit, các sắc tố quang hợp gồm diệp lục và carotenoit cũng được sắp xếp một cách có định hướng trên màng thilacoit.

Chức năng của thilacoit là thực hiện biến đổi quang năng thành hóa năng thực hiện pha sáng của quang hợp

Đối với một số thực vật nhiệt đới (thực vật thuộc ngóm C4), lục lạp có 2 loại lục lạp của tế bào mô giậu có grana phát triển đầy đủ và phần lớn ở dạng bản mỏng (thilacoit) Trong hạt lục lạp này có chứa nhiều hạt tinh bột lớn

+ Cơ chất (stroma) là không gian còn lại trong lục lạp Nó không chứa sắc tố nên không mang màu Đây là chất nền nửa lỏng mà thành phần chính là protein, các ezim của quang hợp và các sản phẩm trung gian của quá trình quang hợp Tại đây, xảy ra các chu trình quang hợp tức là thực hiện pha tối của quang hợp

Hình 12: Sơ đồ cấu trúc của lục lạp thực vật bậc cao.

2.2.2 Hình thái, số lượng, kích thước của lục lạp.

- Hình thái của lục lạp: Lục lạp có hình thái rất đa dạng

Ở các loài thực vật bậc thấp (các loại rong, tảo…) vì không bị ánh sáng Mặt Trời trực tiếp thiêu đốt quá nóng, nên lục lạp của chúng có nhiều hình

Ở các loài thực vật bậc cao, lục lạp thường có hình bầu dục để thuận tiện cho quá trình tiếp nhận ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng Mặt Trời quá mạnh, lục lạp có khả năng xoay bề mặt tiếp xúc nhỏ nhất của mình phía ánh sáng.

- Số lượng của lục lạp: Số lượng lục lạp trong tế bào rất khác nhau ở các loài thực vật khác nhau

VD : + Đối với tảo mỗi tế bào chỉ có 1 lục lạp

+ Đối với thực vật bậc cao, mỗi tế bào của mô đồng hóa có thể có

từ 20 đến 100 lục lạp

Ở lá thầu dầu, 1mm2 có từ 3.107-5.107 lục lạp với tổng diện tích bề mặt của chúng lớn hơn diện tích lá Do đó, diện tích tiếp nhận ánh sáng bên trong lá rất lớn, tạo điều kiện cho hoạt động quang hợp xảy ra mạnh

- Kích thước của lục lạp: Đường kính trung bình của lục lạp 4-6 micromet, dày 2-3micromet Những cây ưa bóng thường có số lượng, kích thước lục lạp

và hàm lượng sắc tố trong lục lạp lớn hơn những cây ưa sáng

Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch chỉ ở trong các tế bào nằm cạnh

bó mạch dẫn Chúng có cấu trúc thilacoit kém phát triển, nhưng lại chứa rất nhiều hạt tinh bột Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch thực hiện chu trình C3 khử CO2 của quang hợp

Thực vật C3 gồm đa số cây trồng như lúa, đậu, cam, chanh, khoai tây… chỉ có một loại lục lạp chứa trong mô giậu và mô khuyết tương tự như lục lạp của tế bào thịt lá của tế bào thực vật C4 lục lạp này thực hiện chu trình C3 quang hợp.

- Thành phần có chức năng quang trọng nhất là các sắc tố quang hợp bao gồm sắc tố xanh (diệp lục) và nhóm sắc tố vàng, da cam (caroteroit)

- Lạp lục là bào quan có chứa axit nudeic (AND và ARN) với riboxom chứa trong lạp lục, AND và ARN tạo nên tổ hợp có khả năng tổng hợp protein riêng nhiều đặc tính di truyền dược di truyền qua lạp lục gọi là di truyền tế bào chất

2.2.5 chức năng của lạp lục

- Lục lạp thực hiện quá trình quang hợp tức là biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tích lũy trong các chất hữu cơ Pha ánh sáng được thực hiện trong thilacoit Còn pha tói được thực hiện trong cơ chất của lạp lục

- Thực hiện di truyền tế bào chất, di truyền một số tính trạng ngoài nhân

vì nó có AND và ARN riêng cho lạp lục

Như vậy, lạp lục là trung tâm hoạt động sinh học và hóa học mà quá trình quang hợp là một trong những quá trình trao đổi chất quang trọng nhất.

2.3 Cấu tạo và chức năng của các hệ sắc tố:

2.3.1 Cấu tạo và chức năng của nhóm sắc tố xanh- diệp lục

a, Cấu trúc của diệp lục

- Có 5 loại diệp lục: a, b, c, d, e Ở thực vật thượng đẳng chỉ có hai loại diệp lục a và b; còn diệp lục c, d, e có trong vi sinh vật, rong, tảo

- Công thức phân tử của diệp lục a và b:

Diệp lục a: C55H72O5N4Mg

Diệp lục b: C55H70O6N4Mg

- Về công thức cấu tạo, phân tử diệp lục chia ra hai phần: nhân diệp lục (vòng Mg-pocphirin) và đuôi diệp lục

+ Nhân diệp lục là phần quan trọng nhất trong phân tử diệp lục, gồm 1

nguyên tử Mg ở trung tâm liên kết với 4 nguyên tử N của 4 vòng pyrol tạo nên một vòng Mg-pocphirin rất linh hoạt, 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng cầu nối metyl (-CH =) để tạo nên vòng porphyrin với nguyên tử Mg ở giữa,

Hình 13: Công thức cấu tạo của diệp lục a

có liên kết thật và giả với các nguyên tử N của các nhân pyron, hai nguyên tử

H ở nhân pyron thứ 4, vòng xiclopentan và gốc rượu phyton

Điều quan trọng nhất của phần này là nó có hệ thống nối đôi đơn cách đều tạo nên phân tử diệp lục có hoạt tính quang hóa mạnh Khả năng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc số lượng liên kết đôi trong phân tử Trong hệ thống liên kết đó tồn tại một đám mây electron π rất linh động, có năng lượng liên kết rất nhỏ nên

dễ dàng bị kích động khi tiếp nhận năng lượng liên kết rất nhỏ nên dễ dàng bị kích động khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng để bật ra khỏi quý đạo cơ bản của mình Đây là trạng thái kích thích của phân tử diệp lục khi nhận năng lượng ánh sáng

+ Đuôi phân tử diệp lục: Diệp lục có đuôi rất dài gồm có gốc rượu phitol có 20 nguyên tử cacbon Đuôi diệp lục có tính ưa lipit nên có vai trò định vị phân tử diệp lục tên màng thilacoit vì màng quang hợp có tính lipit

- Quang phổ hấp thụ của clorophin: Trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 – 700nm) có hai vùng hấp thụ của clorophin: xanh lam (430nm) và

đỏ (662nm) Màu lục đặc trưng của clorophin là do kết quả của sự hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lam và đỏ

Năng lượng của lượng tử ánh sáng được clorophin hấp thụ dã kích thích phân tử clorophin và các dạng của phân tử sắc tố dã truyền năng lượng cho nhau, tạo nên các hiện tượng huỳnh quang và lân quang

Cuối cùng các năng lượng tích lũy được bởi các phân tử clorophin đã được chuyển cho các phản ứng quang hóa và được biến thành dạng năng lượng hóa học

b, Tính chất vật lí và tính chất hóa học của clorophin

- Clorophin không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ (như ete, brom…) vì vậy khi muốn tách clorophin ra khỏi lá xanh, người ta thường dùng ete, rượu hoặc axeton

- Clorophin là este của axit dicacboxilic C32H30ON4Mg(COOH)2với hai loại rượu là phyton (C20H39OH) và metanol (CH3OH) nên công thức của clorophin có thể viết như sau:

COOCH3 COOCH3 C32H30ON4Mg + 2HCl C32H32ON4 + MgCl2 COOC20H39 COOC20H39

Nếu cho pheophytin tiếp tục tác dụng với một kim loại khác thì kim loại này lại thay thế vị trí Mg lúc đầu và tạo nên hợp chất có màu xanh rất bền:

COOCH3 COOCH3 C32H32ON4 + Cu(CH3COO)2 C32H32ON4Cu

+ CH3COOH

- Sự mất màu của clorophin: clorophin ở trong tế bào không bị mất màu vì nằm trong phức hệ với protein và lipoit Nhưng dung dịch clorophin ngoài ánh sáng và trong môi trường có O2 thì sự mất màu xảy ra do nó bị oxi hóa dưới tác dụng của ánh sáng:

Hình14: Quang phổ hấp thụ ánh sáng của clorophin a và b

Năng lượng của lượng tử ánh sáng được clorophin hấp thụ đã kích thích phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau, tạo nên các hiện tượng huỳnh quang và lân quang.

Cuối cùng các năng lượng tích lũy được bởi các phân tử clorophin đã được chuyển cho các phản ứng quang hóa và được biến thành dạng năng lượng hóa học và được biến thành dạng năng lượng hóa học

c, Vai trò của diệp lục

- Hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời Nhờ cấu trúc đặc trưng của phân tử diệp lục mà nó có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng và chuyển thành dạng kích thích của diệp lục

- Di trú năng lượng (vận chuyển năng lượng) vào trung tâm phản ứng Từ phân tử diệp lục hấp thụ ánh sáng đầu tiên cho đến trung tâm phản ứng của quang hợp phải qua một hệ thống cấu trúc trong màng thilacoit gồm rất nhiều phân tử diệp lục khác nhau Năng lượng ánh sáng phải truyền qua các phân tử diệp lục để đến được trung tâm phản ứng

- Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tại trung tâm phản ứng

2.3.2 Nhóm sắc tố vàng - Carotenoit

a, Cấu tạo Caroten

Đây là nhóm sắc tố vàng đến tím đỏ Chúng được cấu tạo theo mạch nối đôi thẳng gồm 40 nguyên tử cacbon và 56 nguyên tử hiđro Là các sắc tố luôn đi kèm với diệp lục nên gọi là sắc tố “vệ tinh” của diệp lục và tỉ lệ diệp lục carotenoit thường bằng 3/1

Nhóm carotenoit được chia thành 2 nhóm theo cấu tạo hóa học: caroten và xantophil

Caroten (C40H56) là một loại hiđro chưa bão hòa, chỉ tan trong dung môi hữu cơ Công thức cấu tạo gồm một mạch cacbon dài gồm 8 gốc izopren và hai đầu là một hoặc hai vòng ionon.Trong thực vật thường có 3 loại: α, β, γ

caroten Nếu cắt đôi phân tử caroten ta có 2 phân tử vitamin A, nên caroten được xem là tiền đề vitamin A.Có rất nhiều cơ quan thực vật có hàm lượng caroten (vitamin A) rất cao như quả gấc, đu đủ chín, củ cà rốt… Đây là nguồn vitamin quan trọng cung cấp cho con người

Bước sóng hấp thụ caroten ở 446 - 476 nm

- Xantophin: C40H56On (n = 1- 6) là dẫn xuất của caroten Vì nguyên tử õi

có thể là 1 đến 6 nên có nhiều loại xantophin: kriptoxanthin (C40H56O), lutein (C40H56O2), violaxanthin (C40H56O4),…Các nguyên tử oxi liên kết trong các nhóm: hiđroxi, keto, epoxi, cacboxi, axetoxi hoặc metoxi,…

Quang phổ hấp thụ của xantophin ở bước sóng: 451- 481nm

Hình 15: Phổ hấp thụ của α- caroten và xan tophin

Hình 16: Cấu trúc của β – caroten

Trong thực vật thường có 3 loại: α, β, γ caroten Nếu cắt đôi phân tử caroten ta có 2 phân tử vitamin A, nên caroten được xem là tiền đề vitamin A.Có rất nhiều cơ quan thực vật có hàm lượng caroten (vitamin A) rất cao như quả gấc, đu đủ chín,củ cà rốt… Đây là nguồn vitamin quan trọng cung cấp cho con người

Bước sóng hấp thụ caroten ở 446-476 nm

- Xantophin: C40H56On (n = 1- 6) là dẫn xuất của caroten Vì nguyên tử oxi có thể là 1 đến 6 nên có nhiều loại xantophin: kriptoxanthin (C40H56O), lutein (C40H56O2), violaxanthin (C40H56O4),…Các nguyên tử oxi liên kết trong các nhóm: hiđroxi, keto, epoxi, cacboxi, axetoxi hoặc metoxi,…

Quang phổ hấp thụ của xantophin ở bước sóng: 451- 481nm

Khả năng hấp thụ ánh sáng của carotenoit là do hệ thống liên kết đôi, đơn quyết định

Nhóm carotenoit được chia thành hai nhóm nhỏ theo tính chất sinh lí của chúng:

+ Carotenoit sơ cấp là các sắc tố có tham gia quang hợp và bảo vệ cho diệp lục

+ Carotenoit thứ cấp gồm các sắc tố có trong các cơ quan tạo màu sắc của hoa, quả, cơ quan già, cơ quan khi bị bệnh hoặc thiếu dinh dưỡng Chúng không tham gia quang hợp.

b, Vai trò của carotenoit

- Carotenoit có vai trò là lọc ánh sáng và bảo vệ cho diệp lục khỏi bị phá hủy khi cường độ ánh sáng cao Vì vậy, chúng bao giờ cũng nằm cạnh diệp lục

- Vai trò quan trọng nhất của carotenoit là tham gia quá trình quang hợp Carotenoit không có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng hấp thu mà chúng chỉ hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời rồi truyền năng lượng ánh sáng này cho diệp lục để phân tử diệp lục biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học Trong lục lạp, carotenoit nằm sát cạnh diệp lục nên hiệu suất truyền năng lượng là rất cao, có thể đạt gần 100%

Caroten + hv Caroten* + Diệp lục Diệp lục * + carotenDiệp lục ở trạng thái kích thích (*) sẽ tham gia vào quang hợp

- Xantophin tham gia vào quá trình phân li H2O và thải O2 thông qua sự biến đổi từ violaxanthin (C40H56O4) thành lutein (C40H56O2)

Về sự hình thành nhóm carotenoit, có giả thuyết cho rằng: có sự hình thành nhóm carotenoit từ các sản phẩm phân hủy của clorophin (ở những cơ quan già hoặc thiếu dinh dưỡng khoáng)

2.3.3 Nhóm sắc tố xanh ở thực vật bậc thấp: phycobilin

a, Cấu tạo của phycobilin

- Nhóm sắc tố này rất quan trọng đối với tảo và các nhóm thực vật bậc thấp sống ở nước Nhóm sắc tố này thích nước, trong tế bào chúng liên kết với protei, nên có tên gọi là biliprotein hay phycobiliprotein, gồm phycoerythrin (C34H47N4O8) và phycoxyanin(C34H42N4O9)

- Công thức cấu tạo của nhóm sắc tố này gồm 4 vòng pyron xếp

Hình 17: Cấu trúc của phycoerythrin

Quang phổ hấp thụ của nhóm sắc tố này ở vùng ánh sáng lục và vàng Quang phổ hấp thụ cực đại trong dung dịch clorofooc của phycoxyanin ở

612 nm

b, Vai trò của phycobilin

Phycobilin có vai trò là có thể hấp thụ được những tia sáng vàng, lục mà các thực vật sống trên mặt nước không hấp thụ hoặc hấp thụ được rất ít

Lượng tử ánh sáng do phycobilin hấp thụ sẽ được chuyển đến clorophin

để sử dụng cho quá trình quang hợp với hiệu suất cao

2.3.4 Nhóm antoxyan – Các sắc tố dịch bào

a, Cấu tạo của antoxyan

- Ngoài các sắc tố làm nhiệm vụ quang hợp, trong cây xanh còn có các sắc

tố trong dịch bào màu đỏ, xanh, tím… hợp thành nhóm sắc tố antoxyan

- Antoxyan là loại glicozit trong đó gốc gluco hay gamno liên kết với aglinco màu Nó có cấu tạo giống với flavon và catexin

- Quang phổ hấp thụ của antoxyan bổ sung cho quang phổ hấp thụ của clorophin Khi hấp thụ quang tử ánh sáng, nó biến thành năng lượng quang

tử thành dạng nhiệt năng, sưởi ấm cho cây Điều này giải thích tại sao những cây vùng lạnh lại có màu sắc sặc sỡ.

b, Vai trò của antoxyan

- Antoxyan làm tăng quang hợp do tăng hàm lượng CO2 trong gian bào

- Antoxyan làm tăng khả năng giữ nước của tế bào khi bị hạn và gió khô

III Cơ chế quang hợp

3.1 Pha sáng

Pha sáng của quang hợp xảy ra trong hệ thống thilacoit, nơi chứa các sắc tố quang hợp Bao gồm các phản ứng đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích, đến các quá trình di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng và cuối cùng từ đây năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học

Pha sáng có thể chia làm hai giai đoạn : Giai đoạn quang vật lí và

giai đoạn quang hóa học

3.1.1 Giai đoạn quang vật lí

- Giai đoạn quang vật lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử clorophin Theo lí thuyết thì: Tỉ lệ giữa số photon chiếu xuống vật thể và số phần tử của vật thể bị kích động bằng 1, nhưng trong thực tế tỉ lệ này thường lớn hơn nhiều

Năng lượng của lượng tử ánh sáng phụ thuộc vào tần số dao động của bức

xạ và được tính theo công thức sau:

E= hv=hC/λ

Trong đó E: Năng lượng photon ( tính bằng J)

h: Hằng số planck (6.625.10 -34 J.s)

v: Tần số bức xạ( 1/s)

λ : Độ dài bức sóng(nm)

1J = 6.25.1018 eVTheo đây ta có thể tính được năng lượng của một photon:

E= 1242:λ.(eV)Thông thường E được biểu thị bằng kcalo/mol của chất hấp thụ ánh sáng Độ lớn năng lượng của photon do một chất hấp thụ (6.1023) khi chiếu ánh sáng có độ dài sóng nhất định, được gọi là Einstein (E) E ở quang phổ

có độ dài sóng khác nhau thì khác nhau

Ví dụ: λ= 700nm thì E = 40.8 kcalo/mol

λ= 400nm thì E = 71 kcalo/molMức năng lượng của điện tử (e) lớn hay nhỏ phụ thuộc vào năng lượng quang tử (lượng tử hay photon) mà nó hấp thụ Nếu năng lượng của quang tử càng lớn thì e nhảy ra càng xa quỹ đạo càng xa, nghĩa là nó có mức năng lượng càng cao Thời gian tồn tại của e trên mức năng lượng kích thích phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau

thái không bền), nếu như khi chuyển e lên mức năng lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử Quang phổ hấp thụ trong trường hợp này tương ứng với một vạch và được kí hiệu là S(π, π*)

Sự chuyển e từ trạng thái về các trạng thái khác thể hiện rõ qua các hiệ tượng huỳnh quang và lân quang của phân tử clorophin Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là đặc điểm quang học của nhiều chất

+ Huỳnh quang là sự phát sáng ngắn hạn và tắt đi đồng thời với sự tắt nguồn sáng kích thích

+ Lân quang là sự phát sáng dài hơn và còn tiếp tục sáng sau khi nguồn sáng kích thích đã tắt

Nguyên nhân của hiện tượng huỳnh quang là do năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ khi chuyển e từ trạng thái kích thích singlet về trạng thái cơ sở Thời gian huỳnh quang của phần lớn các phân tử hữu cơ là 10-9-

10-6s Làm mất hoạt tính của trạng thái kích thích còn xảy ra bằng con đường không phát ra tia sáng, gọi là con đường không bức xạ Trong trường hợp này, năng lượng của photon được e hấp thụ có thể được biến đổi thành dạng nhiệt Có thể có sự truyền không bức xạ từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet Người ta thấy trạng thái triplets chủ yếu được hình thành bằng con đường này.

Từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở có thể xảy ra con đường bức

xạ hoặc không bức xạ Chính sự chuyển từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ

sở bằng con đường bức xạ (con đường phát ra sóng điện từ), tạo ra hiện tượng lân quang Trong quá trình chuyển này có sự đổi dấu spin e và thời gian sống của e khi lân quang dài từ 10-3-10-1s

Như vậy rõ ràng huỳnh quang và lân quang đều là những dạng năng lượng do kết quả của quá trình làm mất hoạt tính của phân tử clorophin bằng con đường bức xạ Dạng năng lượng này chỉ được sử dụng khi nó được các sắc tố khác hấp thụ Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là hiên tượng truyền năng lượng giữa các sắc tố

Quá trình biến đổi trang thái của sắc tố ở giai đoạn quang vật lí có thể tóm tắt như sau:

trạng thái kích thích

Clorophin ở

Clorophin ở trạng thái bền

Sau khi hoàn thành giai đoạn quang vật lí, clorophin tham gia vào giai đoạn quang hóa học

Hình18: các trạng thái kích thích của điện tử của phân

tử diệp lục khi tiếp nhân năng lượng của lượng

tử ánh sáng.

S0: Quỹ đạo cơ bản

S1: Trạng thái kích thích singlet khi hấp thụ ánh sáng xanh

S2: Trạng thái kích thích singlet khi hấp thụ ánh sáng đỏ

T: Trạng thái kích thích triplet

2.1.2.Giai đoạn quang hóa học

Giai đoạn này gồm hàng loạt các phản ứng hóa học đây là giai đoạn clorophin sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để hình thành nên các hợp chất dữ trữ năng lượng và các hợp chất khử Giai đoạn này gồm có quá trình quang hóa khởi nguyên, quá trình quang phân li H2O và quá trình photophorin hóa vòng và không vòng:

1 Quá trình quang hóa khởi nguyên

Đây là quá trình hình thành thuận nghịch clorophin khử bởi các phản ứng sáng 1 và phản ứng sáng 2 Có thể tóm tắt quá trình này như sau:

+ Quang khử clorophin và oxi hóa chất cho e: