Chuyên đề sinh học quang hợp

Có lẻ các sinh vật sơ khai này tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp chemosynthesis, tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như

SỰ QUANG HỢP

- oOo -

I ÐẠI CƯƠNG

1 Thí nghiệm chứng minh có sự quang hợp ở thực vật

2 Sự quang hợp là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử

3 Lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp

4 Lục lạp là bào quan chính của sự quang hợp

II PHA SÁNG CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

1 Hệ thống quang I và II

2 Chuỗi dẫn truyền điện tử

3 ATP - nguồn năng lượng của tế bào

III PHA TỐI - CHU TRÌNH CALVIN_ BENSON 1 Cố định CO2 2 Chuyển hoá CO2 3 Tái tạo chất nhân IV SỰ QUANG HỢP Ở NHÓM THỰC VẬT C3,C4 VÀ CAM 1 Sự quang hợp ở nhóm C3

2 Sự quang hợp ở nhóm C4

===============================================================

SỰ QUANG HỢP

Trái đất được thành lập cách nay khoảng 4, 5 tỉ năm Các sinh vật đầu tiên xuất hiện cách nay khoảng 3,5 - 4 tỉ năm Có lẻ các sinh vật sơ khai này tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp (chemosynthesis), tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như H2, NH4, H2S, hiện nay nhóm sinh vật này vẫn còn tồn tại trong những môi trường rất đặc biệt như trong các hố xí, suối nước nóng có sulfur và các miệng núi lửa trên các sàn đại dương

Sau đó xuất hiện nhóm sinh vật có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, sự quang tổng hợp (photosynthesis), thường được gọi tắt là sự quang hợp, đây là một quá trình sinh học, chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học Các sinh vật quang hợp đầu tiên này không tạo ra oxy Về sau một số tế bào có khả năng sử dụng nước cho sự quang hợp, tạo ra O2, dần dần tích tụ trong khí quyển, một số sinh vật tiến hóa khác có khả năng sử dụng O2 xúc

tác trong các phản ứng để giải phóng năng lượng trong các phân tử thức ăn Quá trình này được gọi là sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) Sự quang hợp sử dụng CO2 và H2O tạo ra từ sự hô hấp hiếu khí và sự hô hấp hiếu khí thì sử dụng thức ăn và O2 sinh ra

từ sự quang hợp

Ngày nay hầu hết các sinh vật đều lệ thuộc trực tiếp hay gián tiếp vào sự quang hợp Sinh vật tự dưỡng (autotroph) là sinh vật tự tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô cơ

qua sự quang hợp; gồm hầu hết là các thực vật xanh Sinh vật dị dưỡng (heterotroph) là

sinh vật phải lấy thức ăn hữu cơ từ môi trường chung quanh, chúng tiêu thụ các sinh vật

tự dưỡng

I ÐẠI CƯƠNG

1772, Joseph Priestley (người Anh), làm thí nghiệm (Hình 1) dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và bên kia để một con chuột, sau một thời gian cả hai đều chết, nhưng nếu để chúng chung lại với nhau thì chúng đều sống, thí nghiệm của ông cho thấy cây tạo ra oxy, mặc dù lúc đó người ta chưa biết được các quá trình cũng như chưa biết được vai trò chính yếu của ánh sáng trong sự quang hợp

Hình 1 Thí nghiệm của Priestly

Phát hiện của ông là khởi đầu cho những nghiên cứu về sau, đến thế kỷ 19 người

ta đã biết các thành phần chính tham gia vào quá trình quang hợp là:

Trước đây, các nhà khoa học nghỉ rằng oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp

là từ CO2, nhưng ngày nay người ta biết rằng O2 là từ sự phân ly của những phân tử nước

và người ta cũng biết rằng năng lượng để tách các phân tử nước là từ ánh sáng mặt trời và được diệp lục tố hấp thu Ion H+ tự do và điện tử được tạo ra từ sự phân ly của những phân tử nước được dùng để biến đổi CO2 thành carbohydrat và các phân tử nước mới:

Tóm tắt hai phương trình trên:

Một trong những sản phẩm của quang hợp là glucoz, một đường 6C nên có thể

Phản ứng tuy đơn giản nhưng quá trình trải qua rất nhiều phản ứng, có những phản ứng cần ánh sáng (pha sáng), nhưng có những phản ứng xảy ra không cần ánh sáng (pha tối)

2 Sự quang hợp là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử TOP

CO2 là một hợp chất nghèo năng lượng, trong khi đường thì giàu năng lượng Do

đó, sự quang hợp không những là sự biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học mà còn dự trử chúng bằng sự tổng hợp chất giàu năng lượng Theo từ ngữ hóa học, năng lượng được dự trử bởi sự khử (reduction), tức là sự thêm vào một hay nhiều điện tử Quá trình ngược lại là sự oxy hóa (oxidation), là sự giải phóng năng lượng từ một hợp chất bởi sự lấy đi một hay nhiều điện tử Trước đây, từ này có nghĩa là phản ứng thêm vào hay mất đi oxy Tuy nhiên, hiện nay từ này dùng cho cả những phản ứng không có oxy tham gia Thí dụ, trong những phản ứng sinh hóa học, sự dẫn truyền điện tử thường

đi kèm theo sự trao đổi của một hay nhiều nguyên tử hydro Mối liên hệ giữa chúng được được tóm tắt trong bảng 4 Ðiểm cần chú ý là: sự khử là sự nhận điện tử, dự trử năng lượng trong chất bị khử, ngược lại sự oxy hóa là sự mất đi điện tử, giải phóng năng lượng từ chất bị oxy hóa

Bảng 1 Những phản ứng oxy hóa khử (redox reactions)*

Sự oxy hóa Sự khử

mất điện tử nhận điện tử

mất hydrogen nhận hydrogen

giải phóng năng lượng dự trử năng lượng

* McFadden 1995

Vì một điện tử được một phân tử nhận phải là được lấy đi từ một phân tử khác, có nghĩa là khi có một chất nào đó bị khử thì theo đó là chất khác bị oxy hóa Vì phản ứng khử phải đi cùng phản ứng oxy hóa với một điện tử được thêm vào chất này là được lấy

đi từ chất khác nên phản ứng này được gọi là phản ứng oxy hóa khử (redox reaction:

reduction - oxidation)

Trong các phản ứng oxy hóa khử của sự quang hợp, năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu năng lượng Nói một cách khác, ion H+ và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO2 để tạo ra hợp chất khử với đơn vị căn bản là (CH2O), và năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trử trong quá trình này Trong sự quang hợp, cần chú ý cơ chế hấp thu

và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hydro và điện tử từ nước đến CO2

Mặc dù sự quang hợp có thể xảy ra ở tất cả những phần xanh, có chứa diệp lục tố, của cây, nhưng cơ quan chính có chứa nhiều diệp lục tố là lá, nên lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp Thông thường lá cây gồm cuống lá (petiole) và phiến lá (blade) (một

số lá không có cuống, phiến lá gắn trực tiếp vào thân) Phiến lá rộng, mỏng với một hệ gân lá phức tạp

Dưới kính hiển vi, có thể thấy lá được bao bọc bởi một lớp biểu bì (epidermis), thường chỉ có một lớp tế bào, đôi khi 2 hay 3 hay nhiều hơn (Hình 2) Bên ngoài được bao phủ bởi một lớp cutin, bao cả biểu bì trên và dưới; chức năng chính của biểu bì là bảo

vệ những mô bên trong của lá, tránh mất nước, chống sự xâm nhập của nấm và các tác nhân gây hại khác Thường tế bào biểu bì không có chứa lục lạp nên không có chức năng quang hợp

Giữa hai lớp biểu bì là diệp nhục (mesophyll), các tế bào diệp nhục chứa nhiều lục lạp nên còn được gọi là lục mô, và là mô chính tham gia vào sự quang hợp của cây Diệp nhục thường chia thành hai phần: lục mô hàng rào ở phía trên (palisade

mesophyll), gồm những tế bào hình trụ xếp thẳng đứng, và lục mô xốp (khuyết) (spongy mesophyll) gồm những tế bào có hình dạng không nhất định và sắp xếp bất định

Các tế bào của cả hai phần liên kết với nhau rất lỏng lẻo và có những khoảng trống giữa chúng Những khoảng trống này thông ra bên ngoài không khí bởi những lỗ được gọi là khí khẩu (stomata), CO2 cần thiết cho quá trình quang hợp từ không khí đi vào lá qua các khí khẩu này Sự đóng mỡ của khí khẩu được điều tiết do hai tế bào khẩu nằm trên biểu

bì

Hệ gân lá (các bó mạch) phân nhánh từ cuống lá vào phiến lá làm thành bộ

khung cho phiến lá và mô dẫn truyền là đường dẫn truyền chính nối liền với các thành phần khác của cây Mỗi bó mạch gồm hai loại mô chính: mô mộc, và mô libe, vận chuyển các vật chất hữu cơ đi khắp cây Mỗi bó mạch thường được bao quanh bằng những tế bào làm thành bao (bundle sheath) Mô mộc cung cấp nước cần thiết cho sự quang hợp ở tế bào diệp nhục và sản phẩm cuối cùng là carbohydrat được chuyển đến các

tế bào khác trong cây nhờ mô libe

Hình 2 Cấu tạo của lá C3

4 Lục lạp là bào quan chính của sự quang hợp TOP

Lục lạp được hai màng bao bọc và chứa một hệ thống màng bên trong làm thành các túi dẹp thông thương với nhau được gọi là thylakoid Một số thylakoid có hình dĩa xếp chồng lên nhau như một chồng đồng xu gọi là grana Màng thylykoid ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoid và chất cơ bản của lục lạp (stroma) (Hình 9, chương 1)

Những phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp xảy ra ở trong hay ở trên màng thylakoid Những phản ứng trong pha tối của sự quang hợp xảy ra trong phần dịch của chất cơ bản bao quanh các túi thylakoid

II PHA SÁNG CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

Pha sáng của quá trình quang hợp là gọi chung các phản ứng trong đó có một số phản ứng cần sự hiện diện của ánh sáng

Diệp lục tố và các sắc tố phụ cần thiết cho quá trình quang hợp tổ chức thành hai

hệ thống quang I và II, cả hai đều ở trên màng thylakoid Mỗi hệ thống quang chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, gồm từ 5 đến 10 LHC (Light-harvesting complex), mỗi LHC

II gồm ba bán đơn vị, mỗi bán đơn vị gồm một protein, 7 phân tử chlorophyll a, 5

chlorophyll b và 2 carotenoid Mỗi hệ thống quang có một trung tâm phản ứng (reaction

center) gồm có 4 phân tử sắc tố, 4 phân tử enzim tất cả được gắn với nhau nhờ một phân

tử protein, những phân tử sắc tố khác hoạt động như những anten, hai hệ thống này hấp thu năng lượng của ánh sáng có độ dài sóng khác nhau và truyền năng lượng về trung tâm phản ứng Hệ thống quang I chứa phức hợp trung tâm phản ứng P700, vì nó không thể

hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 700 nm; hệ thống quang II chứa phức hợp trung tâm phản ứng P680, vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn

680 nm (Hình 3)

Hình 3 Hệ thống quang I và II trên màng thylakoid Khi một quang tử (photon) được một phân tử sắc tố hấp thu, năng lượng được chuyền vào một điện tử của một phân tử sắc tố, hoạt hóa điện tử này lên một mức năng lượng cao hơn (Hình 4) Trạng thái hoạt hóa này có thể đi từ phân tử sắc tố này sang phân tử sắc tố khác đến trung tâm phản ứng (Hình 5) Khi điện tử được thu nhận, phân tử

ở trung tâm phản ứng trở thành một chất có xu hướng cho điện tử, và đưa điện tử này đến một phân tử tiếp nhận điện tử chuyên biệt (acceptor molecule) Sau đó, điện tử này được vận chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử (electron-transport chain)

Hình 4 Ảnh hưởng của ánh sáng trên diệp lục tố Hình 5 Ðường đi của quang tử

Trong hệ thống quang I, phân tử tiếp nhận điện tử đầu tiên

là một protein cĩ chứa FeS P700

bị oxy hĩa và chuyển điện tử cho protein FeS nên protein này bị khử Sau đĩ điện tử từ FeS được

một chất nhận điện tử kế tiếp tiếp nhận (Hình 6) Trong mỗi chuỗi dẫn truyền điện tử chất nhận điện

tử trở thành chất khử và chất cho điện tử thành chất oxy hĩa Chất nhận điện tử thứ hai là Fd Chất nhận điện tử thứ ba trong chuỗi dẫn truyền điện tử là phức hợp FAD, sau đĩ nĩ chuyển điện tử cho

Hình 6 Sự dẫn truyền điện tử trong hệ thống quang I NADP+(nicotinamid adenin dinucleotid phosphat), chất này ở trong stroma Mỗi phân tử NADP+cĩ thể nhận hai điện

tử từ FAD và một ion H+ từ stroma của lục lạp và bị khử thành NADPH NADPH ở trong stroma sẽ là chất cho điện tử trong sự khử CO2 thành carbohydrat

Trong hệ thống quang II, trung tâm phản ứng sau khi nhận năng lượng từ những phân tử sắc tố đưa tới trở thành một chất có xu hướng cho điện tử mạnh Chất nhận điện

tử đầu tiên là Q Q chuyển điện tử vào một chuỗi dẫn truyền điện tử; đưa điện tử từ hệ thống quang II đến hệ thống quang I, nơi đã mất điện tử đã nói ở trên

Ðiện tử được chuyển từ hệ thống quang II sang hệ thống quang I cùng lúc ion H+ được bơm từ stroma vào bên trong túi của thylakoid Phân tử PQ vừa tải được điện tử vừa mang được ion H+ PQ cơ động trong màng, nó nhận 2 ion H+ và hai điện tử từ màng phía bên stroma (trở thành PQH2) và đi qua phía bên kia của màng thylakoid Phân tử dẫn truyền điện tử kế tiếp là trong chuỗi là cytochrom f, nhận điện tử từ PQH2 nhưng không nhận ion H+, do đó ion H+ vẫn ở bên trong thylakoid Sau đó điện tử được protein tải cơ động PC (plastocyanin) chuyển đến hệ thống quang I Hậu quả của việc chuyển điện tử này là sự vận chuyển tích cực của ion H+ từ stroma vào phía trong của thylakoid Nồng độ ion H+ trong thylakoid tăng (pH khoảng 4) và bên ngoài giảm đi tạo

ra một sự chênh lệch về nồng độ ion H+giữa hai bên của màng thylakoid Hơn nữa, một khuynh độ điện thế được sinh ra: stroma mất điện tích dương, trở nên có điện tích âm hơn

và trong thylakoid có chứa nhiều ion H+ trở nên có điện tích dương Sự khác biệt về điện tích và nồng độ ion H+sinh ra khuynh độ hóa điện là nguồn năng lượng cho sự tổng hợp ATP

Sau khi điện tử từ hệ thống quang II chuyển sang hệ thống quang I, thì hệ thống quang II sẽ nhận điện tử từ nước Hệ thống quang II là một phức hợp protein gồm: những sắc tố anten, trung tâm phản ứng P680, và phức hợp enzim để phân ly phân tử nước, phức hợp enzim này có chứa một nhóm gồm bốn ion mangan (cofactor) ở hoạt điểm của nó P680, sau khi chuyển điện tử đi trở thành P680+ và có xu hướng nhận điện

tử mạnh P680+ với sự trợ giúp của enzim phân ly nước và một phức hợp enzim Z lấy điện tử từ nước, giải phóng ion H+ tự do và oxy phân tử (Hình 7)

Hình 7 Sự dẫn truyền điện tử trong hệ thống quang II

Oxy là sản phẩm khí được giải phóng, khuếch tán ra khỏi tế bào, đi ra ngoài khí quyển qua khí khẩu Ion H+ ở bên trong thylakoid và tạo ra khuynh độ hóa điện xuyên màng Có thể tóm tắt đường đi của điện tử như sau:

Trình tự này cho thấy rằng điện tử cần thiết để khử CO2 thành carbohydrat là từ nước, nhưng sự vận chuyển điện tử từ nước đến carbohydrat là một quá trình gián tiếp và phức tạp Ðiện tử đi theo một con đường và không thành một vòng (noncyclic) Kết quả

của quá trình: thành lập NADPH, giải phóng oxy phân tử và sinh ra một khuynh độ hóa điện xuyên màng thylakoid

3 ATP - nguồn năng lượng của tế

Phân tử ATP (adenosin triphosphat) (Hình 8) gồm adenosin nối với ba gốc

phosphat.: Adenosin _ P ∼ P ∼ P

Hình 8 Phân tử ATP

Các nối giữa P thứ nhất và P thứ hai và nối giữa P thứ hai và P thứ ba thường được gọi là nối phosphat giàu năng lượng (high energy) Khi nối này bị thủy giải thành ADP và P sẽ phóng thích năng lượng hữu dụng ATP được thành lập và thủy giải trong

tế bào Nếu nối phosphat cuối cùng bị thủy giải thì hợp chất còn lại là ADP (adenosin diphosphat); nếu cả hai nối đều bị thủy giải thì chất còn lại là AMP (adenosin monophosphat)

Một ATP mới có thể được thành lập từ ADP và P vô cơ nếu đủ năng lượng để thành lập cầu nối phosphat vào ADP Sự thêm gốc phosphat này được gọi là sự

phosphoryl hóa (phosphorylation)