Bài giảng về hóa học đường và tinh bột phần i

1.Khái quát về quang hợpNhững hiểu biết đầu tiên về sự quang hợp Joseph Priestley Anh vào năm 1772 đã làm thí nghiệm : dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và bên kia đ

HOÁ HỌC ĐƯỜNG & TINH BỘT

SỰ HÌNH THÀNH ĐƯỜNG &TINH BỘT TRONG TỰ NHIÊN

1.Khái quát về quang hợp

Những hiểu biết đầu tiên về sự quang hợp

Joseph Priestley (Anh) vào năm 1772 đã làm thí nghiệm : 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 ở chung với nhau thì chúng đều sống

 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.

Trước đây, các nhà khoa học cho rằng oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp là từ CO 2 , nhưng ngày nay người ta biết rằng O 2 là từ sự phân ly của những phân tử nước.

 2H2O +sun 4 ion H+ + 4 điện tử + O2

 Đồng thời 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:

CO2 + 4 ion H+ + 4 điện tử (CH2O) + H2O

 Tóm tắt hai phương trình trên:

CO2 + 2H2O (CH2O) + H2O + O2

Cây xanh

Cây xanh

Cây xanh

 Một trong những sản phẩm của quang hợp là glucoz, một đường 6C nên có thể tóm tắt như sau:

 6CO2 + 12 H2O + ánh sáng, diệp lục tố

6O2 + C6H12O6 + 6H2O

 Trong quang hợp, các phản ứng oxy hóa khử dùng năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu năng lượng Có nghĩa là, 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, đồng thời năng lượng

từ ánh sáng mặt trời được dự trữ trong quá trình này Trong sự quang hợp, quan trọng nhất là 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.

1 Tầng biểu bì trên; 2 Mô dậu; 3 Mô xôp; 4 Tầng biểu bì dưới; 5 Cuticun; 6 Tế bào bảo vệ; 7 Lỗ khí; 8.Gân lá

Cấu tạo của

lá (cắt ngang)

a) Nhìn tổng thể;

b) Cắt dọc qua tâm

1 Tế bào biểu bì; 2 Vách trong

mỏng của tế bào bảo vệ; 3 Nhân

tế bào bảo vệ; 4 Lỗ khí; 5 Lục

lạp; 6 Tế bào bảo vệ

Cấu tạo lỗ khí

Cấu tạo Chlorophyll Chlorophyl gồm một đầu là phân tử porphyrin

và một đuôi hydratcabon, phân tử sắc tố có dạng mỏ neo hướng tới vùng kỵ nước của phân tử protein gắn với màng của thylakoid Chỉ

có sự sai khác của 2 phân tử chlorophyll là sự thay thế nhóm -CHO (aldehyd) trong chlorophyll b bằng nhóm - CH3 (metyl) trong

chlorophyll a

Có hai màng bao bọc lục lạp, bên trong có chứa một hệ thống màng làm thành các túidẹp thông với nhau được gọi là thylakoid Một số thylakoid có hình đĩa xếp chồng lên nhaunhư một chồng đồng xu gọi

là cột Màng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoidvà chất cơ bản của lục lạp.

Diệp lục tố và các sắc tố phụ cần thiết cho quá

trình quang hợp làm 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 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 700nm, 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 680nm.

Hệ thống quang I Phức hệ b-f Hệ thống quang II Khử NADP

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

protein có chứa FeS

 P700 bị oxy hóa và chuyển điện tử cho protein - FeS nên protein này

bị khử Sau đó điện tử từ FeS được một chất nhận điện tử kế tiếp tiếp nhận Trong mỗi chuỗi dẫn truyền điện tử chất nhận điện tử trở thành chất khử và chất cho điện tử thành chất oxy hóa 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 đó nó chuyển điện tử cho NADP+ (nicotinamid

adenin dinucleotid phosphat), chất này ở trong cơ chất

 Mỗi phân tử NADP+ có thể nhận hai điện tử từ FAD và một ion H+ từ cơ chất của lục lạp và bị khử thành NADPH NADPH ở

trong cơ chất 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

Hệ thống vận chuyển điện tử trong quang hợp

1 Màng thylakoid; 2 Phức hệ anten; 3 Enzym phân ly nước; 4

2.ATP - nguồn năng lượng của tế bào

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

 ATP + H2O enzm ADP + P + năng lượng

 ADP + P + năng lượng enzim ATP + H2O

 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).

ATP-3D ( Adenosin triphotphat)

 Các phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp thường được gọi

là quang phosphoryl hóa, đó là sự sử dụng năng lượng ánh sáng để gắn một P vô cơ vào một phân tử, thường là ADP Người ta biết rằng sự hấp thu năng lượng ánh sáng và sự phosphoryl hóa là

những phản ứng riêng biệt Quá trình biến năng lượng ánh sang thành năng lượng hóa học trong tổng hợp ATP được trình bày ở ví

dụ sau:

Phản ứng trung tâm chlorophyl đưa năng lượng hóaánh sáng điện tử cho đến điện tử nhận và khử nó.Chlorophyl oxy hóa sau khi đa lấp đầy hố điện tử

bằng sự oxy hóa phân tử chất cho.

1 Điện tử cho; 2 Phân tử chlorophyll bị kích thích;3 Điện tử nhận;

4.Chlorophyll oxy hóa; 5 Chất nhận bị khử; 6.Chất cho oxy hóa;

7 Chất nhận bị khử

Sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học.

3.Chu trình Calvin -Benson

+Mclvin Calvin và cộng sự đa phát hiện ra bước đầu tiên, nên gọi là chu trình Calvin

+Họ nghiên cứu sự quang hợp của tảo và đã sử dụng carbon dioxyt

phóng xạ (14CO2)

+Họ đã phát hiện ra đầu tiên có sự gắn một phân tử đường có 5 carbon

là ribuloz 1,5-biphosphate (RuBP), ngay sau đó phân ly tạo thành 2 phân tử phosphoglycerate (PGA) Một trong 2 phân tử có nguyên tử carbon phóng xạ

Bước cơ bản của chu trình Calvin

Người ta đa tóm tắt chu trình Calvin theo 3 bước sau:

 1) Chu trình bắt đầu khi nguyên tử carbon từ phân tử CO2 được gắn vào phân tử 5 carbon (nguyên liệu ban đầu) Kết quả tạo thành phân tử có 6 carbon không bền

và ngay lập tức phân ly thành 2 phân tử có 3 carbon.

 2) Sau đó trải qua một loạt phản ứng, năng lượng từ

ATP và hydro từ NADP (sản phẩm của phản ứng sáng = pha sáng) đưa đến cho phân tử có 3 carbon Tiếp theo là

sự khử phân tử có 3 carbon thành glucoz hoặc dùng để tạo thành các phân tử khác.

 3) Tất cả sự khử phân tử 3 carbon được dùng để tái tao nguyên liệu ban đầu có 5 carbon nhằm hoàn thành chu trình

Các bước thực hiện chu trình Calvin

 Các phản ứng để tổng hợp carbohydrat từ CO2 sử dụng ATP và NADP hay NADN (nicotiamit ađenin đinucleotit) được tạo ra

trong pha sáng thường được gọi là những phản ứng tối vì nó có thể xảy ra trong tối, chỉ cần có đủ ATP và NADP Những phản ứng này đòi hỏi những sản phẩm của pha sáng, nhưng nó không trực tiếp sử dụng ánh sáng Tuy nhiên, ở hầu hết thực vật, sự tổng hợp carbohydrat chỉ xảy ra ban ngày, ngay sau khi ATP và NADP

được tạo ra.

 Sự khử CO2 nghèo năng lượng để tạo ra đường giàu năng lượng diễn ra qua nhiều bước, mỗi bước được một enzim xúc tác

 CO2 được đưa lên một gradient năng lượng cao hơn qua một

chuỗi hợp chất trung gian không bền để tạo ra sản phẩm cuối

cùng giàu năng lượng là carbohydrat.

 Có thể giải thích tóm tắt các bước cơ bản là cố định CO2, chuyển hóa CO2 và tái tạo chất nhận của chu trình Calvin -Benson như sau

Sơ đồ chu trình

Calvin-Benson

Cứ 3 phân tử CO2 ở trung tâm, thì có 1

phân tử của hợp chất

có 3 carbon -

glycerate 3-phosphate (G3P)

được tạo thành Chú ý rằng chu trình này cần năng lượng khởi động

từ ATP và NADP, năng lượng này được phát sinh trong pha sáng Quá trình này xẩy ra trong cơ chất của lục lạp.

NADH-3D

4.Quá trình chuyển hoá của Gluxít:

Quá trình chuyển hoá gluxit trong cơ thể sinh vật là một quá trình dài và phức tạp.

Chẳng hạn, quá trình chuyển hoá glycogen tới axit cacbonic

và nước bao gồm hàng tá phản ứng, mà mỗi phản ứng được

xúc tác bằng một hệ enzym.

có thể chia quá trình làm 3 giai đoạn cơ bản sau :

1 Phân cắt glycogen bằng thuỷ phân đơn giản liên kết axetal dưới tác dụng của enzym để tạo thành glucozơ : [C 6 H 11 O 5 ]n + nH 2 O  enzim

nC 6 H 12 O 6(D-Glucozơ)

2 Giai đoạn phân tích glucozơ còn gọi là glycol phân : gồm

11 phản ứng với 11 loại enzym khác nhau

Các giai đoạn này cuối cùng cho sản phẩm tổng quát sau:

D-Glucozơ + 2HPO 2-4 + 2ADP 

OH OH

N

NN

N

NH 2

H O O

OH OH

3 Giai đoạn hô hấp :

là giai đoạn tác dụng của oxi, cũng là một hệ phản ứng phức tạp, trong đó các sản phẩm hình thành khi glycol phân bị oxi hoá.

Oxi bị tiêu thụ, oxit cacbonic và nước hình thành đồng thời giải phóng ra năng lượng

Giai đoạn cuối cùng để hình thành axit lactic là quá trình

khử axit purivic thành axit lactic.

Tác nhân khử ở đây là NADN (nicotiamit ađenin đinucleotit) hay NADP.

CH2-C-C-O + NADN + H > CH3-C C-O + NAD- + - +

 Trong khi đó, axit purivic cũng bị oxi hoá thành axit axetic dưới dạng thioeste của CoA gọi là axetyl CoA

 Axetyl CoA là sản phẩm của glycol phân sẽ đi vào chu trình hô hấp:

OH

O O

NH

N

N N

OP

O OH OH

Coenzym A -3D

5.Sự hình thành monosaccarít:

 Cây xanh tổng hợp monosaccarit từ CO2 và H2O nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời và chất diệp lục chlorophin có sẵn trong cây

xanh theo phương trình phản ứng sau:

 6CO2 + 6H2O >hv+clorophin ->C6H12O6 +6O2

Ở phản ứng trên, clorophin làm nhiệm vụ hấp thụ năng lượng ánh sáng và chuyển năng lượng đó cho các phản ứng tổng hợp.

 Chất “đồng hóa” CO2 và H2O là

ribulozơ-1,5-diphotphat(I)

 Dạng enol (Ia) của ribulozơ-1,5-diphotphat phản ứng với CO2 và H2O qua sản phẩm trung gian (II), cuối cùng

cho hai phân tử axít 3-photphat D –glixeric (III):

OH

2 2

H

HO O

2 H

OPO H

OH OH

2

OH H

CH OPO H

OH H

3

2 CH

 Nhờ năng lượng ánh sáng và nước, axít 3-photphat

glixeric (III) bị khử thành andehyt 3-photphat

D-glixeric(IV) và giải phóng oxy:

CH OPO H2 3

COOH

H OH

2 + H O H OH

CH=O

CH OPO H22

+H O + 1/2O22hv

 Một phần andehyt 3-photphat D-glixeric đồng phân hóa thành 3-photphatdihydroxiaxeton(V), rồi ngưng tụ với nhau thành fructozơ-1,6-diphotphat(VI):

OH H

V

VI

OH

2 2

H

HO O

2 H

OPO H

OH OH

2

OH H

CH OPO H

OH H

3

2 CH

CH OPO H2 3

COOH

2 + H O H OH

CH OPO H2 3 OH

OH H

H H

3photphat-d-glixeric

3-photphatdihydroxiaxeton

fructozơ-1,6-diphotphat

6.Các nhóm Gluxit:

Gluxít là một nhóm hợp chất hữu cơ quan trọng, phổ biến trong thiên nhiên, đặc biệt trong thực vật(chiếm trên 80% khối lượng khô) Gluxít được chia thành các nhóm chính sau:

+ Monosaccarit (hay monozơ): monosaccarit là gluxít không

có khả năng thủy phân thành gluxít đơn giản hơn Công thức tổng quát của monosaccarít là CnH2nOn Ví dụ

glucozơ, mannozơ, fructozơ… đều có công thức phân tử là C6H12O6.

+ Oligosaccarit(hay oligozơ): oligosaccarit là những gluxít khi bị thủy phân hoàn toàn cho từ 2-10 monosaccarít

Thuộc nhóm này có disaccarít, trisaccarít, tetrasaccarít và pentasaccarit.

Những disaccarit tiêu biểu là saccarozơ, mantozơ, lactozơ đều có công thức phân tử C12H22O11.

+Polisaccarít: Polisaccarít là những gluxít khi bị thủy

phân hoàn toàn cho rất nhiều phân tử monosaccarít

Những polisaccarít thiên nhiên thường chứa từ 100 đến

3000 monosaccarít Polisaccarít thiên nhiên tiêu biểu là

tinh bột và xenlulozơ, đều có công thức tổng quát là

(C6H10O5)n.

+Heteropolisaccarit: Heteropolisaccarit là polisaccarit

được cấu thành từ những đơn vị của 2 hoặc nhiều loại monosaccarit khác nhau.

Như vậy, đường và tinh bột đều có chung một cấu trúc

cơ bản là phân tử monosaccarít Sự hình thành

monosaccarít trong thực vật, cũng là sự hình thành tinh bột.

Hợp chất đơn giản nhất của gluxít hay

hidratcacbon là các chất đường, gọi là các

 Những saccarit phân ly ra hai monosaccarit, gọi là disaccarit, ba gọi là trisaccarit, và nhiều gọi là polysaccarit Những saccarit khi thuỷ phân cho 8 – 10 monosaccarit gọi là các oligosaccarit, cho nhiều hơn, có thể đến 1000 – 3000 đơn vị monosaccarit thuộc loại polysaccarit.

 Các saccarit chỉ gồm 1 loại monosaccarit gọi là homosaccarit (saccarit đồng loại), còn gồm nhiều loại khác nhau hay có các hợp chất không phải là saccarit gọi là hetorosaccarit (saccarit dị loại).

 Các monosaccarit còn gọi là ‘ozơ’nên ozơ được dùng làm tiếp vĩ ngữ chỉ cho các chất đường phụ thuộc vào số cacbon Nếu một

saccarit có hai cacbon gọi là biozơ, ba cacbon gọi là triozơ, bốn

cacbon gọi là tetrozơ, năm cacbon gọi là pentozơ, sáu cacbon gọi là hexozơ.

 Về mặt nhóm chức, saccarit gồm hai loại : hidroxyandehit và hidroxyxeton Saccarit là hidroxyandehit có nhóm andehit nên còn gọi là andozơ, còn hidroxyxeton có nhóm xeton nên gọi là xetozơ Trong tự nhiên thường gặp những andozơ và xetozơ có 5 và 6

cacbon, gọi là andopentozơ và andohextozơ cũng như xetopentozơ

và xetohexozơ.

 Các andohexozơ có công thức cấu tạo hoá học:

H H

H H

CH OH OH OH CH=O

2 6

5 4 3 2 1

H H

H H

CH OH OH OH

OH CH=O

2 6 5 4 3 2 1

H H H

H

CH OH OH OH OH

CH=O HO

HO

Anlozơ, Antrozơ, Glucozơ,

D(+)-Mannozơ

BETA-D-Glucose-3D

 Các xetohexozơ có công thức cấu tạo hoá học:

CH OH2

2

H

H H

CH OH OH

CH OH OH

HO HO

D-Pxicozơ, D-Fructozơ, D-Sobozơ, D-Tagalozơ

Alpha D-glucopiranose

Alpha D-glucopiranose 3D

BETA-D-Glucopiranozo

BETA-D-Glucopiranozo 3D

7.Tinh bột

 Tinh bột là sản phẩm quang hợp của cây xanh Ở trong

tế bào thực vật hạt lạp không màu là nơi tạo ra tinh bột, các glucid hoà tan kéo đến hạt lạp không màu và để

dành dưới dạng tinh bột

 Tinh bột được giữ lại trong các bộ phận của cây như củ,

rễ, quả, hạt, thân, với hàm lượng từ 2 – 70%, trong lá

thường không quá 1 – 2% Tinh bột ở dưới dạng hạt

kích thước và hình dáng khác nhau, không tan trong

nước lạnh, đun với nước thì tinh bột dần dần bị hồ hoá

và độ nhớt của dụng dịch cũng tăng lên Trong quá trình hoạt động của cây, tinh bột dưới tác động của enzym có sẵn trong cây bị cắt bỏ những đường đơn giản ở dạng

hoà tan và được chuyển đến những bộ phận khác nhau của cây

Cấu trúc hoá học của Tinh bột:

 Tinh bột được cấu tạo bởi 2 loại polysaccarid được gọi là amilozơ

và amilopectin.

Amilozơ:

 Phân tử amilozơ là một chuỗi hiện nay được biết đến hàng nghìn đơn vị -D-glucozơ nối với nhau theo dây nối (14) Quan niệm trước đây cho rằng chỉ có từ 200 – 400 đơn vị vì do quá trình chiết xuất và phân tích, mạch bị đứt Phân tử amilozơ đa số là các chuỗi thẳng rất ít phân nhánh