sinh lí thực vật

Định nghĩa Chúng ta có thể định nghĩa về quá trình quang hợp theo hai cách sau đây: - Trên quan điểm trao đổi chất: Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ những chất vô cơ đơn

Chương 3 QUANG HỢP

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUANG HỢP

Quang hợp là nguồn duy nhất tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ cung cấp cho mọi sinh vật trên trái đất sử dụng Quang hợp là nguồn gốc tạo ra năng suất của cây trồng, là mục đích của trồng trọt Các biện pháp kỹ thuật nhằm tăng năng suất cây trồng chỉ thực sự có hiệu quả khi tác động đến quá trình quang hợp

3.1.2 Định nghĩa

Chúng ta có thể định nghĩa về quá trình quang hợp theo hai cách sau đây:

- Trên quan điểm trao đổi chất: Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ

từ những chất vô cơ đơn giản là CO2 và H2O với sự tham gia của diệp lục và nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời

Theo Timiriazev.K.A: “Mọi chất hữu cơ dù chúng đa dạng đến đâu và có ở chỗ nào, ở thực vật, động vật và con người, đều đã đi qua lá, đã hình thành từ các chất do lá chế tạo ra Ngoài lá xanh ra hay đúng hơn là các hạt diệp lục, trong tự nhiên không có phòng thí nghiệm nào có thể tạo ra chất hữu cơ từ chất vô cơ Trong mọi cơ quan và cơ thể khác, chất hữu cơ chỉ được chuyển hóa và cải biến”

- Trên quan điểm trao đổi năng lượng: Quang hợp là quá trình biến đổi nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời mà cây hấp thu được thành dạng năng lượng hóa học tích lũy trong các hợp chất hữu cơ

Theo Kamen.M.D, “Quang hợp là quá trình cơ bản và độc nhất trong tự nhiên Trong đó cây xanh có khả năng chuyển năng lượng bức xạ ánh sáng mặt trời

ở bước sóng nhìn thấy (380 – 780 nm) thành năng lượng hóa học Nhờ năng lượng này mà CO 2 kết hợp được với H + phân ly từ nước tạo thành các hợp chất hữu cơ và thải ra khí O 2”

Theo Clayton.R.K: “Quang hợp là một chuỗi quá trình trong đó năng lượng điện tử chuyển thành năng lượng hóa học tự do, tham gia xây dựng trong quá trình sinh lý”

+ Phương trình tổng quát của quang hợp:

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Như vậy, nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời mà cây xanh đ ã biến đổi phân tử

CO2 tạo thành đường hexose Về bản chất hóa học thì quang hợp là quá trình oxi hóa khử, trong đó H2O bị oxy hóa và CO2 bị khử, năng lượng dùng cho quá trình này là quang năng và sản phẩm tạo ra là các hợp chất hữu cơ

- Quá trình quang hợp được tiến hành qua các giai đoạn sau:

Diệp lục

Năng lượng ánh sáng mặt trời

- Giai đoạn 1: Diệp lục hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển sang

trạng thái kích động điện tử, đồng thời xảy ra những biến đổi quang lý

- Giai đoạn 2: Quá trình quang hóa khởi nguyên sử dụng năng lượng lượng tử

do sắc tố hấp thu biến thành những tác nhân oxy hóa khử liên tiếp

- Giai đoạn 3: Tạo nên chất khử NADPH2 và ATP nhờ quá trình quang phosphoryl hóa Giai đoạn này xảy ra quang phân ly nước cung cấp H+, e- và O2

- Giai đoạn 4: Sử dụng NADPH2 và ATP khử CO2 tạo ra sản phẩm hữu cơ đầu tiên của quá trình quang hợp (glucose)

- Giai đoạn 5: Sử dụng các sản phẩm của quá trình khử CO2 để tổng hợp nên chất hữu cơ tiếp theo hoặc hô hấp tạo năng lượng cho tế bào hoạt động

Các giai đoạn này diễn ra qua ba quá trình: Quang lý, quang hóa và tổng hợp chất hữu cơ

Hình 3.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong cơ thể thực vật

3.1.2 Ý nghĩa của quang hợp

Quang hợp không chỉ có ý nghĩa đối với cây xanh mà còn với toàn bộ thế giới sinh vật

- Đối với đời sống thực vật, quang hợp là quá trình sinh lý quan trọng có vai trò quyết định đến mọi hoạt động sống của cây Quang hợp đã chuyển nguồn năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học để tổng hợp các hợp chất hữu cơ Các hợp chất hữu cơ sử dụng trong hô hấp tạo năng lượng dạng ATP cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể Các hợp chất hữu cơ còn sử dụng để xây dựng cấu trúc của tế bào, của cơ thể, làm nguyên liệu cho các quá trình trao đổi chất, bù đắp sự hao hụt chất hữu cơ mà cây đã tiêu dùng cho quá trình hô hấp Không có quang hợp thì thực vật không có vật chất và năng lượng để tồn tại, sinh trưởng và phát triển

- Đối với thế giới sinh vật, nhờ quang hợp mà thực vật đóng vai trò sinh vật sản xuất, tạo ra các chất hữu cơ cung cấp cho sinh vật khác sử dụng Quang hợp là nguồn duy nhất tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ để nuôi sống mọi sinh vật trên trái đất

- Đối với con người, quang hợp có ý nghĩa nhiều mặt: Quang hợp cung cấp thức

ăn, nguyên vật liệu cho sản xuất, nguồn năng lượng,… phục vụ cho đời sống con người (lương thực, thực phẩm, dược phẩm, gỗ, bông, sợi, củi, than đá, dầu mỏ, khí đốt…) Có thể nói, sản phẩm quang hợp có mặt mọi nơi và đóng vai trò quan trọng trong đời sống của con người

- Về mặt vũ trụ: Quang hợp làm sạch bầu không khí, đảm bảo cho tỷ lệ CO2/O2trong khí quyển cân bằng và ổn định, bảo vệ môi trường, điều hòa khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, ẩm độ, ) Hàng năm, quang hợp đồng hóa 174 tỷ tấn CO2, tạo ra 450 tỷ tấn glucose, tương đương 107.108 tỷ Kcalo, đồng thời giải phóng 115 tỷ tấn O2

- Về mặt khoa học: Quang hợp là con đường chủ yếu biến đổi quang năng thành hóa năng, nối liền năng lượng ánh sáng mặt trời với sự sống trên hành tinh chúng ta Có thể nói rằng, nền văn minh của xã hội loài người bắt nguồn từ quang hợp (từ lá xanh): Một đầu là nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời vô tận được hấp thu qua lục lạp của lá xanh, còn đầu kia là sự sống của muôn loài và nền văn minh của xã hội loài người

3.1.3 Sơ lược về lịch sử nghiên cứu quang hợp

Quang hợp đã được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu từ lâu, những khái niệm đầu tiên về quang hợp đã được hình thành và phát triển từ thế kỷ 18 + Năm 1771 - 1777, Priestley.J cho rằng cây xanh đã làm sạch khí bẩn do hô hấp của động vật và sự đốt cháy tạo ra Đến năm 1779, Ingenhouz.J khẳng định quan niệm của Priestley.J và bổ sung thêm rằng cây chỉ làm lành không khí khi có ánh sáng và có lá xanh Sau đó vài năm (1782 - 1783), Senebier.J đưa ra quan niệm cây xanh cần CO2 và thải ra O2 do đó làm lành không khí, ông cũng xác định tia đỏ

có tác dụng mạnh nhất đến cây xanh Như vậy, có thể xem các nhà khoa học trên là những người đầu tiên đặt nền móng cho học thuyết quang hợp, làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo

+ Đầu thế kỷ 19, Deaussure phát hiện quang hợp cần H2O làm nguyên liệu và đưa ra hệ số đồng hóa O2/CO2

+ Pelertie (1818), Berzelius (1938), Stockes (1854) đặt tên cho chất màu xanh trong lá là Chlorophyll và tách được chúng ra khỏi lá

+ Năm 1864, Sachs.J đã chứng minh sự tạo tinh bột trong quang hợp và xác định được cơ quan quang hợp là lục lạp

Cuối thế kỷ 19, khái niệm quang hợp đã hình thành nhưng vẫn còn chung sai lầm vì xem Formaldehyd là sản phẩm đầu tiên của quang hợp

+ Năm 1905, Blackman quan niệm quang hợp được tiến hành qua hai pha sáng và tối

+ Wacburg (1918) nghiên cứu phản ứng tối và vai trò của enzyme trong quang hợp

+ Năm 1932, Emerson.R và Arnold.W đưa ra đơn vị cấu trúc của quang hợp

và hiện tượng tăng hiệu quả quang hợp khi chiếu sáng xen kẽ

+ Năm 1937, Hill.R nghiên cứu quá trình quang phân ly nước và đưa ra phản ứng Hill Tiếp đó Ruben.S, Randall.M, Kamen.M và Hyde.J.L (1941) chứng minh

+ Năm 1951, Calvin.M dùng đồng vị phóng xạ lập được chu trình đồng hóa

CO2 mang tên ông (chu trình C3).

+ Năm 1954, Arnon.D.I đưa ra các sơ đồ phosphoryl hóa vòng và không vòng, sau đó ông bổ sung thêm sơ đồ phosphoryl hóa vòng giả (1969)

+ Năm 1960, Woodward.R.B và Strell.M.Z đã tổng hợp nhân tạo được Chlorophyll Cũng năm này, Hill.R và Bendall.F đưa ra sơ đồ chữ Z của pha sáng quang hợp

+ Năm 1961, Park.R và Pon.N đưa ra khái niệm quang toxom là đơn vị cấu trúc của quang hợp

+ Năm 1965, Hatch.M.D và Slack.C.R phát hiện chu trình C4 quang hợp

+ Năm 1971, Kluge phát hiện chu trình CAM ở thực vật mọng nước vùng nhiệt đới

+ Malkin (1982), Cogdell (1983) xác định hai tâm quang hợp tham gia trong pha sáng

Sự phát triển không ngừng về quang hợp gắn liền với việc hoàn thiện phương pháp và phương tiện nghiên cứu Hiện nay, các công trình nghiên cứu về quang hợp tập trung vào cơ chế nhằm mục tiêu cuối cùng là “bắt chước” quang hợp của cây xanh, xây dựng quần thể quang hợp lý tưởng cho năng suất cao và phẩm chất tốt

3.2 CÁC CƠ QUAN QUANG HỢP

Ghenhao I đã phát biểu rằng: Không phải tất cả các bộ phận của cây đều có khả năng quang hợp “làm lành không khí” ở ngoài sáng, mà chỉ có phần xanh ở thân và lá mới có khả năng ấy

Ví dụ: Ngoài lá ra, thân một số loại cây như cây xương rồng và cây cành giao

có màu xanh nên vẫn tiến hành quang hợp

3.2.1 Lá là cơ quan quang hợp

Lá có hình thái và cấu tạo rất hoàn chỉnh thích ứng với chức năng quang hợp

- Về hình thái, lá có dạng bản dẹt, có tính hướng quang ngang, nằm vuông góc với tia sáng mặt trời để nhận được nhiều năng lượng ánh sáng

- Bộ lá của cây có diện tích đủ lớn, phân bố đều theo kiểu hình dù, có nhiều kiểu mọc trên cành ( mọc so le, mọc đối ) để không che khuất lẫn nhau và tiếp xúc với tia sáng tối đa

- Bề mặt lá có nhiều khí khổng là cơ quan thoát hơi nước và tiếp nhận CO2 từ không khí Cây hai lá mầm khí khổng phân bố chủ yếu ở mặt dưới của lá, cây một

lá mầm khí khổng phân bố đều ở cả hai mặt trên và dưới của lá

- Về cấu tạo, lá có hệ thống mạch dẫn rất phát triển tạo mạng lưới dày đặc và phân bố đều khắp, nối các tế bào mô dậu với mạch dẫn của thân Đây là con đường vận chuyển nước và chất khoáng cung cấp cho lá quang hợp, đồng thời vận chuyển sản phẩm quang hợp ra khỏi lá đến cơ quan bộ phận khác Mặt lá phủ một lớp cutin bảo vệ có khả năng thấu quang tốt, mô dậu chứa nhiều lục lạp và sắc lạp, mô khuyết

có những khoảng trống chứa CO2 cung cấp cho quang hợp

Hình 3.2 Cấu tạo giải phẫu của lá

Lá đóng vai trò rất quan trọng trong quang hợp, quyết định sự sinh trưởng của cây

Timiriazev nói: “Đời sống của lá phản ánh thực chất đời sống của cây, cây chính

là lá”

3.2.2 Lục lạp là bào quan quang hợp

Lục lạp là loại lạp thể màu lục, có vai trò quan trọng đối với quá trình quang hợp của cây xanh và có hình thái cấu trúc phù hợp với chức năng của nó

* Về hình thái: Hình thái lục lạp rất đa dạng, ở thực vật bậc thấp và thực vật

thủy sinh thường có dạng hình cốc, hình sao, hình võng, ở thực vật bậc cao có dạng hình bầu dục, hình cầu

Tính đa dạng của lục lạp thể hiện sự thích nghi với môi trường sống Thực vật bậc cao do sống ở môi trường trên cạn luôn bị mặt trời thiêu đốt, lục lạp có hình bầu dục và có thể di chuyển để vừa bảo vệ vừa tăng khả năng thu nhận ánh sáng Khi cường độ ánh sáng quá mạnh lục lạp quay hướng có tiết diện nhỏ nhất về phía tia sáng để giảm bề mặt tiếp xúc và tránh sự phân hủy diệp lục Ngược lại, khi cường

độ ánh sáng yếu lục lạp quay phía có tiết diện lớn vuông góc với tia sáng tới để tăng

bề mặt tiếp xúc Đây là nguyên nhân vào những trưa hè nắng gắt, lá cây có màu xanh nhạt hơn

* Về số lượng: Số lượng lục lạp trong một tế bào thay đổi tùy loài cây, theo

trạng thái sinh lý, tuổi của cây, môi trường nơi cây sống

Ví dụ: Ở các loài tảo mỗi tế bào có khi chỉ có 1 lục lạp Ở thực vật bậc cao, mỗi tế bào của mô đồng hóa có từ 20-100 lục lạp hoặc có thể nhiều hơn Cây ưa bóng có số lượng lục lạp lớn hơn cây ưa sáng

* Về kích thước: Kích thước lục lạp cũng thay đổi khá lớn Đường kính trung

bình của lục lạp khoảng 4- 6m, dày khoảng 2- 3m Nhũng cây ưa bóng thường có kích thước lục lạp và hàm lượng các sắc tố lớn hơn cây ưa sáng Tổng diện tích bề

mặt của lục lạp lớn hơn diện tích lá, vì vậy, làm tăng khả năng thu nhận năng lượng ánh sáng cho quang hợp

* Về cấu tạo: Ngoài cùng của lục lạp là lớp màng kép lipo-protein, gồm hai màng

cơ sở cách nhau bởi một chất dịch Mỗi màng cơ sở có hai lớp protein tách biệt và một lớp lipid ở giữa Bên trong màng là khối cơ chất, thành phần hóa học chủ yếu là protein, glucid, lipid và các sản phẩm của quá trình quang hợp

Khối cơ chất bên trong có hai phần:

Phần cơ chất lỏng, nhầy, không màu (Stroma): Thành phần hóa học gồm nước, protein, lipid, acid nucleic, chất khoáng, các vitamin, ribosome, nhiều loại enzyme oxy hóa khử xúc tác cho các phản ứng cố định CO2, đáng kể là enzyme Ri.di.P-carboxylase chiếm trên 50% tổng lượng protein trong lục lạp Vai trò của stroma là trung tâm trao đổi chất, cố định và khử CO2 trong quang hợp để tạo ra chất hữu cơ Phần hạt (Grana) có màu nằm trong dịch stroma, đường kính khoảng 0,4 - 0,6m Mỗi lục lạp có 40 - 50 grana Quan sát dưới kính hiển vi thấy cấu tạo grana như một chồng đĩa gồm 5 - 20 thylacoit xếp lên nhau Chức năng sinh lý của grana

là thực hiện các phản ứng quang hóa trong quang hợp

Thylacoit là những tiểu cầu hình dẹt, dày 0,13m, có màng riêng bao bọc Thành phần của thylacoit là các sắc tố, protein, lipoid và các chất chuyền điện tử Trong mỗi thylacoit có các tiểu phần rất nhỏ hình cầu dẹt là quantoxom, đường kính 160-180 Ao, dày 100 Ao, bên trong chứa protein, lipid, sắc tố Trong sắc

tố gồm có 230 phân tử diệp lục (160 diệp lục a, 70 diệp lục b), 48 phân tử carotenoit Ngoài ra, còn có các thành phần chuyền điện tử e- như xytochrome, feredoxin, plastoquynon, các nguyên tố kim loại Mn, Cu và enzyme Khối lượng phân tử của các tiểu phần này là 2.106 Đây là đơn vị chức năng của lục lạp

Trong cơ chất còn có những thylacoid xếp riêng lẻ nối các hạt grana với nhau

Hình 3.3 Cấu trúc lục lạp Hình 3.4 Cấu trúc siêu hiển vi của thylacoid

1 Màng lục lạp; 2 Stroma; 3 Grana; 4 Thylacoid; 5 Quantoxom;

6 Protein; 7 Chlorophyll; 8 Phospho-lipid; 9 Carotenoid

Cấu tạo tinh vi và hoàn chỉnh của lục lạp có liên quan chặt chẽ với chức năng thu nhận năng lượng ánh sáng và thực hiện các phản ứng tổng hợp chất hữu cơ Mặt khác, nhờ cấu tạo đó mà diệp lục và các sắc tố được bảo vệ, khi tách lục lạp ra khỏi

tế bào chúng vẫn có khả năng quang phân ly nước

* Thành phần hóa học: Trong lục lạp có chứa các chất chủ yếu như sau:

- Nước: chiếm khoảng 75% khối lượng lục lạp

- Chất hữu cơ: chiếm 70 - 72% khối lượng chất khô, trong đó protein chiếm 30

- 45% và lipid chiếm 20 - 40% là thành phần cơ bản của lục lạp

- Chất khoáng: chiếm 20% khối lượng khô, gồm nhiều nguyên tố như Fe, Zn,

Cu, K, Mg, Mn,

- Vitamin : có các loại vitamin như A, D, K, E và một số loại khác chưa xác định

- Enzyme: lục lạp chứa 30 loại enzyme khác nhau, những enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, enzyme của hệ thống oxy hóa khử Như vậy, ngoài quá trình quang hợp, lục lạp còn là nơi thực hiện quá trình tổng hợp các chất như lipid, protein, phospho-lipid, các acid béo, Ví dụ: Các enzyme trong lục lạp: dehydrogenase, peroxidase, polyphenol-oxydase, protease,

3.2.3 Các sắc tố quang hợp

Bằng phương pháp sắc ký và quang phổ hiện đại, đến nay đã xác định trong lá cây có 4 nhóm sắc tố chính

3.2.3.1 Diệp lục (Chlorophyll)

Đây là nhóm sắc tố đóng vai trò quan trọng nhất đối với quang hợp Diệp lục

có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và sử dụng nguồn năng lượng đó

để tổng hợp chất hữu cơ cho cơ thể Có bốn loại diệp lục khác nhau và bao gồm diệp lục a, diệp lục b, diệp lục c, diệp lục d Trong đó, diệp lục a (xanh lục) và diệp lục b (xanh nhạt) là hai loại chủ yếu và được nghiên cứu kỹ hơn

Winstater (1913) đã xác định được cấu tạo của diệp lục, về cơ bản cấu tạo phân tử diệp lục gần giống nhau và chỉ phân biệt bởi vài nhóm phụ Cấu tạo phân tử diệp lục gồm 4 vòng Pyrol nối với nhau bằng cầu nối metyl (-CH=) tạo nên vòng Porphyrin khép kín có 10 nối đôi, 4 nguyên tử N của vòng P yrol liên kết với nhân

Mg bằng hai liên kết hóa trị bền và hai liên kết hóa trị linh động dễ thay thế Bên cạnh 4 vòng P yrol còn có vòng phụ thứ 5 ở cạnh vòng thứ 3 là vòng Cyclopentan

Từ nhân Porphyrin nối thêm 2 gốc rượu là metanol (CH3OH) và phytol (C20H39OH)

ở vị trí cacbon thứ 7 và thứ 10 Qua công thức cấu tạo của diệp lục cho thấy trong phân tử có nhiều nối đơn và nối đôi xen kẽ nhau, giúp diệp lục có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng và chuyển sang trạng thái bị kích thích Phân tử diệp lục cấu tạo hình xoắn ốc, phần đầu là acid chlorophylinic có nhóm ceto (=O) quyết định tính ưa nước, phần đuôi có gốc phytyl và metyl chứa nhóm -CH3 và H quyết định tính ưa mỡ Ngoài những cấu trúc chung, mỗi loại diệp lục được đặc trưng bởi những nhóm bên khác nhau Diệp lục a có cấu trúc đặc trưng như sau:

Hình 3.5 Cấu tạo chlorophyll a

* Tính chất hóa học của diệp lục:

- Diệp lục là este của acid chlorophylinic và hai rượu metanol và phytol Vì vậy, chúng có phản ứng xà phòng hóa đặc trưng

Chlorophyll a Chlorophylat Kali

- Nhân Mg quyết định màu xanh của diệp lục nhưng Mg linh động nên dễ bị thay thế bởi H+ của acid tạo thành pheophytin màu nâu và không có khả năng quang hợp

Các phản ứng trên chứng tỏ Mg trong phân tử chlorophyll ở vị trí kém bền, dễ

bị thay thế bằng một nguyên tử khác làm cho tính chất diệp lục thay đổi

*Tính chất quang học của diệp lục: Diệp lục là chất cảm quang mạnh Nhờ

cấu trúc đặc biệt của chúng, diệp lục có 3 tính chất vật lý quan trọng sau đây

- Hiện tượng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời của diệp lục: Khả năng

hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời là một tính chất quan trọng của diệp lục, nhờ

đó mà nó có thể hoàn thành xuất sắc chức năng quang hợp của mình

+ Khái niệm về ánh sáng: Ánh sáng là phần bức xạ nhìn thấy của mặt trời Bức

xạ mặt trời chiếu xuống trái đất gồm các tia:

Tia tử ngoại:  < 400nm, được chia ra các nhóm tia khác nhau

Tia hồng ngoại: 800 nm <  < 3000 nm, năng lượng của tia hồng ngoại nhỏ (0,1 - 0,01eV) nên không thể kích thích điện tử bật ra khỏi quỹ đạo của phân tử diệp lục, không có tác dụng đối với quá trình quang hợp của cây

Đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng là foton ánh sáng (lượng tử ánh sáng) được truyền liên tục theo dạng sóng, năng lượng của foton ánh sáng được ký hiệu là E = h. = hC



Trong đó: h - Hằng số Planck;  - Tần số bức xạ (số giao động/giây);  -Độ dài bước sóng ánh sáng (nm); C - Vận tốc ánh sáng trong không gian E tỷ lệ thuận với  và tỷ lệ nghịch với 

+ Khả năng hấp thu ánh sáng: Diệp lục có khả năng hấp thu ánh sáng chọn lọc,

quang phổ hấp thu cực đại ở hai cao điểm: vùng tia xanh ( = 400 - 470 nm) và tia

đỏ ( = 620 - 780 nm), trong đó tia đỏ có hiệu suất quang hợp cao nhất còn tia xanh hầu như phản xạ trở lại toàn bộ tạo nên màu xanh của lá cây Khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng đã làm thay đổi cấu trúc hóa học của diệp lục, diệp lục chuyển sang trạng thái kích động có hoạt tính cao và dễ tham gia vào các phản ứng quang hóa tiếp theo Khả năng tham gia các phản ứng quang hóa tùy thuộc vào thời gian tồn tại nhanh hay chậm của trạng thái kích thích

Diệp lục a và diệp lục b hấp thu ánh sáng ở bước sóng khác nhau và được biểu diễn như sau:

Hình 3.6 Sơ đồ hấp thu năng lượng ánh sáng của diệp lục

Diệp lục a hấp thu tốt ở vùng ánh sáng xanh lam có cực đại hấp thu  = 430

nm và ở vùng ánh sáng đỏ với cực đại hấp thu  = 662 nm

Diệp lục b có cực đại hấp thu thứ nhất có  dài hơn so với diệp lục a, còn cực đại hấp thu thứ hai có  ngắn hơn

* Hiện tượng huỳnh quang: Huỳnh quang là hiện tượng diệp lục phản xạ trở lại

một phần năng lượng ánh sáng vừa hấp thu trước đó ở bước sóng dài hơn Diệp lục chỉ phát huỳnh quang trong dung môi và phát khoảng 30% năng lượng ánh sáng hấp thu được Huỳnh quang chỉ xảy ra trong khoảng thời gian ngắn (10-9 - 10-6 giây), chỉ những phân tử nào có hiện tượng huỳnh quang mới có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng

Thí nghiệm chứng minh: Đặt ống nghiệm chứa dung dịch diệp lục hướng về phía có ánh sáng mặt trời, phía sau che một miếng bìa đen Để mắt nhìn cùng chiều với ánh sáng tới, thấy dung dịch có màu đỏ bầm là màu của ánh sáng huỳnh quang

* Hiện tượng lân quang: Đây là hiện tượng diệp lục sau khi được chiếu sáng rồi

tắt nguồn sáng đi vẫn có khả năng lưu lại ánh sáng trong một khoảng thời gian ngắn

(10-3 - 10-1 giây) Như vậy, lân quang là hiện tượng năng lượng mất đi bằng con đường truyền có bức xạ

Như vậy, huỳnh quang và lân quang của diệp lục đều là dạng năng lượng do kết quả của quá trình làm mất hoạt tính của phân tử diệp lục bằng con đường bức

xạ Dạng năng lượng này có thể được sử dụng khi có các sắc tố khác hấp thu Hiện tượng này chỉ xảy ra đối với diệp lục, các sắc tố khác không có hiện tượng này

* Caroten (C40H56): Caroten là một hydrocacbua chưa bão hòa có tinh thể màu hồng, nhưng khi hòa tan lại có màu vàng Caroten hấp thu cực đại ở tia sáng có bước sóng 446 - 476nm, là tia mà diệp lục không hấp thu Caroten không có hoạt tính huỳnh quang Khi gãy đôi thì một phân tử caroten tạo thành hai phân tử vitamin

A Trong thực vật có 3 loại caroten: - caroten,  -caroten và - caroten Riêng trong lá có hai loại là - caroten và  -caroten, trong đó  -caroten có hàm lượng cao hơn, khi cắt đôi phân tử  -caroten sẽ hình thành hai phân tử vitamin A

* Xanthophyll: Công thức tổng quát chung là C40H56On (trong đó n = 1 - 6) Xanthophyll là dẫn suất của caroten, khi tan tạo dung dịch có màu da cam, có quang phổ hấp thu ở bước sóng 451 - 481nm Vì nguyên tử oxy có thể là từ 1 đến 6 nên có nhiều loại Xanthophyll: Kripxtoxantin (C40H56O), Lutein (C40H56O2), Violacxantin (C40H56O4) Trong lá, Xanthophyll thường liên kết với phân tử protein

Vai trò của Carotenoid: Lọc và hấp thu bớt năng lượng của các tia bức xạ mạnh để bảo vệ diệp lục; Chứa trong hoa, quả, các cơ quan già hóa hoặc bị bệnh khi thiếu dinh dưỡng; Hấp thu năng lượng ánh sáng và truyền cho các sắc tố tham gia trực tiếp vào quang hợp, diệp lục chỉ hấp thu chủ yếu tia sáng đỏ và xanh còn carotenoid hấp thu bổ trợ các tia sáng khác và truyền cho diệp lục để sử dụng trong quang hợp và theo sơ đồ sau: Carotenoid + Eh = Carotenoid* ; Carotenoid*+ D.lục → Carotenoid + D.lục*

Xanthophyll còn tham gia vào quá trình quang phân ly nước tạo ra H+ và thải

O2 trong quá trình quang hợp

Hình 3.7 Cấu trúc của một carotenoid

Hình 3.8 Sự sắp xếp của phycobilin trong lục lạp

3.3 BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

Quang hợp là một quá trình oxy hóa khử, gồm hai pha sáng và tối xen kẽ nhau Pha sáng xảy ra trên màng thylacoid, gồm quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng của sắc tố quang hợp và biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa

học dưới dạng ATP và NADPH2 P ha tối xảy ra trong cơ chất, sử dụng năng lượng được tạo ra ở pha sáng ATP và NADPH2 để khử CO2 tạo ra các hợp chất hữu cơ

3.3.1 Quang hợp là một quá trình oxy hóa - khử

Quá trình oxy hóa là quá trình mất hydro hoặc nhận oxy (cho điện tử e-) Quá trình khử là quá trình nhận hydro hoặc mất oxy (nhận điện tử e-)

Quá trình oxy hóa khử trong quang hợp được biễu diễn bằng sơ đồ sau:

CO 2 + 2H 2 O → [CH 2 O] + H 2 O + O 2 - 114 Kcalo

- Nguyên liệu ban đầu là CO2 và sản phẩm cuối cùng là CH2O, Như vậy, CO2

đã bị khử và nó là chất oxy hóa Quá trình CO2 → CH2O hay C4+ + 4e- → C0 là quá trình khử

- Trong quang hợp, nước đã bị oxy hóa và nó là chất khử, oxy trở thành oxy phân tử còn H được tách ra 2.H2O → O2 hay 2.O-2 - 4.e- → O20

3.3.2 Quang hợp là quá trình sáng - tối xen kẽ lẫn nhau

+ Theo Blasman: Hệ số nhiệt Q10 của quang hợp có lúc Q10 > 2, có lúc Q10 = 1 (Q10 là khi tăng nhiệt độ lên 100C thì vận tốc phản ứng thay đổi một số lần) Qua đó

có thể giải thích rằng: Trong quang hợp có hai loại phản ứng khác nhau:

- Phản ứng quang hóa: Không phụ thuộc vào nhiệt độ, Q10 = 1

- Phản ứng hóa học: Phụ thuộc vào nhiệt độ (có sự tham gia của các enzyme),

Q10 > 2

+ Theo Ricte: Bằng thí nghiệm cho đĩa quay quanh một trục với tốc độ nhất định, có tác dụng chắn nguồn ánh sáng chiếu vào cây Cắt đĩa với những góc cắt khác nhau

- Góc cắt 100: Tỷ lệ chiếu sáng/tối là 10/360 hay 1/36

+ Theo Emerson và Acnôt:

Ở nhiệt độ 250C, nếu thời gian chiếu sáng cần cho quá trình quang hợp là 10-5giây thì thời gian tối cần tương ứng là 0,04 giây Ở 10C, thời gian sáng cho quang hợp là 10-5 giây thì thời gian tối cần cho quang hợp là 0,4 giây Điều này chứng tỏ nhiệt độ càng thấp thì thời gian tối càng kéo dài và ngược lại

Như vậy, quá trình quang hợp của cây là quá trình xen kẽ giữa sáng và tối, với thời gian tối cần thiết để cho cây biến đổi năng lượng hấp thu thành năng lượng hóa học cung cấp cho quá trình khử CO2 trong quang hợp

3.3.3 Các pha trong quang hợp

3.3.3.1 Pha sáng quang hợp

Bao gồm các quá trình hấp thu, di trú và biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học xảy ra trong hạt grana của lục lạp Pha sáng được chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn quang vật lý và giai đoạn quang hóa học

* Giai đoạn quang lý

Theo Têrênhin và Cratnôpski: Phân tử diệp lục sau khi hút lượng tử ánh sáng

sẽ chuyển sang trạng thái kích động với thời gian 10-8 - 10-9 giây Sau đó chuyển về trạng thái cơ sở hoặc chuyển sang trạng thái kích thích bền hơn Khi diệp lục ở trạng thái kích động, các điện tử của chúng giàu năng lượng hơn và tùy điều kiện

mà năng lượng đó có thể mất đi hoặc chuyển thành năng lượng quang hóa đi vào dây chuyền điện tử tích lũy vào sản phẩm quang hóa khởi nguyên

Hình 3.9 Các trạng thái kích động điện tử của diệp lục

Trong lục lạp, các sắc tố không phải đều tiếp nhận được năng lượng như nhau đồng thời chỉ có những phân tử diệp lục ở hai tâm quang hợp mới tiến hành phản ứng quang hóa Năng lượng được tiếp nhận ở sắc tố này có thể truyền cho sắc tố khác và truyền về tâm quang hợp Nhờ đó mà toàn bộ năng lượng do sắc tố hấp thu được đều

có thể tiến hành các phản ứng quang hóa Nếu năng lượng được truyền từ phân tử này sang phân tử khác cùng một loại sắc tố gọi là quá trình truyền đồng thể, nếu truyền qua các loại sắc tố khác nhau như từ Diệp lục b sang Diệp lục a gọi là quá trình truyền dị thể

* Giai đoạn quang hóa

Từ trạng thái kích động của phân tử diệp lục, điện tử tham gia vào các phản ứng quang hóa để chuyển năng lượng điện tử thành năng lượng của hóa học dự trữ trong các phân tử ATP, NADPH2 Giai đoạn này gồm có quá trình quang hóa khởi nguyên, quá trình quang phân ly nước và quá trình phosphoryl hóa vòng và không vòng

- Quang hóa khởi nguyên: Là quá trình hình thành thuận nghịch điện thế khử, phân tử diệp lục ở trạng thái Triplet, quá trình này bao gồm các giai đoạn sau:

+ Quang khử diệp lục và oxy hóa chất cho điện tử

- Quang phân ly nước (phản ứng Hill): Năm 1937, Hill đã làm thí nghiệm và chứng minh rằng CO2 là chất oxy hóa trong quang hợp, nếu được thay thế bằng một chất oxy hóa thích hợp khác (ví dụ: Oxalat ferickalium) thì trong điều kiện chiếu sáng và có diệp lục, quá trình quang phân ly nước vẫn xảy ra

4K3Fe(C2O4)3 + 2H2O + 4K+ → 4K4Fe(C2O4)3 + 4H+ + O2

Nhờ năng lượng ánh sáng, trong lục lạp đã diễn ra sự phân ly nước thành e-,

H+, O2 e- đã khử Fe3+ thành Fe2+ Nếu thay K3Fe(C2O4)3 bằng NADP làm chất oxy hóa thì sản phẩm tạo ra là: NADP + 2H2O → O2 + NADP H2 NADP nhận H+ và e- do quá trình phân ly nước tạo ra

Sự tham gia của diệp lục trong quang phân ly nước như sau:

- Phosphoryl hóa quang hóa: Trong pha sáng, quang năng biến thành hóa năng chứa trong NADPH2 và ATP Quá trình tổng hợp các hợp chất chứa năng lượng trong quang hợp cần năng lượng do di chuyển điện tử tạo ra gọi là phosphoryl hóa quang hóa

Năm 1954, Arnon đã phát hiện ra hai hình thức phosphoryl hóa quang hóa trong quang hợp là phosphoryl hóa vòng và phosphoryl hóa không vòng Năm

1969, ông bổ sung thêm hình thức phosphoryl hóa vòng giả

* Phosphoryl hóa vòng: Xảy ra ở hệ quang hóa I, trong điều kiện yếm khí, khô hạn và có sự tham gia của chất oxy hóa như vitamin K, Fd

Đặc trưng của phosphoryl hóa vòng là điện tử di chuyển theo vòng tròn khép kín, xuất phát từ P700 qua hệ thống vận chuyển điện tử trong tâm quang hợp I rồi quay trở về P700 Trong quá trình di chuyển điện tử, năng lượng thải ra được sử dụng để tổng hợp ATP

Hình 3.10 Sơ đồ phosphoryl hóa vòng

Theo sơ đồ, cứ hai điện tử di chuyển tổng hợp được 1 - 2 ATP (thường chỉ được 1)

Hiệu quả năng lượng đối với foton là:

+ Với foton đỏ: (7,3/42,2) x 100 = 8,7%

+ Với foton xanh: (7,3/65,2) x 100 = 5,6%

Như vậy, hiệu quả năng lượng của phosphoryl hóa vòng rất thấp, ATP tạo thành chưa đủ để tham gia vào pha tối quang hợp

* Phosphoryl hóa giả vòng: Xảy ra trong điều kiện hiếu khí, không có NADP

và thiếu nước Trong một số loài thực vật, O2 là chất nhận H+ và e- thay cho NADP, tái tạo phân tử H2O mới O2 + 2.H+ → H2O

Hình 3.11 Sơ đồ phosphoryl hóa giả vòng

* Phosphoryl hóa không vòng: Xảy ra ở cả hai hệ quang hóa Nhờ quá trình quang phân ly nước cung cấp e- đến P680, qua hệ vận chuyển điện tử của hai tâm quang

hợp đến P700 rồi đến Fd để tiến hành khử NADP Trong quá trình di chuyển có hai lần