CHUYÊN ĐỀ QUANG HỢP VÀ HÔ HẤP

sản phẩm của quá trình quanghợp, cấu trúc nào thực hiện chức năng quang hợp, diễn biến của quá trình quang hợp, hiệuquả của sự chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

CHUYÊN ĐỀ QUANG HỢP VÀ HÔ HẤP Ở THỰC VẬT (The photosynthesis and respiration in plant)

Để giúp cho chúng ta nắm được những kiến thức về quang hợp, hô hấp trong phần nàychúng tôi chỉ trình bày một số vấn đề: Quang hợp là gì ? sản phẩm của quá trình quanghợp, cấu trúc nào thực hiện chức năng quang hợp, diễn biến của quá trình quang hợp, hiệuquả của sự chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũytrong các hợp chất hữu cơ và quang hợp chịu sự ảnh hưởng như thế nào bởi các điều kiệnbên ngoài

Trong phần hô hấp, chúng ta cần phải hiểu rõ về khái niệm, ý nghĩa của quá trình hôhấp, cơ chế của hô hấp Chuỗi vận chuyển điện tử diễn ra trong hô hấp như thế nào? Cơchế tổng hợp ATP ở hô hấp có gì khác so với quang hợp

A QUANG HỢP

I Khái niệm chung về quang hợp

1 Khái niệm quang hợp

Quang hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ từ CO2 và H2O, có sự giải phóng

O2 từ nước, nhờ năng lượng của ánh sáng, xảy ra ở sắc tố lục Cũng có thể nói rằng quanghợp là quá trình biến đổi năng lượng của ánh sáng mặt trời do các sắc tố của cây hấp thụđược chuyển hóa và tích lũy ở dạng năng lượng hóa học trong các hợp chất hữu cơ Nóicách khác, quang hợp là quá trình biến đổi các chất vô cơ đơn giản thành các hợp chấthữu cơ phức tạp có hoạt tính cao trong cơ thể thực vật dưới tác dụng của ánh sáng mặttrời và có sự tham gia của các sắc tố mà quyết định là sắc tố lục

Quá trình quang hợp chỉ được thực hiện ở những phần xanh của cây (Chlorophyll)hay ở vi khuẩn có sắc tố lục (Bacteria chlorophyll)

Bản chất của quá trình quang hợp là khử CO2 thành hydratcacbon với sự tham giacủa năng lượng ánh sáng do các sắc tố của thực vật hấp thụ Quá trình quang hợp xảy ratheo phương trình:

6CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Sản phẩm của quá trình quang hợp là oxy tự do, nước được tái tạo và các hợp chấtđường đơn Từ các hợp chất sơ cấp, qua quá trình quang hợp sẽ tổng hợp thành nhiều hợp

chất thứ cấp khác, chẳng hạn như: Các axit amin, protein, lipit, xaccarôzơ, tinh bột,xenlulôzơ, axit nucleic, vitamin ….

Về mặt cân bằng hóa học, phương trình trên chỉ cần 6 phân tử nước, nhưng về mặtsinh học thì điều đó không phù hợp Bởi vì, bằng phương pháp đồng vị phóng xạ dùng

18O, các nhà Sinh lý học thực đã khẳng định oxy được giải phóng trong quang hợp là từnước Như vậy, để giải phóng 6 O2 phải cần 12 H2O

2 Ý nghĩa của quá trình quang hợp

Quang hợp đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự sống trên trái đất, đối với sinhvật nói chung và con người nói triêng Quang hợp cung cấp nguồn vật chất, năng lượng

và dưỡng khí cho sự sống Có khoảng 90- 95% các chất hữu cơ con người và sinh vật sửdụng được tạo ra từ quang hợp Nguồn năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học củacác hợp chất hữu cơ mà con người và vi sinh vật sử dụng cũng được tạo ra từ ánh sángmặt trời do quá trình quang hợp

Hàng năm, năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất khoảng 5.1023 kcal,tương ứng với 1,3 Kw/m2 trong đó có tới 40%, khoảng 2.1023 kcal được cây xanh hấp thụ.Nhưng có khoảng 5% năng lượng này được biến đổi thành năng lượng hóa học trong cáchơp chất hữu cơ qua quang hợp Ước tính tổng lượng chất hữu cơ do thực vật tổng hợphàng năm là 4,5.1011 tấn Con người chỉ mới sử dụng được 3,5% lượng chất hữu cơ dothực vật tổng hợp

II Sự tiến hóa của quang hợp

Hóa tổng hợp là hình thức đồng hóa CO2 đầu tiên trên trái đất, tổng hợp các chấthữu cơ nhờ năng lượng hóa học giải phóng trong các phản ứng oxy hóa khử

Nhóm cơ thể tổng hợp tiêu biểu là vi khuẩn không màu Beggiatoa sống trong suốinước nóng chứa khí H2S Chúng tổng hợp các chất hữu cơ nhờ năng lượng của phản ứngoxy hóa H2S theo phương trình:

2H2S + O2 2H2O + 2S + 65 kcal

Lưu huỳnh tạo thành được tích lũy trong cơ thể vi khuẩn và khi thiếu H2S lưu huỳnhtiếp tục bị oxy hóa:

S + 3/2 O2 + H2O H2SO4 + 283,8 kcal

Năng lượng của các phản ứng oxy hóa được dùng trong phản ứng khử CO2 và tạocác chất hữu cơ.

CO2 + RH2 CH2O + H2O + R

RH2 là các chất khử khác nhau như H2, H2S, CH4, rượu mạch vòng

Các nhóm vi khuẩn quang hợp gồm lưu khuẩn màu tía đỏ (Thiorhodaceae), vi khuẩntía không lưu huỳnh (Athiodaceae) và vi khuẩn lục lưu huỳnh (Clorobiacae)

II Bộ máy quang hợp

Cấu tạo của bộ máy quang hợp ở tảo và thực vật bậc cao

Cơ quan quang hợp : Tất cả các bộ phận có chứa sắc tố lục ở lá, thân, hoa, quả đều cókhả năng quang hợp Nhưng lá là cơ quan chủ yếu thực hiện chức năng quang hợp Vìvậy lá có cấu tạo thích nghi với chức năng quang hợp, thể hiện ở các diểm sau đây :

- Về hình thái : Hình dạng biến đổi phù hợp, sự sắp xếp lá thích nghi với hiệu quả thunhận năng lượng ánh sáng mặt trời, bề dày lá mỏng

- Về cấu tạo giải phẩu : Bề mặt lớp biểu bì có nhiều khí khổng, sát dưới lớp tế bào biểu

bì có các tế bào mô giậu có chứa sắc tố lục Xen kẽ giữa các tề bào mô giậu có các tế bào

mô xốp nằm cách xa nhau nhau chứa khí cacbonic tạo điều kiện thuận lơi cho quá trìnhkhuếch tán vào các tế bào nhu mô lá để thực hiện quá trình khử CO2 Hàm lượng diệp lục

và carotenoit trong tế bào mô giậu cũng thay đổi phù hợp với sự thu nhận ánh sáng cóhiệu qủa nhất Trong lá còn có hệ thống mạch dẫn lớn và nhỏ ( gân lá lơn và nhỏ ) rấtphát triển tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dẫn nước và khoáng cung cấp cho hoạtđộng quang hợp

Bộ máy quang hợp : Ở vi khuẩn quang hợp , bộ máy quang hợp có cấu tạo đơn giản chỉ

là các đĩa tilacoit có cấu tạo đơn giản, còn ở đa số các loại tảo và thực vật bậc cao bộ máyquang hợp là lục lạp

- Hình dạng lục lạp : Ở thực vật bậc thấp lục lạp có dạng hình sao, hình võng, hình cốc,còn ở thực vật bậc cao có dạng hình bầu dục Kích thước của lục lạp 2-3 x 4-6 micromet

- Thành phần hóa học của lục lạp : protein chiếm 40-55%, gluxit : 6-10%, lipit :20-30%,axit nucleic : 0,5- 3%, còn có các vitamin A, D, E, K,C Hàm lượng sắc tố chiếm khoảng0,1% trọng lượng tươi Ở thực vật bậc cao lục lạp chủ yếu chứa 2 loại sắc tố là sắc tố lục

và carotenoit Ở tảo có thêm sắc tố phycobilin Sắc tố lục có 4 loại chủ yếu là diệp lục a,

b, c, d, e Cơ thể thực vât bậc cao chỉ có diệp lục a và b, còn ở các loại tảo có thể có diệplục c, d, e Chẳng hạn như ở tảo Diatom có diệp lục a, c mà không có b Tảo nâu có b, ckhông có a Tảo đỏ và tảo lam chỉ có diệp lục a, d

- Cấu tạo của lục lạp : Bên ngoài được bao bọc bởi lớp màng kép, bên trong có các hạtgrana, mỗi grana được cấu tạo gồm 4-5 đĩa tilacoit Tilacoit có cấu tạo màng đơn , phíatrong màng là xoang tilacoit Trên màng tilacoit có chứa các sắc tố tham gia quang hợp,các chất vận chuyển điện tử và các enzym tham gia phản ứng sáng Bên trong giữa các hạtgrana là chất nền ( stroma ) Stroma có chứa các enzym tham gia pha tối của quang hợp ,ADN, ARN và riboxom Giữa các grana có các phiến cơ chất nối với nhau (stromalamella)

Hình 1 Cấu trúc của lục lạp (chloroplast)

Các cấu trúc thực hiện chức năng quang hợp

Ở các vi khuẩn lục quang hợp (Bacteriochlorophyll) cũng có hai loại chủ yếu là diệplục a và b

Diệp lục là một este của axit cacboxilic với hai rượu phytol( C20H39OH) và metanol( CH3OH) Vì vậy công thức hóa học của diệp lục được mô tả ở hình:

Hình 2 Công thức cấu tạo của diệp lục, β- caroten và phycoerythrobilin

Cấu tạo diệp lục b ở vòng pyron II, nhóm CH3 được thay bằng nhóm CHO Cấutạo của Bacteria chlorophyll, nhóm CH2=CH2 vòng pyron I thay bằng nhóm C =O

Về cấu tạo diệp lục thuộc loại sắc tố có vòng tetrapyron gồm 4 nhân pyron liên kếtvới nhau bằng các cầu nối metyl ( - CH =) để tạo nên vòng poocphyrin với nguyên tố Mg

ở giữa Các nguyên tử N của nhân pyron liên kết với Mg bằng 2 liên kết hóa trị và 2 liênkết phụ Trên các vị trí cacbon của vòng poocphyrin có các nhóm thay thế có thể chuyểnhóa lẫn nhau tùy theo cấu tạo của mỗi loại diệp lục Vòng 5 cạnh xyclopentanon có nhómxeto (C=O) có hoạt tính cao, nhóm cacboxyl của vòng này liên kết este với rượu metanol

Hệ thống các liên kết đôi và đơn xen kẻ của vòng poocphyrin rất linh động và thể hiệnkhả năng hấp thụ mạnh năng lượng ánh sáng

Về tính chất hóa học: Trong môi trường axit mạnh diệp lục có thể bị mất màu tạothành pheophytin, do ion H+ thay thế nhân Mg Trong môi trường kiềm, diệp lục tạo thànhmuối của chlorophylat và 2 rượu metanol và phytol.

Dưới tác dụng của cường độ ánh sáng mạnh và trong môi trường có oxy, diệp lục bịoxy hóa và mất màu

Tính chất lý học của diệp lục: Diệp lục hấp phụ ánh sáng có chọn lọc trong miềnquang phổ toàn phần của ánh sáng mặt trời ở vùng nhìn thấy, diệp lục hấp thụ các tia đơnsắc có độ dài bước sóng khác nhau ở các mức độ khác nhau Diệp lục hấp thụ mạnh nhấtđối với tia đơn sắc có bước sóng ngắn ( tia đỏ và xanh tím) Diệp lục a trong este cóquang phổ hấp thụ cực đại ở vùng xanh tím (430 nm) và tia đỏ (662 nm) Diệp lục b cóquang phổ hấp thụ ở độ dài bước sóng cực đại 455 và 644 nm

Nhìn chung diệp lục hấp thụ rất ít tia lục và các tia đỏ dài gần miền hồng ngoại(bước sóng >750 nm)

Người ta đã xác định rằng, diệp lục a hấp thụ tia đỏ nhiều hơn tia lục 80 lần, diệplục b hấp thụ lớn hơn 20 lần

Ở lá còn sống, sự hấp thụ ánh sáng có khác biệt với diệp lục ở trạng thái dung dịch

Ở lá có hai cực đại hấp thụ, nhưng vị trí cực đại chuyển về phía bước sóng dài hơn, tia lụcđược hấp thụ nhiều hơn do có sự tham gia của carotenoid và các chất hữu cơ khác nhưprotein, axit nucleic

Quang phổ huỳnh quang diệp lục

Hiện tượng huỳnh quang là sự phát các bức xạ của các chất cảm quang có hoạt tínhquang hóa trong thời gian ngắn dưới tác động của nguồn sáng kích thích

Nếu cho tia sáng đi qua dung dịch diệp lục (rút bằng axeton) và quan sát diệp lụctrong ánh sáng phản xạ ta thấy dung dịch có màu đỏ huyết dụ, đó là huỳnh quang diệplục Nguyên nhân của huỳnh quang là do năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ, khichuyển điện tử từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ sở Thời gian huỳnh quang củaphần lớn chất hữu cơ nằm trong khoảng 10-9- 10-6s Quang phổ huỳnh quang diệp lục làhình ảnh đối xứng của quang phổ hấp thụ trong vùng đỏ, nhưng chuyển dịch về phía bước

sóng dài hơn ( bước sóng của quang phổ huỳnh quang dài hơn so với bước sóng ánh sáng

mà sắc tố hấp thụ)

Tính chất của huỳnh quang diệp lục có vai trò quan trọng trong việc di chuyển nănglượng giữa hai loại diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng khác nhau

1.2 Carotenoid

Carotenoid bao gồm carotene và dẫn xuất có oxy của nó là xantophyl Đó là sắc tố

có màu vàng da cam hay màu tím đỏ, là những chất tan trong mỡ, phần lớn là nhữnghydrocacbon được tạo thành từ 40 nguyên tử C nối với hydro Chúng tạo thành một mạchnhánh dài với các liên kết đôi nằm cách nhau và quy định màu sắc của carotene

- Carotene: C40H56 là HC chưa bão hòa, không tan trong nước, chỉ tan trong dungmôi hữu cơ Phần trung tâm của carotene gồm 18C tạo ra một hệ thống kiên kết đôi vàliên kết đơn, có 4 nhóm CH3 và các mạch nhánh Carotene là dẫn xuất của izopren vìtrong cấu trúc của chúng có mặt các gốc izopren

Có 4 loại carotene quan trọng α, β, γ- carotene và licopen β carotene có cấu trúcđối xứng và khi thủy phân cho 2 phân tử vitamin A

Quang phổ hấp thụ của carotene trong benzen ở vùng tím lục, cực đại ở bước sóng

446 và 476 nm

- Xantophyl: C40H56On ( n = 1- 4) là dẫn xuất của carotene Xantophin thường cómặt ở thực vật bậc cao và tảo Các xantophin thường gặp là lutein ( C40H56O2),criptoxanphin (C40H56O), zeoxantin (C40H56O2), violaxantin (C40H56O4) Quang phổ hấpthụ cực đại của xantophin ở vùng tím lục, bước sóng 451 và 481nm

Nhóm carotenoid sơ cấp làm nhiệm vụ quang hợp hoặc bảo vệ Nhóm carotenoidthứ cấp tạo ra màu sắc của các bộ phận, có trong các cơ quan như hoa, quả, các cơ quanhóa già hoặc bị bệnh khi thiếu dinh dưỡng khoáng

Vai trò của carotenoid trong quang hợp là:

- Lọc ánh sáng và bảo vệ diệp lục không bị phân hủy khi cường độ chiếu sángmạnh

- Hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển năng lượng hấp thụ được cho các phân tưdiệp lục hấp thụ bước sóng dài hơn

- Xantophin tham gia vào quá trình quang phân ly nước thông qua sự biến đổi từviolaxantin (C40H56O4) thành lutein ( C40H56O2).

Nhìn chung nhóm carotene hấp thụ được khoảng 10-20% toàn bộ năng lượng màcác sắc tố hấp thụ được, 30-35% năng lượng chứa ở vùng bước sóng ngắn

2.3 Phycobilin

Nhóm sắc tố này thường gặp ở tảo lam, tảo đỏ ( red algae) và vi khuẩn lam Cácsắc tố này hòa tan trong dung môi hữu cơ, không chứa kim loại và luôn liên kết vớiprotein bằng liên kết peptit giữa nhóm cacboxyl của sắc tố và nhóm amin của protein Vìvậy chúng có tên là biliprotein hay phycobiliprotein

Hai loại phycobilin thường gặp là phycoxianin màu lam (C34H42N4O9) vàphycoerythrobilin màu đỏ (C34H47N4O8)

Cấu tạo của sắc tố này gồm 4 vòng pyron không khép kín nối với nhau bằng liên kết = CH -

Quang phổ hấp thụ của phycobilin ở vùng ánh sáng lục và vàng Phycoxianin hấpthụ cực đại ở bước sóng 615nm và 620nm, còn phycoerythrin là 560 và 565nm

Các sắc tố nhóm phycobilin có ý nghĩa quan trọng trong đời sống của tảo Ánhsáng mặt trời khi xuyên qua nước bị hấp thụ chọn lọc nên tia đỏ mất dần đi, vì thế sự cómặt của phycobilin ở các loài tảo sống ở tầng nước sâu sẽ góp phần hấp thụ thêm các tiavàng lục và năng lượng chúng hấp thụ được chuyển cho diệp lục

2 Các thành phần vận chuyển điện tử của bộ máy quang hợp.

- Nhóm các hợp chất quinon của bộ máy quang hợp

Tỷ lệ giữa quinon và chlorophyll trong bộ máy quang hợp khoảng 1/5 Quang phổhấp thụ ở vùng tử ngoại 260-300nm Trong quá trình phát triển của lá, hàm lượng quinontăng dần đến cực đại rồi giảm Sự tổng hợp quinon phụ thuộc vào độ dài ngày, do đó hàmlượng của nó thay đổi theo mùa

- Các xitocrom: có cấu tạo gần giống với phân tử chlorophyll, cũng có vòngporphyrin, nhưng khác với chlorophyll là Fe có hóa trị 2 thay cho nhân Mg và thiếu vòngxyclopentan

Các xitocrom quan trọng trong chu trình truyền điện tử của quang hợp là xitocromdạng b ( xt b6 và xt b3) và dạng c ( xt f) Thế năng oxi hóa của xt f là +0,36 v, xt b6 là+0,06 v Quang phổ hấp thụ của xt trong khoảng 500-600 nm Do đó thường viếtxitocrom 553, xitocrom 559 Tỷ lệ giữa xytocrom và chlorophyll trong bộ máy quang hợpkhoảng 1/300 – 1/400

- Ferodoxin và Ferodoxin-NADP-reductase

Ferodoxin là dạng protein có thể hòa tan trong nước và dễ dàng thu được dướidạng tinh thể Thành phần gồm có Fe và nhóm sunfit vô cơ Tỷ lệ giữa ferodoxin vàchlorophyll trong bộ máy quang hợp là 1/400

Ferodoxin-NADP-reductase là flavoprotein điển hình với quang phổ hấp thụ cựcđại là 275, 385, 456nm Khối lượng phân tử 40.000 - 45.000 Dalton Enzym này có thểtách ra từ cây đậu

- Plastoxianin: là một protein gồm 2 nguyên tử Cu và nó kiên kết chặt chẽ trongcấu trúc của lục lạp Plastoxianin ở dạng oxy hóa có màu xanh tím, dạng khử không màu.Dạng oxy hóa có quang phổ hấp thụ cực đại là 597nm Tỷ lệ giữa plastoxianin vàchlorophyll là 1/400

Ngoài hệ sắc tố, các chất vận chuyển điện tử còn có các enzym tham gia vào các phảnứng sáng và các phản ứng tối của quang hợp

3 Phức hệ anten thu nhận ánh sáng và 2 hệ ánh sáng

Tập hợp các sắc tố trong bộ máy quang hợp tạo thành phức hệ anten thu nhận ánhsáng, bao gồm các sắc tố phụ (accessoy pigments) và diệp lục Trong đó các sắc tố hấpthụ ánh sáng có bước sóng ngắn sẽ chuyển dần năng lượng cho các sắc tố hấp thụ ánhsáng có bước sóng dài hơn và cuối cùng năng lượng chuyển cho diệp lục trung tâm, P680

ở hệ ánh sáng II và P700 ở hệ ánh sáng I Hệ ánh sáng I bao gồm các phân tử carotenoid,diệp lục b, diệp lục a, trung tâm phản ứng của hệ ánh sáng I là P700 ( phân tử diệp lục hấpthụ ánh sáng có bước sóng 700 nm) Hệ ánh sáng II cũng bao gồm các phân tử carotenoid,diệp lục b, diệp lục a, trung tâm phản ứng của hệ ánh sáng II là P680 ( phân tử diệp lụchấp thụ ánh sáng có bước sóng 680 nm) Mỗi hệ ánh sáng đều có các phân tử protein liênkết Các phân tử protein liên kết với hệ áng sáng I (PSI) gọi là LHCI và liên kết với hệ

ánh sáng II (PSII) gọi là LCHII ( Paushers, 1995; Green and Durnford, 1996) Kích thướccủa hệ anten thu ánh sáng khác nhau ở các cơ thể quang hợp Ở một số loại vi khuẩn lục

có chứa từ 20- 30 phân tử diệp lục, ở thực vật bậc cao từ 200-300 phân tử diệp lục chomỗi trung tâm phản ứng Còn ở tảo và một một số loại vi khuẩn điển hình có đến vàinghìn phân tử sắc tố trong mỗi trung tâm phản ứng

Như vậy cấu trúc của bộ máy quang hợp bao gồm các thành phần có khả năngthực hiện các phản ứng quang hợp: PSI, PSII, phức hệ protein LCH, các chất vận chuyểnđiện tử, ATP-Syntase Trong đó hệ thống ánh sáng I phân bố chiếm ưu thế ở vùng xếpchồng lên của tylacoit, hệ thống ánh sáng II và ATP-Syntase phân bố ở các vùng khôngchồng lên và quay về phía cơ chất Phức hệ xytocrom b6-f thì phân bố ngang nhau ở cácvùng này Sự sắp xếp tách biệt về không gian giữa 2 quang hệ là cần thiết để cho cácelectron và photon được tạo ra ở PSII có thể được vận chuyển ở một khoảng cách đáng kểtrước khi tác động đến PSI và các enzym kèm theo ATP Sự sắp sếp này còn bảo đảm cho

sự tách biệt về chức năng của 2 trung tâm phản ứng P680 và P700 Khi P680 hấp thụphoton ánh sáng và trở thành trạng thái kích động ( excited state) nó hình thành nên mộtđầu oxi hóa mạnh oxi hóa nước và một đầu khử yếu, không khử NADP+, còn PSI thìngược lại khi hấp thụ photon ánh sáng hình thành một đầu khử mạnh tham gia khửNADP+, tạo thành NADPH, một đầu oxi hóa yếu không oxi hóa nước

Quang hệ I và II có không gian riêng biệt trong màng thylakoid.

Trung tâm phản ứng PSII, cùng với diệp lục anten và các protein vận chuyển điện tửđược liên kết, định vị chủ yếu trong grana lamellae (Hình 3) (Allen và Forsberg, 2001)

Hình 3 Sự sắp xếp của các phân tử protein, PSI, PSII, cytocrom b6-f, ATP-syntase trong tilacoit

Trung tâm phản ứng PSI, các sắc tố anten liên kết và protein vận chuyển điện tử, cũngnhư các enzym xúc tác sự hình thành ATP, được tìm thấy ở các stroma lamellae và ở bêncạnh của grana lamellae Phức hệ xytochrom b6f của chuỗi vận chuyển điện tử kết nốihai quang hệ được phân bố đều giữa stroma và grana

Do đó, hai sự kiện trong quang hóa diễn ra trong quang hợp giải phóng oxy thì táchbiệt về mặt không gian Với sự phân tách này chắc chắn sẽ có một hoặc nhiều hơn cácchất mang điện tử giữa các quang hệ khuếch tán từ vùng grana của màng tới vùng stroma,nơi mà điện tử được chuyển giao cho PSI

Trong PSII, quá trình oxy hóa hai phân tử nước tạo ra 4 điện tử, 4 proton và một O2phân tử Các proton được tạo ra bởi quá trình oxy hóa nước cũng phải có khả năngkhuếch tán đến stroma, nơi ATP được tổng hợp Về chức năng, sự tách biệt không giankhá lớn (hàng chục nanomet) giữa PSI và PSII thì chưa rõ ràng, nhưng dù sao cũng tăngcường hiệu quả phân phối năng lượng giữa hai quang hệ (Trissl và Wilhelm năm 1993;Allen và Forsberg 2001)

Hầu hết các số liệu nghiên cứu cho thấy PSI chiếm ưu thế ở lục lạp so với PSII Thôngthường, tỷ lệ PSI và PSII khoảng 1,5:1, nhưng nó có thể thay đổi khi thực vật được trồngtrong các điều kiện ánh sáng khác nhau

Tổ chức quang hệ ở các cơ thể không giải phóng oxy, như vi khuẩn quang hợp màutía của chi Rhodobacter và Rhodopseudomonas, chỉ chứa một quang hệ duy nhất

Các protein tạo nên cốt lõi của trung tâm phản ứng của vi khuẩn tương đối giống với

sự sắp xếp của protein của trung tâm phản ứng trong PSII, điều này chứng tỏ chúng cómối quan hệ về tiến hóa

Các thí nghiệm quan trọng tìm hiểu quá trình quang hợp.

Việc thiết lập các phương trình hóa học tổng quát của quang hợp cần vài trăm năm vàđóng góp của nhiều nhà khoa học Năm 1771, Joseph Priestley quan sát thấy mầm cây bạc

hà đang tăng trưởng đặt trong môi trường mà một ngọn nến sắp tắt có thể tiếp tục cháy.Ông đã phát hiện ra sự giải phóng oxi của thực vật Và một người Hà Lan, JanIngenhousz, đã chứng minh vai trò thiết yếu của ánh sáng trong quang hợp năm 1779.Các nhà khoa học khác đã chứng minh vai trò của CO2, H2O và chỉ ra rằng chất hữu

cơ, cụ thể là hydratcacbon, là sản phẩm của quang hợp cùng với oxy Đến cuối thế kỉ 19,phản ứng hóa học tổng quát đã được cân bằng của quang hợp có thể được viết như sau:

6CO2 + 12H2O  C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O Các phản ứng hóa học của quang hợp thì phức tạp Thực tế, hiện nay đã có ít nhất 50giai đoạn phản ứng trung gian đã được xác định và chắc chắn sẽ còn phát hiện thêm nhiềugiai đoạn phản ứng nữa Trong những năm 20 của thế kỉ trước, manh mối đầu tiên về tínhchất hóa học của các quá trình hóa học quan trọng trong quang hợp đã được phát hiện từcác điều tra về vi khuẩn quang hợp không tạo ra sản phẩm cuối cùng là oxy Từ cácnghiên cứu của mình về vi khuẩn này, C.B Van Niel đã kết luận rằng quang hợp là mộtquá trình oxy hóa khử Kết luận này đã được xác nhận và nó được coi như khái niệm cơbản làm nền tảng cho tất cả các nghiên cứu tiếp theo về quang hợp

Bây giờ chúng ta chuyển sang mối quan hệ giữa hoạt động quang hợp và quang phổhấp phụ ánh sáng Chúng ta sẽ thảo luận một số thí nghiệm quan trọng đã góp phần vào

các hiểu biết hiện nay về quang hợp và xem xét các phương trình phản ứng hóa học thiếtyếu của quang hợp.

Quang phổ hoạt động gắn liền sự hấp phụ ánh sáng với hoạt động quang hợp

Sử dụng quang phổ hoạt động làm trung tâm cho các hiểu biết hiện tại của chúng ta vềquang hợp Một quang phổ hoạt động mô tả mức phản ứng của một hệ thống sinh học vớiánh sáng như là một hàm của bước sóng Chẳng hạn, quang phổ hoạt động của quang hợp

có thể được xây dựng dựa trên các phép đo sự giải phóng oxy ở các bước sóng khác nhauThường thì quang phổ hoạt động có thể xác định được mức phản ứng của cácchromophore (sắc tố) đối với một hiện tượng ánh sáng đặc trưng

Một số quang phổ hoạt động đầu tiên được đo bởi T.W.Engelmann vào cuối nhữngnăm 1800 Engelman sử dụng một lăng kính để ánh sáng Mặt Trời phân tán thành mộtcầu vồng đi vào một sợi tảo trong nước Quần thể vi khuẩn ưa oxy được đưa vào hệthống Quan sát cho thấy các vi khuẩn tụ tập ở khu vực của các sợi giải phóng oxy nhiềunhất Đó chính là những vùng được chiếu ánh sáng xanh tím và được diệp lục hấp phụmạnh mẽ

Ngày nay, quang phổ hoạt động có thể được đo bằng máy quang phổ, là máy phát ra ánh sáng đơn sắc được sử dụng trong các thí nghiệm nghiên cứu về quang phổ hấp thụ của các mẫu chất Quang phổ hoạt động rất quan trọng đối với sự phát hiện hai quang hệ hoạt động riêng biệt trong bộ máy quang hợp giải phóng oxy Tuy nhiên, trước khi giới thiệu hai quang hệ, chúng ta cần mô tả anten thu nhận ánh sáng và nhu cầu năng lượng của quang hợp

thỉnh thoảng mới được kích hoạt bởi sự hấp phụ photon Tuy nhiên, nếu nhiều sắc tố cóthể gửi năng lượng vào một trung tâm phản ứng chung thì sẽ giữ cho hệ thống hoạt độngphần lớn thời gian

Năm 1932, Robert Emerson và William Arnold thực hiện một thí nghiệm quan trọng

đã cung cấp bằng chứng đầu tiên cho sự hợp tác của nhiều phân tử diệp lục để chuyển đổinăng lượng trong suốt quá trình quang hợp Họ chiếu các tia sáng nhấp nháy (flash) rấtngắn (10-5s) tới huyền phù tảo xanh Chlorella pyrenoidosa và đo lượng oxy được tạo ra.

Các flash được duy trì khoảng 0,1s, thời gian mà Emerson và Arnold đã xác định trongcông trình trước đây là đủ lâu để các phản ứng enzym của quá trình hoàn thành trước khi

có sự xuất hiện của flash tiếp theo Các nhà điều tra đã biến đổi năng lượng của các flash

và thấy rằng sự sản xuất oxy không tăng khi chiếu các flash có mức năng lượng cao hơn.Như vậy, hệ thống quang hợp bão hòa với ánh sáng

Qua các phép đo về mối quan hệ của sự sản xuất oxy với năng lượng của flash,Emerson và Arlold đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng trong điều kiện bão hòa chỉ có mộtphân tử oxy được tạo ra trên mỗi 2500 phân tử diệp lục trong mẫu Bây giờ chúng ta biếtrằng có vài trăm sắc tố được liên kết với trung tâm phản ứng và mỗi trung tâm phản ứngphải hoạt động gấp 4 lần để tạo ra một phân tử oxy, do đó tỷ lệ là 2500 diệp lục cho mộtoxy

III Diễn biến của quá trình quang hợp (cơ chế của quá trình quang hợp)

Quang hợp gồm 2 pha: Pha sáng hay còn gọi là các phản ứng sáng ( light reactions) vàpha tối bao gồm các phản ứng tối ( dark reactions)

1 Pha sáng của quang hợp (các phản ứng sáng: light reactions)

Phần lớn mô thực hiện chức năng quang hợp ở thực vật bậc cao là mô thịt lá Tế bàothịt lá có nhiều lục lạp chứa các sắc tố lục hấp phụ ánh sáng Trong quang hợp, thực vật

sử dụng năng lượng mặt trời để oxy hóa nước, qua đó giải phóng oxy và khử cacbonđioxit, từ đó hình thành các hợp chất hydrat cacbon chủ yếu là đường

Các phản ứng sáng xảy ra trên màng của tilacoit và trong lumen tilacoit Sản phẩm cuốicùng của các phản ứng xảy ra trên màng của tilacoit là các hợp chất cao năng ATP vàNADPH, được sử dụng để tổng hợp đường trong phản ứng cố định cacbon Quá trình này

diễn ra tại stroma của lục lạp – vùng dịch bao quanh tilacoit Đồng thời nước được phân

ly qua trung tâm giải phóng oxy tạo ra oxy, điện tử và proton H+ sau đó chuyển cho chấtoxy hóa NADP+ tạo thành chất khử NADPH

Trong lục lạp, năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học bởihai đơn vị chức năng khác nhau gọi là quang hệ ( photosystem) Năng lượng ánh sáng hấpphụ được sẽ được dùng để vận chuyển điện tử qua một loạt các hợp chất đóng vai trò làcác chất cho và nhận điện tử Sau cùng phần lớn điện tử khử NADP+ thành NADPH vàoxy hóa H2O thành O2 Năng lượng ánh sáng còn được sử dụng để tạo ra động lực vậnchuyển proton qua màng tilacoit để tổng hợp ATP

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm quan trọng làm nền tảng tìm hiểuquá trình quang hợp Các khái niệm này bao gồm bản chất của ánh sáng, tính chất của sắc

tố và các vai trò khác nhau của sắc tố

c = λν : Trong đó, c là tốc độ của sóng tại lúc đo, tốc độ ánh sáng (3.108 ms-1).Sóng ánh sáng là sóng điện từ truyền ngang, trong đó cả điện trường và từ trường daođộng vuông góc với hướng lan truyền của sóng và tạo với nhau một góc 90o

spectrum) của phổ điện từ Ánh sáng của các tần số hơi cao hơn (hay bước sóng ngắnhơn) nằm trong vùng tử ngoại ( ultraviolet) của quang phổ và ánh sáng của các tần số hơithấp hơn (hay bước sóng dài hơn) nằm trong vùng hồng ngoại ( infrared).

Phổ hấp phụ thể hiện lượng năng lượng được hấp phụ bởi một phân tử hay một chấtnhư một hàm bước sóng của ánh sáng Phổ hấp phụ đối với một chất cụ thể trong mộtdung môi không hấp phụ có thể được xác định bởi máy đo quang phổ

Khi phân tử sắc tố hấp phụ hoặc phát ra ánh sáng, chúng thay đổi trạng thái điện tử

Diệp lục xuất hiện màu xanh với mắt chúng ta vì chúng hấp phụ chủ yếu ánh sángtrong vùng đỏ và xanh tím của quang phổ Do đó, chỉ có một số ánh sáng giàu bước sóngmàu xanh lá cây (khoảng 550nm) được phản chiếu vào mắt chúng ta

Lúc đầu diệp lục ở trạng thái cơ bản có mức năng lượng thấp, khi nó hấp phụ photonánh sáng ( hν) chuyển sang trạng thái kích động có mức năng lượng cao hơn (Chl*):

Phân tử diệp lục hấp thụ ánh sáng xanh tím trở thành trạng thái kích động cao hơn (higherexcited state), sau đó mất một phần năng lượng ở dạng nhiệt trở thành trạng thái kích động thấp

nhất Từ trạng thái này các phân tử diệp lục có thể mất đi hoàn toàn năng lượng ở dạng huỳnhquang (fluorescence) để trở về trạng thái cơ bản (ground state) Khi hấp thu ánh sáng đỏ các phân

tử diệp lục ở trạng thái kích động thấp nhất (lowest excited state)

Khi các phân tử diệp lục hấp thụ áng sáng xanh tím nó sẽ chuyển sang trạng thái kíchđộng điện từ có mức năng lượng cao hơn so với sự hấp phụ ánh sáng đỏ, bởi vì nănglượng photon cao hơn khi chiều dài bước sóng ngắn hơn Ở trạng thái kích động cao hơncác điện tử của diệp lục cực kỳ không ổn định, nhanh chóng thoát một phần năng lượng raxung quanh dưới dạng nhiệt và đi vào trạng thái kích động thấp nhất, ở đây chúng có thể

ở trạng thái ổn định tối đa khoảng vài nano giây (10-9s) Khi các phân tử diệp lục hấp thụcác photon ánh sáng đỏ thì nó trở thành trạng thái kích động thấp nhất Ở trạng thái nàycác phân tử diệp lục có đủ năng lượng và thời gian để tham gia vào các phản ứng quanghóa ( quang phân ly nước và tổng hợp ATP)

Ở trạng thái kích động thấp nhất, diệp lục kích động có thể mất năng lượng theo bốncon đường:

- Diệp lục kích động có thể phát ra photon trở lại dưới dạng huỳnh quang

(fluoresence) và trở về trạng thái cơ bản Khi các phân tử diệp lục phát ra dưới dạnghuỳnh quang thì chiều dài bước sóng dài hơn một ít (và có mức năng lượng thấp hơn) sovới chiều dài bước sóng đã được hấp phụ Bởi vì một phần năng lượng kích thích đã đượcchuyển hóa dưới dạng nhiệt trước khi photon huỳnh quang được phát ra Diệp lục pháthuỳnh quang ở vùng đỏ của quang phổ

- Diệp lục kích động có thể quay lại trạng thái cơ bản của nó bằng cách chuyển trực

tiếp năng lượng kích động sang dạng nhiệt mà không có sự phát photon.

- Diệp lục kích động có thể chuyển giao năng lượng trực tiếp của nó sang các phân

tử khác

- Quá trình thứ tư là quang hóa, ở đây năng lượng của trạng thái kích động kích thích

các phản ứng hóa học xảy ra Các phản ứng quang hóa của quang hợp là những phản ứngquang trọng nhất đối với pha sáng của quang hợp

Ánh sáng hoạt hóa sự khử NADH và hình thành ATP.

Quá trình tổng quát của quang hợp là phản ứng oxy hóa khử, trong đó điện tử đượctách ra từ loại chất hóa học này (oxy hóa), và thêm vào loại chất hóa học khác (khử) Năm

1937, Robert Hill thấy rằng trong ánh sáng, các tilacoit lục lạp bị tách ra đã khử một loạtcác hợp chất, như muối sắt Các chất này đóng vai trò như chất oxy hóa tại chỗ của CO2theo phương trình sau:

4Fe3+ + 2H2O  4Fe2+ + O2 +4H+ Nhiều hợp chất được cho là hoạt động như chất nhận electron nhân tạo trong phản ứngHill Tác dụng của chúng là rất có giá trị trong việc giải thích các phản ứng khử cacbontrước đó

Chúng ta biết rằng trong hoạt động bình thường của hệ thống quang hợp, ánh sángkhử nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+), tạo ra NADPH, đóng vai trònhư là chất khử để cố định cacbon trong chu trình Calvin ATP cũng được hình thànhtrong dòng điện tử từ nước đến NADP+ và nó cũng được sử dụng trong khử cacbon.Các phản ứng hóa học trong đó nước bị oxy hóa tới oxy, NADP bị khử và ATP đượchình thành được gọi là các phản ứng tilacoit, bởi vì hầu như tất cả các phản ứng này đềudiễn ra trong tilacoit Các phản ứng khử và cố đinh cacbon gọi là phản ứng stroma, bởi vìcác phản ứng này diễn ra trong vùng dịch của lục lạp, tức stroma.

Điện tử bứt ra từ diệp lục di chuyển qua một dãy chất mang điện tử tổ chức trong sơ

đồ hình chữ Z.

Trong sơ đồ hình Z (Hình 7), tất cả chất mang điện tử hoạt động trong dòng điện tử từ

H2O đến NADP+ được bố trí theo chiều dọc dựa vào thế năng oxy hóa khử trung bình của

nó Các thành phần phản ứng với nhau được nối bằng mũi tên, vì vậy sơ đồ chữ Z thực sự

là tổng hợp của cả hai thông tin động học và nhiệt động học Các mũi tên lớn thẳng đứngthể hiện đầu vào của năng lượng ánh sáng vào hệ thống Photon kích thích diệp lụcchuyên hóa của trung tâm phản ứng (P680 đối với PSII, và P700 đối với PSI) và một điện

tử được đẩy ra Sau đó điện tử đi qua một loạt các chất mang điện tử và cuối cùng khửP700 (đối với điện tử từ PSII) hoặc NADP+ (đối với các điện tử từ PS1) Hầu như tất cảquá trình hóa học tạo nên phản ứng sáng của quang hợp được thực hiện bởi 4 phức hệ

protein lớn: PSII, phức hệ xytocrom b6f, PSI và ATP- syntase 4 phức hệ này tách rờinhau này được sắp xếp định hướng trong màng tilacoit với chức năng như sau:

• PSII oxy hóa nước tới oxy phân tử trong khoang tilacoit (lumen tilacoit) và trongquá trình đó phóng thích proton vào lumen

• Cytocrom b6f nhận điện tử từ PSII và cung cấp chúng cho PSI Nó cũng vận chuyển proton bổ sung vào lumen từ stroma

• PSI khử NADP+ thành NADPH trong stroma bởi hoạt động của ferredoxin (fd) vàflavoprotein ferredoxin – NADP reductase (FNR)

• ATP- syntase sản xuất ATP khi proton khuếch tán trở lại qua nó từ lumen vàostroma

Hình 7 Chuỗi vận chuyển điện tử theo sơ đồ Z ( vận chuyển điện tử không vòng).Các phân tử diệp lục P700 trong hệ ánh sáng I hấp thụ các photon ánh sáng đỏ xa trởthành trạng thái kích động điện từ Ở trạng thái này các phân tử diệp lục chuyển điện tửcho chất nhận đầu tiên là diệp lục (AO), chuyển cho chất nhận tiếp theo là quinon (A1),chuyển cho các protein có chứa Fe, S (FeSX, FeSA, FeSB), chuyển cho ferodoxin (Fd),ferodoxin- NADP-reductase (FNR) và cuối cùng chuyển cho NADP+ để tạo thànhNADPH

Điện tử từ P700 sẽ được nhận lại từ P680 Các phân tử P680 trong hệ ánh sáng IIhấp thụ các photon ánh sáng đỏ trở thành trạng thái kích động điện từ, sau đó điện tử

chuyển cho pheophytin, rồi chuyển cho quinon A, quinon B, cho phức hệ xytocrom b6f,cho plastocianin (PC) và chuyển cho P700 Điện tử mất đi từ P680 sẽ được nhận lại từ sựoxi hóa nước H2O bị oxi hóa qua trung tâm giải phóng oxi tạo ra các điện tử, sau đóchuyển cho chất nhận YZ và chuyển cho P680 Điện tử từ Fd có thể chuyển cho phức hệxytocrom b6-f , cho PC và trở về P700 ( chuỗi vận chuyển điện tử không vòng).

Hình 8 Sự vận chuyển điển tử và proton trong màng tilacoit được thực hiện bởi 4phức hệ protein Nước bị oxi hóa và proton giải phóng ra trong lumen của hệ ánh sáng II

Hệ ánh sáng I khử NADP+ thành NADPH trong stroma qua hoạt động của Fd và FNR,proton được vận chuyển vào trong lumen do tác động của xytocrom b6f, gây ra sự chênhlệch gradient điện hóa Những proton này sau đó khuếch tán qua enzym ATP- syntase,làm giảm thế năng điện hóa và ATP được tổng hợp trong stroma Plastoquinon dạng khử(PQH2) chuyển điện tử cho cytocrom b6f, cho PC và cho hệ ánh sáng I

Phản ứng đầu tiên chuyển hóa năng lượng điện tử thành năng lượng hóa học, tức sựkiện quang hóa cơ sở, là sự chuyển giao điện tử từ trạng thái kích động của diệp lục ởtrung tâm phản ứng tới phân tử chất nhận Có thể xem quá trình này là các photon hấpphụ gây ra sự sắp xếp lại điện tử ở diệp lục trung tâm phản ứng, tiếp theo là quá trình vậnchuyển điện tử, một phần năng lượng trong photon được giữ lại ở hình thức năng lượngoxy hóa khử

Ngay sau sự kiện quang hóa, diệp lục trung tâm phản ứng ở trạng thái oxy hóa (thiếuđiện tử hay tích điện dương) và các phân tử nhận điện tử gần đó bị khử (giàu điện tử, hay

tích điện âm) Lúc này hệ thống ở thời điểm quan trọng Quỹ đạo năng lượng thấp hơncủa diệp lục trung tâm phản ứng bị oxy hóa tích điện dương có một khoảng trống và cóthể chấp nhận một điện tử Nếu phân tử chất nhận nhường điện tử của nó trở lại diệp lụctrung tâm, hệ thống sẽ quay lại trạng thái đã tồn tại trước khi có sự kích thích của ánhsáng và tất cả năng lương được hấp phụ sẽ được chuyển thành nhiệt.

Tuy nhiên, quá trình tái tổ hợp lãng phí này không xảy ra với mức độ đáng kể tronghoạt động của trung tâm phản ứng Thay vào đó, chất nhận chuyển điện tử đến chất nhậnthứ hai và cứ như vậy sự chuyển điện tử xỷ ra đến cuối của chuỗi vận chuyển điện tử.Trung tâm phản ứng bị oxy hóa của diệp lục đã nhường một điện tử sẽ lại bị khử bởi chấtcho thứ hai Ở thực vật, chất cho điện tử cuối cùng là H2O, và chất nhận điện tử cuối cùng

là NADP+

Vì vậy, bản chất của sự dự trữ năng lượng quang hợp là sự chuyển giao điện tử từ diệplục kích động tới phân tử chất nhận, tiếp theo là một loạt các phản ứng hóa học thứ cấp rấtnhanh chóng phân chia điện tử hình thành các dạng tích điện âm và dương Các phản ứngthứ cấp này chia đôi điện tử đến phía đối diện của màng tilacoit trong khoảng 200 picogiây (1 pico giây = 10-12s)

Nước bị oxy hóa thành oxy bởi PSII

Nước bị oxy hóa theo phản ứng hóa học sau đây (Hoganson và Babcock 1997):

2H2O  O2 + 4H+ + 4e – Phương trình này chỉ ra rằng 4 điện tử được tách ra từ 2 phân tử nước, tạo 1 phân tửoxy và 4 ion hydro

Nước là phân tử rất ổn định Sự oxy hóa nước để hình thành oxy phân tử là rất khó, vàphức hệ quang hợp giải phóng oxy là hệ thống quang hóa duy nhất thực hiện phản ứngnày Quang hợp giải phóng oxy cũng là quá trình cung cấp hầu như tất cả oxy trong khíquyển của trái đất

Người ta chưa biết cơ chế hóa học của quá trình oxy hóa nước trong quang hợp, mặc

dù nhiều nghiên cứu đã cung cấp một lượng thông tin đáng kể về quá trình này Cácproton được tạo ra từ sự oxy hóa nước sẽ được phóng thích vào lumen của tilacoit chứkhông trực tiếp vào khoang stroma Chúng được phóng thích vào lumen vì bản chất định

hướng của màng và thực tế thì phức hệ giải phóng oxy định vị trên bề mặt phía trong củatilacoit Các proton này cuối cùng được chuyển từ lumen đến stroma bởi sự vận chuyểnthông qua ATP- syntase Bằng cách này các proton được phóng thích trong quá trình oxyhóa nước sẽ đóng góp vào thế năng điện hóa hoạt hóa sự hình thành ATP.

Đã nhiều năm người ta biết rằng Mn là nhân tố thiết yếu trong quá trình oxy hóa nước,

và giả thuyết cổ điển trong nghiên cứu về quang hợp đã công nhận rằng ion Mn trải quamột loạt sự oxy hóa, gọi là trạng thái S, và được đánh dấu là S0, S1, S2, S3 và S4, có lẽđược liên kết với sự oxy hóa nước và sự hình thành O2 Thuyết này đã nhận được sự hỗtrợ mạnh mẽ từ nhiều thí nghiệm, đặc biệt là nhờ phương pháp dùng tia X và nghiên cứuphổ điện từ (ESR), cả hai đều phát hiện Mn một cách trực tiếp (Yachandra và cộng sự1996) Các thí nghiệm phân tích đã chỉ ra rằng 4 ion Mn được liên kết với mỗi phức hệgiải phóng oxy Ngoài ra các thí nghiệm khác cũng đã chỉ ra rằng ion Cl- và Ca2+ làcầnthiết cho sự giải phóng oxy

Một chất mang điện tử, thường được xác định là Yz, hoạt động giữa phức hệ giảiphóng oxy và P680 Để thực hiện chức năng trong khu vực này, Yz cần phải được liên kếtrất mạnh để giữ điện tử của nó Loại này đã được xác định là có nguồn gốc hình thành từnhóm tyrozin trong protein D1 của trung tâm phản ứng PSII

Pheophytin và hai quinon nhận điện tử từ PSII

Bằng chứng từ các nghiên cứu quang phổ và ESR đã chỉ ra rằng pheophytin hoạt độngnhư chất nhận đầu tiên trong PSII, tiếp theo là phức hệ gồm hai plastoquinon rất gần vớinguyên tử sắt Pheophytin là diệp lục mà ở đó nguyên tử Mg trung tâm đã được thay thếbởi hai nguyên tử hydro Sự thay đổi hóa học này làm cho tính chất hóa học và quang họccủa pheophytin hơi khác với tính chất hóa học và quang học của diệp lục Người ta khôngbiết chính xác sự sắp xếp các chất mang trong phức hệ nhận điện tử, nhưng có lẽ nó rấtgiống với sự sắp xếp điện tử ở trung tâm phản ứng của vi khuẩn tía

Hai plastoquinon (QA và QB) được nối với trung tâm phản ứng và nhận điện tử từpheophytin một cách tuần tự (Okamura và cộng sự 2000) Chuyển giao hai điện tử đến QBkhử nó thành QB2–, và QB2– bị khử nhận 2 proton từ phía stroma của môi trường, làm choplastohydroquinon bị khử hoàn toàn (QH2) Sau đó plastohydroquinon phân ly từ phức hệ

trung tâm phản ứng và đi vào phần hydrocacbon của màng, nơi mà nó chuyển trở lại điện

tử của ttnó đến phức hệ cytochrome b6f Không giống như phức hệ protein lớn của màngtilacoit, hydroquinon là phân tử nhỏ không phân cực sẽ khuếch tán dễ dàng vào lõi khôngphân cực của màng kép

Dòng điện tử qua phức hệ cytochrome b 6 f cũng vận huyển proton

Phức hệ cytochrome b6f là một protein lớn nhiều tiểu đơn vị với vài nhóm giả (Cramer

và cộng sự 1996; Berry và cộng sự 2000) Nó chứa hai heme loại b và 1 heme loại c(cytochrome f) Trong cytochrome c heme được gắn với peptit theo liên kết cộng hóa trị;còn trong cytochrrome b nhóm tương tự protoheme không được gắn theo liên kết cộnghóa trị Ngoài ra, phức hệ chứa protein sắt – lưu huỳnh Rieske (đặt theo tên nhà khoa họckhám phá ra nó), trong đó 2 nguyên tử sắt được nối bởi hai nguyên tử lưu huỳnh

Cấu trúc của cytochrome f và phức hệ cytochrome bc1 liên quan đã được xác định vàgắn liền với cơ chế dòng điện tử và proton Dòng điện tử và proton di chuyển qua phức hệcytochrome b6f vẫn chưa được biết rõ, nhưng cơ chế được biết là chu trình Q giải thíchcho hầu hết các vấn đề dã được quan sát Trong cơ chế này, plastohydroquinon (QH2) bịoxy hóa, và một trong hai điện tử chuyển qua chuỗi vận chuyển điện tử đến PS1, trongkhi điện tử khác đi qua quá trình tuần hoàn mà làm tăng số lượng proton được bơm quamàng

Trong chuỗi vận chuyển điện tử, protein Rieske bị oxy hóa (FeSR) nhận một điện tử từplastoquinon (QH2) và vận chuyển nó đến cytochrome f Sau đó cytochrome f chuyển mộtđiện tử đến protein đồng màu xanh plastocyanin (PC), mà sẽ quay lại khử P700 đã bị oxyhóa ở PSI Trong phần tuần hoàn của quá trình, plastosemiquinon chuyển điện tử khácđến một trong các heme loại b, giải phóng cả hai proton vào phía lumen của màng

Heme b chuyển điện tử qua heme b thứ hai đến phân tử quinon đã bị oxy hóa, khử nóđến dạng semiquinon gần với bề mặt stroma của phức hệ Một nhánh tương tự khác củadòng điện tử khử hoàn toàn plastoquinon, nhận proton từ phía stroma của màng và đượcphóng thích khỏi phức hệ b6f như plastohydroquinon

Kết quả cuối cùng hai vòng quay của phức hệ là 2 điện tử được vận chuyển đến P700,

2 plastohidroquinon được oxy hóa đến dạng quinon, và 1 plastoquinon đã bị oxy hóa bị

khử đến dạng hydroquinon Ngoài ra, 4 proton được chuyển từ stroma đến phía lumen củamàng.

Bằng cơ chế này, dòng điện tử liên kết phần chất nhận của trung tâm phản ứng PSIIvới phần chất cho của trung tâm phản ứng PSI cũng gây ra một thế năng điện hóa quamàng, một phần do sự khác nhau về nồng độ H+ ở hai phía của màng Thế năng điện hóanày được sử dụng để làm động lực tổng hợp ATP Dòng điện tử tuần hoàn quacytochrome b và plastoquinon làm tăng số proton được bơm trên một điện tử ngoài những

gì đã đạt được trong chuỗi chính

Plastoquinon và plastocyanin mang điện tử giữa PS II và I

Vị trí của hai quang hệ khác nhau trên màng tilacoit đòi hỏi ít nhất một thành phần cókhả năng di chuyển dọc theo hoặc bên trong màng để cung cấp điện tử được sản xuất ởPSII đến PSI Phức hệ cytochrome b6f phân bố đồng đều giữa grana và vùng stroma củamàng, nhưng kích thước lớn làm cho nó không giống chất mang di động Thay vào đóplastoquinon hoặc plastocyanin hoặc có thể là cả hai được cho là đóng vai trò như chấtmang di động để kết nối hai quang hệ

Plastocyanin là một protein nhỏ (10,5kDa), tan trong nước và chứa đồng, chuyển điện

tử giữa phức hệ cytochrome b6f và P700 Protein này được tìm thấy trong không gianlumen Trong một số tảo xanh lá và vi khuẩm lam, đôi khi người ta thấy cytochrome cthay vì plastocyanin Trong hai loại này, protein nào được tổng hợp là phụ thuộc vào sốđồng sẵn có trong tổ chức

Trung tâm phản ứng PSI khử NADP +

Phức hệ trung tâm phản ứng PSI là một phức hệ lớn đa tiểu đơn vị (Hình 7.30) (Jordan

và cộng sự 2001) Trái với PSII, lõi anten chứa khoảng 100 diệp lục là một phần của trungtâm phản ứng PSI, P700 Lõi anten và P700 được kết nối với hai protein, PsaA và PsaB,với khối lượng phân tử trong khoảng 66 – 70 kDa (Brettel 1997, Chitnis 2001)

Các sắc tố anten hình thành một hố trũng xung quanh yếu tố đồng vận chuyển điện tử

ở trung tâm của phức hệ Dạng khử của chúng, chất mang điện tử hoạt động trong vùngchất nhận của PSI, là tất cả tác nhân khử cực kì mạnh Các bằng chứng đã chỉ ra rằng mộttrong những chất nhận đầu tiên là phân tử diệp lục, chất còn lại là một loại quinon, còn

được gọi là vitamin K1 Chất nhận điện tử bổ sung bao gồm một loạt 3 protein màng liên

kết với sắt và lưu huỳnh, hoặc kết hợp với ferredoxin, còn được gọi là các trung tâm Fe

– S (FeSX, FeSA và FeSB) FeSX là một phần của protein liên kết P700; các trung tâm A và

B nằm trên protein 8 kDa là một phần của phức hệ trung tâm phản ứng PSI Điện tử được

vận chuyển qua trung tâm A và B đến ferredoxin (Fd), một protein sắt – lưu huỳnh nhỏ hòa tan trong nước Flavoprotein liên kết với màng ferredoxin – NADP reductase (FNR) khử NADP+ thành NADPH, vì vậy việc hoàn thành chuỗi vận chuyển điện tửkhông tuần hoàn bắt đầu với quá trình oxy hóa nước (Karplus và cộng sự 1991)

Ngoài việc khử NADP+, ferredoxin dạng khử được tạo ra ở PSI có một số chức năngkhác trong quang hợp, như cung cấp chất khử để khử nitrat và điều tiết một số enzym choquá trình cố định cacbon

Dòng điện tử tuần hoàn tạo ra ATP nhưng không tạo ra NADPH.

Một số phức hệ cytochrome b6f được tìm thấy trong vùng stroma của màng – vị trícủa PSI Trong những điều kiện nhất định xuất hiện dòng điện tử tuần hoàn từ phía khửcủa PSI qua phức hệ b6f và quay lại P700 Dòng điện tử tuần hoàn này gắn với việc bơmproton vào lumen, được dùng để tổng hợp ATP mà không oxy hóa nước hoặc khửNADP+ Dòng điện tử tuần hoàn đặc biệt quan trọng như một nguồn ATP trong lục lạpcủa tế bào bao quanh bó mạch ở một số thực vật C4

Sự vận chuyển proton và tổng hợp ATP trong lục lạp

Trong các phần trước chúng ta đã biết cách thức năng lượng ánh sáng được sử dụng đểkhử NADP+ thành NADPH Và một phần năng lượng ánh sáng được dùng cho tổng hợpATP, gọi là quang photphoryl hóa Quá trình này được phát hiện bởi Daniel Arnon vàcộng sự trong những năm 50 Trong trạng thái bình thường của tế bào, quang photphorylhóa đòi hỏi dòng điện tử, mặc dù trong một số điều kiện dòng điện tử và quangphotphoryl hóa có thể diễn ra một cách phụ thuộc nhau Dòng điện tử mà không đi kèmquang photphoryl hóa được cho là đã bị tách ra

Bây giờ người ta đã công nhận một cách rộng rãi rằng hoạt động quang photphorylhóa thông qua cơ chế hóa thẩm thấu, công trình này lần đầu tiên được đề xuất trongnhững năm 60 bởi Peter Mitchell Đây được xem là cơ chế chung hoạt hóa quá trình

photphoryl hóa trong hô hấp hiếu khí ở vi khuẩn và ty thể cũng như vận chuyển nhiều ion

và các chất chuyển hóa qua màng Cơ chế hóa thẩm thấu dường như là thống nhất củacác quá trình diễn ra tại màng trong tất cả các dạng sống ATP được sử dụng bởi cácATPase ở màng plasma, được tổng hợp bởi quang photphoryl hóa trong lục lạp vàphotphoryl hóa oxy hóa trong ty thể

Nguyên tắc cơ bản của hóa thẩm thấu là sự khác nhau về nồng độ ion và sự khác nhau

về thế năng điện hóa qua màng – nguồn năng lượng tự do tế bào có thể dùng Vì được mô

tả bởi định luật thứ hai nhiệt động học nên bất kì sự phân phối không đều nào của vật chấthoặc năng lượng đều đại diện cho một nguồn năng lượng Sự khác nhau trong thế nănghóa học của bất kì loại phân tử nào mà nồng độ của chúng không giống với phía đối diệncủa màng sẽ cung cấp một nguồn năng lượng

Chúng ta đã biết về tính chất đối xứng của màng quang hợp và proton “chảy” từ phíanày đến phía kia của màng đi kèm với dòng điện tử Hướng di chuyển của proton như vậynên stroma trở nên kiềm hơn (ít ion H+ hơn) và lumen trở nên acid hơn (nhiều ion H+ hơn)như là kết quả của sự vận chuyển điện tử

Một số bằng chứng đầu tiên được cung cấp bởi thí nghiệm thực hiện bởi AndrreJagendorf và cộng sự đã ủng hộ cơ chế điện hóa của quang hợp hình thành ATP Họ treothylakoid lục lạp lơ lửng trong đệm pH4 và bộ đệm khuếch tán qua màng, làm cho phíatrong cũng như phía ngoài của thylakoid cân bằng pH có tính acid này Sau đó họ nhanhchóng chuyển tilacoii tới đệm pH8, do đó tạo ra một sự khác biệt về pH tới 4 đơn vị trêntoàn màng tilacoit giữa trong và ngoài màng

Người ta thấy một lượng lớn ATP được hình thành từ ADP và Pi từ quá trình này màkhông có sự tham gia của ánh sáng hoặc vận chuyển điện tử Kết quả này ủng hộ các dựđoán của thuyết hóa thẩm sẽ được mô tả trong những đoạn sau

Mitchell đã đề xuất ý tưởng rằng tổng năng lượng có sẵn để tổng hợp ATP, cái mà ônggọi là động lực vận chuyển proton (Δp), là tổng thế năng hóa học proton và thế năng điệnhóa ở hai phía của màng Hai thành phần của động lực vận chuyển proton từ phía ngoàiđến phía trong màng được thể hiện bằng công thức sau:

Δp = ΔE – 59 (pHi – pHo)

Ở đây ΔE là điện thế màng, và pHi – pHo (hay ΔpH) là sự khác biệt pH qua màng Tỷ

lệ ổn định (ở 25oC) là 59mV trên một đơn vị pH, vì vậy sự khác biệt pH màng của 1 đơn

vị pH tương đương với một thế năng màng 59mV

Trong điều kiện vận chuyển điện tử ở trạng thái ổn định, thế điện màng là khá nhỏ vì

sự vận chuyển ion qua màng, vì vậy Δp được hình thành gần như hoàn toàn bởi ΔpH.Lượng pháp hóa học của proton được vận chuyển trên 1 ATP được tổng hợp gần đây đãđược tìm thấy là 4 ion H+ trên 1 ATP (Haraux và De Kouchkovsky 1998)

ATP được tổng hợp bởi một phức hệ enzym lớn (400 kDa) được biết đến với nhiều

tên: ATP synthase, ATPase (sau phản ứng ngược thủy phân ATP) và CF o – CF 1 (Boyer1997) Enzym này chứa hai phần: phần kị nước liên kết với màng gọi là CFo và phần dínhbên ngoài hướng vào stroma gọi là CF1 CFo hình thành một kênh qua màng để proton cóthế đi qua CF1 được hình thành từ vài peptit, bao gồm ba bản sao của mỗi peptit α và βđược sắp xếp xen kẽ giống như các các phần của một quả cam Trong khi các vị trí xúctác chủ yếu định vị trên polypeptit β thì nhiều peptit khác được cho là có chức năng điềuchỉnh CF1 là phần phức hệ tổng hợp ATP

2 Pha tối của quang hợp (các phản ứng tối)

Là quá trình đồng hóa CO2 ( khử cacbon ) diễn ra ở trong cơ chất của lục lạp Cơ chế khửcacbon ở thực vật xảy ra theo 3 con đường : chu trình Canvin- Benson ( chu trình C3 ) chutrình Hatch-Slack ( chu trình C4 ), chu trình CAM ( Crassulaceae Axit Metabolism )

2.1 Sự cacbon theo chu trình Calvin- Benson

Chu trình C3 xảy ra hầu hết các loại thực vật, từ cây thân gỗ đến cây thân thảo Sự đồnghóa CO2 theo con đường này diễn ra trong tế bào thịt lá vào ban ngày và không cần ánhsáng Cơ chế của quá trình cố định CO2 gồm 3 giai đoạn :

- Giai đoạn cacboxyl hóa ( tiếp nhận CO2 ) : chất nhận đầu tiên ribulozo -1,5 đi photphat( Ru- 1,5DP ) kết hợp với CO2 tạo ra 2 phân tử axit 3-photpho glyxerit (A-3PG ) - Giaiđoạn khử : A-3PG + ATP → A-1,3 DPG ( axit 1,3 đi photphoglyxerit ) có sự xúctác của enzym photpho glyxeratkinase

A-1,3DPG sẽ bị khử do NADPH , dưới tác động của enzym glyxeraldehyt photphatdehydrogenase tạo thành aldehyt photpho glyxerit (ALPG )

A-1,3DPG + NADPH → ALPG + NADP + P vô cơ

- Giai đoạn tái tạo chất nhận : ALPG sẽ biến đổi đồng phân tạo thành DHAP (đihydroxy axeton photphat ) Sau đó 2 phân tử đường 3 các bon sẽ kết hợp tạo ra đường 6cacbon là fructozo – 1,6 đi photphat ( F-1,6 DP )

F-1,6DP → F- 6P F-6DP kết hợp với ALPG tạo ra xilulozo -5photphat và erytrozo- 4photphat ( E-4P ) Erytrozo-4 photphat kết hợp với DHAP tạo raphân tử đường sedoheptulozo -1,7 điphotphat ( Sed- 1,7DP ) và Sed- 1,7 DP táchphotphat tạo ra Se- 7P Sed-7DP + ALPG → 2 phân tử đường C5 là xilulozo-5P vàribozo- 5P Các phân tử đường này sẽ biến đổi đồng phân để tạo thành ribulozo -5P ,sau đó kết hợp với ATP để tái tạo chất nhận ban đầu là ribulozo -1,5DP và quay lại chutrình Để tổng hợp 1 phân tử đường fructôzơ phải có 6 phân tử CO2 bị khử và cần 12NADPH2 , 18 ATP do pha sáng cung cấp