BÀI GIẢNG QUANG SINH HỌC

Quang sinh học là một trong những môn chuyên ngành của lý sinh học.Đối tượng nghiên cứu của quang sinh học là những quá trình xảy ra trong cơ thểsống khi có sự tham gia của các lượng tử

LÝ SINH

CHƯƠN

G 6

QUANG SINH HỌC

I GIỚI THIỆU

Nguồn năng lượng chủ yếu của sinh vật trên trái đất là năng lượng bức xạmặt trời Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời sự sống đã phát sinh, duy trì vàphát triển Để tồn tại và tiến hóa, sinh vật thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặttrời rồi chuyển hóa nó sang dạng năng lượng khác cần thiết cho sự sống quanhững phản ứng đặc hiệu

Quang sinh học là một trong những môn chuyên ngành của lý sinh học.Đối tượng nghiên cứu của quang sinh học là những quá trình xảy ra trong cơ thểsống khi có sự tham gia của các lượng tử ánh sáng Những phản ứng trong quátrình này được gọi là những phản ứng quang sinh Cơ chế của các phản ứngquang sinh vô cùng phức tạp , vì phần lớn chúng xảy ra ở mức phân tử, nguyên

tử

Các phản ứng quang sinh chia thành hai nhóm lớn:

CÁc phản ứng quang vvvsinh vật

Các phản ứng quang sinh vật

Gây đột biến di truyền

chức năng

Những phản ứng sinh lý chức năng là những phản ứng mà trong đó cácsản phẩm, hoặc các chất trung gian, cần thiết của tế bào hay cơ thể để thực hiệnchức năng sinh lý của mình chỉ được hình thành khi có sự tham gia của lượng tửánh sáng Gồm 3 loại:

- Phản ứng tạo năng lượng (quang hợp)

- Phản ứng thông tin, trong đó lượng tử ánh sáng bằng cách tạo những sản phẩmquang hóa kích thích các cơ quan khuếch đại đặc biệt, kết quả là cơ thể có thểnhận được lượng thông tin cần thiết về môi trường bên ngoài (thị giác của độngvật, quang hình thái, hướng quang,…ở động vật, thực vật, người,…)

- Sinh tổng hợp Trong chuỗi phản ứng sinh tổng hợp các chất hữu cơ (vitamin,clorophil) có các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của lượng tử ánh sáng.Mặt khác hệ thống men của quá trình tổng hợp sắc tố có thể được hoạt hóa dướitác dụng của ánh sáng

Trong các phản ứng hủy biến tính, ánh sáng có tác dụng gây tổn thươngđối với các phân tử sinh vật tạo những biến đồi hóa học bất thường Trong một

số trường hợp, sản phẩm của sự biến đổi đó có thể là các độc tố, hoặc là các chất

có khả năng làm đột biến các phân tử sinh vật quan trọng (ADN, ARN,…) kíchthích các quá trình hóa sinh Vì vậy ở đây song song với hiệu ứng tử vong, còn

có hiệu ứng kích thích hoặc biến dị các quá trình sinh hóa

II BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

Ánh sáng là bức xạ điện từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc

vô cùng lớn (trong chân không vận tốc ánh sáng đạt 300,000 km/s) Ánh sáng được chia thành 3 vùng cơ bản:

- Vùng nhìn thấy (vùng khả kiến) có bước sóng (λ) từ 400 – 700nm

Ánh sáng vừa có tính sóng (đặc trưng bởi bước sóng và tần số) vừa cótính chất hạt (đặc trưng bởi các lượng tử ánh sáng – photon) Mỗi photon cómang một giá trị năng lượng được tính theo công thức:

Đơn vị dùng xác định năng lượng photon là electron vôn (eV) hoặc Kcal

Công thức chuyển đổi giữa các đơn vị đo năng lượng:

1 eV = 1,602.10-12 erg và 1 Kcal = 4,2.1010 erg

Năng lượng của 1 mol lượng tử tính theo đơn vị Kcal được tính theo côngthức:

E = (Kcal/M)

Năng lượng của ánh sáng tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng (γ) và tỉ lệ nghịchvới bước sóng ánh sáng (λ) Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn nănglượng ánh sáng có bước sóng dài Ví dụ năng lượng tia tử ngoại có bước sóng

λ = 200nm, có giá trị 143,25 Kcal/M còn ánh sáng khả kiến có λ = 750nm chỉđạt 40,92 Kcal/M

III QUI LUẬT HẤP THỤ ÁNH SÁNG

Hấp thụ ánh sáng:

A + hv A*

- Là quá trình vật lý lượng tử thuần túy

- Cơ sở: sự tương tác giữa vectơ điện của lượng tử ánh sáng với nguyên tửhoặc phân tử

- Nguyên tử (phân tử) chỉ hấp thụ lượng tử có bước sóng xác định vớinăng lượng tương ứng với hiệu năng lượng (E) giữa hai trạng thái, trạng thái

cơ bản và trạng thái kích thích của nguyên tử (phân tử)

E = hc/λ

h: hằng số Plan

c: tốc độ ánh sáng

λ: bước sóng của ánh sáng

- Giai đoạn hấp thụ lượng tử ánh sáng và giai đoạn khử trạng thái kích thích điện

tử của phân tử, đặc trưng chung cho tất cả các phản ứng quang sinh học:

Sơ đồ biểu diễn các mức năng lượng của phân tử và các bước chuyển giữa cácmức năng lượng đó

- Đường A, a: Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức nănglượng cơ bản ban đầu (S0) lên mức năng lượng cao hơn (S1 hoặc S2)

- Theo cơ học lượng tử thì không có bước chuyển phát xạ (phát sóng ánh sáng)khi phân tử chuyển từ mức S2 về mức S0 và cũng không có bước chuyển thẳng

từ mức S0 lên mức triplet (bước cấm)

- Khi phân tử chuyển từ mức S1 về mức cơ bản S0 sẽ phát huỳnh quang (b) hoặcchuyển từ mức triplet về mức cơ bản S0 sẽ phát lân quang (c)

- Các đường 1, 2, 3, 4 là phân tử thải hồi năng lượng dưới dạng tỏa nhiệt ra môitrường

Quá trình phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kíchthích và sau đó trở về trạng thái ban đầu là một quá trình bất thuận nghịch

Qui luật

Sự hấp thụ ánh sáng của vật chất được biểu hiện ở chỗ cường độ ánh sáng

bị yếu đi sau khi xuyên qua lớp vật chất nghiên cứu Năm 1760, Lambert và sau

đó năm 1852, Beer đã tìm ra qui luật hấp thụ ánh sáng bởi vật chất

Đặt , gọi là mật độ quang học của dung dịch, ta có công thức Hình: Ánh sáng truyền qua dung dịch có nồng độ C và chiều dày l

Sự phụ thuộc của Dvào C

Khi nồng độ dung dich C = 1M và l = 1cm thì suy ra D = ε Như vậy, hệ

số hấp thụ chính bằng mật độ quang học của dung dịch có chiều dày 1 cm vànồng độ 1M

Đối với hệ dị thể như hệ sinh vật, có nhiều phần có nồng độ khác nhau thìmật độ quang học của toàn hệ sẽ bằng tổng mật độ quang học của từng thànhphần riêng rẽ theo công thức:

D = D1 + D2 + D3 + … + Dn

Khi ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó sẽ bịphân tích thành một số tia màu (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím)

Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn Cảm giác màusắc là một chuỗi của quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùngkhả kiến chiếu vào võng mạc của mắt Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó

đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không màu (thí dụ, thủy tinh hấp thụcác bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khảkiến) Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó cómàu đen Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thìcác bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màunào đó Chẳng hạn, một chất hấp thụ tia màu đỏ (λ = 610 – 730) thì ánh sángcòn lại gây cho ta cảm giác lục

IV CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH QUANG SINH VẬT

Các quá trình quang sinh họcthường được đánh giá theo hai

quan điểm

Các phản ứng quang sinh họcPhản ứng tạo năng lượng

Những giai đoạn chính:

- Hấp thụ lượng tử ánh sáng bởi các sắc tố hoặc các

chất khác tạo trạng thái kích thích – xuất hiện sự tích

lũy năng lượng bên trong cơ thể

- Khử trạng thái kích thích của phân tử Giải phóng

năng lượng kích thích bằng các quá trình quang lý/

quang hóa dẫn tới tạo các sản phẩm quang hóa không

bền vững đầu tiên

- Những phản ứng trung gian (phản ứng tối) với sự

tham gia của các sản phẩm quang hóa không bền nói

trên để tạo nên sản phẩm quang hóa bền vững (với quá

trình quang hợp, đó là các hydratcacbon)

- Các hiệu ứng sinh vật (như là các biểu hiện sinh lý cảm nhận màu sắc, sự vật,

sự sinh trưởng và phát triển, )

V QUANG HỢP

1 Phương trình quang hợp tổng quát

Trên trái đất chỉ có hai nguồn năng lượng mà thế giới sinh vật có thể sửdụng là năng lượng hóa học của các chất vô cơ có nguồn gốc từ trái đất và nănglượng ánh sáng có nguồn gốc từ vũ trụ Năng lượng ánh sáng là nguồn nănglượng vô tận, có ý nghĩa quyết định đến sự sống ở trên trái đất được thực vật vànhiều loài vi sinh vật quang dưỡng chuyển hóa thành năng lượng hóa học trongcác phân tử hữu cơ Nhờ quá trình quang hợp mà mỗi năm trên trái đất có 5.1010

chất rắn hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2.1012 tấn CO2 và thải ra 13.1010 tấn O2

vào khí quyển

Phản ứng tổng quát của quang hợp là phản ứng tổng hợp các chất hữu cơ(hydratcacbon) từ các chất vô cơ (khi CO2 và H2O) dưới tác dụng của ánh sáng

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Quá trình quang hợp diễn ra ở thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp

Một loại quang hợp khác diễn ra ở vi khuẩn theo phản ứng:

Giai đoạn chung chotất cả các quá trìnhquang sinh vật Mangtính vật lý túy .thuầntúy

hvDiệp lục

2 Năng lượng trong quá trình quang hợp

Phản ứng quang hợp là phản ứng tạo năng lượng thu nhiệt kèm theo sựtăng năng lượng tự do và giảm entropy

Để định lượng vai trò của ánh sáng có thể tính tổng năng lượng các liênkết σ các chất tham gia vào phản ứng và các sản phẩm cuối cùng của quá trìnhquang hợp theo phương trình tổng quát sau:

2 nối C = O có năng lượng là 2x190 Kcal/M

2 nối O – H có năng lượng là 2x110 Kcal/M

Năng lượng tổng cộng là: 600 Kcal/M

Ở sản phẩm quang hợp có:

1 nối O = O có năng lượng là 1x116 Kcal/M

1 nối C = O có năng lượng là 1x190 Kcal/M

2 nối C – H có năng lượng là 2x92 Kcal/M

Năng lượng tổng cộng là 490 Kcal/M

So sánh năng lượng trước và sau phản ứng ta có:

600 Kcal/M – 490 Kcal/M = 110 Kcal/M

Như vậy, năng lượng cung cấp cho lượng tử ánh sáng cũng chính bằng

110 Kcal/M để phá vỡ liên kết cũ (chất tham gia) và hình thành liên kết mới (sảnphẩm)

Theo tính toán lý thuyết 1 photon ánh sáng đỏ (λ = 680 nm) có nănglượng khoảng 42 Kcal/M và như vậy để có 110 Kcal/M chỉ cần hấp thụ 3photon ánh sáng đỏ là đủ thực hiện quá trình quang hợp

Trên thực tế, để tạo 1 phân tử oxi tối thiểu phải cần từ 4 – 12 photon Nếulấy giá trị trung bình số photon cần thiết cho quá trình quang hợp là 8 thì hiệusuất trung bình của quá trình quang hợp sẽ là:

Hiệu suất cực đại cúa quá trình quang hợp có thể đạt được là:

Năng lượng lượng tử được tích lũy qua các quá trình quang hợp được sử dụngtrong tất cả các quá trình hoạt động bình thường của cơ thể sống

3 Sự tham gia của các sắc tố trong quá trình quang hợp

Trong thực vật tồn tại nhiều sắc tố khác nhau Ở thực vật bậc cao có cácsắc tố thuộc nhóm diệp lục tố (Chlorophyll), Carstinvid (Carotennoid) Ở thựcvật bậc thấp có thể gặp một số sắc tố khác như nhóm phicobilin (phicoxianin,phicoeritin,…) Tuy nhiên đóng vai trò trực tiếp trong quang hợp là diệp lục tốnhóm a (Cha).

Diệp lục tố có phổ hấp thụ rất rộng, trải suốt phổ ánh sáng trông thấy với

2 cực đại ở cuối hai đầu dãy của phổ này Tuy nhiên với diệp lục tố nhóm a cócực đại khác với nhóm b Các sắc tố khác có cực đại hấp thụ nằm giữa các cựcđại của Cha và Chb

Với cách phân bố như vậy, cho nên hầu hết năng lượng của ánh sángtrông thấy đã được hấp thụ khi nó đến lá cây Tuy nhiên không phải tất cả nănglượng ấy đều tham gia trực tiếp vào quang hợp, mà chỉ có những phần được Chanằm tại trung tâm quang hóa thu nhận (trực tiếp hay gián tiếp) mới tham giaquang hợp Năng lượng do các sắc tố khác thu nhận sẽ truyền cho Cha bằngnhiều cách Điều đó được minh chứng qua việc phổ phát quang của lá cây khichiếu sáng có bước sóng bằng phổ huỳnh quang của diệp lục tố nhóm a

Như vậy trong lá cây xanh khi được chiếu sáng bằng ánh sáng trông thấy

sẽ xuất hiện một “dòng” năng lượng đi từ những sắc tố có bước sóng hấp thụngắn sang sắc tố có bước sóng hấp thụ dài hơn để cuối cùng đến Cha ở trungtâm quang hóa Điều này rất quan trọng vì ánh sáng chiều đến dù có mạnh đếnđâu cũng không đáp ứng đủ cho quang hợp do số lượng sắc tố nằm tại trung tâm

quang hóa không nhiều Có thể hình dung các sắc tố khác đóng vai trò như cáiphễu hứng năng lượng đổ về trung tâm quang hóa.

Như vậy, có 2 cách sắc tố tham gia phản ứng quang hóa:

- Nếu chúng là thành phần của trung tâm quang hóa thì sẽ tham gia trựctiếp bằng năng lượng do chính mình hấp thụ hoặc sắc tố khác truyền cho

- Thu nhận năng lượng rồi truyền về trung tâm quang hóa

Giữa phổ hấp thụ (năng lượng được hấp thụ) và phổ hoat động (sản phẩmquang hợp) không phải bao giờ cũng tuyến tính Trong nhiều trường hợp, phổhấp thụ tăng cao hoặc không đổi nhưng phổ hoạt động không tăng, thậm chígiảm Trong trường hợp đó chứng tỏ có những sắc tố hấp thụ ánh sáng nhưngkhông chuyển năng lượng đó cho quá trình quang hợp (thường xảy ra khi chiếuánh sáng có bước sóng λ>680)

Chl Chl*

Điện tử của phân tử clorophyll ở trạng thái kích thích khi trở về trạng tháiban đầu đã truyền năng lượng cho hệ truyền điện tử định vị trong lục lạp để tổnghợp ATP

Ở pha sáng quang hợp có sự tham gia của phân tử nước Dưới tác dụngcủa ánh sáng với sự tham gia của hệ sắc tố và hệ oxi hóa trong lục lạp mà phân

tử nước bị phân li, gọi là sự quang phân li nước

4H2O 4H+ + 4OH

-hv

hv Sắc tố

2H2O + 2ADP + 2H3PO4 + 2NADP 2ATP + 2NADPH2 + O2

Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH2 sẽ tiếp tục vào phản ứng tiếptheo của pha tối để tổng hợp nên chất hữu cơ với sự tham gia của CO2

Pha tối

Mn 2+

Cl

-Các phản ứng của pha tối diễn ra không có sự tham gia trực tiếp của ánhsáng chiếu mà có sự tham gia của ATP, NADPH2 và CO2 Sản phẩm đầu tiên củapha tối quang hợp là glucose (C6H12O6) Có 3 con đường tổng hợp glucose từ

CO2 ứng với 3 nhóm thực vật khác nhau là thực vật C3, C4 và CAM(Crasulacean Acid Metabolism) được thực hiện theo các chu trình C3, C4, CAM

VI ĐÁP ỨNG QUANG HỌC (PHOTORESPONSE)

1 Thụ quan ánh sáng (Photoreceptor)

 Có 3 thụ quan ánh sáng

a) Phototropin: là thụ quan ánh sáng xanh.

- Phần lớn thực vật có 2 phototropin đồng dạng là Phot1 và Phot2

- Phototropin có 900-1000 gốc amino-acid

- Đầu N liên kết với một cặp flavin mononucleotic (FMN) tạo thành vùngthụ cảm với ánh sáng, với oxy hay với điện thế còn đầu C là vùng chứcnăng enzyme kinase của Serine/ Threonine

- Khi ánh sáng xanh tác động lên protein của phototropin trên màng tếbào thì tại đó sẽ xảy ra sự phosphat hóa và kéo theo hàng loạt quá trìnhkhác nhau trong tế bào

- Phototropin giúp thực vật điều tiết các quá trình:

 Tái phân bố lục lạp

 Ức chế sự kéo dài thân

b) Cryptochrome: là thụ quan ánh sáng xanh.

- Nó là flavoprotein có cấu trúc gần giống với enzyme quang phân ly(photolysa) ADN, nhưng lại không thể hiện khả năng này

- Nó được tìm thấy từ ở bacteria cho đến người

- Có ba loại cryptochrome: Cry1, Cry2, Cry3

 Cry1, Cry2 kiểm soát sự nảy mầm, sự kéo dài cây cũng như quang

c) Phytochrome: thụ quan ánh sáng đỏ và cận hồng ngoại

- Phytochrome là protein chứa sắc tố mật

- Chúng có hai loại cấu trúc hóa học khác nhau

 Pr có màu xanh với phổ hấp thụ ánh sáng đỏ (660 nm).

 Pfr có màu xanh-lục với phổ hấp thụ cận hồng ngoại (730 nm)

- Hai cấu trúc này có thể chuyển đổi qua lại:

- Trong bóng đêm Pfr sẽ chuyển ngẫu nhiên về Pr

- Chính tính chất này của phytochrome đã giúp cho thực vật thực hiện đượcquang chu kỳ, nhịp ngày đêm, cũng như những hoạt động sống khác

quang hình thái

3 Quang hướng động (Phototropism)

- Thực vật có tính hướng về phía có ánh sáng.



- Hiện tượng quang hướng động xảy ra với sự đóng góp của hormonauxin.

 Tại vùng khuất ánh sáng, auxin sẽ làm tăng cường việc giải phóngion hydro nên làm giảm pH tại đó.

 Sự acid hóa này sẽ kích hoạt enzym expansins phá vỡ cấu trúc củathành tế bào làm cho nó mất độ cứng

 Nhờ sự mềm hóa này giúp cho tế bào có thể tăng thể tích lớn hơnnhững tế bào vùng chiếu sáng

 Kết quả làm cho cây uốn cong về hướng có ánh sáng chiếu tới

4 Quang chu kỳ (Photoperiodism)

- Hầu hết thực vật chỉ ra hoa vào những thời gian nhất định trong năm dùthời điểm gieo trồng có chênh lệch nhau

- Điều đó chứng tỏ sự sinh trưởng của thực vật có liên quan với độ dàiban ngày của mùa khác nhau trong năm

- Dựa vào quang chu kỳ chia thành ba nhóm thực vật:

 Thực vật ngày dài: ra hoa vào mùa xuân và hè là mùa có ngày dài

 Thực vật ngày ngắn: ra hoa vào cuối năm có ngày ngắn

 Không phụ thuộc vào độ dài của ngày: Loại này thường dựa vàonhiệt độ để ra hoa

-Thụ

quan chính giúp cho quá trình quang chu kỳ là phytochrome

 Trong mùa ngày dài, thực vật nhận nhiều ánh sáng có bước sóng

660 nm.Trong trường hợp này, phytochrome đỏ (Pr) chuyển mạnh