Cơ chế quang hợp

Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất hữu cơ → quá trình biến đổi các chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ

Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Vũ Văn Vụ Sinh viên thực hiện : Chu Hoàng Lan

Phan Hương Trang

Lớp:K10 CNTN Sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất hữu cơ → quá trình biến đổi các chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp có hoạt tính cao trong cơ thể thực vật, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời và sự tham gia của hệ sắc tố thực vật.

Đối với cây xanh

• Tuy nhiên, bằng phương pháp đồng vị phóng xạ O18

người ta xác định Oxy là từ nước chứ không phải carbonic như trước đây quan niệm

hν

Pha

sáng

Bao gồm các quá trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố, cùng với sự biến đổi năng lượng lượng tử thành các dạng năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH2

Giai đoạn quang vật lý

Giai đoạn quang hóa học

Giai đoạn quang vật lý bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử Chlorophyll

ngang, gồm điện trường và từ

trường vuông góc với nhau và

với phương truyền sóng.

E – năng lượng photon [J]

h – hằng số planck (6,625.10 -34 J.s)

Khi ánh sáng chiếu vào vật thể → các photon ánh sáng đập vào vật thể Nếu được vật thể hấp thụ sẽ kích thích các phân tử của vật thể → vật thể trở thành dạng bị kích động

Quang phổ ánh sáng

Phổ hấp thụ ánh sáng của một số sắc tố quang hợp

Chlorophyll hấp thụ ánh sáng ở vùng quang phổ xanh lam và đỏ, phản chiếu ánh sáng lục → màu xanh lục của lá cây

 Khi Chlorophyll hấp thụ ánh sáng, nó thay đổi trạng thái năng

lượng

Chl + hν → Chl *

Ở trạng thái kích thích cao, Chl không bền,

dễ dàng mất năng lượng cho môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt, và trở về trạng thái kích thích thấp nhất, nơi nó có thể tồn tại bền vững trong khoảng thời gian lớn nhất là 10 -9 s.

Ở trạng thái kích thích thấp nhất, Chl * có bốn con đường biến đổi

Chl* trở về trạng thái cơ bản bằng cách biến đổi trực tiếp năng lượng kích thích thành nhiệt mà không có sự phát xạ photon.

PƯ quang hóa,

là những phản ứng thuộc loại nhanh nhất trong các PƯHH

đã biết → cần thiết để cạnh tranh với 3 quá trình trên.

Chl * tham gia vào sự truyền năng lượng, trong quá trình này Chl bị kích thích sẽ truyền năng lượng cho phân tử khác.

Năng lượng biến đổi thành nhiệt thoát ra môi trường xung quanh

Phát xạ huỳnh quang

Trường hợp 1&2: Chlorophyll kích

thích trở về trạng thái cơ bản bằng

cách giải phóng nhiệt và ánh sáng

Trường hợp 3: Chlorophyll kích thích

truyền năng lượng cho các phân tử bên cạnh

Trường hợp 4: Tham gia phản ứng quang

hóa – Chlorophyll truyền electron cho một chất nhận điện tử ,đồng thời lại nhận electron

từ một chất cho khác.

 Rất nhiều phân tử sắc tố

tập trung thành phức hệ antenna, tập hợp ánh sáng và truyền nặng lượng cho trung tâm phản ứng, nơi các phản ứng oxy hóa khử diễn ra Sự truyền năng lượng trong antenna là một hiện tượng vật lý đơn thuần, không liên quan đến bất

kì biến đổi hóa học nào.

Sự truyền

năng lượng

Quang hóa học

Chlorophyll sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để hình thành nên các hợp chất dự trữ năng lượng và các hợp chất khử

Giai đoạn quang hóa khởi nguyên

 Là quá trình hình thành thuận nghịch Chlorophyll khử.

 Quang khử Chlorophyll và oxy hóa chất cho electron

 Chlorophyll chuyển e cho chất nhận và trở về trạng thái ban đầu

 Sự chuyển electron được tiến hành cùng với sự tham gia của một hệ thống các chất truyền electron phức tạp nằm trong 2 hệ thống quang

hóa: Hệ thống quang hóa I (Photosystem I - PSI) và hệ thống quang hóa II (Photosystem II - PSII)

PSI và con đường vận chuyển electron vòng

 Năng lượng giải phóng trong

quá trình truyền điện tử tạo

ra một grandient proton

được sử dụng để tạo ATP

 Do electron quay trở lại

trung tâm phản ứng → con

đường vận chuyển electron

vòng

PSII và con đường vận chuyển electron không vòng

 Trung tâm phản ứng: P680

 Photon ánh sáng đẩy electron cao năng ra khỏi P680, đến

pheophytin, đến plastoquinone, đến phức hợp b6-f, đến plastocyanin và cuối cùng đến trung tâm phản ứng quang hệ I là P700

 Tại PSI, P700 cũng hấp thụ ánh sáng và giải phóng electron cao năng Electron theo chuỗi truyền điện tử đến Fd → dùng để khử

NADP + thành NADPH

 Electron bị mất đi ở P700

sẽ được bù bằng electron từ PSII sang → Như vậy điện tử cao năng từ P680 qua chuỗi truyền điện tử đến P700 chứ không quay trở lại → con đường vận chuyển electron không vòng.

Tại P680 có một lỗ

hổng electron

Xảy ra quá trình quang phân ly nước, tạo ra electron bù cho P680

Sơ đồ con đường vận chuyển electron không vòng

Sơ đồ chữ Z của chuỗi truyền điện tử

Quá trình phosphoryl hóa quang hóa

ATP → quá trình phosphoryl hóa vòng và không vòng

Photphorin hóa vòng Photphorin hóa không

vòng

Con đường đi của

điện tử Vòng(e qua dãy truyền điện tử rồi trở

về Chl)

Không vòng (e từ Chl chuyển đến khử NADP, e bù lại cho Chl là e của H2O)

Sản phẩm Chỉ tạo ATP ATP, NADPH2 và O2

Chuỗi truyền điện tử ferredoxin, cytochrome b6,

cytochrome f

plastoquinone, plastocyanin

và cytochrome b6, cytochrome f

Hệ sắc tố PSI PSI và PSII

• Trong quá trình quang hợp cần sự phối hợp nhịp nhàng giữa 2 con đường Nếu chỉ có con đường không vòng thì cây xanh sẽ thiếu ATP, quá trình hình thành glucose bị ảnh hưởng

• Quá trình photphorin hóa không vòng tiến hóa hơn, vì quá trình này chỉ gặp ở thực vật bậc cao , nó sử dụng cả 2 hệ thống quang hóa, sản phẩm phong phú hơn

Chuỗi truyền điện tử

Sự truyền electron và proton trong màng thylakoid được tiến hành có hướng nhờ 4 phức hệ protein Nước bị oxy hóa và proton được giải phóng vào khoang thylakoid nhờ PSII PSI khử NADP + thành NADPH trong stroma, thông qua hoạt động của Ferredoxin (Fd) và flavoprotein ferredoxin-NADP reductase (FNR) Proton cũng được chuyển vào trong khoang nhờ cytochrome b6 – f và góp phần vào gradient proton điện hóa Các proton này sau đó cần được khuếch tán vào enzymne ATP synthease, nơi sự khuếch tán theo gradient điện hóa của chúng được sử dụng để tổng hợp ATP trong stroma Plastoquinone khử (PQH2) và plastocyanin truyền điện tử cho cytochrome b6 – f và cho PSI Nét gạch là sự truyền electron còn nét liền là sự di chuyển của proton.

Cơ chế truyền electron và proton trong phức hệ cytochrome b6-f

A Quá trình thẳng: Phân tử

plastohydroquinone (QH2) được tạo

ra nhờ hoạt động của PSII bị oxy hóa gần mặt gần khoang của phức hệ, truyền 2 electron, 1 cho FeSR và 1 cho cyt b đồng thời giải phóng 2 proton vào khoang thylakoid Electron từ FeSR đến cyt f, đến plastocyanin, khử P700 Electron còn lại từ cyt b vừa bị khử lại chuyển đến cyt b khác, khử Q thành semiquinone.

B Chu trình vòng: QH2 thứ hai bị oxy hóa, với 1 e từ FeSR đến PC và cuối cùng đến P700 Electron thứ 2 đi qua 2 cyt b, khử semiquinone thành

QH2 , đồng thời lấy 2 proton từ stroma Như vậy, có 4 proton được chuyển qua màng đối với mỗi hai electron đến P700

Cấu trúc PSI

Cấu trúc PSII

ATP synthease

lớn, CF1 gắn trên mặt gần stroma của màng thylakoid,

và một phần gắn vào trong màng, CF0. CF1 chứa 5 polypeptide khác nhau.

Clip: Chuỗi truyền điện tử và tổng hợp ATP

Tạo năng lượng ATP

và lực khử NADPH2cho pha tối

Giải phóng khí O2 nhờ quá trình quang phân ly nước.

PHA TỐI QUANG HỢP

PHA TỐI QUANG HỢP

Chu trình Calvin (chu trình C 3 )

 Các phản ứng khử CO2 xảy ra ở stroma được cho rằng không phụ thuộc vào ánh sáng nên được gọi là các phản ứng tối (dark

reactions)

 Tuy nhiên các phản ứng ở stroma phụ thuộc vào sản phẩm của

các quá trình hóa năng là năng lượng ATP và lực khử NADPH nên được điều hòa trực tiếp bởi ánh sáng và được gọi là chuỗi phản

ứng carbon của quang hợp (carbon reactions of photosynthesis)

 Được làm sáng tỏ bởi nhà khoa học

Melvin Calvin và đồng sự vào năm 1951

 Tới năm 1961 ông được trao giải

Nobel nhờ phát hiện này

 Trong chu trình Calvin, CO2 và H2O từ

môi trường được liên kết với một phân tử

đường 5C tạo thành 2 phân tử chất trung

gian 3C.Chất này sẽ bị khử bởi ATP và

NADPH tạo thành carbonhydrate.Chu

trình được kết thúc bởi sự tái tạo chất

nhận CO2

Giai đoạn carboxyl hóa

 CO2 được khử bởi Ribulose-1,5-bisphosphate tạo thành 2 phân tử acid 3-phosphoglyceric (APG), thông qua 1 hợp chất

không bền là 2-carboxy-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate

 Phản ứng được xúc tác bởi enzyme Ribulose-1,5-

bisphosphate carboxylase/oxygenase, được gọi là Rubisco

Phản ứng tỏa nhiệt mạnh: delta G°´= 12.4 kcal mol -1 ( 51.9 kJ mol -1 )

• Sự thay đổi âm trong năng lượng tự do liên quan tới sự

carboxyl hóa của Ribulose-1,5-bisphosphate là lớn, do vậy phản ứng thuận chiều

• Ái lực của Rubisco với CO2 là đủ lớn, bảo đảm sự

carboxyl hóa nhanh chóng CO2 ở nồng độ thấp được phát hiện thấy trong tế bào quang hợp

 Hàm lượng Rubisco rất lớn, chiếm đến 40% tổng số protein hòa tan của lá.Nồng độ của Rubisco trong stroma của lục lạp vào khoảng 4mM- lớn gấp khoảng 500 lần so với nồng độ cơ chất CO2

Giai đoạn carboxyl hóa

1,3-bisphosphoglycerate, sử dụng ATP được tổng hợp trong phản ứng sáng.

NADPH xúc tác bởi enzyme NADP:Glyceraldehydes -3-

Hiệu quả năng lượng

 Một mol lượng tử photon của ánh sáng đỏ (680nm) chứa

42kcal.

 Cố định 1 phân tử CO2 cần tồi thiểu 8 photon → năng lượng tối thiểu để cố định 6 phân tử CO2 là

2016 kcal

 Oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glucose tạo ra 673 kcal hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng khoảng 33%.Phần lớn năng lượng

bị mất đi trong tổng hợp ATP và NADPH ở pha sáng

 Tính hiệu quả năng lượng của chu trình Calvin dựa trên

sự thay đổi năng lượng tự do liên quan tới sự thủy phân ATP (7kacl/mol) và sự oxi hóa NADPH (52kcal/mol).

 Tổng năng lượng sử dụng

để tổng hợp 1 phân tử glucose

từ 6 phân tử CO2 là 750 kcal.

 Hiệu quả sử dụng năng lượng đã tạo nên từ pha sáng

là khoảng 90%

6CO 2 + 11H 2 O + 12NADHP + 18ATP → fructose-6-phosphate + 12NADP+ 6H + +18ADP + 17Pi

3.Sự vận chuyển ion phụ thuộc ánh sáng điều hòa các enzyme chu trình

Có 5 enzyme được điều hòa hoạt động

bởi ánh sáng trong chu trình Calvin:

Bốn enzyme cuối chứa 1 hay nhiều

nhóm disulfide được ánh sáng điều hòa

thông qua hệ thống

ferredoxin-thioredoxin

• Đầu tiên là sự hình thành dạng carbamate không hoạt động

bởi yếu tố hoạt hóa-CO2 ở dạng HCO

-3qua phản ứng chậm với nhóm ko tích điện ε-NH2 của Lys 201 trong vị trí hoạt hóa của enzyme

• Sự liên kết với Mg2+ của phức hệ carbamate không hoạt động biến chúng thành carbamte hoạt hóa

 2 proton được giải phóng trong quá trình hình thành

carbamate hoạt hóa nên sự hoạt hóa được thúc đẩy bởi

pH cao (nồng độ H+ thấp) và nồng độ Mg2+ cao

Hoạt động của Rubisco tăng trong ánh sáng

 Khi Rubisco liên kết với đường

phosphate, như bisphosphate sẽ hình thành nên một phức hệ đóng, vì thế sự carbamate hóa không thể xảy ra

Ribulose-1,5- Đường phosphate có thể bị loại bỏ

khỏi Rubisco bởi hoạt động của

enzyme Rubisco activase, trong phản

ứng cần ATP, nhờ đó giải phóng Rubisco sẵn sàng cho carbamate hóa

 Rubisco activase được điều hòa bởi

hệ thống ferredoxin-thioredoxin (Zhang và Portis 1999)

Như vậy hoạt động của Rubisco không được điều hòa trực tiếp bởi

hệ thống ferredoxin-thioredoxin nhưng enzyme điều hòa hoạt động của nó lại bị điều hòa bởi cơ chế này

Sự vận chuyển ion phụ thuộc ánh sáng

điều hòa các enzyme chu trình

 Ánh sáng gây ra sự vận chuyển

thuận nghịch của ion trong chất nền

qua đó ảnh hưởng tới hoạt động của

Rubisco và các enzyme khác trong

lục lạp

 H+ được bơm từ chất nền vào

khoang thylakoid Quá trình gắn liền

với sự hấp thụ Mg2+ vào trong

stroma.Kết quả là giảm nồng độ H+

trong stroma (pH 7→ 8) và tăng nồng

độ của Mg2+ (từ 1mM tới 3,hoặc từ 3

tới 6mM).Những sự thay đổi thành

phần ion của chất nền bị đảo ngược

lại trong tối

Vận chuyển qua màng phụ thuộc ánh sáng

điều hòa chu trình Calvin

 Tốc độ vận chuyển triose phosphate từ lục lạp ra nguyên

sinh chất đóng vai trò điều hòa chu trình Calvin

 Hệ thống vận chuyển triose phosphate định vị trên màng

lục lạp là một hệ thống vận chuyển đối cảng, trong đó, triose phosphate được trao đổi với P vô cơ

Hô hấp sáng

 Trong nhiều nghiên cứu với nhiều loại cây khác nhau, người ta

đã phát hiện ra hiện tượng thải CO2 sau thời gian chiếu sáng.Tức

là ở ngoài sáng, trong 1 số cây, các sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp đã bị biến đổi thành CO2

 Sự hấp thụ oxy xảy ra cùng sự thải CO2 phụ thuộc vào ánh

sáng được gọi là hô hấp sáng (quang hô hấp).Quá trình hô hấp này xảy ra song song với quá trình quang hợp

 Xảy ra trong 3 bào quan: lục lạp, ti thể và peroxixom.

Hô hấp sáng

 Nguyên liệu của hô hấp sáng là axit glicolic.Một cơ chế về sự

hình thành axit này được các nhà khoa học công nhận hơn cả là

do sự oxi hóa của Ribulose-1,5-bisphosphate

 Enzyme Ribulose-1,5-bisphosphate có 2 hoạt tính: là một

carboxylase và là một oxygenase.Với chức năng oxyganse, nó oxy hóa RiDP để tạo thành 2-phosphoglycolate và 3-phosphoglycelate

 CO2 và O2 cạnh tranh phản ứng với enzyme này do chúng

xảy ra cùng tại vị trí hoạt động của enzyme.Trong đó hoạt

tính carboxylase mạnh gấp 80 lần so với oxygenase ở thể

tích tương đương của CO2 và O2

nhanh bởi enzyme

phosphatase đặc biệt trong lục

lạp, tạo thành glycolate.

qua protein màng và khuếch

tán tới peroxixom.

►

Hô hấp sáng

glycolate oxidase thành

glyoxylate và H2O2 H2O2 sẽ

được phân hủy bởi catalase.

glutamate dưới tác dụng của

Hô hấp sáng

• Phức hệ đa enzyme glycine

decarboxylase xúc tác

chuyển 2 glycine thành 1

serine, giải phóng CO 2 với

sự tham gia của axit

tetrahidrofolat (ATHF).

• Serine khuếch tán nhanh tới

peroxisome, được chuyển

Hô hấp sáng

phosphoglycerate (4C) bị mất khỏi chu trình Calvin

đã được chuyển hóa thành 1 phân tử phosphoglycerate

có 75% C được bù lại.

tế bào bao bó mạch đều được đồng hóa lại bởi PEP-carboxylase của tế bào thịt lá, vì vậy làm giảm hô hấp sáng.

• Cường độ hô hấp sáng mạnh gấp nhiều lần so với hô hấp bình thường.Hô hấp sáng không bị ức chế bởi các chất kìm hãm hô hấp tối (như azitnatri)

• Hô hấp sáng làm giảm hiệu quả quang hợp từ 90% còn khoảng 50%, không tạo thêm năng lượng, có ý nghĩa nhất định khi giải phóng 1 số axit amin

Chu trình C4 hay axit dicarboxylic

 Năm 1965, Hatch & Slack phát hiện ra một quá trình cố định

CO2 xảy ra theo con đường khác chu trình Calvin ở 1 số thực vật nhiệt đới như: mía, ngô, rau dền…

Ngô

Mía

Rau dền

 Ở những thực vật này, trong lục lạp

Ribulosephosphate-carboxylase hoạt động rất yếu hoặc không hoạt động.Thay vào

đó enzyme Phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase lại hoạt động mạnh

 Sản phẩm đầu tiên ở các thực vật không phải là axit

phosphoglyceric mà là các axit oxaloacetic, malic, aspartic là các phân tử có 4C nên chu trình này được gọi là chu trình C4