Tài liệu Thực hành sinh lí thực vật ppt

Nhóm sắc tố xanh lục - Clorophin Đây là nhóm sắc tố có vai trò quan trọng nhất đối với quang hợp, vì nó có khả năng hấp thụ trực tiếp ánh sáng và biến năng lượng hấp thụ được - năng lượn

Thực hành sinh lí

thực vật

(Tài liệu phục vụ huấn luyện học sinh giỏi dự thi Olympic Sinh học)

Phần 1 : Các phương pháp tách chiết sắc tố từ thực vật

1 Các sắc tố quang hợp, tính chất

và vai trò của chúng

Bằng các phương pháp sắc kí và

quang phổ hiện đại, ngày nay đã phân biệt 4 nhóm sắc tố tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào quá trình quang

hợp ở thực vật và vi khuẩn quang

hợp Đó là các nhóm sắc tố trong

màng tilacoit: nhóm clorophin, nhóm carotenoit, nhóm phycobilin và nhóm sắc tố trong dịch tế bào: nhóm

antoxianin

1.1 Nhóm sắc tố xanh lục -

Clorophin

Đây là nhóm sắc tố có vai trò quan

trọng nhất đối với quang hợp, vì nó có khả năng hấp thụ trực tiếp ánh sáng và biến năng lượng hấp thụ được - năng lượng vật lí thành năng lượng dự trữ trong các hợp chất hữu cơ - năng

lượng hoá học Các nhóm sắc tố khác không làm được chức năng đầy đủ và

trực tiếp như vậy

Có nhiều loại clorophin và sự khác

nhau giữa chúng chỉ ở một số chi tiết

về cấu tạo và sau đó là về điểm cực

đại trong quang phổ hấp thụ ánh sáng

Về cấu tạo chung của clorophin, ta

chú ý đến các đặc điểm sau: phân tử clorophin có 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng các cầu nối metyl ( - CH = ) để tạo nên vòng porphyrin có

nguyên tử Mg ở giữa liên kết với 4

nguyên tử N của các nhân pyron, có hai nguyên tử H ở nhân pyron thứ tư, nhân này nối với gốc rượu phyton và

có vòng cyclopentan ở nhân pyron thứ

ba với một nguyên tử oxi

Sau đây là công thức tổng quát của

clorophin a và clorophin b:

Clorophin a: C55H72O5N4Mg

Clorophin b: C55H70O6N4Mg

Nhìn vào công thức cấu tạo (trong

sách giáo khoa t), ta thấy trong phân

tử clorophin có nhiều nối đôi cách

đều Đó là kiểu nối đôi cộng đồng - kiểu nối đôi thể hiện khả năng hấp thụ mạnh năng lượng ánh sáng và dễ dàng

bị kích thích bởi ánh sáng, cũng như

dễ dàng chuyển năng lượng ánh sáng hấp thụ được cho các phản ứng quang hoá

Về một số tính chất hoá học và vật lí của clorophin:

a Clorophin không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ Vì vậy khi muốn tách clorophin ra khỏi

lá, bắt buộc phải dùng một dung môi hữu cơ như: ête, cồn hay axeton, …

b Clorophin là este của axit

dicacboxilic: C32H30ON4Mg(COOH)2 với hai loại rượu là phyton: C20H39OH

và metanol: CH3OH, nên công thức của clorophin có thể viết như sau:

C32H30ON4Mg

COOC20H39

và khi tác dụng với bazơ sẽ xảy ra

phản ứng xà phòng hoá tạo thành

muối clorophinat vẫn có màu xanh Ngược lại khi tác dụng với axit thì

Mg bị H thay thế và hình thành một hợp chất kết tủa có màu nâu

pheophytin

Nếu cho pheophytin tiếp tục tác dụng với một kim loại khác thì kim loại này lại thay thế vị trí của Mg và tạo thành một hợp chất cơ-kim (hữu cơ - kim

loại) có màu xanh rất bền

c Sự mất màu của clorophin:

Clorophin trong tế bào không bao giờ

bị mất màu, trừ trường hợp bị phân huỷ trong quá trình hoá già của cơ

quan, cơ thể Bởi vì clorophin nằm

trong phức hệ cáu trúc chặt chẽ với protein và lipoit Nhưng dung dịch

clorophin ngoài ánh sáng và trong

môi trường có O2 thì sự mất màu xảy

ra do clorophin bị oxi hoá dưới tác

dụng của ánh sáng:

Clorophin + hv => Clorophin* (trạng thái kích thích)

Clorophin* + O2 > ClorophinO2

(trạng thái oxi hoá, mất màu)

d Hiện tượng huỳnh quang và lân

quang của clorophin

Khi chiếu ánh sáng vào dung dịch sắc

tố rút từ lá xanh và bằng phương pháp

đo huỳnh quang, lân quang, ta thấy

dung dịch này có hiện tượng huỳnh

quang và lân quang Điều đó chứng tỏ

có hiện tượng truyền năng lượng giữa các phân tử clorophin và các loại sắc

tố với nhau Năng lượng của các

photon ánh sáng được clorophin hấp thụ đã kích thích các phân tử

clorophin và các dạng của các phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau tạo nên hiện tượng huỳnh quang và

lân quang (Huỳnh quang là hiện

tượng phát sáng khi chiếu sáng vào

sắc tố và sự phát sáng này tắt ngay khi nguồn chiếu sáng tắt Lân quang là

hiện tượng phát sáng khi chiếu sáng vào sắc tố và sự phát sáng này không tắt ngay khi nguồn sáng đã tắt)

e Quang phổ hấp thụ của clorophin Trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 nm - 700 nm), có hai vùng hấp thụ của clorophin: vùng xanh tím (430 nm) và vùng đỏ (680nm) Màu xanh đặc trưng của clorophin và cũng là

màu xanh của lá cây chính là kết quả của sự hấp thụ hai vùng quang phổ

xanh tím và đỏ này Vì phổ ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng trắng) gồm các

vùng ánh sáng: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Các sắc tố của lá cây hấp thụ các vùng ánh sáng ở đầu và cuối của phổ ánh sáng nhìn thấy để lại ánh sáng vùng lục không hấp thụ

(phản xạ hoặc xuyên qua) Ánh sáng màu lục đập vào mắt ta khi ta nhìn

vào lá cây và thấy lá cây có màu xanh lục (Hình 2)

f Clorophin tham gia trực tiếp vào

quá trình quang hợp

Năng lượng tích luỹ được bởi

clorophin khi hấp thụ ánh sáng được chuyển trực tiếp cho các phản ứng

quang hoá để quang phân li H2O giải phóng O2, H+ và electron và sau đó

hình thành 2 sản phẩm vô cùng quan trọng của pha sáng là ATP và

NADPH

1.2 Nhóm sắc tố vàng - Carotenoit Đây là nhóm sắc tố có các màu từ

vàng đến tím đỏ Chúng được cấu tạo theo mạch nối đôi thẳng, gồm 40

nguyên tử C và 56 nguyên tử hidro

(C40H56)

Nhóm carotenoit được chia thành 2 nhóm nhỏ theo cấu trúc hoá học:

Caroten và Xanthophin

* Caroten - C40H56 là một cacbuahidro

chưa bão hoà, không tan trong nước

mà chỉ tan trong các dung môi hữu cơ Công thức cấu tạo gồm một mạch

cacbon dài gồm 8 gốc izopren và hai đầu là một hoặc hai vòng ionon

Trong thực vật thường có 3 loại

caroten: anpha, beta, gama caroten

Cắt đôi phân tử beta caroten ta được hai phân tử vitamin A Bước sóng hấp thụ cực đại của caroten ở 446 - 467

nm

* Xanthophin - C40H56On (n : 1- 6) là dẫn xuất (dạng oxi hoá) của caroten

Vì oxi từ 1 đến 6 nên có nhiều loại

xanthophin: Cripthoxanthin (C40H56O ), Lutein (C40H56O2), Violaxanthin

(C40H56O4) Các nguyên tử oxi liên

kết trong các nhóm: hidroxy, cacboxy, axetoxy, metoxy, epoxy,…

Bước sóng hấp thụ của cực đại của

xanthophin ở 451 - 481 nm

Người ta còn phân chia nhóm

carotenoit thành hai nhóm nhỏ theo tính chất sinh học:

• Nhóm carotenoit sơ cấp: làm

nhiệm vụ quang hợp hoặc bảo vệ

• Nhóm carotenoit thứ cấp: có trong các cơ quan nh ư: hoa, quả, các cơ

quan hoá già hoặc bị bệnh khi thiếu dinh dưỡng khoáng Chính nhóm này

là nguồn cung cấp vitamin A cho

chúng ta, khi ăn các loại hoa, quả có màu đỏ như: ớt, cà chua, bí ngô, đu

đủ, gấc, …

Về vai trò của nhóm carotenoit, cho đến nay mới chỉ biết như sau:

+ Hấp thụ ánh sáng và bảo vệ

clorophin khi ánh sáng quá cao

+ Xanthphin tham gia quá trình giải phóng oxi thông qua sự biến đổi từ

violaxanthin (C40H56O4) thành lutein (C40H56O2)

+ nhóm carotenoit sơ cấp tham gia

vào quá trình quang hợp bằng cách

hấp thụ năng lượng ánh sáng và

truyền năng lượng ánh sáng này cho clorophin và nó có mặt trong hệ thống quang hoá II Như vậy nhóm

carotenoit tham gia gián tiếp vào chức năng quang hợp

+ nhóm carotenoit thứ cấp là nguồn cung cấp vitamin cho cơ thể

Về sự hình thành nhóm carotenoit, có giả thuyết cho rằng: có sự hình thành nhóm carotenoit từ sản phẩm phân

huỷ clorophin ở những cơ quan hoá già hoặc thiếu dinh dưỡng khoáng

Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã phủ nhận giả thuyết này

1.3 Nhóm sắc tố của Tảo - nhóm

phycobilin

Nhóm sắc tố này rất quan trọng đối với các nhóm thực vật thuỷ sinh sống

ở các vùng nước sâu Đó là nhóm sắc

tố ưa nước, trong tế bào chúng liên

kết với protein nên có tên gọi là

biliprotein hay phycobiliprotein, gồm phycoerythrin (C34H47N4O8) và

phycoxyanin (C34H42N4O9)

Công thức cấu tạo của nhóm sắc tố

này gồm 4 vòng pyron xếp thẳng

(không khép kín) nối với nhau bằng các cầu nối methyl (- CH=)

Quang phổ hấp thụ của nhóm sắc tố này ở vùng ánh sáng màu lục và vàng Phổ hấp thụ cực đại trong dung dịch cloroform của phycoerythrin là 505

nm và của phycoxyanin là 612 nm

Về vai trò của nhóm sắc tố

phycobilin: Đã xác nhận rằng: năng lượng ánh sáng do phycobilin hấp thụ được chuyển đến nhóm clorophin để

sử dụng cho quá trình quang hợp với hiệu suất rất cao

Chính vì vậy sự có mặt của nhóm sắc

tố này trong Tảo là sự thích nghi trong quá trình tiến hoá của nhóm thực vật

ở nước

Quá trình sinh tổng hợp nhóm

phycobilin hiện nay chưa biết rõ về

các enzim và các sản phẩm trung

gian

1.4 Nhóm sắc tố dịch bào - Nhóm

antoxianin

Ngoài các nhóm sắc tố làm nhiệm vụ trực tiếp và gián tiếp trong quá trình quang hợp, trong cây xanh còn có các sắc tố dịch bào với các màu sắc khác

nhau: đỏ, xanh, tím, …hợp thành

nhóm sắc tố antoxianin

Antoxianin là nhóm sắc tố thuộc loại glucozit trong đó gốc gluco hay gốc gamno liên kết với nhóm màu

agliucon Antoxianin có cấu tạo giống với flavon và catexin

Về vai trò của nhóm antoxianin:

Trong phần lớn trường hợp, quang

phổ hấp thụ của antoxianin bổ sung cho quang phổ hấp thụ của clorophin

Do đó nó tham gia gián tiếp vào quá trình quang hợp Mặt khác khi hấp thụ năng lượng ánh sáng, nó biến năng

lượng photon thành dạng nhiệt năng, sưởi ấm cho cây Điều này giải thích tại sao những hoa vùng lạnh lại có

màu sắc sặc sỡ và tại sao trong đợt gió mùa đông bắc bèo hoa dâu ở ta từ

màu xanh chuyển sang màu tím

Antoxianin còn liên quan đến hoạt

động của khí khổng Tóm lại nhóm sắc tố antoxianin trước hết có vai trò tạo nên màu sắc của cánh hoa, đài

hoa, lá đài, sau nữa là nhóm sắc tố thể hiện khả năng chống chịu (chịu rét, chịu hạn, chịu thiếu dinh dưỡng

khoáng,…) và sau cùng là tham gia gián tiếp trong quá trình quang hợp