Quang hợp là một quá trình diễn ra vô cùng phức tạp, ánh sáng không trực tiếp ảnh hưởng đến toàn bộ các phản ứng diễn ra trong quá trình quang hợp mà chỉ có vai trò quyết định giai đoạn đầu của quá trình, giai đoạn sau không trực tiếp ảnh hưởng của ánh sáng mà chỉ có các phản ứng diễn ra và cần có sự xúc tác của các enzym.
Do đó người ta chia quá trình quang hợp thành hai giai đoạn. Giai đoạn cần ánh sáng (pha sáng) và giai đoạn cần có sự xúc tác của các enzym được gọi là pha tối.
2.4.4.1. Pha sáng
Pha sáng quang hợp xảy ra trong hệ thống màng Thilacoit của lục lạp, nơi chứa diệp lục và carotenoit.
Nội dung của pha sáng: Hấp thu năng lượng ánh sáng bởi diệp lục, vận chuyển năng lượng hấp thu vào trung tâm phản ứng và tại đấy năng lượng ánh sáng được biến đổi thánh năng lượng hóa học của các liên kết cao năng của phân tử ATP (Adenosin Triphotphat) tạo nên hợp chất khử mạnh NADPH2 (Nicotinamit Adenin Dinucleotitphotphat khử).
. Nó gồm 3 giai đoạn là: Giai đoạn quang hoá khởi nguyên; giai đoạn quang phân ly nước; giai đoạn dẫn truyền truyền điện tử và hoá thấm tổng hợp ATP.
a.
Giai đoạn quang hoá khởi nguyên
Đây là giai đoạn hấp thu các photon ánh sáng của diệp lục và các sắc tố trong hệ quang hợp.
Khi ánh sáng tác động vào hệ quang hợp, các sắc tố hấp thu năng lượng ánh sáng và chuyển tới trung tâm phản ứng là p700 của hệ quang hợp I và P680 của hệ quang hợp II. Sau khi được tiếp nhận năng lượng ánh sáng, điện tử của nhân Mg sẽ bật ra khỏi phân tử diệp lục(phân tử trung tâm phản ứng ánh sáng) và đi vào hệ dẫn truyền điện tử trên màng thylacoit.
b.
Giai đoạn quang phân ly nước
Nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời và sự xúc tác của các chất trong hệ quang hợp, nước bên trong túi thylacoit bị phân ly để tạo H+, e- và O2. Trong đó H+ sẽ được tích luỹ trong túi thylacoit, O2 được thải ra ngoài môi trường, còn e- thì được chuyển đến P680 của hệ quang hợp II. Bằng phương pháp đồng vị phóng xạ O18, người ta đã xác định được rằng các nguyên tử của O2 giải phóng ra trong quá trình quang hợp của cây xanh là oxy từ H2O chứ không phải oxy từ CO2 như quan niệm trước đây.
c.
Giai đoạn truyền điện tử, tổng hợp ATP (giai đoạn phosphoryl hóa quang hoá)
Điện tử của nhân Mg của trung tâm phản ứng ánh sáng bật ra và đi vào hệ thống các chất dẫn truyền điện tử trên màng thylacoit. Căn cứ vào đường đi của điện tử sau khi ra khỏi phân tử diệp lục, người ta chia quá trình dẫn truyền điện tử thành hai loại là truyền điện tử vòng và truyền điện tử không vòng.
63
Quá trình vận chuyển điện tử: Điện tử được vận chuyển từ H2O (có thế oxi hóa khử là +0,8V) đến NADP (-0,32V). Điện tử vận chuyển ngược chiều điện trường (từ + đến - ) nên quá trình này không tự diễn ra được mà cần hoạt hóa bởi năng lượng ánh sáng do diệp lục hấp thu. Để hướng dẫn đường đi của điện tử đúng hướng (từ H2O đến NADP), một loạt các chất đặc hiệu sắp xếp một cách có trật tự trên màng Thylacoit tạo nên chuỗi vận chuyển điện tử (CVCĐT). CVCĐT có nhiệm vụ vận chuyển điện tử từ phân tử H2O đến chất nhận cuối cùng là NADP để khử nó thành NADH2 (cùng với H+).
Các thành viên CVCĐT gồm Plastoquinon (PQ), xytocrom f, plastocyanin (PC), feredoxin, NADP. Ngoài ra CVCĐT còn có hai trung tâm của hai hệ thống sắc tố P680 và P700. Chúng sắp xếp trên màng Thylacoit lần lượt theo thứ tự giảm dần của thế oxi hóa khử.
Quá trình quang photphoryl hóa: Điện tử đi qua nhiều thành viên của CVCĐT, năng lượng thừa được giải phóng ra lập tức liên kết vào liên kết cao năng photphat của phân tử ATP nhờ phản ứng:
Như vậy hai quá trình vận chuyển điện tử và quang photphoryl hóa xảy ra P680
ATP ADP
2e- PQ
H2O
ẵ O2
H+ 2e-
P700 2e-
2e- 2e-
Fd
NADPH2
NADP 2H+
2NADP + 2ADP + 2H2O + 2H3PO4 2NADPH2 + 2 ATP + O2 ADP
ATP
Ánh sáng
Ánh sáng
Hệ thống quang hóa II Hệ thống quang hóa I Quang phân ly H2O
Sơ đồ quang Photphoryl hóa trong quang hợp
Hai quá trình này liên kết thì ATP được hình thành còn nếu không tiếp hợp được với nhau thì năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt vô ích. Ví dụ trong điều kiện stress, màng thylacoit bị thương tổn thì hai quá trình đó tách rời nhau và ATP không được hình thành.
* Truyền điện tử không vòng:
Điện tử được đi ra từ P680 của PS II tới các nhận điện tử trung gian rồi tới plastoquinon(Pq).
Plastoquinon là chất vừa có khả năng truyền điện tử, vừa có khả năng truyền H+. Vì vậy, một mặt nó nhận hai điện tử từ P680 chuyển tới xytocrom, rồi tới plastoxianin(pc) và rồi tới PSI, mặt khác nó nhận hai H+ từ chất nền của lục lạp để chuyển vào túi thylacoit. Khi điện tử được chuyển từ plastoquinon sang xytocrom thì năng lượng của điện tử bị giảm đi một phần, năng lượng này được dùng để tổng hợp ATP bằng bản thể.
Điện tử từ PSI được chuyển tới feredoxin(Fd) đi ra phía ngoài của màng thylacoit để rồi cuối cùng tới khử NADP+ thành NADPH2. Điện tử bị thiếu hụt của P680 ở hệ quang hoá II sẽ được bù bởi điện tử sinh ra trong quá trình quang phân li nước.
* Truyền điện tử vòng:
Điện tử được đi ra từ P700 của hệ quang hoá I đến các chất trong hệ truyền điện tử trên màng thylacoit và cuối cùng lại quay về P700. Trong quá trình truyền điện tử vòng năng lượng chỉ được sử dụng để tạo ATP bằng bản thể mà không tạo ra NADPH2. Thường thì quá trình dẫn truyền điện tử vòng chỉ xảy ra khi NADP+ trong chất nền của lục lạp đều đã bị khử. Khi NADP+ được tái tạo thì quá trình truyền điện tử vòng sẽ bị ngừng, lúc đó dẫn truyền điện tử không vòng lại diễn ra, điện tử sẽ được chuyển đến NADP+ để tạo ra NADPH2 .
Hình II.14. Sơ đồ dẫn truyền điện tử trên màng thylacoit
Về mặt tiến hoá người ta thấy, quá trình phosphoryl hoá quang hoá không vòng tiến hoá hơn phosphoryl hoá quang hoá vòng.Vì quá trình phosphoryl hoá quang hoá không vòng có khả năng sử dụng cả hai hệ thống quang hóa và sản phẩm của nó phong phú hơn so với quá trình phosphoryl hoá quang hoá vòng. Tuy nhiên, quang hợp có hiệu quả cao khi cả hai quá trình truyền điện tử này cùng xảy ra. Vì nếu chỉ có phosphoryl hoá không vòng, cây xanh sẽ thiếu hụt ATP, sản phẩm của quang hợp sẽ ít.
65
* Hoá thấm tổng hợp ATP:
Do H+ được tích luỹ ngày càng nhiều trong túi thylacoit (từ quang phân ly nước và vận chuyển từ chất nền của lục lạp vào), đã tạo ra sự chênh lệch rất lớn về nồng độ H+ giữa bên trong và bên ngoài túi thylacoit. Nhờ cấu trúc đặc biệt của màng thylacoit, H+ đã đi từ trong túi thylacoit ra chất nền của lục lạp qua các kênh protein đặc biệt, tại đây nhờ sự xúc tác enzyme ATP synthetaza ATP đã được tổng hợp từ ADP và H3PO4 có trong chất nền của lục lạp.
Hình II.15. Sơ đồ truyền điện tử, quang phân li nước và hóa thấm tổng hợp ATP Kết thúc pha sáng của quang hợp, dựa trên lý thuyết để tạo thành 1 phân tử glucozo (tức là chu trình Canvin lặp lại 2 vòng), kết quả của pha sáng tạo thành 18 ATP (gồm 12 ATP ở pha không vòng và 6 ATP ở pha vòng), 12 NADPH và 6 Oxi phân tử (tương ứng tiêu hao 12 phân tử nước).
Phương trình tổng quát:
18ADP + 18 Pi + 12 NADP + 12 Nước 18 ATP + 12 NADPH + 6 Oxi phân tử.
a. Pha tối và sự đồng hóa CO2 trong quang hợp:
Năng lượng ATP, NADH2 được tạo ra từ pha sáng để khử CO2 thành Gluxit và các chất hữu cơ khác trong pha tối. Giai đoạn này diễn ra ở chất nền stroma của lục lạp, không cần ánh sáng nhưng liên quan gián tiếp đến ánh sáng.
Pha tối diễn ra hai nội dung cơ bản: Cố định CO2 và khử CO2
Tùy thuộc vào con đường đống hóa CO2 trong quang hợp khác nhau mà người ta chia thế giới thực vật thành 03 nhóm:
- Thực vật C3: Bao gồm các thực vật mà con đường quang hợp của chúng chỉ thực hiện một chu trình quang hợp C3 (Calvin): Lúa, đậu đỗ, khoai, sắn, cam, chanh, nhãn, vải.
- Thực vật C4: Gồm các thực vật mà con đường quang hợp của chúng là sự liên hợp giữa hai chu trình quang hợp là chu trình C4 và C3.
- Thực vật CAM: Bao gồm các loại thực vật mọng nước như xương rồng, dứa, hành, tỏi…
chúng thực hiện con đường quang hợp thích nghi với thực vật khô hạn, bắt buộc phải đóng khí khổng vào ban ngày và chỉ mở khí khổng vào ban đêm.
Con đường quang hợp của thực vật C3
Người ta gọi đây là chu trình quang hợp C3 vì sản phẩm đầu tiên tạo nên trong chu trình này là một hợp chất có 3C là APG (photphoglyxeric). Hai nhà khoa học người Mỹ là Melvin Calvin và Andrew Benson đã sử dụng cacbon đánh dấu phóng xạ (14CO2) cho tảo Chlorella quang hợp và theo dõi số phận của 14C trong các sản phẩm quang hợp theo thời gian. Cuối cùng họ đã tìm ra chu trình đồng hóa CO2 quan trọng của thực vật mang tên chu trình Calvin-Benson (chu trình C3). Với phát minh quan trọng này Calvin và Benson đã nhận được giải Nobel năm 1961. Chu trình C3 được tóm tắt ở hình 2.12
Hình 2. 10. Chu trình Calvin
Giai đoạn 1: Cố định CO2
Giai đoạn 2: Khử CO2
Giai đoạn 3: Giai đoạn tái tạo chất nhận CO2
(RDP)
67
Chu trình này có thể chia thành 03 giai đoạn:
*Giai đoạn 1: Giai đoạn cố định CO2
Chất nhận CO2 đầu tiên và cũng là duy nhất của chu trình là một hợp chất có 5C: Ribulozo- 1,5 diphotphat (RDP). Sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình là hợp chất có 3C: Axit
Photphoglyxeric (APG).
Phản ứng Cacboxyl hóa được xúc tác bởi enzym rất đặc trưng và phổ biến nhất cho cây C3
là RDP-cacboxylaza.
* Giai đoạn 2: Giai đoạn khử CO2
Sản phẩm quang hợp đầu tiên là APG sẽ bị khử ngay để hình thành nên ALPG (Aldehyt 3 photphoglyxeric). Tức là có sự khử từ chức axit thành chức Aldehyt.
Pha sáng cung cấp năng lượng ATP và lực khử NADH2 cho phản ứng khử này. Để tạo nên 1 phân tử Glucoza thì pha sáng cần phải cung cấp cho phản ứng khử này 12ATP + 12 NADH2.
Như vậy thì CO2 vừa được cố định trong APG đã bị khử. Đây có thể xem là phản ứng quan trọng nhất trong pha tối.
* Giai đoạn 3: Giai đoạn tái tạo chất nhận CO2 (RDP)
Một bộ phận ALPG (2C3) tách ra khỏi chu trình (2C3) để đi theo hướng tổng hợp nên đường và tinh bột và các sản phẩm khác của quang hợp. Các sản phẩm này sau đó được vận chuyển ra khỏi lá để đến các cơ quan khác.
Đại bộ phận ALPG (10C3) trải qua hàng loạt các phản ứng phức tạp, cuối cùng tạo lại chất nhận CO2 là RDP để khép kín chu trình.
Giai đoạn tái tạo chất nhận CO2 cũng cần năng lượng ATP của pha sáng đưa đến. Giai đoạn này cần 6ATP để đủ tạo lại chất nhận CO2 cho việc hình thành nên 1 phân tử Glucoza.
Như vậy thì để tạo nên 1 phân tử Glucoza, pha sáng cần cung cấp 18ATP + 12 NADH2. Do đó chu trình Calvin quay 2 vòng.
Và chu trình này cũng
chính là chu trình cố định
CO2 ở cây C3. Các cây này
thường sống ở vùng ôn đới,
nồng độ CO2 cao (nên nhớ
rằng RiDP có hoạt tính với
cả oxi và CO2).
Ý nghĩa của chu
trình C3:
68
Là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật và xảy ra ở tất cả các thực vật (C3, C4, CAM).
Đây là chu trình khử CO2 duy nhất để tạo nên các sản phẩm quang hợp trong thế giới thực vật.
Trong chu trình nhiều sản phẩm sơ cấp của quang hợp được tạo ra. Đó là các hợp chất C3, C5, C6…Các hợp chất này là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nên các sản phẩm quang hợp thứ cấp như đường, tinh bột, axit amin, protein, lipit…Tùy theo bản chất của sản phẩm thu hoạch mà con đường đi ra của các sản phẩm thứ cấp khác nhau, nhưng chúng đều xuất phát từ các sản phẩm sơ cấp của chu trình quang hợp C3.
Con đường quang hợp của thực vật C4
* Xuất xứ: Sau khi phát hiện ra chu trình Calvin (chu trình C3), người ta cho đây là chu trình quang hợp duy nhất của thực vật. Sau đó một số nhà khoa học mà đứng đầu lad Hatch và Slack đã phát hiện ra rằng ở một số cây trồng có nguồn gốc nhiệt đới như mía, ngô, cao lương, rau dền, cỏ gấu… có một con đường quang hợp rất đặ trưng mà sản phẩm tạo ra đầu tiên không phải là một hợp chất có 3C và là một hợp chất có 4C. Chúng hoạt động theo một con đường quang hợp riêng gọi là con đường quang hợp C4 (Axit oxaloaxetic).
Thực chất thực vật C4 cũng thực hiện đồng thời hai chu trình quang hợp liên hợp với nhau:
Chu trình C4 (chu trình Hatch-Slack) và chu trình C3 (Calvin). Chu trình C4 có nhiệm vụ cố định CO2 còn chu trình C3 thì khử CO2 để tạo nên các sản phẩm quang hợp.
* Đặc điểm của thực vật C4
Về giải phẫu: Lá của thực vật C4 có hai loại tế bào đồng hóa và hai loại lục lạp có cấu trúc và chức năng khác nhau
+ Tế bào thịt lá (mô giậu): Chứa lục lạp của tế bào thịt lá. Lục lạp tế bào thịt lá có cấu trúc grana (màng thilacoit) rất phát triển. Chức năng của chúng là thực hiện chu trình C4 tức là cố định CO2.
+ Tế bào quanh bó mạch nằm sát cạnh các bó mạch dẫn. Tế bào này chứa lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch với cấu trúc grana rất kém phát triển. Các lục lạp này chứa rất nhiều hạt tinh bột. Chức năng của chúng là thực hiện chu trình C3 để khử CO2 để tạo nên các sản phẩm quang hợp.
69
Hình 2. 12.Cấu tạo giải phẫu lá thực vật C3 và C4
Enzym cố định CO2 đầu tiên là PEP-cacboxylaza. Đây là một enzym có hoạt tính cực mạnh có ái lực với CO2 gấp 100 lần so với enzym RDP-cacboxylaza. Do vậy năng lực cố định CO2 của thực vật C4 là rất lớn và hiệu quả. Nó có thể cố định CO2 ở nồng độ cực kỳ thấp. Chính vì vậy mà chu trình C4 được chuyên hóa cho việc cố định CO2 hiệu quả nhất.
Ngoài ra, thực vật C4 có một số đặc tính nổi bật khác như điểm bù CO2 rất thấp vì khả năng cố định CO2 rất cao, không có quang hô hấp hoặc rất yếu nên giảm thiểu sự phân hủy chất hữu cơ giải phóng CO2 ngoài sáng, năng suất cây trồng không bị giảm, cường độ quang hợp thường cao và năng suất sinh vật học rất cao…
Chu trình quang hợp của cây C4
Diệp lục
Khí khổng
Mô dậu
Mô xốp
TB bao quanh bó mạch TB bao quanh bó mạch
Hình 2.15. Sự cố định Cacbon ở thực vật C4
71
Con đường quang hợp của cây C4 là sự liên hợp giữa hai chu trình: Chu trình C4 và chu trình C3
-Chu trình C4 được tiến hành trong lục lạp của tế bào thịt lá, nội dung của nó là cố định CO2
để tạo nên sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp.
+ Chât nhận CO2 đầu tiên là photphoenol pyruvic (PEP) và sản phẩm tạo nên đầu tiên là một hợp chất có 4C là axit oxaloaxetic (AOA). Vì vậy mà người ta gọi chu trình này là chu trình C4. Phản ứng cacboxyl hóa được xúc tác bằng enzym PEP-cacboxylaza là enzym có hoạt tính gấp 100 lần enzym RDP-cacboxylaza.
+AOA có thể biến thành malat hoặc Aspartat (cũng là hợp chất C4) tùy theo cây. Các C4
di chuyển vào tế bào bao quanh bó mạch và lập tức bị phân hủy để giải phóng CO2 và cung cấp cho chu trình C3 và hình thành nên axit pyruvic (C3). Axit pyruvic được quay trở lại tế bào thịt lá để khép kín chu trình.
-Chu trình C3 (giống cây C3) được tiến hành trong lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch bằng việc tiếp nhận CO2 do chu trình C4 cố định được cung cấp cho để khử thành các chất hữu cơ cho cây.
- Các sản phẩm quang hợp được đưa ngay vào bó mạch dẫn nằm cận kề tế bào bao quanh bó mạch để đưa ra khỏi lá.
* Ý nghĩa của con đường quang hợp của thực vật C4:
Đã có sự phân công rõ ràng trong việc thực hiện chức năng quang hợp của thực vật C4. Một loại lục lạp chuyên chịu trách nhiệm cố định CO2 một cách hiệu quả nhất, còn một loại lục lạp chuyên khử CO2 thành các hợp chất hữu cơ cho cây. Do vậy mà hoạt động quang hợp của cây C4 mạnh hơn và có hiệu quả hơn các thực vật khác. Kết quả là năng suất sinh vật học của các cây C4 thường rất cao.
Xét về mặt tiến hóa thì các cây C4 có con đường quang hợp hoàn thiện hơn, tiến hóa hơn thực vật C3 và thực vật CAM.
Con đường cacbon ở thực vật CAM:
Một số thực vật thường là các cây mọng nước như dứa, thuốc bỏng, sống trong điều kiện khô hạn, nhất là sống nơi hoang mạc thường xuyên gặp nóng hạn. Chúng không được phép mở khí khổng vào ban ngày để tránh sự thoát hơi nước quá mạnh làm cây chết mà chỉ mở khí khổng vào ban đêm, khi nhiệt độ không khí giảm xuống. Do vậy CO2 chỉ xâm nhập vào lá ban đêm mà thôi.