Chuyên đề Quang hợp ở thực vật C3, C4 và cam

Nội dung tài liệu: Chuyên đề Quang hợp ở thực vật C3, C4 và cam

1. CHUYÊN ĐỀ QUANG HỢP Ở THỰC VẬT C3, C4 VÀ CAM I. Bộ máy quang hợp 1. Lá- Cơ quan quang hợp. a. Hình thái bên ngoài - Lá có dạng bản và mang đặc tính hướng quang rõ rệt, có khả năng vận động sao cho mặt phẳng của lá vuông góc với tia sáng mặt trời để nhận được nhiều nhất năng lượng ánh sáng. - Một số thực vật chịu nhiệt khi gặp cường độ ánh sáng mạnh thì có khả năng vận động bản lá theo hướng song song với tia sáng để giảm sự đốt nóng... b. Giải phẫu của lá - Mô dậu nằm dưới lớp biểu bì trên của lá và chứa nhiều hạt lục lạp. Mô dậu gồm một số lớp tế bào xếp sít nhau theo từng lớp gần như song song với nhau, nhằm hấp thu được nhiều năng lượng ánh sáng. Các tế bào mô dậu chứa rất nhiều hạt lục lạp, là cơ quan chính thực hiện quang hợp. - Mô khuyết(Mô xốp): nằm sát ngay dưới các lớp tế bào mô dậu, giữa các tế bào có rất nhiều các khoảng trống gọi là gian bào. Gian bào thường thông với không khí bằng các lỗ khí khổng. Các khoảng gian bào của lá chứa CO2 và hơi nước để cung cấp cho quá trình quang hợp. Trong các tế bào mô khuyết cũng có chứa lục lạp nhưng số lượng ít hơn của mô dậu và cũng có khả năng thực hiện quang hợp cùng với mô dậu. - Hệ thống mạch dẫn trong lá: trong lá có mạng lưới mạch dẫn dày đặc làm nhiệm vụ dẫn nước và muối khoáng phục vụ cho các hoạt động quang hợp cũng như dẫn các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá đến các cơ quan khác trong cây. - Biểu bì trên và biểu bì dưới của lá gồm một lớp tế bào. Biểu bì trên thường phủ một lớp cutin và sáp có nhiệm vụ bảo vệ lá và giảm sự thoát hơi nước. Biểu bì mặt dưới và cả mặt trên của lá có rất nhiều khí khổng qua đó, CO2 xâm nhập từ ngoài vào lá còn hơi nước thoát từ lá ra ngoài. Hình 1. Sơ đồ giải phẫu của lá 2. Lục lạp (chloroplast)- Bào quan quang hợp 1
2. a. Hình thái, số lượng, kích thước của lục lạp - Hình thái: Lục lạp có hình thái rất đa dạng. ở các loài thực vật thuỷ sinh như các loại rong, tảo... do không bị ánh sáng trực tiếp đốt nóng nên lục lạp có hình dạng rất khác nhau như hình cốc, hình vuông, hình sao, hình bản... Còn ở những thực vật bậc cao và sống trên cạn thì lục lạp thường có hình bầu dục. Với hình bầu dục thì lục lạp có thể xoay bề mặt để có thể tiếp xúc với ánh sáng nhiều hay ít tuỳ theo cường độ ánh sáng chiếu tới lá. - Số lượng: Số lượng lục lạp trong tế bào rất khác nhau ở các loài thực vật khác nhau. Đối với tảo, mỗi tế bào chỉ có một lục lạp. Đối với thực vật bậc cao, mỗi tế bào của mô đồng hoá có nhiều lục lạp, khoảng 20 - 100 lục lạp. - Kích thước lục lạp: Kích thước trung bình của 1 lục lạp có hình bầu dục dao động từ 4 đến 6 um về bề mặt lớn nhất và từ 2 - 3 um về bề dày. Những cây ưa bóng thường có số lượng, kích thước và hàm lượng sắc tố trong lục lạp lớn hơn những cây ưa sáng. b. Cấu trúc của lục lạp - Màng (membran) lục lạp bao bọc xung quanh lục lạp. Đây là một màng kép gồm hai màng cơ sở tạo thành. Màng lục lạp có nhiệm vụ bao bọc, bảo vệ phần cấu trúc bên trong, kiểm tra tính thấm của các chất đi vào hoặc đi ra khỏi lục lạp. - Hạt Grana: nằm trong chất nền. Mỗi hạt Grana gồm nhiều bản mỏng thilacoit. Mỗi hạt thilacoit gồm màng và xoang. Màng thilacoit có cấu tạo gồm protein và photpholipit sắp xếp gần như màng cơ sở. Trên màng thilacoit định vị các sắc tố quang hợp gồm diệp lục và carotenoit . Chức năng của thilacoit là thực hiện biến đổi quang năng thành hoá năng tức thực hiện pha sáng của quang hợp. Các thilacoid của Grana được nối với nhau bởi phiến màng (Tilacoid stroma) - Cơ chất (stroma) là không gian còn lại trong lục lạp. Nó không chứa sắc tố nên không mang màu. Đây là chất nền nửa lỏng mà thành phần chính là protein, các enzym của quang hợp và các sản phẩm trung gian của quá trình quang hợp. Tại đây, xảy ra các chu trình quang hợp tức thực hiện pha tối của quang hợp (Hình 2). c. Các loại lục lạp 2
3. Ở thực vật bậc cao, người ta thấy có hai loại lục lạp có cấu trúc và chức năng khác nhau. Đó là lục lạp của tế bào thịt lá và lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch. - Trong các thực vật C4 như ngô, mía, cao lương..., tồn tại đồng thời hai loại lục lạp là lục lạp của tế bào thịt lá (mesophil) và lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch. Lục lạp của tế bào thịt lá chứa trong các tế bào mô dậu và mô khuyết của lá và có cấu trúc grana (màng thilacoit) rất phát triển. Chúng có nhiệm vụ thực hiện chu trình C4 (cố định CO2 ) của quang hợp. Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch chỉ ở trong các tế bào nằm cạnh bó mạch dẫn. Chúng có cấu trúc thilacoit kém phát triển, nhưng lại chứa rất nhiều hạt tinh bột. Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch thực hiện chu trình C3 (khử CO2 ) của quang hợp. - Thực vật C3 gồm đa số cây trồng như lúa, đậu đỗ, cam chanh, khoai tây... chỉ có một loại lục lạp chứa trong mô dậu và mô khuyết tương tự như lục lạp của tế bào thịt lá của thực vật C4 . Lục lạp này thực hiện chu trình C3 của quang hợp. d. Chức năng của lục lạp - Thực hiện quá trình quang hợp tức là biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích luỹ trong các chất hữu cơ. Pha sáng được thực hiện trong thilacoit còn pha tối được thực hiện trong cơ chất của lục lạp. Đây là chức năng quan trọng nhất có ý nghĩa quyết định đến mọi hoạt động của sinh vật. - Thực hiện di truyền tế bào chất, di truyền một số tính trạng ngoài nhân vì nó có ADN và ARN riêng cho lục lạp. III. Hệ sắc tố quang hợp - Thực vật bậc cao, tảo lục, dương xỉ có hai nhóm sắc tố tham gia quang hợp là diệp lục a,b và carotenoit, trong đó diệp lục là sắc tố chính có vai trò quan trọng nhất trong quang hợp. - Thực vật bậc thấp (Tảo lam) : chứa diệp lục a. - Thực vật bậc thấp thuỷ sinh còn có nhóm sắc tố phycobilin. Phicobilin có hai dạng quan trọng là phycocyanin (màu xanh) và phycoerithrin (màu đỏ). Chúng hấp thu ánh sáng xanh và vàng rồi truyền năng lượng hấp thu cho diệp lục. Vì vậy mà chúng có thể sống ở dưới biển sâu. 3
4. 1. Nhóm sắc tố xanh - Diệp lục (Chlorophill) a. Bản chất hoá học của diệp lục - Công thức hoá học: Diệp lục a và b khác nhau ở gốc R + Diệp lục a : C 55 H 72 O 5 N 4 Mg với gốc R-CH3 tan trong nước tốt hơn diệp lục b. + Diệp lục b : C 55 H 70 O 6 N 4 Mg với gốc R-CHO tan trong nước kém hơn diệp lục a. - Công thức cấu tạo: phân tử diệp lục có thể được chia ra hai phần: Nhân diệp lục (vòng Mg- porphirin) và đuôi diệp lục. + Nhân diệp lục: là phần quan trọng nhất trong phân tử diệp lục. Nó gồm 1 nguyên tử Mg ở trung tâm liên kết với 4 nguyên tử N của 4 vòng pyrol tạo nên vòng Mg- porphirin với một hệ thống nối đôi đơn cách đều (nối đôi liên hợp) tạo nên phân tử diệp lục có hoạt tính quang hoá mạnh và tan ít trong nước. Khả năng hấp thu ánh sáng phụ thuộc số lượng liên kết đôi trong phân tử. Trong hệ thống liên kết đó tồn tại một đám mây điện tử rất linh động, có năng lượng liên kết rất nhỏ nên dễ dàng bị kích động khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng để bật ra khỏi quỹ đạo cơ bản của mình và chuyển từ liên kết đôi sang liên kết đơn. Đấy là trạng thái kích thích của phân tử diệp lục khi nhận năng lượng ánh sáng và là bước đầu tiên của quang hợp. + Đuôi phân tử diệp lục : Diệp lục có đuôi rất dài gồm gốc rượu phytol có 20 nguyên tử cacbon. Đuôi diệp lục có tính kị nước nhưng ưa lipit nên nó có vai trò định vị phân tử diệp lục trên màng thilacoit vì màng quang hợp có tính lipit. - Diệp lục (a) và (b) chỉ khác nhau nhóm định chức. Diệp lục a thực hiện quang phân ly nước 4
5. Hình 3. Công thức cấu tạo của diệp lục a, b b. Đặc tính hoá học của chlorophill - Chlorophill ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Khi muốn chiết xuất diệp lục ra khỏi lá xanh, ta phải dùng các dung môi hữu cơ như este, axeton, rượu, benzen không phải là 100%... - Diệp lục a là este của axit chlorophillic với hai rượu phytol (C 20 H 39 OH) và metanol (CH3 OH), nên nó có phản ứng đặc trưng của một este là phản ứng xà phòng hoá khi tác dụng với kiềm để tạo nên muối chlorophillat. Chlorophyllat kali có màu xanh nhạt hoặc xanh cỏ úa: - Diệp lục a,b: Tác dụng với axit để tạo nên hợp chất pheophitin có kết tủa màu nâu (màu xanh nhạt), trong đó nhân Mg bị thay thế bởi H2 . Pheophitin không có khả năng huỳnh quang như diệp lục. Điều đó chứng tỏ nguyên tử Mg có vai trò rất quan trọng quyết định tính chất của diệp lục. 5
6. - Pheophytin có thể tác dụng với một kim loại khác và kim loại này sẽ đẩy H 2 ra khỏi phân tử pheophitin để thay thế vào vị trí của Mg trong phân tử diệp lục, tạo nên một hợp chất cơ kim có Màu xanh rất bền. Diệp lục ở trong tế bào khó bị mất màu vì nằm trong phức hệ với protein và lipit. Song, dung dịch chứa diệp lục ngoài ánh sáng khi có mặt của O2 sẽ mất màu vì nó bị quang ôxy hoá theo phản ứng sau: Chl + hγ → Chl* (diệp lục ở trạng thái kích thích) * Chl + O2 → ChlO2 ( diệp lục bị oxi hoá nên mất màu) - Trong quang phổ hấp thu của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thu mạnh nhất tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại. Đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662 nm và vùng ánh sáng xanh tím với cực đại là 430 nm. ánh sáng xanh lá cây không được diệp lục hấp thu mà phản xạ toàn bộ nên ta thấy cây có màu xanh lá cây. - Trong lá cây, do phân tử diệp lục liên kết với các phân tử protein khác nhau nên chúng có cực đại hấp thu sai khác nhau ít nhiều tạo nên các phân tử diệp lục có cực đại hấp thu khác nhau và được ký hiệu bằng P700 , P 680, P 685 ... mặc dù chúng đều là diệp lục a 6
7. Máy đo quang phổ Hình 4. Quang phổ hấp thu của diệp lục a - Diệp lục được tổng hợp từ axit sucxinic và glyxin qua nhiều giai đoạn rất phức tạp. Điều kiện ngoại cảnh quan trọng cho quá trình tổng hợp diệp lục là ánh sáng, nhiệt độ và các nguyên tố khoáng như N, Mg, P, Fe Do đó, diệp lục không được hình thành khi thiếu ánh sáng, nhiệt độ thấp và thiếu N, Mg,Fe .Trong điều kiện đó, diệp lục cũng bị phân hủy nên lá có màu vàng hoặc bạc trắng. - Diệp lục trong lá cây có thể tham gia vào quang hợp nhờ 3 vai trò quan trọng sau: ✓ Hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời. Nhờ cấu trúc đặc trưng của phân tử diệp lục mà nó có thể hấp thu năng lượng ánh sáng và chuyển thành dạng năng lượng kích thích điện tử của phân tử diệp lục. ✓ Di trú năng lượng (vận chuyển năng lượng) vào trung tâm phản ứng. Từ phân tử diệp lục hấp thu ánh sáng đầu tiên cho đến trung tâm phản ứng của quang hợp là phải qua một hệ thống cấu trúc trong màng thilacoit gồm rất nhiều phân tử diệp lục khác nhau. Năng lượng ánh sáng phải truyền qua các phân tử diệp lục để đến được trung tâm phản ứng (P 700 ). ✓ Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tại trung tâm phản ứng (P700 ) nhờ quá trình quang phosphoryl hoá để hình thành nên ATP và NADPH. 2. Nhóm sắc tố vàng - Carotenoit - Đây là nhóm sắc tố có màu vàng, da cam. Chúng là các sắc tố luôn luôn đi kèm với diệp lục nên gọi là sắc tố "vệ tinh" của diệp lục và tỷ lệ diệp lục/carotenoit thường bằng 3/1. - Carotenoit được chia thành 2 nhóm theo cấu tạo hoá học: nhóm không chứa oxi (Caroten) và nhóm chứa oxi (xantophyll). 7
8. + Caroten (C40 H56 là một loại cacbua hyđro chưa bão hòa, chỉ tan trong dung môi hữu cơ. Trong thực vật thường có 3 loại: α, γ, β caroten. Nếu cắt đôi phân tử β-caroten ta có 2 phân tử vitamin A, nên β-caroten được xem là tiền vitamin A. Rất nhiều cơ quan thực vật có hàm lượng caroten (vitamin A) rất cao như quả gấc, đu đủ chín, củ cà rốt... là nguồn vitamin A quan trọng cung cấp cho con người. + Xantophyl: Đây là nhóm sắc tố có màu vàng sẫm. Công thức hoá học của chúng là C 40 H56On (n từ 1 - 6). Vì số lượng nguyên tử oxy có thể từ 1 đến 6 nên có nhiều loại xantophyl: Kriptoxantin (C40H56O ), lutein (C40H 56O2 ),violacxantin (C40H56O 4 ) - Quang phổ hấp thu của nhóm sắc tố carotenoit: ở vùng ánh sáng xanh có bước sóng 451 - 481 nm. Khả năng hấp thu ánh sáng của carotenoit là do hệ thống liên kết đôi, đơn quyết định. Cấu tạo của phân tử carotennoid và bước sóng ánh sáng - Vai trò của carotenoit ✓ Lọc ánh sáng và bảo vệ cho diệp lục. Diệp lục dễ bị phá huỷ khi có cường độ ánh sáng cao. Carotenoit có khả năng ngăn cản phản ứng quang oxi hoá diệp lục để bảo vệ cho diệp lục khỏi bị phân hủy. Vì vậy, chúng bao giờ cũng nằm cạnh diệp lục. ✓ Vai trò quan trọng nhất của carotenoit là tham gia vào quá trình quang hợp. Carotenoit không có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng hấp thu mà chúng chỉ hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời rồi truyền năng lượng ánh sáng này cho diệp lục để phân tử diệp lục biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học. Trong lục lạp, carotenoit nằm sát cạnh diệp lục nên hiệu suất truyền năng lượng là rất cao, có thể đạt gần 100%. Caroten + hγ→ Caroten * Caroten * + hγ → Diệp lục * + Caroten 8
9. Diệp lục ở trạng thái kích thích (*) sẽ tham gia vào quang hợp. III. Phức hệ sắc tố ăngten - Phức hệ ăng ten là các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng nơi mà xảy ra các phản ứng oxi hóa khử để chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. - Phức hệ đầu tiên thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời gồm : Crotennoid, diệp lục b, diệp lục a. Ánh sáng → Car→ Car*→ Chlb→ Chlb*→ Chla→ Chla* → Chla* (P680/700) - Ánh sáng → Car*→ Chlb*→ Chla* → Chla* (P680/700) Q1 Q2 Q3 - Năng lượng bị mất đi ở dạng nhiệt là nhanh nhất nên Q 1 › Q2 › Q3. Năng lượng này được dùng để sưởi ấm cho cây khi nhiệt độ xuống thấp do đó nhiệt độ càng xuống thấp thì càng cần nhiều nhiệt và càng cần nhiều Car+. Điều này giải thích vì sao các cây ở vùng lạnh thường có lá cây có màu sặc sỡ hơn các cây ở vùng ôn đới. IV. Cơ chế của quá trình quang hợp 9
10. 1. Pha sáng và sự tham gia của diệp lục trong quang hợp - Nơi xảy ra: màng thilacoit của lục lạp. - Nguyên liệu: Ánh sáng, nước, ADP, NADP+ - Thời điểm diễn ra: trực tiếp của ánh sáng, diễn ra vào ban ngày. - Sản phẩm: O2 , ATP, NADPH (con đường vận chuyền không vòng) và ATP, NADPH (con đường vận chuyền vòng) - Bản chất 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 thành năng lượng hóa học của các liên kết cao năng của phân tử ATP (Adenosin Triphotphat) và tạo nên hợp chất khử mạnh NADPH (Nicotinamit Adenin Dinucleotitphotphat khử). Pha sáng gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau: Giai đoạn quang vật lý và giai đoạn quang hoá học. a. Giai đoạn quang vật lý Giai đoạn này mang bản chất vật lý thuần tuý. Kết thúc giai đoạn quang vật lý là năng lượng ánh sáng dưới dạng các dao động điện từ của các hạt photon đã chuyển thành năng lượng kích thích điện tử của phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng (P700). Diệp lục + hγ → Diệp lục* Giai đoạn quang lý bao gồm quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng của phân tử diệp lục và quá trình vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng. 10
11. * Quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng - Phân tử diệp lục có hệ thống nối đôi cách đều nên nó có khả năng hấp thu ánh sáng rất mạnh. Khi hấp thu năng lượng của lượng tử ánh sáng thì phân tử diệp lục chuyển sang trạng thái kích thích điện tử. Có hai trạng thái kích thích điện tử của phân tử diệp lục là trạng thái kích thích sơ cấp (trạng thái singlet) và trạng thái kích thích thứ cấp (trạng thái triplet) - Trạng thái kích thích sơ cấp (trạng thái singlet) với thời gian tồn tại của điện tử trên quỹ đạo đó rất ngắn (10-9 giây khi hấp thu ánh sáng đỏ – Trạng thái singlet 2, và 10 -12 giây khi hấp thu ánh sáng xanh – Trạng thái singlet 1). Sau thời gian ngắn ngủi đó, điện tử quay trở về quỹ đạo cơ bản ban đầu. Năng lượng dư thừa khi điện tử quay về quỹ đạo xuất phát sẽ chuyển thành các dạng sau: toả nhiệt, phát ra ánh sáng huỳnh quang hoặc kích thích phân tử diệp lục khác bên cạnh. Với thời gian sống quá ngắn ngủi như vậy thì khả năng sử dụng năng lượng vào quang hợp là rất khó khăn. - Trạng thái kích thích thứ cấp (trạng thái triplet. Trạng thái T) với thời gian tồn tại của điện tử kích thích lâu hơn nhiều(10-3 giây) nên xác xuất sử dụng năng lượng kích thích điện tử vào quang hợp cao hơn. Nếu sau thời gian đó mà năng lượng không sử dụng vào phản ứng quang hoá thì điện tử lại quay trở về quỹ đạo cơ bản và năng lượng thừa có thể chuyển thành: nhiệt, phát ánh sáng lân quang hoặc kích thích phân tử sắc tố khác Hình 5. Các trạng thái kích thích điện tử của phân tử diệp lục khi tiếp nhận năng lượng của lượng tử ánh sáng So : Quỹ đạo cơ bản S1 : Trạng thái kích thích singlet khi hấp thu ánh sáng đỏ 11
12. S2 : Trạng thái kích thích singlet khi hấp thu ánh sáng xanh T: Trạng thái kích thích triplet * Quá trình vận chuyển năng lượng từ phân tử diệp lục đã được hoạt hoá bởi ánh sáng dưới dạng năng lượng của điện tử được kích thích vào trung tâm phản ứng: Hàng loạt các phân tử diệp lục được sắp xếp một cách có trật tự trên màng thilacoit làm phương tiện để chuyển năng lượng vào phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng là phân tử diệp lục P700 (phân tử diệp lục a hấp thu ánh sáng đỏ có bước sóng = 700nm). 2. Giai đoạn quang hoá học - Trên màng thylakoid, diệp lục và các sắc tố được tổ chức thành 2 hệ thống quang hoá I và II. Mỗi hệ thống quang hoá chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, chlorophylle a đóng vai trò trung tâm (trung tâm phản ứng). Những phân tử sắc tố khác hoạt động như những anten: hấp thu NL của AS có độ dài sóng khác nhau truyền NL về trung tâm pứ. Hệ thống quang hoá I (max khi λ = 700 nm – P700). Hệ thống quang hoá II (max khi λ = 680 nm – P680) a. Chuỗi truyền e và quá trình phosphoryl hoá vòng - Xảy ra ở hệ thống quang hoá I: AS → ptử diệp lục → kích động điện tử → e nhảy lên quỹ đạo cao hơn → tạo ra NL (ATP) → trở về diệp lục Diệp lục ADP + Pi ATP Ánh sáng - Cây tiến hành khi thiếu nước, dư NADPH (điện tử), có vai trò phụ, Hiệu quả năng lượng thấp b. Chuỗi truyền e và quá trình phosphoryl hoá không vòng - Hệ thống quang hoá I và II cùng hoạt động AS → ptử diệp lục → kích động e → e nhảy lên quỹ đạo cao hơn → tạo ra NL (ATP) → e của nước không trở về diệp lục - Có vai trò chủ yếu, hấp thu năng lượng AS hiệu quả hơn + - 2H2O → 4H + O2 + 4e (hệ thống quang hoá II) + 2H2O + NADP + H3PO4+ ADP → ATP + NADPH2 + ½O2 + H2O - (e đi không quay trở lại H2O) - Giai đoạn này gồm hàng loạt các phản ứng quang hoá học. Phân tử diệp lục P700 trong trung tâm phản ứng ở trạng thái kích thích thứ cấp sẽ tham gia vào các phản ứng quang hoá để chuyển năng lượng của điện tử kích thích vào liên kết cao năng của phân tử ATP và một phần năng lượng được sử dụng tạo nên chất khử NADPH. 12
13. - Chuỗi các protein có khả năng nhận, mang và truyền điện tử sang các protein kế cận : Gồm 1 protein cố định (cytochrome) và các protein di động + - Trong quá trình vận chuyển, các protein sẽ bơm H từ ngoài vào trong hạt Grana (cơ chế bơm + + proton). Có nhiều H trong hạt Grana so với bên ngoài cơ chất (stroma) → chênh lệch H → ATP synthase hoạt động → tạo ra ATP Hình 3.6. Sơ đồ quang phosphoryl hoá trong quang hợp Ghi chú: PQ: Plastoquinon, Fd: Feredoxin 13
14. Thực ra thì đây là hệ quả của hai quá trình diễn ra song song với nhau là quá trình chuyển vận điện tử và quá trình tổng hợp ATP diễn ra trên màng thilacoit của lục lạp. - Quá trình chuyển vận điện tử + Điện tử sẽ được chuyển vận từ H2O (có thế oxy hoá khử là + 0,8V) đến NADP (-0,32V). Điện tử chuyển vận ngược chiều điện trường (từ + đến -) nên quá trình này không tự diễn ra được mà cần được hoạt hoá bởi năng lượng ánh sáng do diệp lục hấp thu. Diệp lục phải hấp thu 2 quang tử ánh sáng để cho 2 điện tử đi ngược gradient điện trường. Để hướng dẫn đường đi của + điện tử đúng hướng (từ H 2O đến NADP ), một loạt các chất đặc hiệu sắp xếp một cách có trật tự trong màng thilacoit tạo nên chuỗi chuyển vận điện tử (CCVĐT). Chuỗi CVĐT có nhiệm vụ chuyền + điện tử từ phân tử H2O đến chất nhận cuối cùng là NADP để khử nó thành NADPH (cùng với H +). Các thành viên chủ yếu của chuỗi chuyển vận điện tử quang hợp gồm: Plastoquinon (PQ), xytocrom f, plastocyanin (PC), feredoxin, NADP + . CCVĐT còn có hai trung tâm phản ứng của hai hệ thống sắc tố là P680 và P700 . Chúng sắp xếp trong màng thilacoit lần lượt theo thứ tự giảm dần của thế oxi hoá khử. Qua các thành viên của CCVĐT, điện tử có thể vận chuyển từ H 2O (+0,81V) đến NADP + (-0,32V). Tất nhiên vì điện tử đi ngược chiều điện trường nên diệp lục P680 và P 700 phải nhận thêm năng lượng ánh sáng để CCVĐT này hoạt động được. - Quá trình quang phosphoryl hoá tổng hợp ATP Trên đường đi của điện tử qua nhiều thành viên của CCVĐT có mức năng lượng khác nhau, năng lượng thừa được giải phóng ra lập tức liên kết vào liên kết cao năng photphat của phân tử ATP nhờ phản ứng: ADP + H 3PO 4 + Năng lượng → ATP + H2O 14
15. Tất nhiên, quá trình phosphoryl hoá quang hoá có sự tham gia của NADP + và có giải phóng oxi, nên phản ứng phosphoryl hoá đầy đủ có phương trình sau: 2NADP + + 2ADP + 2H 2 O + 2H 3 PO 4 → 2NADPH + 2ATP + O 2 Như vậy, hai quá trình chuyển vận điện tử và phosphoryl hoá xảy ra song song với nhau. Nếu như hai quá trình đó liên kết với nhau thì ATP được hình thành, còn nếu không tiếp hợp nhau thì năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt vô ích. Ví dụ trong trường hợp gặp điều kiện "stress", màng thilacoit bị thương tổn thì hai quá trình đó bị tách rời và ATP không được hình thành. Có hai hệ thống sắc tố tham gia vào quá trình phosphoryl hoá quang hoá: Hệ thống I có trung tâm phản ứng là P 700 (phân tử diệp lục a có cực đại hấp thu là 700 nm), còn hệ thống II có trung tâm phản ứng là P 680 (phân tử diệp lục a có cực đại hấp thu là 680 nm). Chúng hấp thu 2 quang tử để chuyển sang trạng thái kích thích. Năng lượng hấp thu này sẽ sử dụng cho quá trình phosphoryl hoá để tạo nên ATP và NADPH. - Quang phân ly nước: Quang phân ly nước là quá trình khởi nguồn cho quá trình phosphoryl hoá này. Quá trình quang phân ly nước có thể biểu diễn bằng phản ứng sau: + – 2H2O → 4 H + O 2 + 4e Như vậy, 1 phân tử H2O sẽ được phân ly cho: + Điện tử (2e - ) đưa vào chuỗi CVĐT quang hợp. + H + (2H + ) để khử NADP + thành NADPH. + Giải phóng 1/2O2 vào không khí để điều hoà nồng độ oxi trong không khí. Khi kết thúc pha sáng, có 3 sản phẩm sẽ được tạo thành l ATP, NADPH và O 2 . Oxi sẽ bay vào không khí, còn năng lượng ATP và chất khử NADPH sẽ được sử dụng để khử CO 2 trong pha tối của quang hợp để tạo nên các chất hữu cơ cho cây. - Cơ chế hình thành ATP trong quang hợp Cơ chế giải thích sự hình thành ATP trong quang hợp cũng như trong hô hấp đến nay chưa sáng tỏ hoàn toàn. Một giả thuyết được nhiều người thừa nhận l giả thuyết hoá thẩm của Peter Michell (1961). Theo thuyết hoá thẩm thì sự chênh lệch điện thế giữa hai phía của màng thilacoit trong quá trình quang hợp đã tạo nên thế năng cho quá trình tổng hợp ATP (Hình 7). Trong quá trình chuyển vận điện tử của CCVĐT ở màng thilacoit từ H2O đến NADP + thì H + được chuyển từ mặt ngoài vào mặt trong của màng. Đặc biệt chuỗi CVĐT có thành viên PQ vừa vận chuyển điện tử, vừa vận chuyển H+ . Ion H + được PQ nhận từ mặt ngoài của màng + để tạo thành PQH2 . Điện tử được theo CCVĐT còn H được đẩy vào trong màng thilacoit. Đồng thời do quá trình quang phân ly nước diễn ra ở phía trong để cung cấp điện tử cho CCVĐT mà H + 15
16. được bổ sung thêm phía trong màng. Kết quả là có sự chênh lệch nồng độ ion H+ đáng kể ở hai phía màng tạo nên thế điện hoá hai phía màng và đáy là nguồn thế năng. Để giải toả sự chênh lệch đó, các bơm H+ nằm trên màng hoạt động để bơm ion H + từ trong ra ngoài màng tạo nên dòng ion H+ qua màng. Dòng ion này kích thích hoạt động của enzym ATP-synthetase tổng hợp ATP từ ADP và P vô cơ do năng lượng của dòng ion toả ra (Hình 7). 16
17. NDSS Hệ thống quang hóa I (PS I) Hệ thống quang hóa II (PS II) Phản ứng sáng 1 Phản ứng sáng 2 Trung tâm PƯ Diệp lục P700 Diệp lục P680 Chất nhận P430 C550 electron đầu tiên Thành phần Feredoxin, xitocrom b6, Plastoquynon, plastoxyanin, xitocrom f xitocrom f Sự chuyền Khép kín chu trình: Electron đi Không khép kín chu trình: electron từ P700 rồi cuối cùng lại quay electron đi từ P680→C550 trở lại P700 →Plastoquynon→ plastoxyanin→ xitocrom f→ DL P700 của hệ thống quang hóa I mà k quay trở lại DL P680 17
18. NDSS Photporin hóa vòng Photporin hóa không vòng 1. Con đường Vòng: Electron của DL qua dãy Không vòng: Electron từ DL đi của electron chuyển electron rồi lại trở về DL chuyển đến NADP+ và electron trở để khép kín chu trình về DL là electron của nước Quang phân li Không xảy ra hiện tượng quang phân - Có xảy ra quang phân li nước để bù nước li nước điện tử cho trung tâm quang hóa PSII. 2. Sản phẩm ATP tạo ra ít, không tạo ra NADPH, Tạo ra nhiều ATP, NADPH, Oxi của quá trình Oxi. - Chỉ sử dụng một trung tâm quang - Sử dụng 2 trung tâm quang hóa là 3. Hệ sắc tố hóa duy nhất là P700 (PSI) P680 (PSII) và P700 (PSI) tham gia Sản phẩm sau Chủ yếu là Cacbonhidrat Chủ yếu là Pr, axit hữu cơ, axit béo qh Tiến hóa Kém tiến hóa hơn Tiến hóa hơn vì chỉ gặp ở TV bậc cao, sử dụng 2 hệ thống quang hóa, nhiều sản phẩm hơn III.2. Pha tối và sự đồng hoá CO2 trong quang hợp Pha sáng trong quang hợp tạo ra nguồn năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH để khử CO 2 thành glucozo và các chất hữu cơ khác trong pha tối. Nơi xảy ra pha tối là phần cơ chất trong lục lạp. Pha tối diễn ra với hai nội dung cơ bản: Cố định CO2 và khử CO2 . Tuỳ thuộc vào con đường đồng hoá CO2 trong quang hợp khác nhau mà người ta chia thực vật thành 3 nhóm: - Nhóm thực vật C3(phổ biến) 90-92% thực vật : bao gồm các thực vật mà con đường quang hợp của chúng chỉ thực hiện duy nhất một chu trình quang hợp là C3 (chu trình Calvin). Hầu hết cây trồng của chúng ta thuộc thực vật C3 như lúa, đậu đỗ, khoai, sắn, cam chanh, nhãn vải.... Sp đầu tiên là hợp chất 3C (3-phosphoglycerate); Enzyme Rubisco. Duy nhất xảy ra quang hô hấp: o CO2 thấp, t C cao, AS mạnh - Nhóm thực vật C 4 (chỉ có ở một số cây nhiệt đới) 5% thực vật gồm các thực vật mà con đường quang hợp của chúng là sự liên hợp giữa 2 chu trình quang hợp là chu trình C4 và chu trình C3 . Một số cây trồng thuộc nhóm này như mía, ngô, kê, cao lương... Thực vật C4 cải tiến C3 (không có quang hô hấp). Sp đầu tiên là acid 4C (acid xaloacetic); PEP 18
19. carboxylase. Tế bào bó mạch phát triển (do Rubisco tập trung ở đây) → Rubisco thuận lợi hoạt động - Nhóm thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism) >5% : bao gồm các thực vật mọng nước như các loại xương rồng, dứa, hành tỏi... Chúng thực hiện con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn, bắt buộc phải đóng khí khổng vào ban ngày và chỉ mở khí khổng vào ban đêm. III.2.1. Con đường quang hợp của thực vật C3 Các thực vật C 3 chỉ tiến hành một chu trình quang hợp là chu trình C3 hay còn gọi là chu trình Calvin, tên nhà Bác học Mỹ đầu tiên phát hiện ra chu trình này vào năm 1951. Người ta gọi tên chu trình C3 vì sản phẩm đầu tiên tạo nên trong chu trình này là một hợp chất có 3C là axit phosphoglyxeric (APG). Hai nhà khoa học Mỹ là Melvin Calvin và Andrew Benson đã sử dụng cacbon đánh dấu phóng xạ ( 14 CO2 ) cho tảo Chlorella quang hợp và theo dõi số phận của 14 C trong các sản phẩm quang hợp theo thời gian. Cuối cùng họ đã tìm ra chu trình đồng hoá CO 2 quan trọng của thực vật mang tên chu trình quang hợp Calvin-Benson (Chu trình C3 ). Với phát minh quan trọng này, Calvin và Beson đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1961. Sơ đồ chu trình C3 vắn tắt được trình bày ở hình 8. 19
20. Chu trình này có thể chia thành 3 giai đoạn: - Chất nhận CO2 đầu tiên và cũng là duy nhất của chu trình là một hợp chất có 5C: Ribulozo-1,5 diphosphat (RDP). - Sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình này là một hợp chất 3C: Axit phosphoglyxeric (APG) . - Phản ứng cacboxyl hoá được xúc tác bởi enzym rất đặc trưng và phổ biến nhất cho cây C 3 l RDP- cacboxylase. Sản phẩm của giai đoạn này là hợp chất có 3 C - axit phosphoglyxeric (12 APG). Vì vậy người ta gọi chu trình này là chu trình C3 và thực vật thuộc nhóm này là thực vật C3 . * Giai đoạn khử CO2 - Sản phẩm quang hợp đầu tiên là APG sẽ bị khử ngay để hình thành nên AlPG, tức có sự khử từ chức axit thành chức aldehyt. - Pha sáng cung cấp năng lượng ATP và lực khử NADPH cho phản ứng khử này. Để tạo nên 1à phân tử glucose thì pha sáng cần cung cấp cho phản ứng khử này 12 ATP + 12 NADPH. 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 tái tạo chất nhận CO2 (RDP) - Một bộ phận AlPG (2C3 ) tách ra khỏi chu trình 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. 20