VII. QUANG HỢP

7.1  Khái niệm về quang hợp:

                            AS, diệp lục

6CO2  +  6H2O  ------------------- > C6H12O6   +   6O2  

Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học trong dưới dạng các hợp chất hữu cơ.

Quang hợp là quá trình biến đổi các chất vô cơ đơn giản thành các chất hữu cơ phức tạp có hoạt tính cao trong cơ thể thực vật, đồng thời giải phóng O2 nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời và hệ sắc tố.

7.2 Ý nghĩa của quang hợp:

Đóng gói năng lượng ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hóa học cần thiết cho sinh vật.

Năng lượng mặt trời rọi xuống trái đất 5.1023Kcal, 2.1023 xuống vùng có cây cối. Cây xanh chuyển 2% (5.1021 Kcal) năng lượng này thành năng lượng hóa học.

Quang hợp là nguồn cung cấp chủ yếu các chất hữu cơ trên trái đất cho hoạt động sống của sinh vật và loài người.

Quang hợp tạo 4,5.1011 tấn chất hữu cơ (trên cạn 5.1010 tấn con gnười sử dụng 3,5%, dưới nước 4.1011 tấn con người sử dụng 2.10-5)

Làm sạch không khí.

Quang hợp đồng hóa 170 tỉ tấn CO2 giải phóng 115 tỉ tấn O2.

7.3 Lá –cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp

     Hình thái:

Thường có dạng bản mang đặc tính hướng rõ rệt, có khả năng vận động để nhận nhiều nhất năng lượng mặt trời cũng như để giảm sự đốt nóng khi cường độ sáng mạnh.

     Cấu trúc:

Lớp cutin (Cuticle): chống thấm nước

Biểu bì (epidermis):  có vai trò bảo vệ lá và giảm thoát hơi nước khí khổng (stoma)trên lớp biểu bì điều hòa thoát hơi nước và trao đổi khí. (CO2)

Mô dậu (palisade mesophyll cell): Nằm sát lớp biểu bì. Các tế bào mô dậu xếp sít  nhau gần như song song nhằm hấp thu năng lượng ánh sáng cao nhất. Tế bào mô dâu có nhiều lục lạp, thực hiện chức năng quang hợp.

Mô khuyết (mô xốp: spongy mesophyll cell) : Giữa tế bào có nhiều khoảng trống gọi là gian bào, nơi chứa CO2, hơi nước cung cấp cho quang hợp. Ngoài ra, tế bào mô khuyết còn chứa lục lạp nhưng ít hơn tế bào mô dậu.

Mạch dẫn (vein) gồm mạch gỗ (xylem), mạch rây (phloem), tế bào vòng bao bó mạch (bundle sheath cell): Dẫn nước và khoáng phục vụ cho quang hợp, thực hiện quang hợp và dẫn sản phẩm quang hợp ra khỏi lá.

Hình 3.14: cấu trúc lá

7.4  Lục lạp (chloroplast)-bào quan thực hiện quang hợp

     Hình dạng

Thực vật không bị ánh sáng đốt trực tiếp, lục lạp có hình cốc hình sao, hình bản, hình chuông…

Thực vật trên cạn, lục lạp có hình bầu dục. Với hình bầu dục, lục lạp có xoay bề mặt điều chỉnh mức độ tiếp xúc với ánh sáng và sử sử dụng ánh sáng hiệu quả nhất. Đây cũng là một đặc điểm tiến hóa của giới thực vật.

     Số lượng, kích thước

Số lượng lục lạp khác nhau ở các loài thực vật. Mỗi tế bào tảo có một lục lạp. Thực vật bậc cao trung bình 20-100 lục lạp.

      Đường kính lục lạp khoảng 4-6 micrometers, dày 2-3 micrometers

      Những cây ưa bóng có số lượng, kích thước lục lạp và hàm lượng sắc tố trong lục lạp nhiều hơn cây ưa sáng.

     Cấu trúc

Hình 3.15: cấu trúc lục lạp

*Màng:

Lục lạp được bao bọc bởi màng kép, có cấu trúc giống như màng cơ bản.

*Stroma:

            Là nơi xảy ra các phản ứng của pha tối trong quang hợp. Thành phần hóa học của stroma bao gồm: Các enzyme, protein, acid nucleic, ribosome, lipid và các giọt dầu...

Lục lạp có khả năng tổng hợp DNA và protein cho chúng. Một số protein khác được tổng hợp ở cytoplast và được vận chuyển tới lục lạp.

*Grana:

Grana là tập hợp các thylakoid xếp chồng chất lên nhau và là nơi xảy ra các phản ứng pha sáng trong quang hợp. Một grana có 5-30 thylakoid được gọi là thylakoid grana. Mỗi lục lạp có khoảng 40-50 grana được liên kết với nhau bởi thylakoid stroma.

*Cấu trúc của thylakoid:

Thylakoid gồm màng cơ bản, giữa các lớp của màng là hệ sắc tố và enzyme thực hiện các phản ứng của pha tối và sáng. Sự sắp xếp các thành phần trong thylakoid đảm bảo thực hiện các phản ứng khác nhau trong quang hợp.

7.5 Hệ sắc tố

Chlorophyll, carrotenoid, phycobilin và anthocyan.

7.5.1 Chlorophyll

Bao gồm chlorophyll a, b (c,d,e có trong vi sinh, rong và tảo)

Công thức phân tử của chlorophyll a: C55H72O5N4Mg và b: C55H70O6N4Mg.

Công thức cấu tạo: Gồm 4 vòng pyrol nối với nhau bởi  cầu nối  methyl (-CH=) tạo nên cấu trúc porphyrin với Mg ở giữa. Vòng pyrol số 4 gắn nhóm phytol và vòng pyrol thứ 3 có vòng cyclopental.

Hình 3.16: Cấu trúc của diệp lục a và b

Hệ thống nối đôi, đơn cách đều trong cấu trúc là cho diệp lục có hoạt tính quang hóa mạnh. Năng lượng liên kết nối đôi nhỏ, điện tử hình thành nối đôi dễ bậc ra khi nhận năng lượng ánh sáng. Đuôi phytol gồm gốc rượu phytol có 20 carbon, ưa lipid có vai trò định vị phân tử diệp lục trên thylakoid.

*Tính chất vật lý:

Chlorophyll không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ. Chlorophyll hấp thụ quang phổ ánh sáng trong khoảng 400-700 nm với cực đại hấp thu 430 nm và 662 nm. Trong lá cây, diệp lục kết hợp với các protein nên có cực đại hấp thụ sai khác ít nhiều; 700, 680, 685…

Hình 3.17: Độ dài sóng khác nhau của ánh sáng nhìn thấy được

Hình 3.18:  Quang phổ hấp thụ của  dịệp lục

Hiện tượng huỳnh quang của chlorophyll: Là hiện tượng phát ra ánh sáng khác có độ dài sóng dài hơn độ dài sóng của ánh sáng mà chlorophyll đã hấp thụ. Đây là trạng thái kích thích sơ cấp của diệp lục trạng thái singlet.

Hiện tượng lân quang: Cũng tương tự như huỳnh quang nhưng khi tắt nguồn sáng màu huyết dụ còn lưu lại một thời gian ngắn nữa. Đây là trạng thái kích thích thứ cấp, trạng thái triplet của diệp lục.

*Hóa tính:

 Chlorophyll tác dụng với base tạo chlorophyllate có màu xanh.

Tác dụng với acid tạo pheophytin có màu nâu do chlorophyll bị khử mất Mg. Phyophytin không có khả năng huỳnh quang. Điều đó cho thấy Mg quyết định tính chất của diệp lục. Phyophytin tác dụng với kim loại khác (Cu)  tạo hợp chất có màu xanh.

Hình 3.19: Các phản ứng hóa học của diệp lục.

Diệp lục cô lập mất màu khi tiếp xúc với ánh sáng và có mặt của oxygen.

Chl    +  Hn  ---------- >  Chl*

Chl*  + O2  ------------ > ChlO2 (mất màu xanh)

*Vai trò:

-Hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời.

-Di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng.

-Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tại các trung tâm phản ứng.

7.5.2 Carrotenoid:

Carrotenoid là nhóm sắc tố có màu vàng, cam, tím đỏ. Khả năng hấp thụ ánh sáng của carrotenoid do các nối đôi liên kết đôi đơn quyết  định crrotenoid sơ cấp tham gia vào quang hợp, carroten thứ cấp: trong quả, hoa, cơ quan gia không tham gia quang hợp.

*Carroten (C40H56):

Carroten được cấu tạo từ các gốc isopren, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ, hấp thụ ánh sáng có bước sóng từ 446 đến 476 nm. Carroten được xem là tiền vitamin A.

Hình 3.20: Cấu trúc của alpha carroten và beta carroten

*Xanthophyll (C40H56On với n=1...6)

Xanthophyll hấp thụ ánh sáng có bước sóng trong khoảng 451 đến 481nm.

*Vai trò của carrotenoid

Nhận và truyên năng lượng ánh sáng cho chlorophyll.

Bảo vệ chlorophyll khỏi bị phân hủy ở cường độ ánh sáng cao.

Xanthophyll tham gia vào các phản ứng phân ly nước.

7.5.3. Các protein tham gia chuỗi điện tử

Pheophytine (Pheo), Plastoquinon A, B (QA, QB), Cytochrome b6f [Cytb, Cytf, FeSR (Riesk-ion-sulfur proteins)], plastocyanin (QC), Các protein chưa lưu huỳnh và sắc (FeSx, FeSA, FeSB), ferredoxin (Fd), Flavinprotein-NADP reductase (FNR)

Hình 3.21: Sơ đồ vận chuyển điện tử không vòng (chữ Z)

Hình 3.22: Sự vận chuyển điện tử và proton trong màng thylakoid.

7.6. Cơ chế của quang hợp

            Quang hợp có hai pha: pha sáng và pha tối. Pha sáng xảy ra ở thylakoid và pha tối xảy ra ở stroma.

7.6.1. Bản chất của pha sáng:

7.6.1.1 Bản chất của ánh sáng:

Anh sáng của mặt trời có tính hạt (photon) và sóng.

 E=hg =hc/l

H: hằng số planck =6,625 10-34js

l:độ dài sóng ánh sáng

g: Tần số phát xạ

C: Vận tốc ánh sáng

E: năng lượng của 1 photon.

Hình 3.23: Phổ điện từ của ánh sáng (xem hình3.5)

E có thể làm thay đổi trạng thái bình thường của vật chất thành trạng thái kích động không bền. Vật chất ở trạng thái không bền có xu hướng trở về trạng thái ban đầu bằng các cách sau đây: Phát nhiệt phát xạ huỳnh quang, truyền năng lượng cho phân tử lân cận và truyền điện tử cho phân tử khác.

7.6.1.2 Giai đoạn quang lý:

Chlorophyll hấp thụ năng lượng và trở thành dạng kích động. Tùy vào mức năng lượng E, chlorophyll có thể trở thành:

Singlet 2 có đời sống 10-13-10-12 s

Singlet 1 có đời sống từ 10-9-10-8 s

Triplet có đời sống 10-3-10-2 s

Singlet có thể mất năng lượng để trở thành triplet. Trạng thái triplet của chlorophyll có vai trò quan trọng trong vận chuyển điện tử và H khử CO2.

Các sắc tố phụ cũng nhận năng lượng ánh sáng và truyền cho chlorophyll.

Hình 3.24: Sơ đồ trạng thái kích động của diệp lục.

Tóm lại: Trong giai đoạn quang lý, chlorophyll hấp thụ năng lượng ánh sáng và trở thành dạng giàu năng lượng sẵn sàng tham gia vào các phản ứng sau này.

7.6.1.3 Quang hóa:

Chlorophyll sử dụng năng lượng hấp thụ vào các phản ứng quang hóa để tạo chất dự trữ năng lượng và các chất khử.

Để thu nhận năng lượng ánh sáng, các sắc tổ tổ chức thành trung tâm gọi là PSI trung tâm phản ứng là P700 và PSII có trung tâm phản ứng là P680.  Phản ứng sáng tại PSI và PSII và con đường vận chuyển điện tử không vòng tạo O2, NADPH và ATP. P680 tại trung tâm PSII bị kích động khi hấp thụ tia sáng có bước sóng 680 nm chuyển điện tử cho Pheo, điện tử từ Pheo sau đó được chuyển đến QA, QB, phức hợp cytob6f, PC và đến P700 của trung tâm PSI.

P700 tại trung tâm PSI bị kích động khi hấp thụ tia sáng có bươc sóng 700nm chuyển điện tử cho A0 (một chlorophyll) sau đó đến A1 (quinone), FeSX, FeSA, FeSB, Fd. Fd trạng thái khử cùng với FNR khử NADP+  trong stroma thành NADPH.

Hình 3.25: Con đường vận chuyên điện tử ở màng thylakoid

Bằng đồng vị phóng xạ, các nghiên cứu cho rằng O2 thoát ra từ quang hợp có nguồn gốc từ H2O.

Phản ứng sáng tại PSI và con đường vận chuyển điện tử vòng tạo ATP nhưng không tạo NADPH.

Thay vì điện tử từ P700 chyển đến Fd để khử NADP+ lại chuyển đến phức hợp Cyto b6f rồi đến PC và về P700. Trong con đường vận chuyển điện tử này kèm theo tổng hợp ATP. (Hình 3.25)

7.6.1.4 Sự tổng hợp ATP

Quá trình hình thành ATP do tác động của ánh sáng gọi là quá trình quang phosphoryl hóa. Có hai kiểu quang phosphoryl hóa.: Phosphoryl hóa vòng: Đi kèm với con đường vận chuyển e- vòng (xảy ở thực vật khi gặp điều kiện bất lợi) (1-2ATP.); Phosphoryl hóa không vòng: Đi kèm với con đường vận chuyển điện tử không vòng (khoảng 4 ATP)

Cùng với sự vận chuyển điện tử từ PQH2 đến PC, phức hợp Cytob6f giải phóng H+ vào phía trong của thylakoid. H+ này và  H+ từ phản ứng phân li nước làm tăng nồng độ H+ phía trong hai màng thylakoid. H+ phía trong màng sau đó khuếch tán qua ATpase, enzyme tổng hợp ATP nằm trên màng thylakoid ra stroma. Điều này làm giảm nồng độ H+ trong khoảng giữa hai màng thylakoid và ATP được hình thành ở stroma.

Hình 3.26: Sự hình thành ATP đi kèm với vận chuyển điện tử và proton ở thylakoid

Tóm lại: Pha sáng của quang hợp tạo ATP và NADPH. Hai chất này sẽ được sử dụng trong pha tối.

7.6.1.5 Quang phân ly  nước:

Sau khi phóng thích điện tử bởi tác động của ánh sáng, P680 trở thành dạng oxy hóa mạnh oxy hóa Yz và Yz+ oxy hóa nước giải phóng O2 và H+ vào trong hai màng thylakoid.

                            Chl*

4 H2O                                    4H+  + 4 OH-

4 OH-                                     4 OH  + 4 e-

4OH                                        2H2O  + O2

2H2O                                      4H+  + 4 e-  + O2

7.6.2 Bản chất của pha tối:

Có hai cơ chế chính trong quá trình cố định CO2 ở thực vật. Sự khác nhau của hai cơ chế này là hợp chất đầu tiên và chất nhận CO2 đầu tiên.

7.6.2.1 Chu trình C3 (Calvin và cộng sự, 1950):

Tảo Chlorella nuôi trong môi trường C14. Sau những khoảng thời gian nhất định, cô lập tảo bằng CH3OH, phá vỡ tế bào, cô lập chất hữu cơ và phân tích thành phần của chúng bằng sắc ký. Kết quả phân tích cho thấy rằng: Sản phẩm đầu tiên là 3, phosphoglyceric acid (PGA), sau đó là các triose, hexose... cuối cùng là các pentose và CO2. Như vậy chu trình C3 gồm 3 giai đoạn:

Hình 3.27: Chu trình Calvin

*Carboxyl hóa (Carboxylation):

Chất nhận CO2 đầu tiên là ribulose-1,5 biphosphate. Dưới tác dụng của ribulose-1,5 biphosphate carboxylase, phản ứng tạo thành chất trung gian 2-carboxy-3-keto D-arabinitol 1,5-biphosphate, sau đó là 2 phân tử PGA.

*Giai đoạn khử (reductive phrase):

PGA bị khử bởi NADPH và ATP thành glyceraldehyde-3 phosphate. Đây là giai đoạn then chốt của chu trình, biến quang năng thành hóa năng, gồm hai giai đoạn:

·      PGA bị biến đổi thành 1,3-biphosphate-glycerate nhờ enzyme phosphoglycerate kinase.

·      1,3-biphosphate-glycerate bị khử bởi NADPH thành glyceraldehyde-3 phosphate nhờ enzyme glyceraldehyde phosphate dehydrogenase.

96% PGA biến đổi thành DHAP (dihydroxyaceton-3 phosphate). 1 phân tử PGA kết hợp với DHAP tạo 1 phân tử  fructose-1,6 phosphate.

*Tái tạo ribulose-1, 5 diphosphate:

Hai triose tạo 1 phân tử fructose-1,6 diphosphate. Phần còn lại tham gia tái tạo ribulose-1,5 diphosphate.

Hình 3.28: Tóm tắc các phản ứng trong chu trình Calvin

7.6.2.2 Chu trình C4 (Hatch Slack, 1965):

Chu trình C4 xảy ra ở một số thực vật nhiệt đới như mía, cỏ lồng vực, rau dền... Trong chu trình đó, các cây này dùng PEP (CH2=COP-COOH) phosphoenol pyruvate như là chất đầu tiên nhận CO2 để tạo các chất hữu cơ có 4 carbon nên gọi là chu trình C4.

Hình 3.29: Cấu trúc của lá tế bào thực vật C4

Về mặt giải phẫu, lá của cây C4 có hai loại tế bào đồng hóa CO2: Tế bào thịt lá (mesophyll) và tế bào vòng bao bó mạch (bundle sheath cells). Tế bào vòng bao bó mạch của thực vật C4 phát triển mạnh. Quang hợp ở thực vật C4 xảy ra ở hai nơi: tế bào thịt lá (mesophyll cells) và tế bào vòng bao bó mạch. Ở tế bào thịt lá xảy ra sự cố định CO2 tạo malate, aspartate. Ở tế bào vòng bao bó mạch xảy ra các phản ứng tiếp theo giống như chu trình C3.

Hình 3.30: Chu trình C4

Do quang hợp của thực vật C4 mạnh hơn,  hiệu quả hơn, hơn nữa thực vật C4 không có hô hấp sáng, năng suất sinh học cây C4 cao hơn cây C3.

7.6.2.3 Chu trình CAM (Crassulacian Acid Metabolism):

Con đường cố định CO2 này xảy ra ở thực vật sống ở vùng khô hay nhiễm mặn như cây dứa, xương rồng... Để hạn chế bị mất nước, những cây này mở khổng vào ban đêm và đóng khổng vào ban ngày, làm thay đổi con đường cố định CO2.

Hình 3.31: So sanh cố định CO2 của cây C4 và CAM

Ban đêm, CO2 khuếch tán vào trong tế bào, được cố định thành acid có 4C và được trữ ở không bào cho đến sáng mai. Vào ban ngày, các acid 4C bị khử  tạo CO2  khuếch tán vào chu trình C3.

Hình 3.32 : Tóm tắt chu trình CAM