Cấu trúc ATP

BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HỢP


Người thực hiện: Đặng Thị Thanh Hà:
Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn
Lớp: Cao học sinh K9
Nội dung:
I. Khái niệm quang hợp.
II. Bộ máy quang hợp.
+Lục lạp-Bào quan thực hiện chức năng quang hợp.
+Các sắc tố quang hợp.
III. Năng lượng của quá trình quang hợp.
+Cơ chế phosphorin hóa vòng.
+ Cơ chế của quá trình quang phosphorin hóa không vòng.
IV. Quá trình quang hợp của một số loài khác.
I. Khái niệm 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. Hay quang hợp là 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 các hệ sắc tố thực vật.
II. Bộ máy quang hợp.
1. Lục lạp (chloroplast) – bào quan thực hiện chức năng quang hợp.
Hình thái lục lạp:

Số lượng lục lạp : khácnhau ở từng loài.
Về kích thước: Đường kính trung bình : 4-6µm, dày 2-3µm.


Quá trình hình thành lục lạp: 3 giai đoạn
+ Giai đoạn tiền lục lạp: Hình thành nên những chỗ lõm trên màng trong của lạp thể  kéo dài ra, rồi tự cắt thành các đoạn ngắn

+ Giai đoạn hai: Hình thành nên các tiền tilacoit.

+ Giai đoạn cuối: Hình thành nên các tilacoit thực sự và sau đó chúng xếp chồng lên nhau thành các hạt (grana).
Các sắc tố quang hợp bao gồm:
Clorophin
Carotenoit
Phycobilin và sắc tố của dịch tế bào.
Nhóm sắc tố lục clorophin(diệp lục)
Có vai trò quan trọng nhất.
Công thức tổng quát một số diệp lục:
Clorophin a: C55H72O5N4Mg.
Clorophin b: C55H70O6N4Mg.

Cấu trúc phân tử diệp lục a:
III. Năng lượng của quá trình quang hợp.
Quá trình quang hợp có thể tóm tắt như sau:
CO2 + H2O → (CH2O) + O2

Đây là phản ứng thu năng lượng. Người ta tính toán muốn khử từ 6CO2 để tạo thành glucose - 6 - phosphat - sản phẩm cuối cùng của phản ứng qung hợp, cần thiết phải có 12 phân tử NADPH và 18 phân tử ATP. Nguồn năng lượng để tạo thành các phân tử NADPH và ATP này do năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp.
Quang hợp ở cây xanh
Diệp lục hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời
Năng lượng được dự trữ trong các phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng kích thích và tiếp theo là sự di trú năng lượng vào trong trung tâm phản ứng, là một phân tử diệp lục đặc biệt.
e–
Phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng này, sau khi nhận năng lượng sẽ trở nên bị kích thích và trở thành chất cho điện tử, nhường điện tử cho chất nhận electron đầu tiên tham gia vào quá trình quang phosphoryl hóa.
Tuy nhiên, tùy theo diệp lục ở trung tâm phản ứng khác nhau mà quá trình vận chuyển điện tử có thể đi theo con đường quang phosphoryl hóa vòng hay không vòng.
Quang Phosphoryl hóa vòng
(Cyclic Photophosphorylation)
E
P700
1O Electron acceptor
Ferredoxin (Fd)
(E0 = O,43V)
Plastoquinone (PQ)
(E0 = 0,06V)
Plastocyanin
(E0 = O,365V)
hn
Cytochrome b/f

Photosystem I
2e-
2e-
2e-
2e-
2e-+2H+
- 0,6
+ 0,43
nADP + nP nATP + nH2O
 

Enzym
Con đường không vòng ( vòng hở hay vòng không khép kín) thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và cả sóng dài, bao gồm clorophin a có cực đại hấp thụ ở bước sóng λ< 680nm và các sắc tố phụ khác

P680 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng 2. Chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550(một chất cho đến nay cũng chưa xác định chắc chắn).
Thành phần của chu trình truyền điện tử ở đây là plastoquinon, plastoxyanin, xitocrom f rồi đến P700 của PSI mà không trở về P680 để khép kín chu trình. Điện tử bù lại cho P680 được lấy từ H2O qua quá trình quang phân ly nước để giải phóng O2 và e, cũng như H

Vì vậy, kết quả của chu trình truyền điện tử không vòng này là sự hình thành không những ATP mà còn giải phóng O2 và hình thành sản phẩm khử NADPH2.
+
Các phân tử diệp lục, khi hấp thu lượng tử ánh sáng chuyển thành trạng thái kích thích. Ở trạng thái kích thích dưới tác dụng của ánh sáng tiếp tục chlorophyl trở thành chất cho điện tử. Chất nhận điện tử đầu tiên trong chuỗi phosphoryl hóa là protein –ferredoxin có chứa sắt. Khi nhận điện tử thì ferredoxin chuyển thành trạng thái khử:
Ferredoxin-Fe +e- → Ferredoxin-Fe.
có thế năng l à E0=-0,435volt
2+
3+
.
Vì là chất khử mạnh, nên ferredoxin-Fe2+ chuyển điện tử cho chất vận chuyển trung gian tiếp theo là cytochrom b6, có thế năng là :
E0 =-0,060volt và khử cytochrom này. Từ cytochrom b6, lại được chuyển điện tử cho cytochrom f, có thế năng là E0 =+ 0,365volt, cuối cùng điện tử quay trở lại chlorophyl
Trong quá trình vận chuyển điện tử, có sự tham gia của các hệ thống enzyme đặc hiệu, nên hình thành các liên kết phosphoryl giầu năng lượng ATP mà không có tham gia của bất kỳ một chất cho hay chất nhận điện tử nào khác.
Đó là nét đặc trưng của quá trình phosphoryl hóa vòng và có thể trình bày theo phương trình tổng quát:
nADP +n P→ n ATP +n H2O
Quá trình phosphoryl hóa vòng không đủ thỏa mãn năng lượng để khử CO2 cho nên trong quang hợp còn có thể có quá trình khác bổ sung, đó là qúa trình phosphoryl hóa không vòng để cung cấp ATP và NADPH cho đồng hóa CO2
Quang Phosphoryl hóa không vòng
(Noncyclic Photophosphorylation)
H2O + ADP + P +2NADP+ ATP +2NADPH + ½ O2
Enzym
Con đường không vòng thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và sóng dài bao gồm: clorophin a có cực đại hấp thu ở bước sóng λ< 680nm và các sắc tố phụ khác.P680 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng II.
Chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550
Các sản phẩm của quá trình quang phosphoryl hóa không vòng là ATP, NADPH và oxy, do đó có thể viết phương trình tổng quát như sau:
2H2O+ 2ADP + 2 P + 2NADP+→ 2ATP + 2NADPH +O2.
Hiệu quả năng lượng của quá trình
Quá trình Quang Phosphoryl hóa vòng:
Trong quá trình này cứ trung bình 4 photon ánh sáng đỏ thì vận chuyển được 4 điện tử và tạo được từ 2 đến 4 ATP (1 ATP =9kcal). Một photon ánh sáng đỏ có năng lượng là 42 Kcal, hiệu suất năng lượng tối đa có thể có của quá trình này là:
(9x4/42x4)x100% = 22%


Hiệu quả năng lượng của quang phosphoryl hóa không vòng cao hơn so với quang phosphoryl hóa vòng

2. Quá trình quang phosphoryl hóa không vòng:
Kết quả của quá trình quang Phosphoryl hóa không vòng là một phần quang năng bị biến đổi được dùng vào việc tạo thành ATP, phần còn lại được dùng để tạo NADPH-H (=52 Kcal) và giải phóng O2.
Tỷ lệ foton: điện tử: NADPH-H:ATP là 4:2:1:1. Như vậy hiệu suất năng lượng của quá trình này là:
[(52+9)/168]x 100% = 36%.
Sự khác nhau giữa hai quá trình quang Phosphoryl hóa

1. Quang Phosphoryl hóa vòng (Cyclic photophosphorylation)
Điện tử được vận chuyển quay vòng (e- run in a cycle)
Phosphoryl hóa ADP thành ATP bằng con đường hóa thẩm thấu. (photophosphorylation of ADP to make ATP) by chemiosmosis
Không tạo thành carbonhydrat (No carbohydrate made)
Chỉ sử dụng P700. (Uses only P700)
Quang phosphoryl hóa không vòng
(Noncyclic photophosphorylation)
Điện tử được chuyển hóa từ sự phân ly nước. (e- derived from splitting of water)
Giải phóng ra Oxy phân tử (Releases molecular oxygen)
Tạo ATP. (Makes ATP)
Tạo Carbonhydrat là NADPH (chất nhận e cuối cùng) để tham gia vào chu trình Calvin. (Makes carbohydrate b/c NADPH (terminal e- acceptor) passes to the Calvin Cycle)
Sử dụng P700 và P680. (Uses P700 and P680)

Sản phẩm
H2
Axit sucxinic
Axit fumaric
Chất cho electron
Xytocrom c2
Bchl (P890)
Ubikinon
Fd
Flavoprotein
(FMN)
NAD
Hem – protein từ
Rhodospirium
Xytocrom b
ADP
ATP
hv
Quang hợp ở một số loài khác.
Sơ đồ vận chuyển điện tử ở vi khuẩn quang hợp Rhodospitillum
Quang hợp ở vi khuẩn và tảo
Quá trình quang hợp ở vi khuẩn có những nét khác biệt so với thực vật bậc cao:
Chất cho điện tử là H hay các hợp chất S ở dạng khử đều là những chất khử mạnh hơn H2O và các hợp chất hữu cơ.
CO2 + 2H2S (ánh sáng) CH2O + 2S + H2O
Trung tâm phản ứng là P840 ở vi khuẩn xanh, ở vi khuẩn tía là P890.
Quá trình phosphoryl hóa quang hợp liên quan tới NAD chứ không phải NADP như ở thực vật bậc cao.
Được tiến hành trong điều kiện yếm khí, quá trình khử CO2 được gắn liền với quá trình oxy hóa của thực thể vô cơ hoặc hữu cơ. Quá trình này không thải khí O2 mà cũng không hút CO2. Vai trò của ánh sáng chỉ là để tạo ATP.
Bacterial Photosynthesis
Cơ chế quang hợp ở vi khuẩn tía, vi khuẩn xanh và vi khuẩn helio.