Quang hợp

SINH HỌC B
Giảng viên: GVC. ThSĩ Nguyễn Thị Sáu
Khoa : Công nghệ Thực phẩm


TP.HCM, Tháng 3 năm 2010
PHẦN A: SINH HỌC TẾ BÀO VÀ HÓA SINH
III. QUANG HỢP:
1. Những hiểu biết về sự quang hợp
Trước đây, các nhà khoa học cho rằng oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp là từ CO2, nhưng ngày nay người ta biết rằng O2 là từ sự phân ly của những phân tử nước.
Tóm tắt phương trình phản ứng:
6CO2 + 12 H2O ánh sáng, diệp lục tố 6O2 + C6H12O6 + 6H2O
Phản ứng trên phải trải qua rất nhiều phản ứng, có những phản ứng cần ánh sáng (pha sáng) và có những phản ứng không cần ánh sáng (pha tối).
Trong quang hợp, các phản ứng oxy hóa khử dùng năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu năng lượng. Có nghĩa là, ion H+ và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO2 để tạo ra hợp chất khử với đơn vị căn bản là CH2O, đồng thời năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trữ trong quá trình này.
Trong sự quang hợp, quan trọng nhất là cơ chế hấp thu và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hydro và điện tử từ nước đến CO2.
2. Các sắc tố quang hợp
Lạp thể (plastide)
Lạp thể là bào quan của tế bào thực vật chuyên trách việc tổng hợp nên glucid từ các hợp chất vô cơ.
Loại lạp thể có màu đỏ hoặc màu vàng gọi là sắc lạp. Loại màu vàng chứa xantophyl, loại màu đỏ chức caroten. Các chất màu này thu hút năng lượng ánh sáng mặt trời để chuyển năng lượng ấy vào trong chất glucid mà sắc lạp tạo nên. Các chất màu này có khả năng thu hút loại ánh sáng yếu, ánh sáng ở tầng dưới còn sót lại sau khi chất màu lục của diệp lục ở tầng lá trên đa thu hút trước. Ánh sáng yếu cũng là ánh sáng của mùa đông, mùa của cây khô lá vàng tức là mùa làm việc của sắc lạp.
Loại lạp thể quan trọng hơn là lục lạp tức là loại có màu lục, màu của chlorophyl tức diệp lục, loại chất màu luôn thu hút ánh sáng mạnh của mặt trời.
Chú ý: Các loại lạp thể (bạch lạp: không màu như lạp bột. lạp dầu đậm) lục lạp, sắc lạp có di truyền với nhau. Có khả năng biến đổi từ loại này sang loại kia trong quá trình phát triển của cá thể.
Cấu trúc của lục lạp
Có hai màng bao bọc lục lạp, bên trong có chứa một hệ thống màng làm thành các túi dẹp thông với nhau được gọi là thylakoid. Một số thylakoid có hình đĩa xếp chồng lên nhau như một chồng đồng xu gọi là cột. Màng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoid và chất cơ bản của lục lạp.
Những phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp xảy ra ở trong hay ở trên màng thylakoid. Những phản ứng trong pha tối của sự quang hợp xảy ra trong phần dịch của chất cơ bản bao quanh các túi thylakoid
Chức năng của hệ thống quang hợp
Lục lạp là bào quan chuyên việc thu hút ánh sáng năng lượng mặt trời để một phần thì tổng hợp ngay ra phân tử ATP và một phần tích lũy năng lượng vào trong các phân tử cacbohydrat sản phẩm chính của quá trình quang hợp. Quá trình có hai giai đoạn, giai đoạn tiến hành có ánh sáng và giai đoạn không cần ánh sáng gọi là phản ứng tối.
- Phản ứng sáng: Là một loạt các phản ứng hóa học và sự nhận và chuyển điện tử nhằm mục đích phosphoryl hóa ADP để tạo nên các ATP và khử các NADP+ (hoặc các phân tử tương tự) để tạo nên các phân tử NADPH tiền đề cho các phản ứng tổng hợp các cacbonhydrat.
- Phosphoryl hóa vòng: vòng có ý nghĩa là điện tử (e-) bị bật ra từ phân tử diệp lục sau khi hoàn thành công việc lại quay về trả lại cho phân tử.
- Phosphoryl hóa không vòng: không vòng có nghĩa là điện tử (e-) bị bật ra khỏi phân tử diệp lục lúc ban đầu, sau đó nhập vào một phân tử diệp lục khác, phân tử diệp lục cũ sẽ được cân bằng bằng một điện tử lấy từ nước. Quá trình phosphoryl hóa không vòng diễn ra liên tiếp qua hai hệ thống quang hợp 2 và hệ thống quang hợp 1. Hệ thống 1 có diệp lục a, hấp thu ánh áng bước sóng 700nm, hệ thống 2 có diệp lục b hấp thu ánh sáng có bước sóng 680nm (diệp lục b khác diệp lục a ở chỗ nó có nhóm CHO thay vào nhóm CH3 của diệp lục a)
- Phản ứng tối
Phản ứng tối là phản ứng quang hợp nhằm cố định CO2 qua một loạt các phản ứng có xúc tác enzyme gọi là chu trình Calvin. Quá trình cần năng lượng từ ATP và NADPH (hoặc NADPH2). Các phản ứng xảy ra trong lòng lục lạp: các nguyên tử cacbon của CO2 nối với nhau và nối với H của NADPH đồng thời gắn với một nhóm photphat.
Sau đây là phản ứng tổng hợp:
5NADPH2 + 6CO2 + 2ATP  2C3H5O3-P + 5NADP + 2ADP + 3O2
C3H5O3-P là glyceraldehyt 3-photphat (P - GAL) = 3C
Một số P-GAL sẽ được chuyển từ lục lạp ra bào tương, tại đây chúng sẽ trải qua những phản ứng nữa để cho glucose 6C: 2C3H5O3-P + H2O  C6H12O6 + 2P + 1/2O2
Glucose
Năng lượng tích lũy trong một phân tử glucose tương đương với một nhiệt lượng 780 kcalo; thực vật dự trữ glucose dưới dạng tinh bột :
n (C6H12O6)  (C6H10O5)n + nH2O
Tinh bột
3. Cấu tạo và chức năng quang hệ I, II:
Diệp lục tố và các sắc tố phụ cần thiết cho quá trình quang hợp làm thành hai hệ thống quang I và II, cả hai đều ở trên màng thylakoid. Mỗi hệ thống quang chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, có một trung tâm phản ứng gồm có 4 phân tử sắc tố, 4 phân tử enzim tất cả được gắn với nhau nhờ một phân tử protein.
Những phân tử sắc tố khác hoạt động như những anten, hai hệ thống này hấp thu năng lượng của ánh sáng có độ dài sóng khác nhau và truyền năng lượng về trung tâm phản ứng. Hệ thống quang I chứa phức hợp trung tâm phản ứng P700 vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 700nm, hệ thống quang II chứa phức hợp trung tâm phản ứng P680 vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 680nm.
II. Pha sáng của quá trình quang hợp
Pha sáng của quá trình quang hợp là gọi chung các phản ứng trong đó có một số phản ứng cần sự hiện diện của ánh sáng.
1. Hệ thống quang I và II (photosystem)
Khi một quang tử được một phân tử sắc tố hấp thu, năng lượng được chuyền vào một điện tử của một phân tử sắc tố, hoạt hóa điện tử này lên một mức năng lượng cao hơn. Trạng thái hoạt hóa này có thể đi từ phân tử sắc tố này sang phân tử sắc tố khác đến trung tâm phản ứng. Khi điện tử được thu nhận, phân tử ở trung tâm phản ứng trở thành một chất có xu hướng cho điện tử, và đưa điện tử này đến một phân tử tiếp nhận điện tử chuyên biệt. Sau đó, điện tử này được vận chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử.



2. Chuỗi dẫn truyền điện tử
Trong hệ thống quang I, phân tử tiếp nhận điện tử đầu tiên là một protein có chứa FeS. P700 bị oxy hóa và chuyển điện tử cho protein - FeS nên protein này bị khử. Sau đó điện tử từ FeS được một chất nhận điện tử kế tiếp tiếp nhận. Trong mỗi chuỗi dẫn truyền điện tử chất nhận điện tử trở thành chất khử và chất cho điện tử thành chất oxy hóa. Chất nhận điện tử thứ hai là Fd. Chất nhận điện tử thứ ba trong chuỗi dẫn truyền điện tử là phức hợp FAD sau đó nó chuyển điện tử cho NADP+ (nicotinamid adenin dinucleotid phosphat), chất này ở trong cơ chất.
Mỗi phân tử NADP+ có thể nhận hai điện tử từ FAD và một ion H+ từ cơ chất của lục lạp và bị khử thành NADPH. NADPH ở trong cơ chất sẽ là chất cho điện tử trong sự khử CO2 thành carbohydrat.
Trong hệ thống quang II, trung tâm phản ứng sau khi nhận năng lượng từ những phân tử sắc tố đưa tới trở thành một chất có xu hướng cho điện tử mạnh. Chất nhận điện tử đầu tiên là Q. Q chuyển điện tử vào một chuỗi dẫn truyền điện tử, đưa điện tử từ hệ thống quang II đến hệ thống quang I, nơi đã mất điện tử đã nói ở trên
Hệ thống quang I Phức hệ b Hệ thống quang II 6-f Khử NADP
Hình 4.5 Sơ đồ AZ của hệ thống quang I và II
1. Trung tâm phản ứng kích thích; 2. Enzym phân ly nước; 3. Trung tâm phản ứng; 4. Năng lượng của điện tử; 5. Phức hệ b6-f; 6. Gradient proton tạo thành do sự tổng hợp ATP; 7. Khử NADP
1
1
2
3
3
4
5
6
7
Hình 4.7 Dẫn truyền điện tử của vi huẩn lưu huỳnh tím
Khi một điện tử có năng lượng ánh sáng được đẩy ra từ trung tâm phản ứng của hệ thống quang hợp (P870), nó đa chuyển vào chu trình, cuối cùng trở lại hệ thống quang hợp từ nơi mà nó được đẩy ra.
1. Năng lượng điện tử; 2. Trung tâm phản ứng; 3. Trung tâm phản ứng kích thích; 4. Điện tử chuyên biệt; 5. Ferredoxin; 6. Phức hệ b6-f; 7. Plastocyanin
1
2
3
4
5
6
7
Hình 4.7 giải thích hệ thống vận chuyển điện tử trong quang hợp: Khi photon của ánh sáng đập vào phân tử sắc tố trong hệ thống quang II, nó sẽ kích thích điện tử. Điện tử này sẽ ghép với photon trơ từ phân tử nước bởi enzym và được chuyển theo chuỗi điện tử cytocrom mang của màng giới hạn (vạch đỏ). Khi nước bị phân ly, oxy được phóng thích từ tế bào và ion hydro được giữ lại trong khoảng trống của thylakoid. Ở vị trí bơm proton (phức hợp b6-f), năng lượng cung cấp bởi hoton được dùng để chuyển proton qua màng vào thylakoid. Nồng độ của ion hydro có trong thylakoid sẽ được tăng dần lên. Khi hệ thống quang hợp I hấp thu một photon khác của sánh sáng, sắc tố của nó chuyển điện tử năng lượng cao lần thứ 2 cho hệ thống khử, điều này làm phát sinh NADPH.
Oxy là sản phẩm khí được giải phóng, khuếch tán ra khỏi tế bào, đi ra ngoài khí quyển qua khí hẩu. Ion H+ ở bên trong thylakoid và tạo ra gradient hóa điện xuyên màng. Có thể tóm tắt đường đi của điện tử như sau:
Nước  hệ thống quang II  chuỗi dẫn truyền điện tử  hệ thống quang I  chuỗi dẫn truyền điện tử thứ 2  NADP  carbohydrat
Trình tự này cho thấy rằng điện tử cần thiết để khử CO2 thành carbohydrat là từ nước, nhưng sự vận chuyển điện tử từ nước đến carbohydrat là một quá trình gián tiếp và phức tạp.
Ðiện tử đi theo một con đường và không thành một vòng. Kết quả của quá trình là hình thành NADPH, giải phóng oxy phân tử và sinh ra một gradient hóa điện xuyên màng thylakoid. 
3. ATP - nguồn năng lượng của tế bào
Phân tử ATP (adenosin triphosphat) gồm adenosin nối với ba gốc phosphat là Adenosin_P ~ P ~ P. Các nối giữa P thứ nhất và P thứ hai và nối giữa P thứ hai và P thứ ba thường được gọi là nối phosphat giàu năng lượng. Khi nối này bị thủy phân thành ADP và P sẽ phóng thích năng lượng hữu dụng. ATP được thành lập và thủy phân trong tế bào.
Các phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp thường được gọi là quang phosphoryl hóa, đó là sự sử dụng năng lượng ánh sáng để gắn một P vô cơ vào một phân tử, thường là ADP. Người ta biết rằng sự hấp thu năng lượng ánh sáng và sự phosphoryl hóa là những phản ứng riêng biệt.
III. Pha tối - chu trình Calvin - Benson
Hình 4.10 Bước cơ bản của chu trình Calvin
Chu trình Calvin được tóm tắt theo 3 bước sau:
1). Chu trình bắt đầu khi nguyên tử carbon từ phân tử CO2 được gắn vào phân tử 5 carbon (nguyên liệu ban đầu). Kết quả tạo thành phân tử có 6 carbon không bền và ngay lập tức phân ly thành 2 phân tử có 3 carbon.
2). Sau đó trải qua một loạt phản ứng, năng lượng từ ATP và hydro từ NADPH (sản phẩm của phản ứng sáng = pha sáng) đưa đến cho phân tử có 3 carbon. Tiếp theo là sự khử phân tử có 3 carbon thành glucoz hoặc dùng để tạo thành các phân tử khác.
3). Tất cả sự khử phân tử 3 carbon được dùng để tái tạo nguyên liệu ban đầu có 5 carbon nhằm hoàn thành chu trình.
Hình 4.11 Các bước thực hiện chu trình Calvin
Các phản ứng để tổng hợp carbohydrat từ CO2 sử dụng ATP và NADPH được tạo ra trong pha sáng thường được gọi là những phản ứng tối vì nó có thể xảy ra trong tối, chỉ cần có đủ ATP và NADPH.
Những phản ứng này đòi hỏi những sản phẩm của pha sáng, nhưng nó không trực tiếp sử dụng ánh sáng. Tuy nhiên, ở hầu hết thực vật, sự tổng hợp carbohydrat chỉ xảy ra ban ngày, ngay sau khi ATP và NADPH được tạo ra.
Sự khử CO2 nghèo năng lượng để tạo ra đường giàu năng lượng diễn ra qua nhiều bước, mỗi bước được một enzim xúc tác.
Thật vậy, CO2 được đưa lên một gradient năng lượng cao hơn qua một chuỗi hợp chất trung gian không bền cuối cùng tạo ra sản phẩm cuối cùng giàu năng lượng là carbohydrat. ATP và NADPH cần thiết cho các phản ứng này tạo ra trong cơ chất và sự tổng hợp carbohydrat cũng xảy ra trong cơ chất.
Có thể giải thích tóm tắt các bước cơ bản là cố định CO2, chuyển hóa CO2 và tái tạo chất nhận của chu trình Calvin -Benson như sau:
phân tử của
phân tử của
phân tử của
phân tử của
phân tử của
phân tử của
phân tử của
Cố định carbon
Tái tạo
glucoz và các
loại khác
đảo ngược
glucosis
Hình 4.12 Sơ đồ chu trình
Calvin-Benson
1. Cố định CO2
Chu trình bắt đầu khi CO2 từ không khí kết hợp với đường 5C được gọi là ribuloz bisphosphat (RuBP) tạo ra một đường 6C không bền. Sau đó phân tử đường 6C này được cắt ra làm hai tạo ra hai phân tử acid phosphoglyceric (viết tắt là PGA). Enzim xúc tác cho phản ứng này là ribuloz bisphosphat carboxylaz hay Rubisco, đây là chìa khoá của phản ứng sinh tổng hợp trong quang hợp.
Kế đến, mỗi phân tử PGA được gắn thêm vào một gốc phosphat từ phân tử ATP. Sau đó NADPH chuyển điện tử và hydro cho chúng. Ở những phản ứng này có sự tham gia của các sản phẩm từ pha sáng.
Kết quả là một hợp chất 3C giàu năng lượng được tạo ra phosphoglyceraldehyd hay PGAL. PGAL là một đường và là sản phẩm bền của quá trình QH.
2. Chuyển hóa CO2
Một số PGAL được tổng hợp thành glucoz và sau đó thành tinh bột và được dự trữ trong lục lạp, một số glucoz được đưa ra ngoài tế bào chất, ở đây nó được kết hợp và sắp xếp lại trong một chuỗi phản ứng để tạo ra sucroz, để được vận chuyển đi đến những phần khác của cây. Phần lớn PGAL được sinh ra trong tế bào được sử dụng để tổng hợp tinh bột, acid béo, acid amin và nucleotid hay được hô hấp hiếu khí để tạo ra năng lượng cho tế bào. Thông thường glucoz sau khi được tổng hợp sẽ được chuyển ngay thành sucroz, tinh bột, celluloz hay những đường đa khác.
3. Tái tạo chất nhận
Phần lớn các phân tử PGAL được dùng để tạo ra những RuBP mới, sự tái tạo chất nhận CO2 trải qua một chuỗi những phản ứng phức tạp và đòi hỏi cung cấp ATP. Sự tái tạo chất nhận CO2 khép kín chu trình Calvin-Benson.
IV. Sự quang hợp ở các nhóm C3, C4 và CAM
1. Sự quang hợp ở thực vật C3
Các cây quang hợp theo quá trình mô tả ở trên được gọi là các cây C3 vì sản phẩm trung gian là PGAL là một hợp chất có 3C.
2. Sự quang hợp ở thực vật C4
Trong chu trình Calvin-Beson, enzim Rubisco xúc tác phản ứng gắn CO2 vào RuBP để bắt đầu chu trình, enzim này cũng gắn được với O2 và khi đó nó oxy hoá RuBP để giải phóng CO2 và không bắt đầu chu trình được. Nói cách khác, CO2 và O2 đều là cơ chất cùng tranh giành hoạt điểm của enzim Rubisco. Khi nồng độ CO2 cao, O2 thấp thì CO2 có lợi thế hơn và sự tổng hợp carbohydrat theo chu trình Calvin-Beson. Nhưng ngược lại thì O2 gắn vào RuBP và oxy hoá chất này, hiện tượng này gọi là sự quang hô hấp. Không giống các kiểu hô hấp khác, quá trình này không tạo ra ATP nên là quá trình lãng phí đi kèm theo chu trình Calvin- Beson.
Một số cây sống ở vùng nóng và khô, để tránh mất nước khí khẩu thường đóng lại nên nồng độ CO2 trong những khoảng trống giữa các tế bào rất thấp, để tránh bớt sự quang hô hấp xảy ra, các cây này có một cơ cấu khác các cây C3 được gọi là cơ cấu "Krans". Ở các cây này, thường là những cây Ðơn tử diệp như Mía, Bắp... tế bào bao quanh bó mạch chứa rất nhiều lục lạp và các tế bào thịt lá xếp thành vòng bao quanh các tế bào bao này.
Hình 4.15 Cố định CO2 ở thực vật C4
Quá trình này được gọi là con đường C4 bởi vì nguyên liệu ban đầu -oxaloacetate là một phân tử có 4 carbon.
M. D. Hatch và C. R. Slack nghiên cứu sự quang hợp ở những cây này nhận thấy rằng khi nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng mạnh, ở các cây này CO2 kết hợp với một hợp chất C3 (phosphoenolpyruvate = PEP) trong tế bào thịt lá tạo ra một hợp chất C4 và đưa chất này vào tế bào bao. Trong tế bào bao, hợp chất C4 được cắt ra thành CO2 và một hợp chất C3 khác. Do vậy, CO2 vẫn ở trong tế bào bao và được đưa vào chu trình Calvin-Beson để tổng hợp carbohydrat. Như vậy, tế bào thịt lá hoạt động như một cái bơm CO2. Các cây này được gọi là cây C4. Sự cố định CO2 của cây C4 được trình bày ở hình 4.14.
3. Sự quang hợp ở CAM
Là một biến đổi của con đường quang hợp C4 lần đầu tiên được phát hiện ở thực vật có hoa Họ Crassulaceae (Họ cây Thuốc bỏng) hay Họ Bromeliaceae. Sự quang hợp của các cây CAM bao gồm cả con đường Calvin-Beson, những phản ứng này diễn ra trong cùng một tế bào, nhưng xảy ra ở những thời điểm khác nhau. Thực vật CAM có khả năng mở khí khẩu theo kiểu khác thường và cố định CO2 thành hợp chất C4 vào ban đêm hơn là ban ngày như những thực vật khác. Hợp chất C4 được tạo ra trong tối được trữ lại trong không bào của tế bào thịt lá và được đưa trở lại tế bào chất của cùng tế bào đó để khử CO2 ngay sau khi ban ngày trở lại. CO2 giải phóng từ hợp chất C4 sau đó được cố định trong lục lạp theo cách bình thường thông qua RuBP và chu trình Calvin-Beson.

Quá trình sinh hoá đặc biệt này giúp cho cây có thể sống sót trong điều kiện thật nóng và khô. Lỗ khí đóng suốt ngày nhằm tránh mất nước, chỉ mở ra vào ban đêm để lấy CO2 khi mà sự bốc hơi nước ở mức thấp nhất. Sự tập trung và tích tụ của CO2 suốt đêm đủ cho sự quang hợp trong ngày sau.
Hình 4.15 So sánh thực vật C4
Cả thực vật C4 và CAM đều không sử dụng được hai con đường C3 và C4. Ở thực vật C4, các con đường tách ra rõ ràng: con đường C4 xẩy ra trong phần thịt lá và ở con đường C3 thì xẩy ra trong tế bào bao.
Trong thực vật CAM, cả 2 con đường đều tách ra chỉ nhất thời: con đường C4 không sử dụng vào ban đêm còn ở con đường C3 xẩy ra vào ban ngày.