Sự sống trên Trái đất dựa vào năng lượng mặt trời. Lục lạp của cây hấp thụ năng lượng ánh sáng truyền qua 150 triệu km từ mặt trời và biến nó thành hóa năng dự trữ trong đường và các phân tử hữu cơ khác. Quá trình biến đổi này được gọi là quang hợp. Trực tiếp hay gián tiếp, quang hợp gần như nuôi dưỡng toàn bộ thế giới sống. Sinh vật thu nhận hợp chất hữu cơ để sử dụng năng lượng và khung cacbon theo một trong hai phương thức chủ yếu: dinh dưỡng tự dưỡng hoặc dinh dưỡng dị dưỡng. Sinh vật tự dưỡng là sinh vật tự nuôi mình. Chúng tự duy trì sự sống mà không ăn bất kỳ vật gì từ sinh vật sống khác. Sinh vật tự dưỡng tạo phân tử hữu cơ từ CO2 và các nguyên liệu thô vô cơ khác từ môi trường. Chúng là nguồn hợp chất hữu cơ chủ yếu cho tất cả các sinh vật không tự dưỡng và vì lý do đó, các nhà sinh học coi sinh vật tự dưỡng như là sinh vật sản xuất của sinh quyển.
BỘ GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ KHOA SINH TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI: QUANG HỢP – QUÁ TRÌNH NI SỐNG SINH QUYỂN Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện: PGS TS Nguyễn Bá Lộc Huế, 2018 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU………………………………………………………………………… NỘI DUNG……………………………………………………………………… I Bộ máy quang hợp .2 Lá – quan quang hợp 2 Lục lạp – bào quan thực chức quang hợp 3 Các sắc tố quang hợp tính chất chúng Các thành phần chu trình truyền điện tử máy quang hợp .13 II Bản chất trình quang hợp .13 Bản chất pha sáng quang hợp 13 1.1 Giai đoạn quang vật lý 13 1.2 Giai đoạn quang hóa học 15 Pha tối đồng hóa CO2 quang hợp 21 2.1 Con đường quang hợp thực vật C3 22 2.2 Con đường quang hợp thực vật C4 24 2.3 Con đường quang hợp thực vật CAM 27 III Quang hô hấp (Hô hấp sáng) 29 Khái niệm hô hấp sáng 29 Điều kiện để xảy hô hấp sáng 30 Bản chất hóa học quang hô hấp 31 Ý nghĩa quang hô hấp 32 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 MỞ ĐẦU Sự sống Trái đất dựa vào lượng mặt trời Lục lạp hấp thụ lượng ánh sáng truyền qua 150 triệu km từ mặt trời biến thành hóa dự trữ đường phân tử hữu khác Quá trình biến đổi gọi quang hợp Trực tiếp hay gián tiếp, quang hợp gần ni dưỡng tồn giới sống Sinh vật thu nhận hợp chất hữu để sử dụng lượng khung cacbon theo hai phương thức chủ yếu: dinh dưỡng tự dưỡng dinh dưỡng dị dưỡng Sinh vật tự dưỡng sinh vật tự nuôi Chúng tự trì sống mà khơng ăn vật từ sinh vật sống khác Sinh vật tự dưỡng tạo phân tử hữu từ CO2 nguyên liệu thô vô khác từ môi trường Chúng nguồn hợp chất hữu chủ yếu cho tất sinh vật không tự dưỡng lý đó, nhà sinh học coi sinh vật tự dưỡng sinh vật sản xuất sinh Hầu tất thực vật sinh vật tự dưỡng: chất dinh dưỡng chúng thu nhận nước chất khoáng từ đất carbon dioxide từ khơng khí Đặc biệt thực vật sinh vật quang tự dưỡng, sinh vật dùng ánh sáng nguồn lượng để tổng hợp chất hữu Sinh vật dị dưỡng thu nhận nguyên liệu hữu theo phương thức dinh dưỡng chủ yếu thứ hai Khơng có khả tạo thức ăn riêng cho mình, chúng sống hợp chất sinh vật khác tạo Sinh vật dị dưỡng sinh vật tiêu thụ sinh Dạng dễ thấy kiểu dinh dưỡng xảy động vật ăn thực vật động vật khác Nhưng dinh dưỡng dị dưỡng tinh vi Một số sinh vật dị dưỡng tiêu thụ cặn bã động vật chết nhờ phân giải dinh dưỡng lớp phủ hữu xác động vật, phân rụng Chúng gọi sinh vật phân giải Phần lớn nấm nhiều loại sinh vật nhân sơ có phương thức dinh dưỡng Hầu tất sinh vật dị dưỡng kể người phụ thuộc hoàn toàn trực tiếp gián tiếp vào sinh vật quang tự dưỡng thức ăn oxygen – sản phẩm phụ quang hợp Hợp chất hữu quang hợp tạo cung cấp lượng vật liệu xây dựng cho hệ sinh thái Hay nói cách khác: “Quang hợp – q trình ni sống sinh quyển” NỘI DUNG I Bộ máy quang hợp Lá – quan quang hợp Đến nay, biết rằng: quan làm nhiệm vụ quang hợp thực vật chủ yếu lá, sau đến phần xanh khác bơng lúc cịn xanh, bẹ lá,… Chính có đặc điểm đặc biệt hình thái, cấu tạo giải phẫu thích hợp với chức quang hợp Hình thái lá: Lá thường dạng mang đặc tính hướng quang ngang nên ln ln vận động cho mặt phẳng vng góc với tia sáng mặt trời để nhận nhiều lượng ánh sáng Về giải phẫu: Các tế bào mô giậu xếp xít theo lớp nhằm hấp thụ nhiều lượng ánh sáng Đây gọi lớp mơ đồng hóa Sát với lớp mơ đồng hóa lớp mơ xốp có khoảng trống gian bào lớn (nơi chứa CO cung cấp cho trình quang hợp) Ngồi ra, cịn có mạng lưới mạch dẫn dày đặc làm nhiệm vụ dẫn nước muối khống cho q trình quang hợp dẫn sản phẩm quang hợp đến quan khác Cuối hệ thống dày đặc khí khổng mặt mặt giúp cho CO 2, O2, H2O vào khỏi cách dễ dàng Lục lạp – bào quan thực chức quang hợp Để đảm bảo chức quang hợp, lá, lục lạp có đặc điểm hình thái, giải phẫu thích ứng: Hình thái lục lạp: Lục lạp đa dạng Các lồi thực vật bậc thấp, khơng bị ánh sáng mặt trời trực tiếp thiêu đốt nóng, nên lục lạp chúng có nhiều hình dạng khác nhau: hình võng, hình cốc, hình Ở thực vật bậc cao, lục lạp thường có hình bầu dục để thuận tiện cho trình tiếp nhận ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng mặt trời mạnh, lục lạp có khả xoay bề mặt tiếp xúc nhỏ phía ánh sáng Số lượng kích thước lục lạp: Số lượng lục lạp tế bào khác loài thực vật khác Đối với tảo, tế bào có có lục lạp Đối với thực vật bậc cao, tế bào mơ đồng hóa có từ 20 đến 100 lục lạp Ở thầu dầu, 1mm2 có từ 3.107 – 5.107 lục lạp Nếu đem cộng diện tích lục lạp lại có diện tích tổng số lục lạp lớn diện tích Về kích thước: Đường kính trung bình lục lạp – µm, dày – µm Những ưa bóng thường có số lượng, kích thước lục lạp hàm lượng sắc tố lục lạp lớn ưa sáng Nhìn lục lạp kính hiển vi điện tử, thấy: lục lạp lớp màng kép, màng cấu tạo hai lớp protein tách biệt lớp lipit Trong màng thể (stroma) lỏng nhầy, không màu Đó protein hịa tan có chứa nhiều loại enzyme tham gia vào trình khử CO quang hợp Thể bao bọc quanh hạt Mỗi lục lạp có từ 40 đến 50 grana với đường kính – µm Mỗi grana có từ đến vài chục túi tròn gọi tilacoit, dày chừng 0,13 µm có màng riêng bao bọc Các tilacoit xếp thành chồng Cấu tạo nên tilacoit sắc tố, protein, lipoit, trung tâm phản ứng chất truyền điện tử Đối với thực vật nhiệt đới (thực vật thuộc nhóm C 4), lục lạp có hai loại: lục lạp tế bào mơ giậu có grana phát triển đầy đủ lục lạp tế bào bao bó mạch có grana phát triển khơng đầy đủ phần lớn dạng mỏng (tilacoit) Trong hạt lục lạp có chứa nhiều hạt tinh bột lớn Ngày tilacoit, người ta phát thấy tiểu phần nhỏ hình cầu dẹt, đường kính 160 – 180 Å, dày 100Å, protein, lipit sắc tố Trong sắc tố có 230 phân tử diệp lục (160 diệp lục a, 70 diệp lục b), 48 phân tử carotenoid Ngoài cịn có thành phần chuyển điện tử xitocrom, plastoquinon, ferredoxin, nguyên tố kim loại Mn, Cu Khối lượng phân tử tiểu phần 2.106 Người ta gọi tiểu phần thể lượng tử (quantoxom) Đây đơn vị chức lục lạp Thành phần hóa học lục lạp: Thành phần hóa học lục lạp phức tạp: nước chiếm 75%, cịn lại chất khơ (chủ yếu chất hữu chiếm 70 – 72% chất khô) chất khoáng Protein thành phần chất hữu (30 – 45%), lipit (20 – 40%) Các nguyên tố khoáng thường gặp lục lạp Fe (80% Fe mô nằm lục lạp), Zn (65 – 70%), Cu (50%), K, Mg, Mn… Trong lục lạp có chứa nhiều loại vitamin như: A, D, K, E Lục lạp chứa 30 loại enzyme khác Những enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, enzyme hệ thống oxi hóa khử Như qua thành phần hóa học trên, thấy ngồi q trình quang hợp, lục lạp cịn nơi thực q trình tổng hợp lipit, photpholipit, axit béo protein Do đó, khẳng định rằng: Lục lạp trung tâm hoạt động sinh học hóa học mà q trình quang hợp trình trao đổi chất quan trọng Các sắc tố quang hợp tính chất chúng Bằng phương pháp sắc kí quang phổ đại, đến phân biệt nhóm sắc tố xanh: clorophin, carotenoid, phycobilin sắc tố dịch tế bào (autoxyan) a Nhóm sắc tố lục clorophin (diệp lục) Đây nhóm sắc tố chiếm vai trị quan trọng quang hợp, có khả hấp thụ lượng ánh sáng mặt trời biến lượng hấp thụ thành dạng lượng hóa học, nhóm sắc tố khác khơng làm chức đầy đủ trực tiếp Người ta phân biệt nhiều loại clorophin khác chúng số chi tiết cấu tạo cực đại hấp thụ xạ ánh sáng Về cấu tạo chung, clorophin có đặc điểm sau: nhân pyron liên kết với cầu nối metyl ( - CH =) để tạo nên vòng porphyrin với nguyên tử Mg giữa; có liên kết thật giả với nguyên tử N nhân pyton, hai nguyên tử H nhân pyron thứ 4, vòng xiclopentan gốc rượu phyton Sau công thức tổng quát công thức cấu tạo số loại clorophin: Clorophin a: C55H72O5N4Mg Clorophin b: C55H70O6N4Mg Nhìn vào cơng thức cấu tạo, ta thấy phân tử clorophin có nhiều nối đơi cách Đó kiểu nối đôi cộng đồng, kiểu nối đôi thể khả hấp thụ mạnh lượng ánh sáng Sự màu clorophin: clorophin tế bào khơng bị màu nằm phức hệ với protein lipoit Nhưng dung dịch clorophin ánh sáng mơi trường có O2 màu xảy bị oxi hóa tác dụng ánh sáng: Chl → hv → Chl⃰ (trạng thái kích thích) Chl⃰ + O2 → ChlO2 (trạng thái oxi hóa khơng màu) (Chl: clorophin) Quang phổ hấp phụ clorophin: Trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 – 700 nm) có hai vùng hấp thụ clorophin: xanh lam (430nm) đỏ (662nm) Màu lục đặc trưng clorophin kết hấp thụ vùng quang phổ xanh lam đỏ Năng lượng lượng tử ánh sáng clorophin hấp thụ kích thích phân tử clorophin dạng phân tử sắc tố truyền lượng cho nhau, tạo nên tượng huỳnh quang lân quang Cuối lượng tích lũy phân tử clorophin chuyển cho phản ứng quang hóa biến thành dạng lượng hóa học b Nhóm sắc tố vàng carotenoid Đây nhóm sắc tố vàng đến tím đỏ Chúng cấu tạo theo mạch nối đôi thẳng gồm 40 nguyên tử cacbon 56 nguyên tử hiđro Nhóm carotenoid chia thành hai nhóm nhỏ theo cấu trúc hóa học: Caroten (C40H56) loại cacbuahidro chưa bão hịa, khơng tan nước mà tan dung môi hữu Công thức cấu tạo gồm mạch cacbon dài gồm gốc izopren hai đầu hai vòng ionon Trong thực vật thường ... sống hợp chất sinh vật khác tạo Sinh vật dị dưỡng sinh vật tiêu thụ sinh Dạng dễ thấy kiểu dinh dưỡng xảy động vật ăn thực vật động vật khác Nhưng dinh dưỡng dị dưỡng tinh vi Một số sinh vật dị... Đây q trình hồn tồn mang chất vật lý 1.2 Giai đoạn quang hóa học Quang hóa sơ cấp PSI PSII Quang hóa giai đoạn chuyển hóa lượng điện tử sắc tố thành lượng ATP Quang hóa thực hai tâm quang hợp... lục lạp Thành phần hóa học lục lạp: Thành phần hóa học lục lạp phức tạp: nước chiếm 75%, lại chất khô (chủ yếu chất hữu chiếm 70 – 72% chất khơ) chất khống Protein thành phần chất hữu (30 – 45%),