Giao trinh Te bao hoc cua Nguyen Nhu Hien

LỜI NÓI ĐẦU Từ học thuyết tế bào đời (1838 - 1839), sinh học chuyển sang giai đoạn Tế bào học trở thành môn khoa học sở cho ngành sinh học khác Những thành tựu tế bào học góp phần đẩy mạnh phát triển ngành sinh học Là môn khoa học sở, Tế bào học trở thành mơn học bắt buộc chương trình đào tạo khoa Sinh trường Đại học Sư phạm, Đại học Khoa học tự nhiên số trường khối Nông - Lâm - Ngư - Y Để phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu tế bào học cán bộ, sinh viên, tiến hành biên soạn giáo trình Tế bào học Để hồn thành giáo trình này, chúng tơi nhận góp ý quý báu nhiều đồng nghiệp, đặc biệt PGS TS Nguyễn Như Hiền - Đại học Quốc gia Hà Nội Chúng chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp q báu Vì cịn hạn chế nguồn tư liệu trình độ nên giáo trình khơng tránh khỏi sai sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp để lần tái sau giáo trình hồn thiện CÁC TÁC GIẢ Mở đầu Đối tượng nhiệm vụ môn Tế bào học Tế bào học môn khoa học nghiên cứu tế bào Tế bào đơn vị tổ chức sở vật chất sống hình thái, sinh lí sinh hóa di truyền Tế bào tồn tất mức độ tổ chức sống thể vi sinh vật, thực vật động vật Vì vậy, vi sinh vật, động vật thực vật đối tượng nghiên cứu tế bào học Cấu trúc siêu vi khuẩn (virus) khơng có đặc điểm chung với cấu trúc tế bào, chúng thiếu hệ thống enzyme nên thiếu trao đổi chất riêng mình, siêu vi khuẩn không thuộc phạm vi đối tượng nghiên cứu tế bào học Các thể vi sinh vật xem thể có tổ chức mức độ tế bào mà nhân chúng hệ phân tán Chúng đối tượng nghiên cứu tế bào học Các thể đơn bào nguyên sinh động vật thể có cấu trúc gồm tế bào Mặc dầu thể đơn bào có tính đa dạng, chúng giữ cấu trúc chung tế bào Như vậy, thể đơn bào vừa tế bào vừa thể tồn vẹn Trong thể đa bào có nhiều loại tế bào phân hoá khác sở phân hóa chức Ví dụ: tế bào bạch cầu giữ nguyên tính chất nguyên thuỷ, trái lại với tế bào phân hoá cao tế bào thần kinh Tuy phân hóa cao, tế bào thể đa bào giữ nét đặc trưng tế bào riêng rẽ Như vậy, tế bào thể đa bào không thành phần thể tồn vẹn mà cịn đơn vị sống toàn vẹn Nghiên cứu tất đặc tính cấu trúc, di truyền q trình sinh lý, sinh hố, nguồn gốc tiến hóa tế bào tất dạng tồn đối tượng môn tế bào học đại cương Nhưng, trước kia, tế bào học nghiên cứu bó hẹp lĩnh vực hình thái học, số trình sinh lí, cịn q trình sinh hố, lí sinh, di truyền tế bào chưa nghiên cứu Mãi đến năm 30 kỉ XX, xâm nhập mơn khoa học khác tốn, lí, hóa vào sinh học ứng dụng phương tiện nghiên cứu sinh học kĩ thuật hiển vi điện tử, hóa tế bào, li tâm siêu tốc, nguyên tử, đánh dấu, phân tích cấu trúc tia Rơnghen tế bào học có cách mạng lớn, sâu vào nghiên cứu tượng lý sinh, q trình sinh hố - nghiên cứu mức độ siêu hiển vi mức độ phân tử, đạt thành tựu to lớn, đặt môn tế bào học vào vị trí mũi nhọn khoa học sinh học đại Nhiệm vụ môn tế bào học nghiên cứu giải vấn đề lớn: vấn đề tiến hóa; vấn đề tự điều khiển; vấn đề tự sinh sản tế bào * Vấn đề tiến hoá tế bào gồm: - Làm sáng tỏ đường xuất phức hệ tổ chức tế bào trình hình thành sống - Nghiên cứu định luật tiến hóa tế bào dạng tồn (là vấn đề chủng loại phát sinh tế bào) - Nghiên cứu vấn đề có liên quan đến q trình cá thể phát sinh tế bào thể đơn bào thể đa bào * Vấn đề tự điều khiển bao gồm: - Nghiên cứu trình bảo đảm cho sống tế bào - Nghiên cứu chế, trình đưa đến trạng thái bất bình thường tế bào - Định tính, thích nghi tế bào với môi trường sống - Nghiên cứu chế điều hịa q trình nội bào theo khơng gian thời gian - Nghiên cứu phương thức tồn chức phận quan hệ tương hỗ tế bào thể đa bào hệ thống điều khiển chung thể * Vấn đề sinh sản bao gồm: - Nghiên cứu trình sinh sản sinh trưởng tế bào cấu trúc tế bào - Làm sáng tỏ chế tổng hợp protein tế bào, chế, chức di truyền tế bào: tích thơng tin di truyền, chuyển thông tin di truyền cho hệ tế bào - Tế bào xem đơn vị sống cấu trúc, chức phận di truyền tất dạng tồn tổ chức sống, tế bào học xem trung tâm hệ thống khoa học sinh học Chính nơi gặp gỡ kiến thức tốn, lí, hóa Thành tựu tế bào học sở để giải vấn đề như: nguồn gốc sống, vấn đề sinh tổng hợp protein, vấn đề di truyền học vấn đề y học nông nghiệp Đồng thời sở vững cho khoa học triết học vật macxit Sơ lược lịch sử môn Tế bào học Danh từ tế bào bắt nguồn từ chữ Latinh "Cela" có nghĩa xoang rỗng, Robert Hooke dùng lần vào năm 1665 ông miêu tả cấu trúc nút bần kính hiển vi phóng đại 30 lần ơng chế tạo Khoảng 10 năm sau (1674), Leewenhook với kính hiển vi phóng đại 270 lần, lần quan sát thấy tế bào tự do, cấu trúc chứa bên tế bào phát nhân tế bào hồng cầu Tuy nhiên, thời người ta chưa có khái niệm rõ ràng cấu trúc chứa bên tế bào Những hiểu biết kéo dài 100 năm Mãi đến kỉ XIX, nhờ hoàn thiện dần kính hiển vi mà có nhiều cơng trình nghiên cứu tế bào đời Từ đó, người ta khám phá hàng loạt cấu trúc quan trọng tế bào Đáng ý công trình nghiên cứu tổng kết nhà thực vật học Schleiden (1838) nhà động vật học Schwann (1839) Trên sở cơng trình nghiên cứu dựa vào kết nhiều cơng trình trước đó, hai ông tổng kết nâng lên thành lý luận Và học thuyết tế bào đời Học thuyết tế bào xác nhận rằng: “Tất sinh vật từ động vật, thực vật thể đơn bào có cấu tạo gồm tế bào sản phẩm tế bào” Học thuyết tế bào tổng kết vĩ đại sinh học Học thuyết tế bào đời có ảnh hưởng lớn đến tất hướng nghiên cứu sinh học Sinh học tế bào học bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ Tuy nhiên, suốt kỉ XIX, tế bào học tập trung nghiên cứu cấu trúc tượng sinh sản tế bào hình thái Đó thời kì nghiên cứu tế bào có tính chất cổ điển Trong năm kỉ XX, tế bào học phát triển mạnh, nhanh chóng đạt nhiều thành tựu lớn Thành cơng nhờ vào hai ngun nhân sau: - Sự tiến kĩ thuật, phương pháp nghiên cứu, trước hết kĩ thuật hiển vi điện tử phân tích cấu trúc tia Rơnghen - Sự phối hợp chặt chẽ với môn khoa học khác di truyền, sinh lý, sinh hố lí sinh Nhờ mà nhà tế bào học sâu nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi, cấu trúc phân tử tế bào q trình sinh lí, sinh hoá, lý sinh tế bào học Sau đề cập đến số thành tựu đạt Những thành tựu khoa học ngành sinh lí tế bào: Từ chỗ nghiên cứu tế bào mẫu vật xử lí nhuộm màu kỉ XIX, bước sang kỉ XX, nhà sinh lí học tập trung nghiên cứu tế bào sống Từ chỗ nghiên cứu dạng vận động tế bào cử động amip, tự cử động tiêm mao , người ta sáng tạo áp dụng phương pháp nghiên cứu phương pháp nuôi cấy tế bào Harison (1909) Caren (1912) Nhờ phương pháp mà nhà nghiên cứu tách dòng tế bào nghiên cứu cấu trúc chức tế bào sống cách tốt Năm 1911, Caren áp dụng phương pháp phẫu thuật vào tế bào Nhờ đó, người ta nghiên cứu thành công hàng loạt vấn đề như: xác định độ nhớt, ý nghĩa pH, q trình oxy hóa khử, quan hệ nhân tế bào chất Để nghiên cứu trình sinh lí tính chất lí hóa, nhà tế bào học tập trung nghiên cứu chất màng tế bào làm mơ hình màng; nghiên cứu vận chuyển chế vận chuyển chất qua màng; nghiên cứu cảm ứng co rút tế bào, hoạt động khác tế bào Người ta thành công nghiên cứu điện sinh học tế bào có kết đem áp dụng phục vụ sức khoẻ người Gần đây, người ta ý đến trình tự điều khiển tự điều hòa tế bào thu kết đáng kể Những nghiên cứu hóa tế bào: Cơng trình nghiên cứu có ý nghĩa hóa tế bào phát tách acid nucleic từ tế bào bạch cầu, từ tinh trùng, từ hồng cầu chim Mise (1869) Cotsen (1891) Và sau cơng trình Watson Crick vai trị quan trọng acid sinh tổng hợp protein, di truyền tế bào làm sáng tỏ Người ta khám phá phân tử đặc hiệu (enzyme) tế bào vai trị xúc tác cho q trình biến đổi lượng cần thiết cho hoạt động sống tế bào (Vilan 1903, Vacbua 1908-1913) Đặc biệt, sau Bensli (1934) dùng phương pháp li tâm tách lượng ty thể đủ để thực hành phân tích hố học vật lí học vai trị ty thể enzyme hô hấp cư trú ty thể xác định rõ ràng, chế trình oxy hố khử tế bào khám phá cách tường tận Từ đó, nhà tế bào học tách cấu thành khác tế bào để nghiên cứu vai trò chúng Phương pháp nghiên cứu đánh dấu đời cho nhà tế bào học khả nghiên cứu mới: khả nghiên cứu tế bào động trình trao đổi chất tế bào Sự phát triển hoá tế bào cho phép ta sử dụng phương pháp phân tích vi hố siêu vi để nghiên cứu lượng vô nhỏ chất, tế bào cấu thành tế bào Ngày nay, áp dụng phương pháp sắc ký, phương pháp quang phổ, phương pháp huỳnh quang hấp thụ tia rơnghen cho phép ta nghiên cứu thành phần hóa học màng, chất quan trọng tế bào phân tử acid nucleic, protein phần khác tế bào Những thành tựu khoa học ngành di truyền học tế bào: Khoảng kỉ XIX, tính chất phổ biến tế bào phân bào xem trình trung tâm sở cho sinh sản tế bào Nhà tế bào học di truyền học tiếng Wilson (1925) phát biểu: “Đặc tính di truyền liên tục di truyền bảo đảm phân chia tế bào” Các định luật di truyền Enzimedel phát minh từ năm 1865 Nhưng thời kỳ ấy, thành tựu hiểu biết tế bào nghèo nàn chưa đủ sở vật chất lí luận để giải thích cơng trình vĩ đại bị lãng qn Vào đầu kỉ XX, phát triển tế bào học đạt mức cao, đó, chế phân ly tính trạng di truyền Enzimedel tìm hiểu giải thích Người ta biết tế bào sinh dục nguyên thuỷ (noãn nguyên bào, tinh nguyên bào) lưỡng bội khác với tế bào sinh dục chín đơn bội chu trình biến đổi nhiễm sắc thể phân bào giảm nhiễm liên quan chặt chẽ với tượng di truyền Và sau Morgan cộng tác ông xác định đơn vị di truyền gọi gen xác định locus bên nhiễm sắc thể nghiên cứu thực nghiệm, định luật di truyền tiến hoá có sở trở thành lĩnh vực sinh học gọi di truyền học Những năm gần phát triển hướng nghiên cứu mới: di truyền phân tử di truyền sinh hoá Người ta sâu nghiên cứu tượng di truyền khơng mức độ tế bào mà cịn mức độ phân tử Người ta xác định mã di truyền, nghiên cứu đóng mở gen, thay đổi gen hay ghép gen Đã có nhiều thành cơng lớn lí luận thực tiễn Những thành tựu khoa học cấu trúc siêu vi tế bào sinh học phân tử: Nhåì phối hợp chặt chẽ tế bào học môn: sinh hố, hóa lí, hóa cao phân tử, đồng thời áp dụng phương pháp nghiên cứu hóa lí vào sinh học mà năm gần xuất nghiên cứu sinh học như: hình thái siêu vi sinh học phân tử Nghiên cứu tổ chức hay gọi siêu cấu trúc tế bào có ý nghĩa quan trọng bậc nhất, tất q trình sinh lí sinh hố đặc trưng cho vật chất sống thể cấu trúc phân tử tế bào mức độ phân tử Những thành tựu sinh học phân tử có ảnh hưởng lớn đến phát triển sinh học đại Sự xác lập lên mối tương quan chặt chẽ trình tự xếp acid amin mạch polypeptid với hình thù phân tử protein với đặc tính sinh học xác định chúng Làm sáng tỏ chế hoạt động enzyme khác Sáng tạo mô hình phân tử ADN làm sáng tỏ vai trị chúng tượng di truyền cuối hình thành quan niệm đại hố học lập thể đại phân tử Như vậy, thành tựu sinh học phân tử cho phép ta sâu vào chất sống Tất đặc tính lý hóa phân tử tham gia vào hoạt động sống, mối tương quan phân tử có liên hệ đến tổ chức tế bào Hay nói cách khác, sinh học phân tử có sở tế bào học Vì mà ngày hình thành nên chuyên ngành: sinh học phân tử tế bào Cần phải ý rằng, vai trò đại phân tử (acid nucleic, protein ) có quan trọng đến sống mức độ phân tử riêng rẽ chưa thể sống mà tổ chức tế bào tổ chức sở nhất, nhỏ thể tính chất sống vật chất sống Các phương pháp nghiên cứu Tế bào học 3.1 Phương pháp hiển vi 3.1.1 Kính hiển vi thường (kính hiển vi quang học) Độ phóng đại kính hiển vi quang học phụ thuộc vào hệ thống ống kính: vật kính thị kính Khoảng cách tiêu quan sát kính hiển vi thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Độ phóng đại mạnh vật kính 120 lần độ phóng đại tối đa thị kính 30 lần Như vậy, độ phóng đại tối đa kính hiển vi quang học 120 x 30 = 3600 lần Vật nhỏ kính hiển vi quang học quan sát được? Ta biết khoảng cách (do) cho phép tối thiểu ánh sáng thường biểu diễn công thức: = 1/3 λ (λ độ dài bước sóng ánh sáng) Độ dài trung bình bước sóng ánh sáng thường 0,6 μ (1 micron: μ = 0,001 mm) Như vậy, = 1/3 x 0,6 = 0,2 μ Nghĩa kính hiển vi thường quan sát thấy chi tiết tiêu có khoảng cách lớn 0,2 μ Vậy, muốn tăng khả phóng đại kính hiển vi thường cần sử dụng tia sáng khác có độ dài bước sóng ngắn 3.1.2 Kính hiển vi tử ngoại Kính hiển vi tử ngoại dùng tia tử ngoại có độ dài bước sóng ngắn để tăng khả cho phép kính hiển vi thường Người ta thường dùng tia với độ dài bước sóng từ 275 - 210 nm (1nm = 0,001μm) Khả cho phép tốt đạt tới 0,1μ Ánh sáng tử ngoại khơng nhìn thấy mắt thường nên muốn thu ảnh người ta phải mắc vào kính phận chụp hình dùng ảnh huỳnh quang để ảnh lên ảnh Dùng kính hiển vi tử ngoại, ngồi khả làm tăng độ phóng đại cịn cho phép ta nghiên cứu thành phần hoá học cấu trúc sinh học mà không cần thiết phải qua trình định hình nhuộm màu Vì vậy, dùng kính hiển vi tử ngoại nghiên cứu đối tượng sinh học trạng thái sống 3.1.3 Kính hiển vi huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang tượng phát sáng chất bị kích thích lượng hấp thụ lượng Nguồn lượng cung cấp cho vật khác Huỳnh quang quang học: phát sáng ánh sáng thường Huỳnh quang Rơnghen: phát sáng tác dụng tia Rơnghen Huỳnh quang phóng xạ: chất phóng xạ Huỳnh quang sinh vật: quan sát thấy thể sinh vật Trong kĩ thuật tế bào mô học, người ta sử dụng ánh sáng thường để làm phát quang đối tượng nghiên cứu, chất hấp thụ tia sáng phát sáng Đối tượng nghiên cứu kính hiển vi huỳnh quang thường có hai loại: - Các đối tượng tự thân phát huỳnh quang không cần nhuộm màu Loại gọi huỳnh quang nguyên sinh Ví dụ: vitamin A, B2 - Huỳnh quang thứ sinh: xuất đối tượng nhuộm màu chất huỳnh quang đặc biệt Ví dụ: acridin, orange, Phương pháp thu huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu hoạt động sinh vật sống, quan sát xâm nhập phân tán số phận chất huỳnh quang diễn thể sống trình trao đổi chất bình thường bệnh lí chất tiêm vào tế bào mô Dùng huỳnh quang nghiên cứu cấu trúc thành phần hóa học chất ADN, ARN tế bào 3.1.4 Kính hiển vi đối pha Phương pháp cho phép ta thu ảnh rõ nét cấu trúc tế bào sống mà kính hiển vi thường không thấy Phương pháp đối pha dựa vào nguyên tắc cấu thành riêng biệt cấu trúc tiêu suốt khác với môi trường xung quanh số chiết quang Phương pháp hiển vi đối pha cho phép nghiên cứu đối tượng sống hiển vi không qua tiêu nhuộm màu mà phân biệt cấu trúc tế bào sống, nghiên cứu trình sống diễn tế bào sống trình thực bào, thay đổi nhân tế bào chất thời kì phân chia; chuyển động ty thể Ngoài ra, để nghiên cứu tế bào sống, người ta dùng hiển vi giao thoa, hiển vi đen kĩ thuật hiển vi phân cực 3.1.5 Kính hiển vi điện tử Điểm khác kính hiển vi thường kính hiển vi điện tử tia sáng thay chùm tia điện tử có bước sóng ngắn nhiều lần, tăng khả phóng đại lên nhiều lần Sơ đồ biểu diễn kích thước đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu: 1mm Miền mắt thường Miền kính hiển vi quang học 100 μ 10μ (tế bào lớn, hồng cầu) 1μ (vi khuẩn) 1000Å Siêu vi khuẩn Miền kính hiển vi điện tử 100Å 10Å Phân tử protein Về khả lí thuyết, khoảng cách cho phép tối thiểu kính hiển vi điện tử khoảng 100.000 lần bé kính hiển vi thường Điều cho khả rộng lớn để tăng độ phóng đại đến hàng triệu lần Hệ thống kính hiển vi điện tử, nguyên tắc chung, giống hệ thống kính hiển vi thường, khác nguồn sáng tới (chùm tia điện tử) Kĩ thuật hiển vi điện tử mở chân trời nghiên cứu giới siêu vi tế bào Kĩ thuật hiển vi điện tử cho phép ta khám phá nhiều điều lạ cấu trúc siêu vi tế bào Ví dụ: mạng lưới nội bào, thể ribo, lizo phát cấu trúc màng tế bào, màng nhân, cấu trúc nhân 3.2 Phương pháp Rơnghen Phương pháp phân tích cấu trúc tia Rơnghen cho phép phân biệt cấu trúc từ 10 Å trở xuống Phương pháp dựa sở tượng nhiễu xạ tia Rơnghen, xuất tia phóng xạ Rơnghen đụng vào nguyên tử phân tử tạo mạng không gian vật chất Khi chùm song song tia Rơnghen xuyên qua đối tượng nghiên cứu ảnh nhiễu xạ ghi lên phim ảnh đặt sau đối tượng nghiên cứu Nhờ phương pháp người ta phân biệt cấu trúc không gian phức tạp hàng loạt protein nhờ mà Watson Crick xây dựng mơ hình cấu trúc khơng gian ADN Đây phương pháp đại tốt nhà sinh học phân tử, mở đường vô rộng lớn cho phát triển sinh học phân tử 3.3 Phương pháp tế bào Nhiệm vụ tế bào học không xác định sinh hoá tế bào mà chủ yếu xác định cấu trúc sinh hóa phức tạp định khu tế bào số lượng chất lượng 3.3.1 Phương pháp tách cấu thành tế bào Người ta thường nghiền tế bào mơi trường nước, sau li tâm để tách phần khác tế bào dựa khác số lắng cấu thành Ngày nay, với máy li tâm siêu tốc chiết phần li tâm siêu tốc phân tích có tốc độ khoảng 60.000 - 70.000 vòng/phút dùng dung mơi khác thích hợp, người ta khơng phân tích đuợc cấu thành tế bào như: nhân, hạch nhân, ti thể, lạp thể, nhiễm sắc thể mà cịn phân tích cấu thành đại phân tử tế bào xác định trọng lượng phân tử chúng Ví dụ: đại phân tử protein, acid nucleic virus, tách mạch xoắn ADN 3.3.2 Phương pháp nhuộm màu hóa tế bào Người ta dựa vào đặc tính cấu thành khác tế bào bị nhuộm màu khác dùng chất màu đặc trưng để làm xuất cấu thành khác tế bào vị trí chúng Để xác định chất nhóm chất khác nhau, người ta sử dụng phương pháp đặc trưng cho chất: - Dùng phương pháp (phản ứng) hóa học giống phản ứng dùng hóa học phân tích thích hợp để nghiên cứu mơ - Dùng phản ứng đặc trưng cho số chất - Dùng phương pháp lí hố Ngày nay, người ta dùng phương pháp khác để làm xuất hydratcarbon, lipid, protide, enzyme, acid nucleic tế bào cấu thành tế bào vị trí thật chúng Phương pháp cho kết định tính 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu tế bào sống Có nhiều phương pháp nghiên cứu tế bào sống như: - Phương pháp vi phẫu thuật - Phương pháp nuôi cấy tế bào - mơ italic Ví dụ: ngày nay, nhờ vào hồn thiện phương pháp ni cấy mơ tế bào, người ta nuôi cấy thành công tế bào riêng biệt mà cịn ni cấy ivitro bào quan chí phần tử sống Và đóng góp đáng kể việc nghiên cứu tìm hiểu chế phân hóa tế bào, chế hoạt động gen 3.3.4 Phương pháp quang phổ Ta biết cấu thành khác tế bào hấp thu chọn lọc tia hồng ngoại, tia tử ngoại tia sáng thường Nhờ vậy, người ta dùng quang phổ kế để đo lường hấp thụ ánh sáng cấu thành tế bào Cường độ hấp thụ ánh sáng chất phụ thuộc vào nồng độ chất Như vậy, ta dựa vào dẫn liệu quang học để tính tốn đưa thành phần hóa học tế bào định hướng chất Ngày nay, với phương pháp này, người ta xác định chất tế bào với lượng 10-12 - 10-14 g diện tích μm2 Kết hợp với phương pháp khác kính hiển vi huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu phân bố tế bào chất protide lipid, micropolysaccharide acid nucleic 3.3.5 Phương pháp nghiên cứu tự đánh dấu tự chụp hình Phương pháp dựa nguyên tắc sử dụng chất đồng vị phóng xạ phóng tia α, β tia tự nhũ tương giấy ảnh Người ta đưa đống vị phóng xạ (C14, P32 tritium H3 ) vào tế bào, tiêu tế bào tự nhũ tương giấy ảnh (tự chụp hình), sau đó, đem rửa ảnh cách thông thường Dựa vào ảnh chụp, người ta xác định xác vị trí, mật độ phần có chất phóng xạ Phương pháp khơng cho phép biết phân bố chất tế bào mà cho phép theo dõi số phận tính chất động học chất tế bào Ví dụ: nhờ H3 timidin cho phép ta theo dõi chế tự tái ADN, nghiên cứu tổng hợp protein thể ribosome 3.3.6 Các phương pháp thông dụng sinh học phân tử Phương pháp tách chiết acid nucleic Phương pháp phân tích định tính định lượng acid nucleic Phương pháp lai phân tử Phương pháp PCR Phương pháp xác định trình tự acid nucleic Phương pháp điện di Phương pháp sắc ký Thứ ba, q trình hơ hấp thực cách chặt chẽ có hiệu cao nhờ tham gia hệ enzyme phân huỷ chất hô hấp hệ enzyme thực việc tích lượng thải vào ATP Đồng thời hô hấp xảy bào quan, phận tế bào có cấu trúc chặt chẽ, hợp lý nên hiệu lượng cao 14.3.1 Oxy hoá khử sinh học Oxy hoá khử trình có ý nghĩa định đến trao đổi lượng thể Trong tế bào có nhiều hình thức oxy hố - khử khác nhau, hình thức liên quan chặt chẽ với tạo nên chuỗi hô hấp - Khử H2 chất hệ enzyme dehydrogenase xúc tác Đây phản ứng giai đoạn đầu chuỗi hô hấp - Trao đổi điện tử hệ oxy hoá khử Sự trao đổi xảy chủ yếu ion kim loại enzyme Fe+3/Fe+2; Cu+2/Cu+1 Những phản ứng thực trình chuyển đổi chuỗi hô hấp Các phản ứng nhờ oxidase xúc tác - Kết hợp với O2 nhờ oxidase xúc tác Đây phản ứng cuối chuỗi hô hấp Phản ứng oxy hoá khử xảy kèm theo biến đổi lượng Biến đổi lượng tự phản ứng oxy hoá - khử thể phương trình: ΔG’ = - nF ΔEo (Kcalo/M) Trong đó: ΔG’: mức biến đổi lượng tự phản ứng n: số e- tham gia trao đổi phản ứng F: số Fara ΔEo: chênh lệch điện oxy hoá - khử hệ tham gia phản ứng Phản ứng oxy hoá khử sinh học sở chuyển đổi lượng tế bào Có loại oxy hố liên quan đến lượng: - Oxy hoá tự do: phản ứng oxy hoá mà lượng thải từ phản ứng dạng nhiệt Đây phản ứng oxy hố khơng có ý nghĩa sinh học, xảy tế bào điều kiện không thuận lợi - Oxy hoá liên kết: phản ứng oxy hoá mà lượng thải dùng để tổng hợp liên kết cao ATP Đây loại phản ứng oxy hố có ý nghĩa định việc chuyển hoá lượng hoá học chứa chất hữu sang lượng tích trữ ATP 14.3.2 Chuỗi hô hấp Chuỗi vận chuyển hô hấp hay chuỗi hô hấp hệ thống chất tham gia vận chuyển từ chất đến O2 xảy màng ty thể Thành phần chuỗi hô hấp gồm tổ hợp: - Tổ hợp I: điện tử từ chất khử a.pyruvic, a.Izoxitric trước hết oxy hoá tổ hợp I Tổ hợp I chứa NAD - H dehydrogenase xúc tác vận chuyển NADH ubiquinon - Tổ hợp II: tổ hợp II chứa sucxinat - dehydrogenase xúc tác chuyển đổi acid sucxinic ubiquinon - Tổ hợp III: tổ hợp III gồm xytocrom B phức hợp xytocrom C oxidoreductase Chức tổ hợp oxy hoá UQH (ubiquinon khử) chuyển đến cho xytocrom C - Tổ hợp IV: tổ hợp IV hoạt động xytocrom - oxidaza Thành phần tổ hợp IV gồm xytocrom a, a3 phức hợp Cu - Fe - protein, xytocrom a3 -oxidaza Tổ hợp làm nhiệm vụ cuối chuỗi hô hấp, xúc tác vận chuyển từ xytocrom C đển O2 để tạo O- - Các tổ hợp gắn màng ty thể theo vị trí xác định tạo nên chuỗi hơ hấp Vị trí tổ hợp chuỗi oxy hố chúng định Tổ hợp khử thấp đứng sau làm vai trị chất oxy hố Tổ hợp I A.sucxinic Tổ hợp III Tổ hợp IV xyt b → xyt c →xyt a → xyt a3 → O2 + 0,04v + 0,26v + 0,29v 0,55 + 0,815 FADH2 AH2 →NADH → UQ → Tổ hợp II E o - 0,32v - 0,06v Sự vận chuyển e- (H+) chuỗi nhờ oxy hoá - khử thuận nghịch thành phần chuỗi Hệ trước khử hệ sau, hệ sau bị khử trở thành chất khử để khử tiếp hệ sau Q trình oxy hoá khử thuận nghịch thành phần chuỗi làm cho e- H+ tách từ chất chuyển đến để khử O2 tạo nước Các phản ứng chuỗi đầu phản ứng thải lượng Tuỳ theo chênh lệch điện oxy hoá khử phản ứng chuỗi (ΔEo) mà có lượng thải (ΔG’) tương ứng Năng lượng thải dạng nhiệt dùng để tổng hợp ATP 14.3.3 Photphoryl hoá 14.3.3.1 Liên kết giàu lượng ATP Trong tế bào chất hữu chứa lượng, phân huỷ lượng giải phóng Năng lượng phân tử cố định liên kết Các liên kết thường có lượng khoảng 0,3 - 3,0 Kcalo/M Ngồi liên kết bình thường, số phân tử cịn chứa liên kết có lượng lớn hơn, liên kết cao Những liên kết có lượng dự trữ ≥ Kcalo/M thuộc dạng liên kết cao năng, ký hiệu dấu ∼ Có dạng liên kết cao phổ biến: - Liên kết O ∼ P: dạng liên kết cao phổ biến có vai trị quan trọng tế bào Liên kết cao dạng có phân tử đường - photphat (A 1,3 PG, APEP ), cacbanyl - P, đặc biệt nucleotid di, tri - photphat (ADP, ATP, GDP, GTP ) Trong quan trọng ATP - Liên kết C ∼ S: dạng liên kết cao có acyl - CoA(acetyl - CoA, sucxinyl CoA ) - Liên kết N ∼ P: liên kết cao có phân tử creatin - photphat Trong phân tử chứa liên kết cao năng, ATP phân tử có vai trị quan trọng tế bào, xem pin lượng tế bào Trong phân tử ATP chứa liên kết cao Trong điều kiện chuẩn lượng liên kết cao ngồi 7,3Kcalo/M, cịn liên kết cao thứ 9,6Kcalo/M Năng lượng thay đổi tuỳ điều kiện pH, nhiệt độ, nồng độ ATP, áp suất Biến động lượng liên kết cao ATP khoảng - 12Kcalo/M ATP vừa có lượng lớn đủ thoả mãn cho trình xảy tế bào vừa linh động nên lượng dễ huy động cho thể hoạt động: NH N O - OH OH HO - P ∼ O - P ∼ O- P- OO O N CH O N N O OH OH 14.3.3.2 Photphoryl hố Photphoryl hố q trình tổng hợp ATP theo phương trình: ADP + H3PO4 → ATP + H2O Để phản ứng xảy cần có lượng enzime ATP - sintetaza xúc tác Năng lượng cần thiết cho phản ứng lượng chứa đựng liên kết cao (≈ 7,3 Kcalo/M) Tùy nguồn lượng cung cấp mà có dạng photphoryl hố Trong hơ hấp photphoryl hố oxy hố xảy theo loại có chất khác nhau: photphoryl hoá mức chất photphoryl hoá mức coenzime * Photphoryl hoá mức chất Photphoryl hoá mức chất trình tổng hợp ATP nhờ lượng thải phản ứng oxy hoá trực tiếp chất Trên toàn đường biến đổi oxy hoá phân tử glucose theo đường đường phân - chu trình Crebs, có phản ứng oxy hố liên kết với photphoryl hoá mức chất - Trong giai đoạn đường phân: +H3PO4 AlPG A1,3PG NAD+ NADH + H+ ADP A3PG ATP Phản ứng tổng hợp ATP xảy nhờ lượng thải từ phản ứng oxy hố AlPG nhờ NAD+ - Trong chu trình Crebs CoA CO2 A α cetoglutaric ATP H2O sucxinyl - CoA NAD+ NADH + H+ CoA A.sucxinic ADP + H3PO4 Phản ứng tổng hợp xảy trường hợp nhờ lượng thải từ phản ứng oxy hoá chất A α cetoglutaric Q trình oxy photphoryl hố mức chất tích luỹ khơng q 10% tồn ATP tạo hô hấp nên ý nghĩa khơng lớn 90% lượng ATP cịn lại tích luỹ qua q trình photphoryl hố mức coenzime hay qua chuỗi hơ hấp * Photphoryl hố mức coenzime Khi vận chuyển H2 từ chất đến O2, chuỗi hô hấp thực nhiều phản ứng oxy hoá khử Các phản ứng làm cho lượng giải phóng từ từ Nếu giai đoạn chuỗi hơ hấp có đủ điều kiện lượng có enzyme xúc tác trình tổng hợp ATP xảy Các phản ứng tổng hợp ATP, photphoryl hố mức coenzime hay photphoryl hố qua chuỗi hơ hấp Về chế q trình photphoryl hố qua chuỗi hơ hấp nhiều tác giả nghiên cứu thời gian dài Thuyết Mitchell đưa năm 1962 gọi thuyết hoá thẩm, giải thích chế photphoryl hố cách hợp lý quan tâm nhiều Thuyết hoá thẩm nêu lên sở cho liên kết dịng điện tử chuỗi hơ hấp với photphoryl hoá ty thể màng ty thể Sự chênh lệch tạo vận chuyển e- H+ qua màng làm cho tích luỹ e- H+ phía màng ty thể chênh lệch tạo nên điện hoá Thế điện hố giải phóng nhờ hệ thống bơm proton cung cấp lượng cho phản ứng tổng hợp ATP Trong q trình hơ hấp, e- tách từ chất ty thể chuyển theo chuỗi hô hấp màng ty thể Các điện tử chuyển vào mặt màng ty thể, tức vào chất ty thể, làm cho phía màng ty thể tích điện âm Ngược lại, H+ vận chuyển qua chuỗi hô hấp để đẩy mặt màng ty thể, tức vào khoảng không gian lớp màng ty thể, làm cho phía tích điện dương Kết vận chuyển đồng thời e- H+ tạo nên chênh lệch điện mặt màng ty thể, “thế điện hố” hay cịn gọi “thế màng” hay “gradien điện thế” Sự chênh lệch H+ phía màng tạo nên “gradien proton” Các gradien điện với gradien proton tạo nên động lực proton Giá trị proton coi lượng tự proton, tương đương 7,3 Kcalo đủ để thực phản ứng tổng hợp ATP Việc chuyển proton thành lượng để tổng hợp ATP thực nhờ bơm proton, ATP sintetase Bơm proton làm nhiệm vụ bơm H+ từ lớp đệm màng ty thể qua lớp màng ty thể để vào chất ty thể Như vậy, bơm proton làm cho H+ ngược chiều đường vận chuyển H+ chuỗi hô hấp Hoạt động bơm proton giải phóng lượng hố thẩm, lượng dùng để tổng hợp ATP, có nghĩa bơm proton chuyển lượng dự trữ proton (gradien proton) thành động để thực phản ứng tổng hợp ATP Khi vận chuyển H2 từ chất đến O2, chuỗi hô hấp tổng hợp ATP TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (1992), Hoá sinh học, Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Bá Lộc (2000), Hô hấp thực vật, Nxb Giáo dục Hà Nội Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn (1999), Sinh lý học thực vật, Nxb Giáo dục Hà Nội Chương 15 QUANG HỢP 15.1 Những khái niệm chung quang hợp 15.1.1 Khái niệm quang hợp Quang hợp khái niệm tổng quát trình sử dụng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu từ CO2 xảy thể thực vật Phương trình tổng quát quang hợp là: CO2 + H2X Trong đó: AS Sắc tố C6H12O6 + X X S sinh vật quang khử X O2 sinh vật quang hợp Dựa vào chất trình, người ta chia quang hợp hai giai đoạn: - Giai đoạn xảy cần ánh sáng → pha sáng - Giai đoạn xảy không cần ánh sáng → pha tối 15.1.2 Các hình thức tiến hố quang hợp Quang hợp hình thức dinh dưỡng cao sinh vật tự dưỡng Để có quang hợp ngày nay, sinh vật tự dưỡng trải qua nhiều giai đoạn tiến hoá - Hoá hợp: nhóm sinh vật tự dưỡng tiến hố thấp Nhóm sinh vật (vi khuẩn) sử dụng lượng phản ứng hoá học xảy thể để tổng hợp chất hữu từ CO2 H2S - Quang khử: nhóm sinh vật quang khử có mức tiến hố cao nhóm hố hợp Nhóm sinh vật (các nhóm tảo, vi khuẩn) có khả tổng hợp chất hữu từ CO2 H2S nhờ lượng ánh sáng - Quang hợp xảy thực vật bậc cao hình thức tiến hố cao sinh vật tự dưỡng 15.1.3 Ý nghĩa quang hợp Quang hợp trình sinh lý trung tâm thực vật, có ý nghĩa quan trọng nhiều mặt - Trước hết, quang hợp có vai trị quan trọng đến hoạt động sống thực vật Quang hợp chuyển hoá lượng ánh sáng thành lượng hố học dự trữ thể Nhờ hơ hấp, lượng hoá học chuyển hoá thành ATP cung cấp cho hoạt động sống thể Quang hợp tổng hợp chất hữu để xây dựng nên thể làm nguyên liệu cho hoạt động sống Quang hợp cịn có ý nghĩa định tồn sinh giới Nhờ có quang hợp, thực vật đóng vai trị sinh vật sản xuất, làm nhiệm vụ cung cấp nguồn vật chất lượng cho nhóm sinh vật khác Đối với người, quang hợp cịn có ý nghĩa quan trọng đặc biệt Quang hợp cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu, lương thực, thực phẩm, dược phẩm cho nhu cầu người Quang hợp cịn có ý nghĩa lớn lao với mơi trường Nhờ có quang hợp mà tỷ lệ CO2/O2 khơng khí ổn định, nhờ sống trì Nếu khơng có quang hợp sử dụng CO2 lượng CO2 khổng lồ thải hàng ngày qua hoạt động sống sinh vật (hô hấp, thối rữa ) hoạt động ngành công nghiệp, đốt cháy làm cho lượng CO2 khí tăng, gây nên tượng hiệu ứng lồng kính dẫn đến thảm hoạ môi trường 15.2 Cơ chế quang hợp 15.2.1 Pha sáng quang hợp 15.2.1.1 Đặc tính quang hố ánh sáng Ánh sáng mặt trời nguồn lượng vô tận cung cấp cho nhu cầu quang hợp Một đặc tính quan trọng ánh sáng mang lượng Năng lượng ánh sáng tính theo phương trình Einstein: E = hγ = hC/λ Trong đó: E: lượng Photon (eV) hay Einstein (Kcalo) h: số Planck (6,625.10-34 J.s) γ: tần số ánh sáng λ: bước sóng ánh sáng (nm) C: tốc độ ánh sáng (3.1010 cm/s) Từ công thức trên, tính lượng tia sáng khác Năng lượng tính theo đơn vị eV hay Kcalo Các trị số lượng ánh sáng TT λ (nm) γ E/Photon (eV) E/Einstein (Kcalo) Photon /Kcalo 400 760 3,12 71 0.83.1023 500 600 2,50 57 1.05.1023 600 500 2,08 48 1,25.1023 700 428 1,78 42 1,44.1023 Qua trị số cho thấy lượng ánh sáng tỷ lệ với λ Trong vùng ánh sáng sinh lý (380 - 800 nm), tia đỏ có lượng bé nhất, ngược lại số Photon/Kcalo lại lớn Một tính chất quan trọng khác ánh sáng nhờ mang lượng nên ánh sáng có tính chất quang hố Đó khả gây biến đổi lý hoá chất phân tử hấp thu Photon Các phân tử nhận lượng từ Photon truyền cho chuyển sang trạng thái giàu lượng - trạng thái hoạt hố hay trạng thái kích động điện tử Từ trạng thái hoạt hố phân tử thực biến đổi E A* A Trạng thái không hoạt động Trạng thái hoạt động (hoạt hố) Nhờ tính chất mà ánh sáng trực tiếp tham gia vào quang hợp cách hoạt hoá phân tử chlorophyll, chlorophyll hấp thụ ánh sáng, phân tử chlorophyll chuyển sang trạng thái hoạt động để tham gia vào phản ứng quang hoá 15.2.1.2 Giai đoạn quang lý Quang lý giai đoạn pha sáng quang hợp Trong giai đoạn xảy biến đổi tính chất vật lý phân tử sắc tố hấp thụ lượng ánh sáng Giai đoạn có hai hoạt động xảy hấp thụ lượng sắc tố truyền lượng sắc tố hấp thụ đến hai tâm quang hợp (P700 P680) Kết giai đoạn hai tâm quang hợp tiếp nhận lượng ánh sáng hệ sắc tố chuyển đến trở thành trạng thái hoạt động Điện tử hai tâm quang hợp giàu lượng tham gia vào phản ứng quang hoá giai đoạn quang hoá tiếp sau 15.2.1.3 Giai đoạn quang hố Quang hố giai đoạn chuyển hoá lượng điện tử hai tâm quang hợp làm giàu lượng ánh sáng thành lượng hợp chất giàu lượng ATP NADPH2 Quang hoá thực hai tâm quang hợp với tham gia hai hệ thống quang hoá I II Hoạt động giai đoạn quang hố trình quang phân ly nước trình phptphoryl hoá * Quang phân ly nước Quang phân ly nước trình quan trọng quang hợp Hill cộng nghiên cứu từ năm 1937 Trong môi trường vô bào tác giả cho H2O, lục lạp ngoại bào, chất oxy hoá K3Fe (C2O4)3 vào bình thí nghiệm chiếu sáng vào hỗn hợp đó, kết nước bị phân huỷ theo phương trình sau (phương trình gọi phản ứng Hill) AS + 4K3Fe (C2O4)3 + H2O + K sắc tố 4K4Fe (C2O4)3 + 4H+ + O2 Như vậy, nhờ lượng ánh sáng, với tham gia sắc tố, chất oxy hoá mà nước bị phân huỷ: 4H+ + 4e- + O2 2H2O - Trong đó: 4e dùng để khử: 4Fe+3 4e- 4Fe+2 Quá trình phân huỷ nước nhờ lượng ánh sáng xảy quang hợp gọi quang phân ly nước Quá trình xảy qua giai đoạn bản: AS 4H2O sắc tố 4OH 4OH Kết chung là: 2H2O Mn Cl 4H+ + 4OH4e- + 4OH O2 + 2H2O 4H+ + 4e- + O2 Trong sản phẩm quang phân ly nước tạo ra, O2 thải môi trường, e- thực chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp để tổng hợp ATP - trình photphoryl hố, H+ kết hợp với NADP để tạo sản phẩm quan trọng thứ hai pha sáng NADPH2 * Photphorryl hoá quang hoá Trong pha sáng quang hợp, sau lượng ánh sáng chuyển thành lượng điện tử hai tâm quang hợp giai đoạn quang lý, lượng điện tử biến đổi thành lượng ATP Quá trình thực qua photphoryl hoá quang hoá Năm 1954, Arnon phát hai hình thức photphoryl hố quang hố photphoryl hố vịng photphoryl hố khơng vịng Đến năm 1969, ơng lại phát thêm hình thức photphoryl hoá đặc biệt mọng nước photphoryl hố vịng giả * Photphoryl hố vịng Photphoryl hố vịng xảy hệ quang hố I với tham gia hệ ánh sáng I (λ < 730 nm), hệ sắc tố I, hệ quang hoá I Quá trình xảy điều kiện kỵ khí với tham gia chất oxy hoá NADP, vitamin K, feredoxin Ánh sáng hệ I tác động vào hệ sắc tố I, điện tử giàu lượng nhận thêm lượng ánh sáng chuyển đến tâm quang hợp I (P700) Qua hệ thống vận chuyển điện tử hệ quang hoá I, diện tử di chuyển theo đường vòng: xuất phát từ P700, e- P700 nhận thêm lượng ánh sáng trở nên giàu lượng Ở trạng thái giàu lượng (trạng thái kích động điện tử sắc tố) không bền nên điện tử dần lượng qua chuỗi phản ứng oxy hoá khử thuận nghịch Đến điện tử trở lại trạng thái bình thường quay trở lại P700 , hồn thành chu kỳ hoạt động Trong trình dần lượng qua chuỗi phản ứng oxy hoá khử, giai đoạn đủ điều kiện thực phản ứng tổng hợp ATP: ADP + H3PO4 → ATP + H2O Giai đoạn thực tổng hợp ATP xảy e- di chuyển từ hệ xytocrom b6 sang xytocrom F Như vậy, 2e- di chuyển theo đường vòng tổng hợp 1ATP với hiệu lượng đạt - 9% * Photphoryl hố khơng vịng Trong pha tối quang hợp để khử CO2 thành phân tử glucose (C6H12O6) khơng địi hỏi lượng ATP cung cấp mà cần chất khử mạnh NADPH2 Photphoryl hố vịng cung cấp phần ATP cần có có q trình cung cấp thêm ATP đặc biệt NADPH2 cho pha tối Nhu cầu q trình photphoryl hố khơng vịng thoả mãn Photphoryl hố khơng vịng thực qua hai hệ quang hố: - Hệ quang hố I có hệ ánh sáng I, hệ sắc tố I, tâm quang hợp I hệ quang hoá I - Hệ quang hoá II có hệ ánh sáng II, hệ sắc tố II, tâm quang hợp II (P680) hệ quang hoá II Đặc biệt photphoryl hố khơng vịng có tham gia nước Qua quang phân ly, nước cung cấp e- cho q trình photphoryl hố khơng vịng Dưới tác động lượng sáng với tham gia chất oxi hoá P680, nước bị oxy hoá Sau hấp thụ lượng ánh sáng hệ II, hệ sắc tố II truyền lượng cho P680 P680 trở nên trạng thái kích động điện tử với thể oxy hoá cao oxy hoá H2O Phân tử nước bị P680 oxy hoá cướp e- nên phân ly thành H+ + O2 Điện tử tách từ P680 vận chuyển qua hệ quang hoá II để đến P700 Từ P700, nhờ lượng ánh sáng cung cấp qua hệ sắc tố I, e- lại giàu lượng để chuyển đến cho feredoxin feredoxin khử NADP tạo NADP NADP kết hợp với 2H+ nước tách để tạo NADPH2 - sản phẩm quan trọng thứ hai pha sáng Trong trình di chuyển e- từ hệ quang hố II sang hệ quang hoá I, lượng e- giảm dần Năng lượng thải qua phản ứng oxy hoá khử đủ điều kiện dùng tổng hợp ATP, giai đoạn từ xytocrom b559 sang xytocrom F Như vậy, sản phẩm photphoryl hố khơng vịng ngồi ATP cịn NADPH2, nhờ có tham gia quang phân ly nước xảy đồng thời với q trình photphoryl hố khơng vịng Phương trình tổng qt photphoryl hố khơng vịng là: H2O + ADP + H3PO4 + NADP → H2O + ATP + NADPH2 ADP + H3PO4 + NADP → ATP + NADPH2 Để khử 6CO2 tạo C6H12O6 cần 18 ATP 12 NADPH2, pha sáng phải thoả mãn nhu cầu này, tức photphoryl hố vịng photphoryl hố khơng vịng phối hợp để tạo đủ 18ATP 12 NADPH2, cụ thể là: - Photphoryl hố vịng: ADP + H3PO4 → ATP + 6H2O - Photphoryl hoá khơng vịng: 12H2O + 12ADP + 12 H3PO4 + 12NADP → 12 H2O + 12 ATP + 12 NADPH2 Kết chung pha sáng: 12H2O + 18ADP + 18 H3PO4 + 12NADP → 18 H2O + 18ATP + 12 NADPH2 18ADP + 18 H3PO4 + 12NADP → H2O + 18ATP + 12 NADPH2 + 6O2 15.2.2 Pha tối quang hợp Sau pha sáng tạo ATP NADPH2, giai đoạn quang hợp sử dụng ATP NADPH2 để khử CO2, tạo nên sản phẩm quang hợp Q trình xảy khơng cần sử dụng lượng ánh sáng mà dùng sản phẩm pha sáng ATP, NADPH2 nên gọi pha tối quang hợp Pha tối chuỗi phản ứng hoá sinh thực nhờ hệ enzyme xúc tác Sản phẩm trình đồng hoá CO2 glucose Từ glucose, qua nhiều đường biến đổi khác tạo nên tất hợp chất hữu khác có Giai đoạn đầu pha tối trình tạo C6H12O6, trình xảy theo nhiều đường khác nhau, đường đặc trưng cho nhóm thực vật Cho đến nay, người ta xác định có đường đồng hoá CO2 tạo glucoza quang hợp: chu trình Calvin, chu trình Hatch - Slack, chu trình CAM 15.2.2.1 Chu trình Calvin Vào năm 1948 - 1954, hai nhà khoa học Calvin Benson dùng đồng vị phóng xạ C14 gắn vào CO2 để tiến hành nghiên cứu đường đồng hoá CO2 pha tối quang hợp Bằng cách cho chlorella quang hợp với 14CO2, sau thời gian quang hợp xác định (sau 1’’, 2’’ ), tiến hành cố định mẫu để không cho cholorela tiếp tục quang hợp Chiết rút sản phẩm q trình đồng hố 14CO2, theo dõi xuất 14C sản phẩm theo thời gian sau cho chollorella quang hợp với 14CO2 Qua phân tích, tác giả xác định sản phẩm tạo trình đồng hố CO2 hợp chất có ngun tử cacbon - APG (acid - photpho - glyceric) Vì vậy, chu trình cịn gọi chu trình C3 Để tạo C3 từ CO2 cần chất tiếp nhận CO2 Qua thực nghiệm, người ta xác định chất nhận CO2 hợp chất có nguyên tử C - Ribulozo 1,5 diphotphat Q trình biến đổi CO2 thực theo chu trình khép kín, gọi chu trình Calvin (hay chu trình C3) Kết chu trình C3: chu trình xảy qua giai đoạn: - Giai đoạn tiếp nhận CO2: 6C5 + 6CO2 + 6H2O → 12 C3(APG) - Giai đoạn khử APG: 12APG + 12ATP + 12NADPH2 → 12C3(AlPG) + 12ADP + 12H3PO4 + 12 NADP - Giai đoạn tái tạo C5: 10C3 + 6ATP + 4H2O → 6C5 + 6ADP + 4H3PO4 2C3 + 2H2O → C6H12O6 + H3PO4 Kết chung chu trình: 6CO2+12H2O+12ATP+12NADPH2→ C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18H3PO4 Kết hợp với pha sáng ta có: 18ADP + 18H3PO4 + 12NADP AS 6H2O + 18ATP + 12NADPH2 + CO2 6CO2 +12H2O +18ATP +12NADPH2 → C6H12O6 +12NADP + 18ADP + 18H3PO4 6CO2 + 6H2O AS C6H12O6 + 6O2 Sản phẩm chu trình Calvin C6H12O6, từ C6H12O6 tạo nên tinh bột, hợp chất hữu khác Có thể nói chất hữu có tạo từ quang hợp 15.2.2.2 Chu trình Hatch - Slack Năm 1943, Cacvanho nghiên cứu lục lạp mía thấy cấu trúc khơng đồng lục lạp nhiều khác Năm 1963, Tacchepski Cacpilop phát lại điều đó, đồng thời tìm thấy sản phẩm pha tối quang hợp APG chu trình C3 mà hợp chất có ngun tử cacbon acid malic Đến năm 1966, Hatch Slack tiếp tục nghiên cứu vấn cách hoàn chỉnh xác định chế đồng hoá CO2 đặc trưng số mầm mía, ngơ, kê xảy theo chu trình khác với chu trình C3 Đó chu trình Hatch-Slack hay chu trình C4 Chu trình C4 xảy nhóm thực vật mầm Ở nhóm thực vật có cấu tạo số hoạt động sinh lý đặc trưng Về hình thái giải phẫu nhóm thực vật có hai loại tế bào tiến hành quang hợp, với chức khác Tế bào thịt (mezophyll) nằm sát lớp biểu bì Lục lạp dạng hạt Tế bào bao bó mạch nằm sâu lá, sát bó mạch kích thước tế bào lớn hơn, lục lạp dạng Do vị trí loại tế bào khác nên chức tham gia quang hợp khác Tế bào mezophyll nằm sát biểu bì nên tiếp nhận trực tiếp CO2 từ khơng khí cung cấp theo đường khuyếch tán qua khí khổng Những sản phẩm quang hợp tạo lại khó đưa đến bó mạch để vận chuyển ni phận khác Ngược lại, tế bào bao bó mạch nằm sâu nên khơng thể tiếp nhận CO2 từ khơng khí cung cấp, sản phẩm tạo lại dễ dàng chuyển vào hệ mạch để vận chuyển nơi khác Về đặc điểm sinh lý, sinh thái, nhóm thực vật C4 có đặc điểm riêng khác với thực vật C3 thực vật CAM Nhu cầu nhiệt độ cho quang hợp cao thực vật C3 Điểm no ánh sáng cao nhiều so với thực vật C3 Ngược lại, nhu cầu nước, điểm bù CO2 lại thấp thực vật C3 Một đặc điểm quan trọng thực vật C4 khơng có quang hơ hấp cường độ quang hợp cao hơn, suất sinh học cao nhiều so với thực vật C3 Do đặc điểm cấu tạo nhóm thực vật mầm thực q trình đồng hố CO2 theo chu trình C4 mà chu trình C4 có đặc trưng khác hẳn chu trình C3 Chu trình C4 xảy qua hai giai đoạn tách biệt Hai giai đoạn thực hai loại tế bào khác - Ở tế bào thịt lá, xảy giai đoạn cacboxyl hoá APEP (acid photpho enol pyruvic) tạo nên acid oxalo acetic, sau bị khử thành acid malic Acid malic linh động, có tính thấm cao với màng tế bào nên dễ dàng chuyển từ tế bào mezophyll vào tế bào bao bó mạch để tiếp tục biến đổi giai đoạn hai - Ở tế bào bao bó mạch, sau tiếp nhận acid malic từ tế bào thịt chuyển vào, acid malic bị decacboxyl hoá để tạo acid pyruvic CO2 CO2 tạo tế bào (CO2 nội bào) ribulozo 1,5 diphotphat tiếp nhận để thực chu trình Calvin Qua chu trình Calvin, C6H12O6 tạo 15.2.2.3 Chu trình CAM (Casulaceae Acids Metabolism) Trong điều kiện khí hậu khơ nóng kéo dài, vùng sa mạc, núi đá vôi tồn nhóm thực vật có kiểu đồng hố CO2 đặc biệt thích nghi với điều kiện khơ nóng, hạn hán kéo dài Trong điều kiện khơ nóng, để tiết kiệm nước, nhóm mở khí khổng vào ban đêm cịn ban ngày khí khổng đóng Do vậy, ban đêm nhận CO2 từ không khí cung cấp cho quang hợp, cịn ban ngày khí khổng đóng, CO2 khơng khí khơng khuyếch tán vào tế bào nên khơng diễn q trình cacboxyl hố Bởi nên nhóm thực vật q trình đồng hố CO2 xảy qua hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: cacboxyl hoá APEP để tạo acid oxalo acetic, sau đó, acid oxalo acetic bị khử thành acid malic Quá trình xảy vào ban đêm khí khổng mở, CO2 khơng khí khuyếch tán qua khí khổng cung cấp cho tế bào thực q trình cacboxyl hố - Giai đoạn 2: decacboxyl hố acid malic Acid malic tích lũy vào ban đêm, đến ban ngày bị decacboxyl hoá để tạo CO2và acid pyruvic CO2 tham gia vào chu trình Calvin để tạo C6H12O6 Tóm lại, q trình đồng hố CO2 q trình phức tạp, xảy theo nhiều đường khác Trong đường đó, chu trình Calvin đường qua tạo sản phẩm sơ cấp quang hợp C6H12O6 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Bá Lộc (2000) Quang hợp, Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Duy Minh (1987), Quang Hợp, Nxb Giáo dục Hà Nội Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn (1999) Sinh lý học thực vật, Nxb Giáo dục Hà Nội ... Ở procariote: P - P - p - 5'' AUG AUG protein AUG protein 3'' protein - Ở uecariote: (4) (1) (2) (3) (5) (6) Protein m5G.P.P.P AUG AUG PolyA ARNm eucariote có phần: (1) Mũ (2) Phần khơng mã hố... chất (theo Philips) Protein sợi; Mặt ngồi màng; Các nhóm hydrat bám vào protein hình cầu; Lớp kép lipid; Các protein bám màng; Protein tạo lỗ; Protein xuyên màng; Cholesterol làm ổn định cấu trúc... protein độc lập cấu trúc bậc III 3.3.3 Tính chất, vai trị protein 3.3.3.1 Tính chất protein * Tính chất lưỡng tính Do thành phần protein phân tử acid amin, mà acid amin chất lưỡng tính nên protein