Tiểu Luận tìm hiểu về clorophin

Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh A.MỞ ĐẨU I. Lý do chọn đề tài: Ta biết rằng mọi cơ thể sống chỉ tồn tại khi nó được cung cấp liên tục năng lương từ bên ngoài và dù những sinh vật có khácnhau đến mức nào đi nữa, chúng cũng đều sử dụng một dạng năng lượng chung (năng lượng dưới dạng liên kết hóa học hay còn gọi là năng lượng tự do). Như vậy rõ ràng là năng lượng hóa học hay năng lượng tự do gắn liền với sự sống trên hành tinh chúng ta. Vậy nguồn năng lượng ấy do đâu mà có? Nguồn năng lượng ấy được khai thác từ hai hướng: năng lượng hóa học của các hợp chất vô cơ (hướng Trái đất) và năng lượng ánh sáng (hướng vũ trụ). Trong trường hợp đầu, năng lượng tự do được thải ra khi oxi hóa các chất vô cơ và tích trữ trong quá trình hóa tổng hợp của một số vi khuẩn. Trong trường hợp thứ hai, một nguồn năng lượng tự do có ý nghĩa vô cùng lớn lao đối với cuộc sống được tích lũy bởi thực vật và một số nhóm vi sinh vật khi quang hợp, tức là một quá trình trong đó năng lượng của ánh sáng Mặt Trời chuyển thành dạng năng lượng hóa học trong các phân tử hữu cơ (còn gọi là quá trình quang hợp). Và nhóm sắc tố đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình quang hợp là diệp lục tố (còn gọi là clorophin). Vì vậy trong bài tiểu luận này chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu về clorophin. II. Đối tượng nghiên cứu:  Đặc điểm cấu tạo của clorophin.  Tính chất của clorophin.  Vai trò của clorophin trong quá trình quang hợp. III. Phương pháp nghiên cứu: Do trình độ bản thân còn hạn chế, thời gian tìm hiểu ngắn và quy mô còn nhỏ nên chủ yếu dựa trên sách giáo khoa. Một số thông tin và hình ảnh có liên quan được lất từ mạng intetnet. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 1 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh B.NỘI DUNG I. Giới thiệu chung: Clorophin là nhóm sắc tố chiếm vai trò quan trọng nhất đối với quang hợp, vì nó có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng Mặt Trời và biến năng lượng hấp thụ ấy thành dạng năng lượng hóa học, trong khi đó các nhóm sắc tố khác không làm được chức năng này đầy đủ và trực tiếp như vậy. Trong lá xanh gồm có các nhóm sắc tố:  Nhóm sắc tố lục clorophin.  Nhóm sắc tố vàng carotenoit.  Nhóm sắc tố dịch bào antoxyan. Tỷ lệ giữa các nhóm sắc tố trên biến đổi theo nhóm, loài thực vật, thời gian sinh trưởng của cây bởi vì hệ sắc tố thực vật (trong đó có clorophin) vô cùng phức tạp. Ví dụ: Cây ưa bóng và đa số loài tảo có nhiều clorophin hơn cây ưa sáng. Trong đó tỷ lệ clorophin b tăng phù hợp với điều kiện ánh sáng khuếch tán giàu tia bươc sóng ngắn. 1. Đặc điểm cấu tạo: Clorophin là este của axit dicacbonxylic C 32 H 30 ON 4 Mg(COOH) 2 với hai rượu là phyton C 30 H 39 OH và metanol CH 3 OH. Phân tử clorophin có 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng cầu nối mety (-CH=) để tạo nên vòng porphyrin có nguyên tử Mg ở giữa, có liên kết thật và giả với nguyên tử N của các nhân pyron, có 2 nguyên tử H ở nhân pyron thứ tư, nhân này nối với gốc rượu phyton và có vòng cyclopentan ở nhân pyron thứ ba với một nguyên tử oxi. Nhìn vào công thức cấu tạo, ta thấy trong phân tử clorophin có nhiều nối đôi cách đều. Đó là kiểu nối đôi cộng đồng, kiểu nối đôi thể hiện khả năng hấp phụ mạnh năng lượng áng sáng. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 2 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Công thức cấu tạo chung của clorophin 2. Phân loại: Người ta đã phân biệt nhiều loại clorophin bởi sự khác nhau giữa chúng về một số chi tiết cấu tạo và cực đại hấp thụ bức xạ ánh sáng. Bảng phân loại công thức cấu tạo clorophin Clorophin a Clorophin b Clorophin c 1 Clorophin c 2 Clorophin d CTPT C 55 H 72 O 5 N 4 Mg C 55 H 70 O 6 N 4 Mg C 35 H 30 O 5 N 4 Mg C 35 H 28 O 5 N 4 Mg C 54 H 70 O 6 N 4 Mg Nhóm thế ở vị trí C 3 -CH=CH 2 -CH=CH 2 -CH=CH 2 -CH=CH 2 -CHO Nhóm thế ở vị trí C 7 -CH 3 -CHO -CH 3 -CH 3 -CH 3 Nhóm thế ở vị trí C 8 -CH 2 CH 3 -CH 2 CH 3 -CH 2 CH 3 -CH=CH 2 -CH 2 CH 3 Nhóm thế ở vị trí C 17 -CH 2 CH 2 COO- Phytyl -CH 2 CH 2 COO- Phytyl -CH=CHCOOH -CH=CHCOOH -CH 2 CH 2 COO- Phytyl Liên kết giữa C 17 và C 18 Liên kết đơn Liên kết đơn Liên kết đôi Liên kết đôi Liên kết đơn Công thức cấu tạo của các loại clorophin GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 3 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Clorophin a Clorophin b GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 4 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Clorophin c Clorophin d 3. Tính chất: a) Lý tính: Clorophin có màu xanh đặc trưng, không tan trong nước mà chỉ tan trong các dung môi hữu cơ, vì vậy khi muốn tách clorophin ra khỏi lá xanh người ta thường dùng ete, rượu hay axeton. b) Hóa tính: Clorophin khi tác dụng với bazơ xảy ra phản ứng xà phòng hóa, tạo thành muối clorophinat vẫn có màu xanh: Ngược lại clorophin khi tác dụng với axit thì Mg bị H thay thế và hình thành nên pheophytin kết tủa, có màu nâu: GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 5 COOCH 3 COOK C 32 H 30 ON 4 Mg + 2KOH C 32 H 30 ON 4 Mg + C 20 H 39 OH + CH 3 OH COOC 20 H 29 COOK Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Nếu cho pheophytin tiếp tục tác dụng với một kim loại khác thì kim loại này lại thay thế vị trí Mg lúc đầu và tạo nên hợp chất có màu xanh rất bền:  Sự mất màu của clorophin: clorophin ở trong tế bào không bị mất màu vì nằm trong phức hệ với protein và lipoit. Nhưng dung dịch clorophin ngoài ánh sáng và trong môi trường có O 2 thì sự mất màu xảy ra do bị oxi hóa dưới tác dụng của ánh sáng: Chl + hv Chl* (trạng thái kích thích) Chl* + O 2 ChlO 2 (trạng thái oxi hóa không màu) (Chl: clorophin)  Quang phổ hấp thụ của clorophin: Trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 – 700nm) có 2 vùng hấp thụ của clorophin: xanh lam (430nm) và đỏ (662nm). Màu lục đặc trưng của clorophin là do kết quả của sự hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lam và đỏ. Năng lượng của lượng tử ánh sáng được clorophin hấp thụ đã kích thích phân tử clorophin và các dạng của phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau, tạo nên các hiện tượng huỳnh quang và lân quang. Cuối cùng các năng lượng tích lũy được bởi các phân tử clrophin đã được chuyển hóa cho các phản ứng quang hóa và được biến thành dạng năng lượng hóa học. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 6 COOCH 3 COOCH 3 C 32 H 30 ON 4 Mg + 2HCl C 32 H 32 ON 4 + MgCl 2 COOC 20 H 29 COOC 20 H 39 COOCH 3 COOCH 3 C 32 H 32 ON 4 + Cu(CH 3 COO) 2 C 32 H 30 ON 4 Cu + CH 3 COOH COOC 20 H 29 COOC 20 H 39 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Quang phổ hấp thụ ánh sáng của Clorophin a và Clorophin b II. Vai trò của clorophin trong quá trình quang hợp: 1. Quang hợp là gì? 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. Nói một cách khác, quang hợp là quá trình biến đổi các chất cô 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 hệ sắc tố thực vật. Bản chất của quá trình quang hợp là sự khử khí CO 2 đến cacbon hiđrat với sự tham gia của năng lượng ánh sáng do sắc tố thực vật hấp thụ. Quang hợp được chia thành hai giai đoạn:  Giai đoạn 1: có sự tham gia của ánh sáng bao gồm các quá trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố, cùng với sự biến đổi năng lượng lượng tử thành các dạng năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH 2 . Giai đoạn này gọi là pha sáng của quang hợp.  Giai đoạn 2: là giai đoạn không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng gồm có quá trình sử dụng ATP và các sản phẩm khác. Giai đoạn này gọi là pha tối của quang hợp. Clorophin chỉ tham gia vào giai đoạn 1 của quá trình quang hợp nên ở đây ta chỉ xét giai đoạn 1. 2. Vai trò của Clorophin: Clorophin không được phân bố đều vào giữa các tế bào mà được giữ trong các lục lạp nên tạo hiệu ứng tập trung năng lượng bức xạ ánh sáng trong cơ quan chuyển hóa, làm tăng hiệu quả quá trình quang hợp đồng thời có tác dụng bảo vệ tế bào. Giai đoạn 1 (pha sáng) có thể chia thành 2 giai đoạn:  Giai đoạn quang vật lí. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 7 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh  Giai đoạn quang hóa học. a) Giai đoạn quang vật lý: Giai đoạn quang vật lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử clorophin. Khi tiếp nhận photon ánh sáng, phân tử clorophin trở thành trạng thái kích thích do kết quả của quá trình nhảy e từ π – π * và từ n đến π *. Thời gian sống của e trên mức nặng lượng cao của những phân tử kiểu clorophin này lâu hơn so với phân tử bão hòa vào khoảng 10 -9 đến 10 -8 s. Nếu quá trình nhảy e kèm theo có dự biến đổi dấu spin e thì thời gian sống của e trên mức năng lượng cao có thể đến 10 -2 s hoặc lâu hơn. Sự chuyển từ trạng thái kích thích về các trạng thái khác thể hiện rõ qua các hiện tượng huỳnh quang và lân quang của phân tử clorophin. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là đặc điểm quang học của nhiều chất. Huỳnh quang là sự phát sáng ngắn hạn và tắt đi đồng thời với sự tắt nguồn sáng kích thích. Khác với huỳnh quang, lân quang là sự phát sáng dài hơn và còn tiếp tục phát sáng sau khi nguồn sáng kích thích đã tắt. Nguyên nhân của hiện tượng huỳnh quang là do năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ khi chuyển e từ trạng thái kích thích singlet về trạng thái cơ sở. Thời gian huỳnh quang của phần lớn các phân tử hữu cơ là 10 -9 đến 10 -6 s. Làm mất hoạt tính của trạng thái kích thích còn xảy ra bằng con đường không phát ra tia sáng, gọi là con đường không bức xạ. Trong trường hợp này, năng lượng của photon được e hấp thụ có thể được biến đổi thành dạng nhiệt. Có thể có sự truyền không bức xạ từ trạng thái singlet này sang trạng thái singlet khác có mức năng lượng nhỏ hơn, hoặc từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet. Người ta thấy trạng thái triplet chủ yếu được hình thành bằng con đường này. Từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở có thể xảy ra bằng con đường bức xạ hoặc không bức xạ. Chính sự chuyển từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở bằng con đường bức xạ (con đường phát ra sóng điện từ), tạo ra hiện tượng lân quang. Trong quá trình chuyển này có sự dổi dấu spin e và thời gian sống của e khi lân quang dài từ 10 -3 đến 10 -1 s. Như vậy rõ ràng là huỳnh quang và lân quang đều là những dạng năng lượng do kết quả của quá trình làm mất hoạt tính của phân tử clorophin bằng con đường bức xạ. Dạng năng lượng này chỉ được sử dụng khi nó được các sắc tố khác hấp thụ. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là hiện tượng truyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố. Sau đây là sơ đồ về mức năng lượng của phân tử clorophin trong các trạng thái kích thích khác nhau khi hấp thụ photon ánh sáng theo Terenhin. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 8 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh S b ( π , π *) S a ( π , π *) T ( π , π *) 1 2 3 4 5 S ( π , π *) Sơ đồ mức năng lượng của phân tử clorophin trong các trạng thái kích thích khác nhau khi hấp thụ photon ánh sáng (theo Terenhin) 1. Vạch hấp thụ ở vùng ánh sáng đỏ: λ = 680nm 2. Vạch hấp thụ ở vùng ánh sáng xanh: λ = 430nm 3. Truyền không bức xạ - thải nhiệt 4. Huỳnh quang 5. Lân quang Đến đây, theo sơ đồ của Terenhin về các mức năng lượng singlet và triplet của e kích thích khi phân tử clorophin hấp thụ ánh sáng, thì ở trạng thái triplet (bền thứ cấp) gắn liền với sự đổi dấu spin e và thời gian sống dài hơn (10 -5 đến 10 -1 s) là trạng thái mà phân tử clorophin với năng lượng tích lũy được có thể tham gia vào các phản ứng quang hóa với khả năng phản ứng cao. Cụ thể là phân tử clorophin có khả năng tham gia trong quá trình vận chuyển hiđro và e của hệ thống trung gian tới CO 2 . Quá trình biến đổi trạng thái của sắc tố ở giai đoạn quang vật lí có thể tóm tắt như sau: Chl + hv  Chl*  Chl Clorophin ở Năng lượng ánh sáng Clorophin ở Clorophin ở trạng trạng thái bình thường trạng thái kích thích thái bền thứ cấp Sau khi hoàn thành giai đoạn quang vật lí, clorophin tham gia vào giai đoạn quang hóa học. b) Giai đoạn quang hóa học: Gồm 3 quá trình:  Quá trình quang hóa khởi nguyên.  Quá trình quang phân li H 2 O.  Quá trình phatphorin hóa quang hóa. Clorophin chỉ tham gia vào 2 quá trình đầu nên chúng tôi chỉ giới thiệu 2 quá trình đó. GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 9 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh i. Quá trình quang hóa khởi nguyên: Đây là quá trình hình thành thuận nghịch clorophin khử bởi các phản ứng sáng 1 và phản ứng sáng 2. Có thể tóm tắt quá trình này như sau:  Quang khử clorophin và oxi hóa chất cho e: AH 2 + Chl  Chl - + AH 2 +  ChlH + AH  A + ChlH 2  Clorophin chuyển e cho chất nhận và trở về trạng thái ban đầu: Chl - + B  Chl + B - (phản ứng nhanh) ChlH + B  Chl + BH (phản ứng chậm) Và: ChlH 2 + B  Chl + BH 2 (AH 2 : chất cho điện tử và hiđro; B: chất nhận e; Chl: clorophin; Chl - : ion gốc tự do). ii. Quá trình quang phân ly H 2 O: Cơ chế của quá trình quang phân li H 2 O nhờ tác dụng của ánh sáng được hấp thụ bởi clorophin được biểu diễn như sau:  Clorophin hấp thụ 4 photon ánh sáng để trở thành trạng thái kích thích: 4Chl + 4hv = 4Chl*  Clorophin ở trạng thái kích thích tham gia vào quá trình phân li H 2 O: 4Chl* + 4H 2 O = 4ChlH + 4OH - 4OH - = 2H 2 O + O 2 Có thể tóm tắt như sau: 2H 2 O 4H + + O 2 Chl Quá trình quang phân li H 2 O là một quá trình quang trọng, nhờ đó mà phản ứng sáng 2 có nguồn H + cho việc hình thành NADPH 2 (một trong 2 sản phẩm của pha sáng). GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 10 hv [...]... tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh C.KẾT LUẬN Clorophin đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp, nó là thành phần chủ yếu trong lá xanh nên ngày nay không cần dùng đến những biện pháp tổng hợp nhân tạo mà có thể thu được clorophin bằng cách tách, chiết từ lá xanh bằng dung môi hữu cơ như ete, rượu, aceton… GVHD: GS.TS Nguyễn Thị Thu Lan 11 Nhóm 5 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận. .. Nguyễn Thị Thu Lan 12 Nhóm 5 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh MỤC LỤC A MỞ ĐẦU 1 B NỘI DUNG 2 I Giới thiệu chung 2 1 Đặc điểm cấu tạo .2 2 Phân loại 3 3 Tính chất 5 II Vai trò của clorophin đối với quá trình quang hợp 7 1 Quang hợp là gì 7 2 Vai trò của clorophin 7 C KẾT LUẬN 11 D TÀI LIỆU THAM . là clorophin) . Vì vậy trong bài tiểu luận này chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu về clorophin. II. Đối tượng nghiên cứu:  Đặc điểm cấu tạo của clorophin.  Tính chất của clorophin.  Vai trò của clorophin. các loại clorophin GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 3 Đề tài: CLOROPHIN và SỰ SỐNG Tiểu luận Hóa Sinh Clorophin a Clorophin b GVHD: GS.TS. Nguyễn Thị Thu Lan Nhóm 5 4 Đề tài: CLOROPHIN. cực đại hấp thụ bức xạ ánh sáng. Bảng phân loại công thức cấu tạo clorophin Clorophin a Clorophin b Clorophin c 1 Clorophin c 2 Clorophin d CTPT C 55 H 72 O 5 N 4 Mg C 55 H 70 O 6 N 4 Mg C 35 H 30 O 5 N 4 Mg