Hóa học và công nghệ các hợp chất hữu cơ thiên nhiên phần III qúa trình hình thành các hợp chất hữu cơ trong thực vật

1.Khái quát về quang hợpNhững hiểu biết đầu tiên về sự quang hợp • Joseph Priestley người Anh vào năm 1772 đã làm thí nghiệm dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và bê

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG THỰC VẬT

1.Khái quát về quang hợp

Những hiểu biết đầu tiên về sự quang hợp

• Joseph Priestley người Anh vào năm 1772 đã làm thí

nghiệm dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và bên kia để một con chuột, sau một thời gian

cả hai đều chết, nhưng nếu để chúng ở chung với nhau thì chúng đều sống, thí nghiệm của ông cho thấy

• Cây tạo ra oxy, mặc dù lúc đó người ta chưa biết được

các quá trình cũng như chưa biết được vai trò chính yếu của ánh sáng trong 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.

• 2H2O +sun 4 ion H+ + 4 điện tử + O2

• Đồng thời người ta cũng biết rằng năng lượng để tách các

phân tử nước là từ ánh sáng mặt trời và được diệp lục tố hấp thu Ion H+ tự do và điện tử được tạo ra từ sự phân ly của những phân tử nước được dùng để biến đổi CO2

thành carbohydrat và các phân tử nước mới:

CO2 + 4 ion H+ + 4 điện tử (CH2O) + H2O

• Tóm tắt hai phương trình trên:

CO2 + 2H2O (CH2O) + H2O + O2

Cây xanh

Cây xanh

Cây xanh

• Một trong những sản phẩm của quang hợp là glucoz, một đường 6C nên có thể tóm tắt như sau:

• 6CO2 + 12 H2O + ánh sáng, diệp lục tố

6O2 + C6H12O6 + 6H2O

• Trong quang hợp, các phản ứng oxy hóa khử

dùng năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân

giàu năng lượng

Có nghĩa là, ion H+ và điện tử do sự phân ly của

tạo ra hợp chất khử với đơn vị căn bản là CH 2 O, 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 CO 2 .

1 Tầng biểu bì trên; 2 Mô dậu; 3 Mô xôp; 4 Tầng biểu bì dưới; 5 Cuticun; 6 Tế bào bảo vệ; 7 Lỗ khí; 8.Gân lá

Cấu tạo của

lá (cắt ngang)

a) Nhìn tổng thể;

b) Cắt dọc qua tâm

1 Tế bào biểu bì; 2 Vách trong

mỏng của tế bào bảo vệ; 3 Nhân

tế bào bảo vệ; 4 Lỗ khí; 5 Lục

lạp; 6 Tế bào bảo vệ

Cấu tạo lỗ khí

Có hai màng bao bọc lục lạp, bên trong có chứa một hệ thống màng làm thành các túidẹp thông với nhau được gọi là thylakoid Một số thylakoid có hình đĩa xếp chồng lên nhaunhư một chồng đồng xu gọi

là cột Màng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoidvà chất cơ bản của lục lạp.

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, gồm từ 5 đến 10 LHC (light-harvesting

complex), mỗi LHC II gồm ba bán đơn vị, mỗi bán đơn vị gồm một protein, 7 phân tử chlorophyll a, 5 chlorophyll b và 2 carotenoid

Mỗi hệ thống quang 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.

Hệ thống quang I Phức hệ b-f Hệ thống quang II Khử NADP

• 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

Hệ thống vận chuyển điện tử trong quang hợp

1 Màng thylakoid; 2 Phức hệ anten; 3 Enzym phân ly nước; 4

2.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

• Nếu nối phosphat cuối cùng bị thủy phân thì hợp

chất còn lại là ADP (adenosin diphosphat), nếu cả hai nối đều bị thủy phân thì chất còn lại là AMP

(adenosin monophosphat)

• ATP + H2O enzm ADP + P + năng lượng

• ADP + P + năng lượng enzim ATP + H2O

• Một ATP mới có thể được thành lập từ ADP và P

vô cơ nếu đủ năng lượng để thành lập cầu nối

phosphat vào ADP

• Sự thêm gốc phosphat này được gọi là sự

phosphoryl hóa(phosphorylation).

ATP-3D ( Adenosin triphotphat)

• 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

• Sự hấp thu năng lượng ánh sáng và sự

phosphoryl hóa là những phản ứng riêng biệt

• Quá trình biến năng lượng ánh sang thành năng lượng hóa học trong tổng hợp ATP được trình

bày ở ví dụ sau:

Phản ứng trung tâm chlorophyl đưa năng lượng hóaánh sáng điện tử cho đến điện tử nhận và khử nó.Chlorophyl oxy hóa sau khi đa lấp đầy hố điện tử

bằng sự oxy hóa phân tử chất cho.

1 Điện tử cho; 2 Phân tử chlorophyll bị kích thích;3 Điện tử nhận;

4.Chlorophyll oxy hóa; 5 Chất nhận bị khử; 6.Chất cho oxy hóa;

7 Chất nhận bị khử

Sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học.

3.Chu trình Calvin -Benson

+Mclvin Calvin và cộng sự đa phát hiện ra bước đầu tiên, nên gọi là chu trình Calvin

+Họ nghiên cứu sự quang hợp của tảo và đã sử dụng carbon dioxyt phóng xạ (14CO2)

+Họ đã phát hiện ra đầu tiên có sự gắn một phân tử đường có 5 carbon là ribuloz 1,5-biphosphate

(RuBP), ngay sau đó phân ly tạo thành 2 phân tử

phosphoglycerate (PGA) Một trong 2 phân tử có

nguyên tử carbon phóng xạ

Bước cơ bản của chu trình Calvin

Người ta đa tóm tắt chu trình Calvin theo 3 bước sau:

• 1) Chu trình bắt đầu khi nguyên tử carbon từ phân tử

CO 2 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 NADP (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 tao

nguyên liệu ban đầu có 5 carbon nhằm hoàn thành chu trình

Các bước thực hiện chu trình Calvin

• Các phản ứng để tổng hợp carbohydrat từ CO2

sử dụng ATP và NADP hay NADN (nicotiamit ađenin đinucleotit) 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 NADP

• 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 NADP được tạo ra.

• Sự khử CO 2 nghèo năng lượng để tạo ra đường giàu năng lượng diễn ra qua nhiều bước, mỗi bước được một enzim xúc tác

• CO 2 được đưa lên một gradient năng lượng cao hơn qua một chuỗi hợp chất trung gian không bền để tạo ra sản phẩm cuối cùng giàu năng

lượng là carbohydrat.

• Có thể giải thích tóm tắt các bước cơ bản là cố định CO 2 , chuyển hóa CO 2 và tái tạo chất nhận của chu trình Calvin -Benson như sau

Sơ đồ chu trình

Calvin-Benson

Cứ 3 phân tử CO2 ở trung tâm, thì có 1

phân tử của hợp chất

có 3 carbon -

glycerate 3-phosphate (G3P)

được tạo thành Chú ý rằng chu trình này cần năng lượng khởi động

từ ATP và NADP, năng lượng này được phát sinh trong pha sáng Quá trình này xẩy ra trong cơ chất của lục lạp.

NADH-3D

4.Quá trình chuyển hoá của Gluxít:

• Quá trình chuyển hoá gluxit trong cơ thể sinh vật là một quá trình dài và phức tạp Chẳng hạn, quá trình chuyển hoá glycogen tới axit axit cacbonic và nước bao gồm hàng tá phản ứng, mà mỗi phản ứng được xúc tác bằng một hệ enzym Song có thể chia quá trình làm 3 giai đoạn cơ

bản sau

• 1 Phân cắt glycogen bằng thuỷ phân đơn giản

liên kết axetal dưới tác dụng của enzym để tạo

thành glucozơ :

[C 6 H 11 O 5 ]n + nH 2 O enzim

nC 6 H 12 O 6(D-Glucozơ)

• 2 Giai đoạn phân tích glucozơ còn gọi là glycol phân , bao gồm 11 phản ứng với 11 loại enzym khác

nhau Các giai đoạn này cuối cùng cho sản phẩm tổng quát sau:

• D -Glucozơ + 2HPO 42- + 2 2 ADP 

2CH 3 CH (OH)-C(O)-O- + 2 2 ATP .

Lactat

• Trong giai đoạn này, không có sự tiêu thụ oxi nhưng

đã tiêu thụ 2 phân tử ATP ATP (Adenosin Adenosin -Triphotphat ) cho mỗi phân tử glucozơ và tạo ra 2 phân tử ADP Gốc

PO 4(2-) lại kết hợp với ADP để tạo ra ATP.

O HO-P-O-P-O-POCH

OH OH

N

N N

N

NH 2

H O O

OH OH

HO P-O-POCH- O

-H PO +H PO

3 3

4 4

• 3 Giai đoạn hô hấp , nghĩa là giai đoạn tác dụng của oxi, cũng là một hệ phản ứng phức tạp, trong

đó các sản phẩm hình thành khi glycol phân bị

oxi hoá Oxi bị tiêu thụ, oxit cacbonic và nước

hình thành đồng thời giải phóng ra năng lượng

• Giai đoạn cuối cùng để hình thành axit lactic là quá trình khử axit purivic thành axit lactic Tác nhân khử ở đây là NADN (nicotiamit ađenin

đinucleotit) hay NADP.

CH2-C-C-O + NADN + H > CH3-C C-O + NAD- + - +

• Trong khi đó, axit purivic cũng bị oxi hoá thành axit

axetic dưới dạng thioeste của CoA gọi là axetyl CoA

• Axetyl CoA là sản phẩm của glycol phân sẽ đi vào

chu trình hô hấp:

OH

O O

NH

N

N N

OP

O OH OH

Coenzym A -3D

I Sự hình thành các chất trong thực vật:

• Cây xanh tổng hợp monosaccarit từ CO 2 và H 2 O nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời và chất diệp lục chlorophin có sẵn trong cây xanh theo

phương trình phản ứng sau:

• 6CO 2 + 6H 2 O >hv+clorophin ->C 6 H 12 O 6 +6O 2

Ở phản ứng trên, clorophin làm nhiệm vụ hấp thụ năng lượng ánh sáng và chuyển năng lượng

đó cho các phản ứng tổng hợp.

• Chất “đồng hóa” CO 2 và H 2 O là

ribulozơ-1,5-diphotphat(I)

H C

CH CH

II

III IV

H

clorofin

• Dạng enol (Ia) của ribulozơ-1,5-diphotphat phản ứng với

CO 2 và H 2 O qua sản phẩm trung gian (II), cuối cùng cho hai phân tử axít 3-photphat D –glixeric (III):

OH

2 2

2

OH H

CH OPO H

OH H

3

2 CH

• Nhờ năng lượng ánh sáng và nước, axít 3-photphat glixeric (III) bị khử thành andehyt 3-photphat D-

D-glixeric(IV) và giải phóng oxy:

• Một phần andehyt 3-photphat D-glixeric đồng phân hóa thành 3-photphatdihydroxiaxeton(V), rồi ngưng tụ với nhau thành fructozơ-1,6-diphotphat(VI):

OH H

OH

2 2

2

OH H

CH OPO H

OH H

3

2 CH

3photphat-d-glixeric

3-photphatdihydroxiaxeton

fructozơ-1,6-diphotphat