Đề tài nghiên cứu khoa học quang hợp ở thực vật

MỞ ĐẦU 3 NỘI DUNG 4 I. Khái quát chung về quang hợp 4 1. Khái niệm 4 2. Phương trình tổng quát 4 II. Cấu trúc và chức năng bộ máy quang hợp 5 1. Lá 5 1.1. Hình thái lá 5 1.2. Giải phẫu lá 5 2. Lục lạp 7 2.1. Hình dạng, số lượng, kích thước 7 2.2. Cấu trúc lục lạp 7 2.3. Các loại lục lạp 8 3. Hệ sắc tố quang hợp 8 3.1. Cấu tạo và tính chất của chlorophyll 8 3.1.1. Cấu tạo 8 3.1.2. Tính chất lý, hóa của chlorophyll 9 3.1.2.1.Tính chất hóa học 9 3.1.2.2.Tính chất vật lý 10 3.2. Nhóm sắc tố caroteoid 10 III. Pha sáng quang hợp 11 1. Năng lượng ánh sáng 11 2. Giai đoạn quang lý 12 2.1. Sự hấp thụ năng lượng ánh sáng của chlorophyll 12 2.2. Sự truyền năng lượng 14 3. Giai đoạn quang hóa 14 3.1. Quang phân ly nước 14 3.2. Quá trình vận chuyển điện tử 14 3.3. Quá trình tổng hợp ATP 15 IV. Pha tối quang hợp 16 1. Con đường quang hợp của thực vật C3 16 1.1. Chu trình Calvin- Benson 16 1.2. Ý nghĩa của chu trình Calvin –Benson 19 2. Con đường quang hợp của thực vật C4 19 2.1. Chu trình Hatch- Slack 19 2.2. Ý nghĩa chu trình Hatch- Slack 20 3. Con đường quang hợp của thực vật CAM 20 3.1. Chu trình thực vật CAM 20 3.3. Ý nghĩa chu trình CAM 21 V. Quang hợp và các điều kiện ngoại cảnh 22 1. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp 22 1.1. Cường độ ánh sáng 22 1.2. Quang phổ ánh sáng 23 2. Ảnh hưởng của nồng độ CO 2 23 3. Ảnh hưởng của nước 24 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 24 5. Ảnh hưởng của chất khoáng 25 6. Ảnh hưởng của chất điều hòa sinh trưởng 26 VI. Ý nghĩa của quang hợp 26 1. Ý nghĩa đối với đời sống thực vật 26 2. Ý nghĩa đối với môi trường và sinh vật 27 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 MỞ ĐẦU Sinh học nghiên cứu tất cả các dạng sống trên trái đất: từ cấu trúc, đặc điểm sinh trưởng và phát triển, sinh sản đến các quá trình sinh hóa, sinh lý diễn ra trong cơ thể sinh vật. Trong đó, thực vật là giới được nghiên cứu rất kỹ lưỡng do có vai trò quan trọng cung cấp chất hữu cơ cho toàn bộ sinh giới. Các hoạt động sinh lí trong cây rất phức tạp, quá trình quang hợp là quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũy trong các hợp chất hữu cơ, cung cấp cho các hoạt động sống của cây và cung cấp một lượng lớn O 2 cho sự sống của các sinh vật trên trái đất, đảm bảo sự cân bằng tỉ lệ O 2 /CO 2 trong khí quyển thuận lợi cho các hoạt động sống của mọi sinh vật. Đối với con người, quang hợp có vai trò vô cùng to lớn cung cấp một nguồn năng lượng, nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho mọi nhu cầu của con người trên trái đất… Quang hợp là một quá trình độc nhất có khả năng biến những “chất không ăn được” thành “chất ăn được”, một quá trình mà tất cả hoạt động sống đều phụ thuộc vào nó. Cơ chế xảy ra của quá trình quang hợp như thế nào? Những nhân tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả quang hợp, ý nghĩa của quang hợp với đời sống thực vật và những sinh vật khác? Để giải đáp những thắc mắc đó đồng thời nắm vững kiến thức về quang hợp để phục vụ cho công tác sau này, em xin chọn đề tài: “Quang hợp ở thực vật”. NỘI DUNG I. Khái quát chung về quang hợp [1] 1. Khái niệm Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ những chất vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời với sự tham gia của hệ sắc tố. Xét về bản chất của quá trình biến đổi năng lượng trong quang hợp có thể định nghĩa: Quang hợp là quá trình biến đổi quang năng thành hóa năng xảy ra ở thực vật. Xét về bản chất hóa học, quang hợp là quá trình oxy hóa khử, trong đó CO 2 được khử thành sản phẩm quang hợp. 2. Phương trình tổng quát Phương trình tổng quát của quang hợp có thể được biểu diễn như sau: as CO 2 +2H 2 A [ CH 2 O] + H 2 O+2A Chlorophyll Trong đó: H 2 A là chất cho H A là sản phẩm oxy hóa Đối với các vi sinh vật có khả năng quang hợp, chất A có thể là lưu huỳnh hoặc những hợp chất chứa H khác như acid hữu cơ, rượu bậc 2. as CO 2 + 2 Succinate [ CH 2 O] + 2 Fumarate Chlorophyll as CO 2 + 2 lactate [ CH 2 O] + 2 Pyruvate Chlorophyll as CO 2 + 2 H 2 S [ CH 2 O] + 2 S +H 2 O Chlorophyll Đối với thực vật, chất A là Oxy As, Chl CO2 + H2O [ CH 2 O] + 1/2 O 2 Sản phẩm quan trọng nhất trong quang hợp là đường glucose. Để tổng hợp được một phân tử glucose cần 6 CO 2 và 6 H 2 O nên ta có phương trình quang hợp như sau: as 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 1/2O 2 Chlorophyll II. Cấu trúc và chức năng bộ máy quang hợp [2] 1. Lá 1.1. Hình thái lá Lá có dạng bản mỏng giúp hướng sáng nhiều hơn, có khả năng vận động theo hướng vuông góc với tia sáng mặt trời để nhận được nhiều năng lượng ánh sáng nhất. Lá của thực vật hạt kín chủ yếu gồm: phiến lá, bẹ lá, cuống lá. Phiến lá là một bản mỏng, rộng, màu lục, có hai mặt: trên và dưới. Trên phiến lá có các gân lá nổi lên là bộ khung nâng đỡ lá đồng thời làm chức năng vận chuyển chất hữu cơ, vận chuyển nước, khoáng… Cuống lá hình trụ, hơi lõm ở phía trên, nối lá với thân hoặc cành; có vai trò dẫn truyền nước và muối khoáng từ rễ lên lá và chất hữu cơ từ lá xuống rễ. Bẹ lá chỉ có ở một số cây ( họ lúa, họ hoa tím…), là phần gốc cuống lá phình to thành bẹ lá ôm lấy thân. 1.2. Giải phẫu lá Cấu tạo giải phẫu lá có nhiều đặc điểm thích nghi với chức năng quang hợp. Hình 1: Tiêu bản cắt ngang lá Ngoài cùng của lá có phủ lớp cutin chống thấm làm giảm sự thoát hơi nước, chống tác động quá mạnh của ánh sáng gây tổn thương đến lục lạp- bộ máy quang hợp. Lớp biểu bì dày xếp sít nhau, bảo vệ tế bào thịt lá bên dưới. Mô đồng hóa gồm 2 lớp tế bào: tế bào mô dậu và tế bào mô khuyết. Mô dậu gồm một đến hai lớp tế bào hình chữ nhật dài xếp sát nhau, chứa nhiều lục lạp giúp tăng cường tiếp nhận ánh sáng. Một tế bào có thể chứa 20- 100 lục lạp. Mô khuyết gồm những tế bào đa giác, cạnh tròn, không đều , xếp lỏng lẻo, chừa lại nhiều khoảng trống gian bào chứa khí CO 2 và nước phục vụ cho quang hợp. Tế bào mô khuyết chứa ít lục lạp hơn tế bào mô dậu, do vậy quang hợp ở mô khuyết xảy ra yếu hơn mô dậu và lá có mặt dưới nhạt hơn mặt trên Bên trong chứa hệ mạch dẫn gồm pholem và xylem dẫn truyền chất hữu cơ, nước và muối khoáng. Mặt trên và mặt dưới có hệ thống dày đặc khí khổng, có cơ chế đóng mở để nhận CO 2 từ môi trường ngoài vào trong lá, thoát hơi nước và nhả oxy ra ngoài. Tùy vào môi trường sống và đặc điểm thích nghi của thực vật với môi trường , cấu tạo giải phẫu lá sẽ có những thay đổi tương ứng. Thực vật C4 có khoảng trống gian bào lớn, chứa nhiều CO2 và nước dùng cho quang hợp, hạn chế hô hấp sáng xảy ra. Tế bào thịt lá và tế bào bao quanh bó mạch sắp xếp bao quanh hệ mạch dẫn giúp dẫn truyền sản phẩm quang hợp xuống thân, rễ làm, tránh ứ đọng sản phẩm, tăng hiệu quả quang hợp. Do vậy, thực vật C4 có năng suất quang hợp cao hơn thực vật C3 và thực vật CAM. Thực vật CAM có hệ mạch dẫn phát triển, bó mạch nhỏ nhưng số lượng nhiều, phân bố đều khắp lá giúp vân chuyển nước và chất hữu cơ thuận lợi, thích nghi với đời sống khô cạn, thiếu nước. 2. Lục lạp 2.1. Hình dạng, số lượng, kích thước Lục lạp có hình bầu dục thuận tiện cho quá trình tiếp nhận ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời quá mạnh, lục lạp có khả năng xoay bề mặt tiếp xúc nhỏ nhất, theo hướng song song với tia sáng mặt trời, hạn chế tác động xấu, làm phá hỏng cấu trúc lục lạp. Ở các loài thực vật khác nhau, số lượng lục lạp rất khác nhau. Một số loài tảo, mỗi tế bào chỉ có một lục lạp, đối với thực vật bậc cao, mỗi tế bào chứa từ 20-100 lục lạp. Ở lá thầu dầu, 1mm 2 có từ 3.10 7 – 5.10 7 lục lạp với tổng diện tích bề mặt của chúng lớn hơn diện tích lá. Do đó, diện tích tiếp nhận ánh sáng bên trong rất lớn, tạo điều kiện cho hoạt động quang hợp xảy ra mạnh. Đường kính lục lạp khoảng 4-6µm, dày 2-3µm. Những cây ưa bong thường có số lượng, kích thước lục lạp và hàm lượng sắc tố trong lục lạp lớn hơn những cây ưa sáng. 2.2. Cấu trúc lục lạp Cấu trúc lục lạp gồm ba phần chính: Màng, chất nền stroma, hạt grana. Màng lục lạp là màng kép gồm hai màng cơ sở tạo thành, bao quanh lục lạp. Màng có vai trò bảo vệ các cấu trúc bên trong, kiểm tra tính thấm của các chất đi vào hoặc đi ra lục lạp. Màng trong suốt giúp ánh sáng xuyên qua dễ dàng. Hạt grana là tập hợp các tấm thylacoid xếp chồng lên nhau, trên màng thylacoid chứa hệ sắc tố quang hợp, protein, lipid, các thành phần tham gia chuỗi điện tử: feredoxin, cytocrom, plastocyanin, plastoquinol… Chất nền stroma không chứa sắc tố quang hợp, không màu giúp ánh sáng xuyên qua dễ dàng. Thành phần chính là protein, enzyme quang hợp, các sản phẩm trung gian của quá trình quang hợp. Là nơi xảy ra pha tối quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ. 2.3. Các loại lục lạp Ở thực vật bậc cao có hai loại lục lạp có cấu trúc và chức năng khác nhau. Trong các thực vật C4 như mía, ngô, cao lương,… tồn tại hai loại lục lạp của tế bào thịt lá và tế bào bao quanh bó mạch. Lục lạp của tế bào thịt lá chứa trong tế bào mô giậu và tế bào mô khuyết, có cấu trúc grana phát triển. Chúng có nhiệm vụ thực hiện chu trình C4 (cố định CO 2 của quang hợp). lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch có cấu trúc thylacoid là các tấm lamen rời rạc trong cơ chất, chứa nhiều hạt tinh bột, thực hiện chu trình C3 khử CO 2 . Thực vật C3 gồm đa số cây trồng như lúa, đậu, cam, chanh, khoai tây… chỉ có một loại lục lạp chứa trong mô dậu và mô khuyết tương tự như lục lạp của tế bào thịt lá của tế bòa C4, thực hiện chu trình C3. 3. Hệ sắc tố quang hợp 3.1. Cấu tạo và tính chất của chlorophyll 3.1.1. Cấu tạo Có 5 loại chlorophyll: a, b, c, d, e. Quan trọng nhất là chlorophyll a và b. Công thức hóa học của diệp lục a và b như sau: Chlorophyll a: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. Chlorophyll b: C 55 H 72 O 6 N 4 Mg. Phần quan trọng trong cấu trúc chlorophyll là nhân Mg, nhân này có vai trò quyết định màu xanh của chlorophyll. Nguyên tử Mg ở trung tâm kết hợp với 4 nguyên tử N của 4 vòng pyrol tạo nên một vòng Mg- pocphirin rất linh hoạt, 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng cầu nối metyl tạo nên cầu nối porphyrin với nguyên tử Mg ở giữa, có liên kết thật và giả với nguyên tử N của các nhân pyron, hai nguyên tử H của nhân pyron thứ 4, vòng xiclopentan, gốc rượu phyton. Quan trọng, phần nhân có hệ thống nối đôi liên hợp cách đều tạo nên phân tử chlorophyll có hoạt tính quang hóa mạnh. Khả năng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào số lượng liên kết đôi trong phân tử. Trong hệ thống nối đôi tồn tại đám mấy electron rất linh động, có năng lượng liên kết rất nhỏ nên dễ dàng bị kích động khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng để bật ra khỏi quỹ đạo của mình. Đây là trạng thái kích thích của phân tử diệp lục khi tiếp nhận ánh sáng. Diệp lục có đuôi rất dài, có tính ưa lipid nên có vai trò đinh vị trên màng thylacoid vì màng quang hợp có tính lipid. 3.1.2. Tính chất lý, hóa của chlorophyll 3.1.2.1. Tính chất hóa học Chlorophyll (Chl) không tan trong nước, chỉ tan trong dung môi hữu cơ như rượu, acetone,… Chl có hoạt tính sinh học cao, vừa mang tính acid vừa mang tính bazo. Khi tác dụng với bazo tạo ra chlorophyllate có màu xanh C 55 H 72 O 5 N 4 Mg +2KOH C 32 H 30 O 5 N 4 MgK 2 + CH 3 OH + C 20 H 39 OH Khi tác dụng với acid thì nhân Mg bị thay bởi H và tạo ra chất phephytin kết tủa màu nâu, không có khả năng quang hợp. C 55 H 72 O 5 N 4 Mg +2HCl C 55 H 74 O 5 N 4 + MgCl 2 Khi tế bào chết, màng nguyên sinh chất mất khả năng thấm chọn lọc, các acid thấm vào lục lạp làm chl biến thành pheophytine và lá biến thành màu nâu đen, không còn khả năng quang hợp. Trong cây, chl bền vững và không bị mất màu do nằm trong phức hệ protein và lipid. Khi cường độ ánh sáng quá cao hoặc thiếu CO 2 hay dưới tác dụng của chất độc nào đó thì quang hợp của cây bị kìm hãm, sau đó cây vàng và mất màu dần. Trong trường hợp đó, nếu dư thừa O 2 thì quá trình mất màu diễn ra càng nhanh. Như vậy chl đã bị oxy hóa Chl + hv Chl * Chl * +O 2 ChlO 2 (trạng thái oxy hóa không màu) 3.1.2.2. Tính chất vật lý [1] Chl hấp thụ ánh sáng chọn lọc ở miền quang phổ có bước song từ 300-730 nm( miền ánh sáng nhìn thấy). Có hai vùng hấp thụ của Chl là miền ánh sáng đỏ (620-700nm) và ánh sáng xanh tím (420-460nm). Chl hấp thụ yếu ở tia lục và tia đỏ có bước sóng gần với miền hồng ngoại. Nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng nên phân tử chl có hoạt tính quang hóa mạnh. Khi tiếp nhận các foton ánh sáng, năng lượng tiếp nhận được làm biến đổi cấu trúc hóa học của chl làm chúng trở nên kích động, dễ dàng tham gia vào các phản ứng quang hóa tiếp theo. Năng lượng foton được chl hấp thụ và truyền cho nhau, tạo nên hiện tượng huỳnh quang và lân quang. Khi chiếu sáng vào chl, ánh sáng phản xạ có màu đỏ huyết dụ. Khi tắt nguồn sáng, màu đỏ huyết dụ cũng biến mất. Đây là hiện tượng huỳnh quang của chl. Hiện tượng lân quang cũng tương tự hiện tượng huỳnh quang nhưng sau khi tắt nguồn sáng, ánh đỏ huyết dụ vẫn còn lưu lại một khoảng thời gian nhất định. 3.2. Nhóm sắc tố caroteoid Bên cạnh chl, trong lục lạp còn có nhóm sắc tố hòa tan trong mỡ là caroteoid. Carotenoid luôn đi kèm với chl nên được gọi là nhóm sắc tố vệ tinh của chl, có vai trò lọc sáng, bảo vệ chl khỏi ánh sáng có cường độ cao. [...]... đồng hóa CO2 trong quang hợp mà người ta chia thực vật thành 3 nhóm: Nhóm thực vật C3 bao gồm các thực vật mà con đường quang hợp của chúng chỉ thực hiện duy nhất một chu trình quang hợp là C3 (chu trình Calvin) Hầu hết cây trồng thuộc thực vật C3 như khoai, sắn, cam, chanh, cây họ đậu… Nhóm thực vật C4 gồm các thực vật mà con đường quang hợp là sự kết hợp giữa hai chu trình quang hợp C3 và C4 Một số... trình CAM Đây là con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn và nóng của các thực vật CAM Nhờ con đường quang hợp này mà khả năng chịu hạn, chịu nóng của chúng rất cao, hơn hẳn các thực vật khác Do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên cường độ quang hợp thấp, năng suất sinh học cũng thấp và cây sinh trưởng chậm Con đường quang hợp của thực vật CAM và thực vật C4 hoàn toàn giống nhau... quang hợp trong pha tối, thực vật chia làm 3 nhóm: thực vật C3 với chu trình Calvin- Benson; thực vật C4 với chu trình HatchSlack; thực vật CAM với chu trình CAM Mỗi con đường là sự biến đổi để thích nghi với điều kiện ngoại cảnh của mỗi nhóm thực vật 6 Quang hợp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố ngoại cảnh như : ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, chất khoáng, nồng độ CO2, chất điều hòa sinh trưởng 7 Quang hợp. .. suất quang hợp ở thực vật C4 cao, hạn chế hô hấp sáng Chu trình Calvin- Benson ở thực vật C4 được tiến hành trong tế bào bao quanh bó mạch, do vậy, khi sản phẩm quang hợp tổng hợp xong, ngay lập tức được chuyển đến hệ mạch vận chuyển xuống thân và rễ, giúp quá trình quang hợp diễn ra liên tục, không bị ứ đọng sản phẩm dẫn đến ức chế tổng hợp chất hữu cơ Xét về mặt tiến hóa, thực vật C4 có con đường quang. .. nhiệt đới bắt đầu quang hợp ở nhiệt độ 5-7oC, cây ôn đới ở nhiệt độ dưới 0oC Nhiệt độ tối ưu cho cây nhiệt đới quang hợp là 25-300C, cây ôn đới là 8-15oC, cây ở vùng sa mạc thì quang hợp tối ưu ở nhiệt độ lớn hơn 40oC Vượt quá nhiệt độ tối ưu thì quang hợp giảm dần, phần lớn cây trồng chỉ chịu được mức nhiệt dưới 50oC 5 Ảnh hưởng của chất khoáng Các chất khoáng có ảnh hưởng lớn đến quang hợp, tham gia... Benson là chu trình quang hợp cơ bản nhất của thế giới thực vật và nó xảy ra trong tất cả các loài thực vật khác nhau, kể cả thực vật C4 và thực vật CAM Đây là chu trình duy nhất có thể tạo ra các sản phẩm hữu cơ Trong chu trình, nhiều sản phẩm sơ cấp của quang hợp được tạo ra Đó là các hợp chất C3, C5, C6… Các hợp chất này là các nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nên các sản phẩm quanng hợp thứ cấp như... Nhóm thực vật CAM bao gồm các thực vật mọng nước như xương rồng, dứa, hành, tỏi… có con đường thích nghi với đời sống khô cạn, thiếu nước 1 Con đường quang hợp của thực vật C3 1.1 Chu trình Calvin- Benson Chu trình quang hợp của thực vật C3 còn gọi là chu trình Calvin- Benson, tên hai nhà khoa học phát hiện ra chu trình này Gọi là chu trình C3 vid sản phẩm đầu tiên tạo nên trong chu trình này là hợp. .. sáng Trong tối Quang hô hấp Cao Thấp Thấp Điểm bù CO2 Cao(25- Thấp (0-10pmm) Thấp (0-5ppm) 100ppm) N/s sinh học Trung bình Cao Thấp Thoát hơi nước Cao Thấp Rất thấp V Quang hợp và các điều kiện ngoại cảnh [2] 1 Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp Ánh sáng là điều kiện cơ bản để tiến hành quang hợp Cường độ ánh sáng và cả thành phần quang phổ của nó đều ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của cây 1.1... tiến hóa, thực vật C4 có con đường quang hợp hoàn thiện hơn, tiến hóa hơn thực vật C3 và CAM 3 Con đường quang hợp của thực vật CAM 3.1 Chu trình thực vật CAM Một số thực vật sống trong điều kiện khô hạn có con đường quang hợp đặc trưng, thích nghi với môi trường Sự cố định CO2 được tiến hành vào ban đêm và sự khử CO2 được tiến hành vào ban ngày để tránh việc mở khí khổng vào ban ngày khiến thất thoát... đường quang hợp của thực vật C4 2.1 Chu trình Hatch- Slack Một số cây trồng nhiệt đới như mía, ngô, cao lương, rau dền, cỏ gấu… có con đường quang hợp đặc trưng, sản phẩm quang hợp đầu tiên là hợp chất có 4 C là acid oxaloaxetic Các loài thực vật C4 thực hiện hai quá trình ngược nhau ở hai tế bào khác nhau Quá trình cacboxyl hóa: quá trình này diễn ra trong tế bào thịt lá Chất nhận CO2 đầu tiên là hợp . về quang hợp để phục vụ cho công tác sau này, em xin chọn đề tài: Quang hợp ở thực vật . NỘI DUNG I. Khái quát chung về quang hợp [1] 1. Khái niệm Quang hợp là quá trình tổng hợp. truyền sản phẩm quang hợp xuống thân, rễ làm, tránh ứ đọng sản phẩm, tăng hiệu quả quang hợp. Do vậy, thực vật C4 có năng suất quang hợp cao hơn thực vật C3 và thực vật CAM. Thực vật CAM có hệ. mặt tiến hóa, thực vật C4 có con đường quang hợp hoàn thiện hơn, tiến hóa hơn thực vật C3 và CAM. 3. Con đường quang hợp của thực vật CAM 3.1. Chu trình thực vật CAM Một số thực vật sống trong