II. KHÂI NIỆM VỀ TÍCH CHẤT HAI GIAI ĐOẠN CỦA QUANG HỢP.
2. Pha tối của quang hợp
Qua hình 5.8 chúng ta thấy rằng trín cùng một biểu đồ trình băy cả hai pha của quang hợp – pha sâng vă pha tối – vă cho thấy mối quan hệ giữa chúng.
Đường được hình thănh trong quang hợp trở thănh một chất dinh dưỡng, từ đó với sự tham gia của câc yếu tố dinh dưỡng khóang tham gia tổng hợp câc hợp chất hữu cơ quan trọng khâc để nuôi cđy, giúp cđy sinh trưởng vă phât triển.
NADP.H vă ATP hình thănh trong pha sâng của quang hợp được lục lạp sử dụng để tổng hợp carbohydrate vă câc hợp chất hữu cơ khâc. Câc quâ trình tổng hợp năy không cần ânh sâng nín được gọi lă pha tối của quang hợp. Người ta đê phât hiện được rằng pha tối của quang hợp bao gồm một số con đường khâc nhau, trong đó quan trọng nhất lă chu trình Calvin (con đường C3) că chu trình Hatch – Slack (con đường C4).
a/ Chu trình Calvin.
Sau nhiều năm nghiín cứu (1946-1961) Melvin Calvin thuộc trường đại học Berkeley (Hoa kỳ) với công cụ chủ yếu lă 14O2 đê tìm ra một trật tự câc phản ứng cố định CO2 trong quang hợp mă ngăy nay chúng ta gọi lă chu trình Calvin.Chu trình năy còn được gọi lă con đường C3 do sản phẩm được hình thănh đầu tiín lă ột hợp chất 3 carbon – acid 3-phosphoglyceric. Toăn bộ chu trình bao gồm câc phản ứng sau đđy:
E1
1/ 6CO2 + Ribuloso-1,5-di (P) ⎯→ 12 Acid 3-Phosphoglyceric E2
2/ 12 Acid 3-(P)-glyceric + 12ATP ⎯→ 12 Acid 1,3-Di(P)-glyceric+ 12 ADP E3
3/ 12 Acid 1,3-Di(P)-glyceric + 12NADP.H + 12 H+⎯→ ⎯→12 Glyceraldehyde-3-(P) + 12NADP+ + 12Pvc E4 4/ 5 Glyceraldehyde-3-(P) ⎯→ 5 Dioxyacetone-phosphate E5 5/ 3 Glyceraldehyde-3-(P) + 3 Dioxyacetone-phosphate ⎯→ ⎯→ 3 Fructoso-1,6-di(P) E6 6/ 3 Fructoso-1,6-di(P) ⎯→ 3 Fructoso-6-(P) + 3Pvc E7 7/ Fructoso-6-(P) ⎯→ Glucoso-6-(P) E8 8/ Glucoso-6-(P) + H2O ⎯→ Glucose + Pvc E9 9/ 2 Fructoso-6-(P) + 2 Glyceraldehyde-3-(P) ⎯→ ⎯→ 2 Xyluloso-5-(P) + 2 Erytroso-4-(P) E5 10/ 2 Erytroso-4-(P)+ 2 Dioxyacetone-phosphate ⎯→ ⎯→ 2 Cedoheptuloso-1,7-di(P) E10 11/ 2 Cedoheptuloso-1,7-di(P) + 2H2O ⎯→ ⎯→ 2 Cedoheptuloso-7-(P) + 2 Pvc E
12/ 2 Cedoheptuloso-7-(P) + 2 Glyceraldehyde-3-(P) ⎯→ ⎯→ 2 Riboso-5-(P) + 2 Xyluloso-5-(P) E11 13/ 2 Riboso-5-(P) ⎯→ 2 Ribuloso-5-(P) E12 14/ 4 Xyluloso-5-(P) ⎯→ 4 Ribuloso-5-(P) E13
15/ 6 Ribuloso-5-(P) + 6 ATP ⎯→ 6 Ribuloso-1,5-di(P) + 6 ADP Enzyme xúc tâc chuỗi phản ứng trín đđy bao gồm:
E1: Ribulosophosphate carboxylase (Ribulosophosphate carboxydismutase) E2: Phosphoglycerate kinase E3: Glyceraldehydephosphate dehydrogenase E4: Triosophosphate isomerase E5: Aldolase E6: Fructosodiphosphatase E7: Hexosophosphate isomerase E8: Glucoso-6-phosphatase E9: Trancetolase E10: Phosphatase E11: Isomerase E12: Epimerase E13: Phosphoribokinase
Phương trình tổng quât của toăn bộ chu trình lă:
6CO2 + 18ATP + 12NADP.H + 12H+⎯→ Hexose + 18ADP + + 18Pvc + 12NADP+ + 6O2
b/ Chu trình Hatch – Slack
Văo những năm 1960 hai nhă bâc học M.D. Hatch (người Uùc) vă Slack (người Anh) đê phât hiện một cơ chế sinh hóa ở cđy mía vă một số thực vật nhiệt đới khâc, trong đó sản phẩm đầu tiín của quâ trình khử CO2 lă một hợp chất 4 carbon – acid oxaloacetic. Chu trình năy vì vậy được gọi lă con đường C4 trong quang hợp. Nó có dạng như mô tả trong hình 5.9.
Ở những thực vật có con đường C4 (gọi tắt lă cđy C4) hoạt tính enzyme PEP- carboxylase – enzyme then chốt của chu trình C4 – cao gấp 20 lần so với cđy C3. Lợi thế của cđy C4 lă ở chỗ bằng câch tổng hợp oxaloacetate vă malate chúng dự trũ được CO2 trong tế băo, nhờ đó chúng có thể thực hiện được quang hợp trong lú khí khổng đóng do nhiệt độ môi trường quâ cao để hạn chế thoât hơi nước. Vì lý do năy mă thực vật C4 thường có tính chịu hạn cao. Một nĩt ưu việt khâc của thực vật C4 lă hạn chế được tâc hại của quang hô hấp mă ở thực vật C3 thường thiíu đốt mật khoảng 50% sản phẩm trung gian của chu trình Calvin.
Nguyín nhđn của hiện tượng quang hô hấp lă do ribulosophosphate carboxylase vốn xúc tâc phản ứng đầu tiín của chu trình Calvin trong điều kiện hăm lượng CO2 thấp có thể chuyển sang xúc tâc phản ứng oxy hóa ribulosophosphate. Nhiệt độ cao của môi trường cũng tạo điều kiện thuận lợi cho
quâ trình oxy hóa năy. Sự oxy hóa năy không dẫn đến hình thănh ATP nín câc chất hữu cơ bị thiíu đốt một câch vô ích.
E5
CH2 CO2 COOH COOH CH3 C-O~(P) Mg2+ CH2 NADP.H + H+ CH2 NADP+ C=O COOH E1 C=O E2 CHOH E3 COOH
COOH COOH
Phosphoenolpyruvate Oxaloacetate Malate Pyruvate
E4
CO2
E1: PEP-Carboxylase; E2: Malate dehydrogenase E3: Malicoenzyme; E4: PEP-Carboxykinase;
E5: Phosphopyruvate synthase CHU TRÌNH CALVIN
Hình 5.9. Chu trình Hatch – Slack
Ở thực vật C4 nhờ đặc điểm giải phẩu của lâ đê góp phần ngăn ngừa được tâc hại của quang hô hấp. Ở thực vật C3 câc tế băo bao bọc xung quanh bó mạch không chức lục lạp, do đó quang hợp chỉ xảy ra trong câc tế băo thịt lâ. Hơn thế nữa, tế băo thịt lâ không tiếp xúc chặt chẽ với bó mạch. Trong khi đó ở thực vật C4 câc tế băo bao bọc xung quanh bó mạch rất giău lục lạp, đồng thời tế băo thịt lâ (cũng chứa lục lạp) có xu hướng bao bọc xung quanh câc tế băo bao ọc bó mạch. Đâng chú ý lă trong hai loại tế băo năy cấu trúc của lục lạp khâc nhau vă hai loại lục lạp thực hiện hai chức năng khâc nhau: trong tế băo thịt lâ chủ yếu xảy ra chu trình C4
để tích lũy CO2. Sau đó sản phẩm của chu trình C4 được đưa văo tế băo bao bọc bó mạch, tại đó chúng bị decarboxyl hóa để giải phóng CO2 phục vụ cho chu trình Calvin. Như vậy, nhờ chu trình C4 mă nồng độ CO2 trong tế băo bao bọc bó mạch luôn ở mức cao, lăm cho oxy không thể cạnh tranh với nó tại trung tđm hoạt động của enzyme RDP-carboxylase.
c/ Con đường carbon ở thực vật CAM.
Ngoăi câc con đường C3 vă C4, ở một cố thực vật mọng nước như dứa, xương rồng vă nhiều cđy khâc sống ở vùng sa mạc, có tín gọi chung lă thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism), còn có một con đường cố định CO2 khâc. Con đường năy cũng cho phĩp thực vật thích nghi với điều kiện khô nóng kĩo dăi. Tuy nhiín, nếu ở thực vật C4 câc cơ chế cố định CO2 khâc nhau được phđn biệt về mặt không gian, thì ở nhóm thực vật năy được phđn biệt về mặt thời gian. Quâ trình carboxyl-hóa sơ cấp xảy ra văo ban đím, trong đó acid phosphoenol-pyruvic kết hợp với CO2 để tạo ra acid malic. Văo ban ngăy, trong điều kiện khí khổng đóng, CO2 được giải phóng để tham gia chu trình Calvin.
Sự khẳng định trực tiếp rằng đồng hóc khí carbonic lă kết quả của phản ứng tối của quang hợp được thực hiện bởi Calvin vă câc ộng tâc viín của ông tại trường
đại học Bercli tại Californy. Calvin xuất phât từ giả thuyết rằng khí carbonic chuyển hóa thănh carbohydrate do kết quả của một lọat câc phản ứng hóa học riíng biệt.Ông cho rằng nếu có thể dừng lại quâ trình năy “giữa đường” thì sẽ có thể thu nhận câc hợp chất trung gian. Chúng sẽ chức carbon phóng xạ vă sẽ dễ dăng phđn biệt chúng với câc hợp chất chứa carbon khâd trong tế băo. Nếu tâch vă nhận biết câc hợp chất trung gian “đânh dấu” năy bằng phương phâp sắc ký trín giấy hoặc bằng câc phương tiện khâc, thì có thể theo dõi con đường cùa carbon từ khí carbonic đến carbohydrate.
Câch lăm năy đê cho câc kết quả tuyệt với. Khi câc tế băo quang hợp chịu tâc động của khí carbonic phóng xạ chỉ trong văi giđy, hầu như tất cả carbon đều chuyển hóa thănh một hợp chất 3C – acid phosphoglyceric. Chúng ta biết rằng acid năy được thu nhận khi phđn hủy glucose trong quâ trình lín men. Tiếp theo, bằng thực nghiệm Calvin cho thấy rằng sự hình thănh acid phosphoglyceric lă kết quả của một trong câc lọat phản ứng chuyển hóa khí carbonic thănh glucose. Tập hợp câc phản ứng năy được gọi lă chu trình carbon, hay chu trình Calvin. Những nĩt cơ bản của cghu trình năy được trình băy trong hình 1.5: 1/ CO2 đi văo chu trình, vă khi phản ứng với một hợp chất 5 carbon (5C), tạo ra một sản phẩm trung gian 6C không bền vững, chất năy sau đó phđn giải thănh hai phđn tử acid 3-phosphoglyceric (3C). 2/ Do kết quả của quang hợp, một phần câc hợp chất 3C chuyển hóa thănh đường glucose, phần còn lạiđược sử dụng để phục hồi hớp chất 5 carbon (5C) để tiếp tục tương tâc ở giai đọan tiếp theo của chu trình. Để chuyển hóa khí carbonic thănh glucose cần 12 phản ứng enzyme khâc nhau. Hơn thế nữa, tư tưởng “quâ trình tối” về cơ bản lă đúng, vì tất că câc phản ứng năy xảy ra không phụ thuộc ânh sâng. Vì vậy, chúng ta gọi chúng lă giai đọan tối của quang hợp.
Trín đđy chúng ta chưa níu vấn đề lă để tạo ra câc hợp chất hữu cơ từ khí carbonic cần phải chi dùng năng lượng. Để chu trình Calvin xảy ra bình thường cần phải liín tục cung cấp năng lượng. Năng lương năy được cung cấp bời hai chất lă ATP (adenosine triphosphate) vă NADPH (nicotinamide adenie dinucleotide phosphate khử). ATP được gọi lă hợp chất cao năng, cung cấp năng lượng cho một số phản ứng cần dùng năng lượng của chu trình Calvin, còn NADPH lăm nhiệm vụ như một chất khử giảu năng lượng, nguồn cung cấp điện tử vă hydro cho CO2 để khử chất năy trong chu trình Calvin thănh glucose.