X. QUANG HỢP 10 3-
3. Vai trò cụa naíng lượng ánh sáng đôi với quang hợp 10 5-
Pha sáng cụa quang hợp bao goăm hai quá trình lieđn quan maơt thiêt với nhau: vaơn chuyeơn đieơn tử và phosphoryl-hóa. Môi quan heơ này tương tự như môi quan heơ giữa các quá trình xạy ra tređn màng ty theơ. Sự khác bieơt ở đađy là ở choê dòng đieơn tử chuyeơn ngược với gradient thê khử tieđu chuaơn. Sở dĩ có dòng đieơn tử ngược này là nhờ khạ naíng cụa chlorophyll hâp thú naíng lượng ánh sáng.
a/ Ánh sáng và chlorophyll.
Ánh sáng chư bao goăm moơt phaăn nhỏ cụa quang phoơ bức xá đieơn từ (hình IX.11). Moêi lối bức xá được đaịc trưng bởi bước sóng và sức chứa naíng lượng. Hai đaịc trưng này có tương quan nghịch với nhau: bước sóng càng dài sức chứa naíng lượng càng nhỏ. Trong phám vi moơt dại hép mà maĩt người nhìn thây được các sóng ánh sáng ngaĩn nhât gađy cạm giác màu tím và dài nhât - màu đỏ.
Phaăn lớn naíng lượng maịt trời được bức xá ở dáng photon (lượng tử). Naíng lượng cụa photon được tính baỉng cođng thức:
C 286.000
E = Nh√ = Nh ––– = ––––––––– KCal λ λ
trong đó E là naíng lượng tính baỉng KCal cụa moơt "mol photon", hay moơt enstein; N là sô Avogadro (baỉng 6,023.1023 ); √ là taăn sô (sô dao đoơng cụa sóng đieơn từ trong 1 giađy); h là haỉng sô Plank (baỉng 1,58 x 10-34 Calo/s; C là tôc đoơ ánh sáng (baỉng 3.1010 cm/s); λ là bước sóng ánh sáng đo baỉng Ơ.
Từ cođng thức tređn có theơ tính được naíng lượng trung bình cụa các tia sáng nhìn thây như sau: tia đỏ: 40,86KCal/enstein; tia vàng: 47,67 KCal/enstein; tia xanh: 57,20 KCal/enstein và tia tím: 71,50 KCal/enstein.
Hình IX.11 Các boơ phaơn cụa quang phoơ đieơn từ
HÌNH IX.12. QUANG PHOƠ HÂP THÚ(A)
VÀ QUANG PHOƠ HOAT ĐOƠNG (B)CỤA
Khạ naíng cụa tê bào quang hợp sử dúng ánh sáng với lối bước sóng nào là phú thuoơc vào sự có maịt cụa các saĩc tô quang hợp. Trong sô các saĩc tô quang hợp này quan trĩng nhât là chlorophyll. Baỉng cách xác định quang phoơ hâp thú có theơ biêt moêi lối saĩc tô quang hợp hâp thú nhieău nhât những tia nào. Hình IX.12A giới thieơu quang phoơ hâp thú cụa chlorophyll
a, chlorophyll b và carote-noid. Ta có theơ thây rõ chlorophyll a hâp thú chụ yêu các tia với các bước sóng tím, lam và đỏ. Các tia
lúc, vàng và da cam chư được chlorophyll a hâp thú rât ít. Moơt sô vùng cụa quang phoơ maịc dù được chlorophyll hâp thú raẫt ít, nhưng văn có hieơu lực khá cao đôi với quang hợp, làm cho phoơ hốt đoơng cụa quang hợp được nới roơng (hình IX.12B). Đó là do các tia tái những vùng quang phoơ này được các saĩc tô khác hâp thú (carotenoid và các dáng chlorophyll khác) và chuyeơn naíng lượng cho chlorophyll a. Những saĩc tô phú trợ này đã làm cho thực vaơt sử dúng ánh sáng với bước sóng đa dáng hơn là những tia chư được chlorophyll hâp thú.
Trong lúc láp cụa tê bào quang hợp ở cađy xanh chlorophyll và các saĩc tô quang hợp phú trợ được saĩp xêp thành nhóm chức naíng gĩi là các đơn vị quang hợp. Moêi đơn vị quang hợp chứa khoạng 300 phađn tử saĩc tô bao goăm chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid v.v... Trong sô các phađn tử saĩc tô này cụa moêi đơn vị quang hợp có moơt phađn tử saĩc tô khác bieơt với tât cạ các phađn tử còn lái. Đó là moơt dáng đaịc bieơt cụa chlorophyll a hốt đoơng như moơt trung tađm phạn ứng. Các phađn tử saĩc tô khác hốt đoơng như những anten thu nhaơn naíng lượng ánh sáng.
HÌNH IX.13. SƠ ĐOĂ MOĐ TẠ CÁC MỨC ĐOƠ KÍCH
ĐOƠNG ĐIEƠN TỬ KHÁC NHAU TRONG PHAĐN TỬ
Khi moơt photon tác đoơng leđn moơt phađn tử chlorophyll và được hâp thú, naíng lượng cụa nó được chuyeơn cho moơt đieơn tử cụa phađn tử saĩc tô, làm cho đieơn tử bị kích đoơng này chuyeơn leđn mức naíng lượng cao hơn và tương đôi khođng oơn định (hình IV.13). Khođng phại photon nào cũng làm được vieơc này, bởi vì các đieơn tử có những mức naíng lượng xác định. Photon caăn phại có đụ naíng lượng mới có theơ kích đoơng đieơn tử cụa saĩc tô từ tráng thái cơ bạn leđn moơt mức naíng lượng cao hơn nào đó. Các photon này còn được gĩi là exiton . Khođng phại mĩi đieơn tử đeău đòi hỏi moơt giá trị naíng lượng như nhau đeơ được nađng leđn mức kích đoơng. Ví dú, moơt đieơn tử từ mức đoơ cơ bạn thâp hơn (hình IX.13B) cũng có theơ bị kích đoơng leđn cùng mức naíng lượng M (như trong hình IX.13A) nhờ moơt photon với naíng lượng tương ứng đeơ sau đó tham gia vào quá trình quang hợp. Photon giàu naíng lượng hơn và bước sóng ngaĩn hơn này
đái dieơn cho vùng tím-lam cụa quang phoơ hâp thú, trong khi photon nghèo naíng lượng hơn trong trường hợp A đái dieơn cho vùng đỏ.
Đieơn tử bị kích đoơng, và do đó khođng beăn, sẽ tự quay veă tráng thái cơ bạn cụa nó haău như ngay tức khaĩc và giại phóng naíng lượng hâp thú được. Chlorophyll chiêt xuât trong ông nghieơm nhanh chóng đeơ mât naíng lượng mà nó chiêm giữ được baỉng cách phát lái ở dáng ánh sáng huỳnh quang. Đó là vì các phađn tử chlorophyll tách bieơt khỏi đơn vị quang hợp khođng còn khạ naíng biên hóa naíng lượng ánh sáng thành naíng lượng hóa hĩc. Nhưng trong lúc láp, khi mà naíng lượng ánh sáng đã nađng moơt đieơn tử trong moơt phađn tử anten leđn mức naíng lượng cao hơn, tráng thái kích đoơng sẽ được chuyeơn từ phađn tử saĩc tô này đên phađn tử saĩc tô khác và cuôi cùng đát đên phađn tử saĩc tô trung tađm (băy exiton) đeơ bị phađn tử saĩc tô này chiêm đốt. Tráng thái kích đoơng bị chiêm đốt tái đađy là nhờ naíng lượng caăn đeơ kích đoơng phađn tử saĩc tô trung tađm thâp hơn so với naíng lượng caăn đeơ kích đoơng các phađn tử saĩc tô anten.
Như vaơy, moêi khi tráng thái kích đoơng đát tới trung tađm phạn ứng, nó khođng deê gì trôn thoát được. Trong phađn tử saĩc tô trung tađm ở tráng thái kích đoơng đieơn tử giàu naíng lượng khođng quay veă tráng thái cơ bạn như trong các saĩc tô khác, thay vào đó nó được chuyeơn cho moơt phađn tử chât nhaơn và đi qua moơt lốt các phạn ứng enzyme đeơ tích lũy naíng lượng này trong NADP.H và ATP.
b/ Khái nieơm veă hai heơ thông quang hóa và hai kieơu phạn ứng sáng.
Nhieău dăn lieơu thực nghieơm cho thây trong quá trình quang hợp ở thực vaơt baơc cao toăn tái hai lối phạn ứng sáng.
Trong lúc láp cụa thực vaơt có hai lối chlorophyll khác nhau, trong khi đó ở vi khuaơn quang hợp, mà quá trình quang hợp xạy ra khođng kèm theo giại phóng oxy, thì chư có moơt lối chlorophyll. Hơn thê nữa, các thí nghieơm cụa Emerson cho thây raỉng hieơu suât quang hợp cụa thực vaơt trong vùng ánh sáng đỏ keơ từ bước sóng 680nm trở leđn giạm sút nhanh chóng. Tuy nhieđn, nêu đoăng thời với các tia 680nm chiêu tê bào baỉng các tia có bước sóng ngaĩn hơn (λ = 650nm) thì hieơu suât quang hợp đôi với tia 680nm lái được khođi phúc đên giá trị bình thường. Đaịc bieơt là cường đoơ quang hợp khi chiêu đoăng thời hai lối tia 680 và 650nm sẽ có giá trị lớn hơn so với toơng giá trị cường đoơ quang hợp khi hai lối tia này được chiêu rieđng bieơt. Tređn cơ sở đó người ta cho raỉng đeơ đát hieơu suât quang hóa cao nhât, caăn phại xạy ra đoăng thời hai lối phạn ứng sáng khác nhau, mà cơ sở cụa hai lối phạn ứng này là hai heơ thông quang hóa khác nhau toăn tái trong lúc láp cụa thực vaơt baơc cao.
Phạn ứng được cạm ứng bởi các tia có bước sóng dài lieđn quan với chlorophyll a và được thực hieơn bởi quang heơ thông I. Trong khi đó oxy đuợc giại phóng trong trong các phạn ứng do quang heơ thông II thực hieơn với sự tham gia cụa cạ hai chlorophyll và các saĩc tô quang hợp khác (carotenoid và phycobilin). Hốt đoơng cụa hai lối phạn ứng này lieđn quan với các tia có bước sóng ngaĩn hơn. Tât cạ các tê bào quang hợp giại
phóng oxy đeău phại có hai heơ thông quang hóa, còn vi khuaơn chư có heơ thông quang hóa I. Trong quá trình tiên hóa có lẹ heơ thông quang hóa I xuât hieơn trước.
Heơ thông quang hóa II xuât hieơn sau cùng với khạ naíng sử dúng nước làm chât khử và do đó dăn đên giại phóng oxy.
Moêi heơ thông quang hóa có taơp đoàn saĩc tô đaịc trưng trong màng thylacoid cụa lúc láp. Đơn vị tiêp nhaơn ánh sáng cụa heơ thông quang hóa I chứa gaăn 200 phađn tử chlorophyll a và gaăn 50 phađn tử carotenoid, trong đó moơt phađn tử chlorophyll a duy nhât thực hieơn chức naíng cụa băy exiton (tức saĩc tô trung tađm, ký hieơu là P 700 ). Heơ thông quang hóa II chứa khoạng 200 phađn tử chlorophyll a và 200 phađn tử chlorophyll b, c hoaịc d, tùy thuoơc từng lối cơ theơ. Ngoài ra ở moơt sô tạo còn có phycobilin. Trung tađm cụa heơ thông quang hóa này cũng là moơt phađn tử chlorophyll a ký hieơu là P 680 .
Cạ hai lối phạn ứng sáng đeău dăn đên toơng hợp ATP. Sự khác nhau giữa chúng theơ hieơn ở đaịc đieơm cụa dòng đieơn tử. Tređn cơ sở cụa dòng đieơn tử mà moơt trong hai cơ chê toơng hợp ATP được gĩi là quang phosphoryl-hóa có tính chu kỳ, còn cơ chê kia được gĩi là quang phosphoryl-hóa khođng có tính chu kỳ.
• Quang phosphoryl-hóa có tính chu kỳ.
Quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ, như mođ tạ trong hình IX.14, lieđn quan với dòng đieơn tử kín. Hốt đoơng cụa dòng đieơn tử này chư lieđn quan với heơ thông quang hóa I. Saĩc tô trung tađm cụa heơ thông (P700) sau khi bị kích đoơng bởi naíng lượng cụa photon do các phađn tử saĩc tô anten chuyeơn đên, thê khử tieđu chuaơn cụa nó được nađng leđn + 0,4V leđn - 0,6V, do đó trở thành moơt chât khử khá mánh. Phađn tử chât nhaơn đaău tieđn đeơ nó chuyeơn đieơn tử giàu naíng lượng đên là moơt enzyme chứa saĩt và lưu huỳnh (FeS). Chât này bị khử và P700 bị oxy-hóa trong quá trình vaơn chuyeơn đieơn tử này. Đieơn tử sau đó tiêp túc được vaơn chuyeơn qua moơt lốt enzyme tređn màng thylacoid cụa lúc láp. Cuôi cùng đieơn tử được chuyeơn cho plastocyanin (PC), tái đó nó chờ đeơ được lâp vào choê trông và chu trình được khép kín.
Hình IX.14. Quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ.
Khi đieơn tử giàu naíng lượng rời khỏi phađn tử P700, nó có mức naíng lượng cao; khi quay veă, nó trở neđn nghèo naíng lượng. Sự giạm sút naíng lượng này xạy ra daăn daăn. Khi đieơn tử chuyeơn từ chât vaơn chuyeơn này đên chât vaơn chuyeơn khác trong chuoêi, nó giại phóng moơt phaăn naíng lượng, làm cho gradient naíng lượng giạm từng bước từ tráng thái kích đoơng xuông tráng thái cơ bạn, moêi bước giạm moơt phaăn với mức đoơ sao cho tê bào sử dúng moơt cách thuaơn lợi. Moơt phaăn trong sô naíng lượng này được dùng đeơ toơng hợp ATP theo cơ chê hóa thaơm thâu.
Veă khía cánh naíng lượng, cơ chê phosphoryl-hóa có tính chu kỳ có hieơu quạ khođng lớn. Trong sô khoạng 25KCal/mol naíng lượng thu nhaơn được do kích đoơng P700 chư có phaăn naíng lượng giại phóng khi đieơn tử đi từ plastoquinon (PQ) đên cytochrome f (Cyt f) với mức 3,4KCal/mol là thực sự có ích cho tê bào. Đeơ khaĩc phúc tính hieơu qụa kém này, trong quá trình tiên hóa đã xuât hieơn moơt cơ chê quang phosphoryl-hóa khác - quang phosphoryl-hóa khođng có tính chu kỳ.
• Quang phosphoryl-hóa khođng có tính chu kỳ.
Quang phosphoryl-hóa khođng có tính chu kỳ lođi cuôn sự tham gia cụa cạ hai heơ thông quang hóa. Cơ chê cụa nó được mođ tạ trong hình IX.15. Giông như quang phosphoryl-hóa có tính chu kỳ, ở đađy quá trình cũng được baĩt đaău khi moơt photon tác đoơng leđn phađn tử chlorophyll anten và sau đó kích đoơng P700. Chât nhaơn đieơn tử từ P700 là FeS và feredoxin (Fd). Nhưng ở đađy kêt thúc sự giông nhau giữa hai con đường. Thay vì tiêp
túc rơi xuông theo mách kín, đieơn tử được chuyeơn từ Fd cho moơt enzyme phú thuoơc flavin (FP). Sau đó FP chuyeơn đieơn tử nhaơn được cho moơt chât nhaơn quang trĩng là NADP+ đeơ khử chât này thành NADP.H. Các phađn tử anten và P700 cụa trung tađm phạn ứng cùng với chuoêi vaơn chuyeơn đieơn tử từ FeS đên FP là thành phaăn câu táo cụa heơ thông quang hóa I.
Các phađn tử NADP.H sau đó được dùng đeơ khử CO2 trong
pha tôi cụa quang hợp đeơ toơng hợp glucose và các hợp chât hữu cơ khác. Như vaơy, ở đađy dòng đieơn tử đi tử P 700 qua chuoêi vaơn chuyeơn đên NADP+ roăi cuôi cùng đên glucose. Moơt phaăn naíng lượng giại phóng trong chuoêi vaơn chuyeơn đieơn từ này cũng được sử dúng đeơ toơng hợp ATP.
Do các đieơn tử giàu naíng lượng cụa P700 bị giữ lái trong NADP.H và cuôi cùng đưa vào glucid, neđn saĩc tô này bị thiêu hút đieơn tử. Những "hô đieơn tử" này được lâp moơt cách gián tiêp nhờ các đieơn tử lây từ nước nhờ hốt đoơng cụa quang heơ thông II.
Khi ánh sáng với bước sóng tương ứng tác đoơng leđn moơt saĩc tô anten cụa quang heơ thông II, naíng lượng được chuyeơn cho saĩc tô trung tađm P680. Phađn tử này đên lượt mình sẽ nhường đieơn tử giàu naíng lượng cho moơt chât nhaơn ký hieơu là Q. Sau đó Q chuyeơn đieơn tử cho moơt chuoêi chât nhaơn giông như trong phosphoryl-hóa có tính chu kỳ, từng bước làm giạm gradient naíng lượng đên mức cụa "hô đieơn tử" trong P700 cụa heơ thông quang hóa I. Khi đieơn tử di chuyeơn từ tređn xuông dĩc theo chuoêi, moơt phaăn naíng lượng giại phóng cũng được tê bào sử dúng đeơ toơng hợp ATP. Như vaơy, các "hô đieơn tử" xuât hieơn trong biên cô ánh sáng thứ nhât được lâp baỉng các đieơn tử di chuyeơn từ heơ thông quang hóa II đên nhờ biên cô ánh sáng thứ hai. Lúc này, các đieơn tử từ nước baĩt đaău thực hieơn vai trò cụa mình. P680 do mât đieơn tử neđn trở thành moơt chât oxy-hóa mánh. Nhờ sự hoê trợ cụa moơt phức heơ enzyme ký hieơu là Z, nó thực hieơn sự cuôn hút đieơn tử từ nước, đeơ lái đàng sau các ion H+ và oxy phađn tử:
2H2 O ⎯⎯⎯⎯→ 4e- + 4H+ + O2 đên với P 680
Nhờ phạn ứng này, oxy được giại phóng từ nước như moơt sạn phaơm phú. Các ion H+ cũng đóng vai trò quan trĩng cụa mình trong vieơc toơng hợp ATP.