II. Khâi niệm về tích chất hai giai đoạn của quang hợp 5 9-
1. pha sâng của quang hợp 6 0-
a/ Trong quang hợp cĩ sự tham gia của câc phản ứng sâng vă câc phản ứng tối.
Câc nhă khoa học phât hiện được những chất tham gia vă được tạo thănh trong quâ trình quang hợp vẫn khơng trả lời được một cđu hỏi quan trọng lă: câi gì xảy ra với năng lượng ânh sâng do thực vật hấp thụ trong quâ trình năy. Cần nhớ rằng năng lương khơng thể tự nĩ xuất hiện vă mất đi. Nĩ chỉ cĩ thể chuyển từ dạng năy sang dạng khâc.
Đê phât hiện được rằng câc hợp chất hữu cơ – sản phẩm của quang hợp - cĩ
mức năng lượng cao hơn mức năng lương của CO2 vă nước lă câc nguyín liệu để
tạo ra chúng. Phần năng lượng hĩa học dư thừa chỉ cĩ thể được thu nhận do kết quả tâc động của ânh sâng. Như vậy, quang hợp lă quâ trình biến hĩa năng lượng ânh sâng thănh năng lượng hĩa học.
Quang hợp lă một lọai cầu nối giữa năng lượng mặt trời vă dạng năng lượng cần cho sự sống trín trâi đất. Khơng cĩ câc quâ trình năo khâc trong tế băo cĩ thể sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Nĩ chỉ cĩ thể được sử dụng sau khi được biến hĩa thănh năng lượng hĩa học. Sự biến hĩa năy được thực hiện trong câc cơ thể cĩ khả năng quang hợp. Chúng hấp thụ năng lượng mặt trời vă sử dụng nĩ để gắn câc nguyín tử của nước vă khí carbonic với nhau để tạo ra câc liín kết hĩa học cĩ mức năng lượng cao hơn.Vâc sản phẩm của sự “gắn bĩ” năy lă tạo ra oxy vă câc hợp chất hữu cơ cần thiết để đâp ứng nhu cầu năng lượng của thực vật vă động vật.
Sau khi đê xâc định được câi gì xảy ra trong quang hợp, câc nhă khĩa học bắt đầu tìm hiểu quâ trình năy xảy ra như thế năo.
Câc quâ trình bín trong của quang hợp mơ tả trong câi hộp hìinh chữ nhật của hình 5.1 vẫn cịn nhiều điều bí ẩn. Cần phải lăm sâng tỏ những điều bí ẩn năy. Câc phât hiện đầu tiín về nội dung của câi hộp năy đê được nhă khoa học người Anh F.F. Blecman phât hiện văo năm 1905. Ơng bắt đầu nghiín cứu ảnh hưởng của độ
chuyển bởi năng lượng ânh sâng nín ở cường độ ânh sâng cao hơn quâ trình tổng hợp sẽ xảy ra nhanh hơn. Khi Blecman đo vă xđy dựng đường biểu diễn tốc độ quang hợp ở câc cường độ ânh sâng khâc nhau, ơng đê ghi nhận được sự phụ thuộc mơ tả trong hình 5.2. Ở câc cường độ ânh sâng ban đầu tương đối thấp khi tăng cường độ ânh sâng thì tốc độ quang hợp sẽ tăng. Tuy nhiín, ở câc giâ trị cao của cường độ ânh sâng sẽ dẫn đến một giâ trị giới hạn. Tiếp tục tăng cường độ ânh sâng sẽ hầu như khơng lăm tăng tốc độ quang hợp nữa.
Sau đĩ Blecman nghiín cứu ảnh hưởng phối hợp của nhiệt độ vă ânh sâng lín quang hợp (hình 5.3) vă phât hiện được rằng ở nhiệt độ giữa 30 vă 40oC cùng với việc tăng nhiệt độ tốc độ của quang hợp sẽ giảm khơng phụ thuộc văo cường
độ ânh sâng. Nhưng trong khoảng 0-30oC việc tăng nhiệt độ dẫn đến câc kết quả
khâc nhau liín quan với cường độ ânh sâng.
Ở câc cường độ ânh sâng thấp tăng nhiệt độ hầu như khơng ảnh hưởng đến quang hợp. Ngược lại, ở cường độ ânh sâng cao tăng nhiệt độ lăm tăng đâng kể tốc độ quang hợp.
Xuất phât từ câc kết quả thí nghiệm của mình Blecman đi đền kết luận rằng trong quang hợp cĩ sự tham gia của câc phản ứng sâng vă tối. Nĩi chung, phản ứng tối cĩ thể xảy ra hoặc khơng xảy ra trong tối. Câc phản ứng năy được gọi lă phản ứng tối với ý nghĩa chúng cĩ thể xảy ra mă khơng cần đến ânh sâng. Blecman đê kết luận rằng, khi trong câc thí nghiệm của mình cường độ chiếu sâng chưa đủ thì tốc độ quang hợp hoăn toăn được xâc định bởi chính cường độ ânh sâng. Khi chiếu sâng chưa đủ, việc tăng nhiệt độ khơng thể đẩy mạnh tốc độ quang hợp. Ở những cường độ ânh sâng đủ lớn để duy trì phản ứng sâng, tốc độ quang hợp sẽ được xâc định chủ yea bởi tốc độ xảy ra câc phản ứng enzyme tong tối.
Khâi niệm theo đĩ cho rằng trong quang hợp cĩ sự tham gia của phản ứng tối lă hoăn toăn mới. Bđy giờ câc nhă khoa học đê cĩ thể phât hiện được phần đĩng gĩp trong quang hợp của câc phản ứng sâng vă của câc phản ứng khơng phụ thuộc ânh sâng.
b/ Trong phản ứng sâng cĩ sự tham gia của nước.
Trong quang hợp cĩ hai chất bị phđn hủy lă H2O vă CO2. Cĩ thể cho rằng sự phđn hủy của một chất xảy ra trong phản ứng sâng, cịn sự phđn hủy của chất kia - trong câc phản ứng tối.
Vậy chất năo bị phđn hủy trong điều kiện năo?
Cĩ một thời gian câc nhă khoa học cĩ thiín hướng cho rằng ngịai ânh sâng
phđn hủy CO2. Quan điểm năy lần đầu tiín được đề xuất từ năm 1796. Trong vịng
nhiều năm sau đĩ nĩ trở nín rất hấp dẫn đối với câc nhă hĩa học với lý do lă nĩ cho phĩp giải thích dễ dăng sự hình thănh carbohydrate – sản phẩm chủ yếu của quang hợp.
Đến năm 1930 Van Hil đê đề xuất giả thuyết hoăn toăn ngược lại. Ơng nghiín cứu quang hợp ở vi khuẩn, trong đĩ oxy khơng được giải phĩng. Một số vi khuẩn cĩ khả năng quang hợp tạo ra carbohydrate từ CO2 vă H2S, chứ khơng phải
từ nước (H2O). Trong quang hợp của những vi khuẩn năy lưu hùynh lă sản phẩm
phụ. Kết quả lă nĩ được giải phĩng hoặc được tích lũy trong tế băo vi khuẩn. Trong trường hợp năy oxy khơng được giải phĩng.
So sânh phương trình quang hợp của vi khuẩn với phương trình quang hợp của
thực vật, Van Hil đi đến kết kuận rằng ânh sâng khơng phđn hủy CO2. Vì sao ơng
lại đi đến kết luận năy?
So sânh phương trình quang hợp của vi khuẩn CO2 + 2H2S → (CH2O) + 2S + H2O
với phương trình quang hợp của thực vật CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + 2H2O
dễ dăng thấy rõ lă phương trình quang hợp của thực vật cĩ một số thay đổi. – ở cả hai vế đều thím một phđn tử nước.
Câc phương trình quang hợp của vi khuẩn vă thực vật khâc nhau ở chỗ ở vế bín trâi thay cho nước lă sunfua hydro, cịn vế bín phải thay cho oxy (O2) lă hai nguyín tử lưu huỳnh (2S).
Van Hil đê kết luận rằng trong câc phản ứng sâng trong tế băo vi khuẩn phđn
hủy sunfua hydro chứ khơng phải CO2 vì kết quả lă giải phĩng lưu huỳnh chứ
khơng phải lă oxy.Ơng đê giả thuyết rằng câc phản ứng sâng trong quang hợp của thực vật vă vi khuẩn lă như nhau. Mă vì trong câc phản ứng sâng ở vi khuẩn phđn hủy sunfua hydro nín trong câc phản ứng sâng ở thực vật cần phải phđn hủy một
chất chứa hydro lă nước. Sau đĩ hydro tương tâc với CO2 vă tạo ra CH2O. Câc
nguyín tử khâc – oxy ở thực vật vă lưu huỳnh ở vi khuẩn – được giải phĩng như câc sản phẩm phụ.
Như vậy, Theo giả thuyết của Van Hil, chức năng của ânh sâng trong quang
hợp củ thực vật lă phđn hủy nước chứ khơng phải phđn hủy CO2. Giả thuyết năy
dẫn đến một số kết luận lý thú. Quang hợp của thực vật về bản chất lă vận chuyển hydro từ nước đến CO2. Trong trường hợp năy nước lă chất cho hydro, cịn CO2 lă chất nhận nĩ. Để tạo ra hai phđn tử nước cần bốn nguyín tử hydro cho mỗi phđn tử
CO2. Tịan bộ oxy giải phĩng trong quang hợp lă thu nhận được trong sự phđn hủy
nước chứ khơng phải phđn hủy CO2.
Vậy điều gì xảy ra trong câc phản ứng tối của quang hợp? Câc giả thuyết mới gắn liền câc phản ứng tối với sự phđn hủy CO2. Bđy giờ chúng ta cĩ thể cho rằng “hộp bí mật” trong hình 1.1 chứa đượng những điều bí ẩn của quang hợp được chia thănh hai hộp nhỏ:
a/ ”hộp sâng”, trong đĩ chứa đựng điều bí mật của việc phđn hủy nước bởi ânh sâng thănh oxy vă hydro;
b/ “Hộp tối” chứa bí mật của sự chuyển hĩa CO2 thănh carbohydrate.
Khoa học chỉ cĩ thể tiến lín phía trước khi năo câc giả thuyết được xâc minh bằng thực nghiệm. Giả thuyết của Van Hil dựa trín cơ sở sự giống nhau của quang hợp ở vi khuẩn vă ở thực vật. Xuất phât từ chỗ một số bộ phận của câc quâ trình năy giống nhau, ơng cho rằng, cĩ lẻ, cả câc bộ phận khâc cũng giống nhau. Câc nhă khoa học bắt đầu tìm kiếm câc khẳng định trực tiếp về giả thuyết năy. Họ muốn phât hiện thực ra câi gì xảy ra trong câc “hộp”. Bằng câch năo nước bị phđn hủy bởi ânh sâng? Hydro chuyển từ câc phản ứng sâng đến câc phản ứng tối như
thế năo? Bằng câch năo CO2 được chuyển hĩa thănh carbohydrate trong câc phản
ứng tối?
Năng lượng lấy từ đđu để tích lũy trong câc phđn tử ATP vă NADPH? Chúng ta đê biết rằng nĩ được cung cấp bởi ânh sâng trong quâ trình quang hợp. Như vậy, trong quang hợp năng lượng ânh sâng được biến hĩa thănh năng lượng hĩa học. ATP vă NADPH được tạo ra khơng phải trong câc phản ứng sâng riíng biệt mă do kết quả của hăng lọat câc phản ứng. Trật tự câc phản ứng năy được gọi lă “pha sâng” của quang hợp.
Hêy lưu ý rằng oxy cũng lă sản phẩm của quang hợp ở thực vật, nhưng nĩ khơng liín quan với câc phản ứng của chu trình Calvin. Vì vậy, cĩ thể mong đợi rằng oxy đượctạora cùng với ATP vă NADPH trong pha sâng của quang hợp.
Pha sâng của quang hợp cĩ tâc dụng thúc đẩy tịan bộ quâ trình quang hợp. Một chiếc ơ tơ di chuyển được nhờ năng lượng do động cơ tạo ra. Động cơ chiếc ơ tơ biến hĩa năng lượng hĩa học của chất đốt thănh năng lượng cơ học để quay bânh xe. Vậy “động cơ” của quang hợp thực hiện sự biến hĩa năng lượng ânh sâng thănh năng lượng hĩa học lă gì?
Cĩ thể giả thuyết một câch tự nhiín rằng “động cơ “ của quang hợp cĩ chứa chlorophyll vì, như đê nĩio ở trện, chlorophyll lă sắc tố sđầu tiín hấp thụ ânh sâng. Trong lât cắt của lâ dưới kính hiển vi chlorophyll trong tế băo được nhìn thấy chúng tham gia trong thănh phần của câc hạt riíng biệt. Những hạt năy được gọi lă lục lạp (chloroplast) .
Số lượng chloroplast trong câc tế băo quang hợp khơng cố định. Tế băo lâ chứa khỏang 20-100 chloroplast, cịn tảo đơn băo – chỉ từ 1 đến 2. Hình dạng của chloroplast cũng rất khâc nhau. Chloroplast của thực vật bậc cao thường cĩ dạng đĩa bề dăy khoảng 2 micron vă đường kính khoảng 5 micron. Nhờ kính hiển vi điện tử câc nhă sinh học đê cĩ thể biết được nhiều điều hơn về chloroplast, ví dụ thănh phần cấu tạo vă đặc điểm cấu trúc của chúng.
Tĩm lại. chloroplast lă “động lực” của quang hợp. Tương tự như chlorophyll, chúng chứa câc enzyme vă câc chất xúc tâc khâc cần cho sự chuyển hĩa năng lượng ânh sâng thănh năng lượng hĩa học. Trín thực tĩ toăn bộ quâ trình quang hợp ở thực vật xảy ra trong chloroplast. Vậy lăm sao đê xâc địch được quâ trình năy?.
Đê một trăm năm trơi qua câc nhă thực vật học cho rằng quang hợp, cĩ lẻ, chỉa xảy ra trong chloroplast, nhưng chứng minh điều năy trong một thời gian dăi khơng phải dễ dăng. Đến năm 1937, R. Hill. cộng tâc viín của trường đại học Cambridg của nước Anh, đê phât hiện được rằng, nếu lục lạp được tâch từ tế băo sống, chúng sẽ bắt đầu giải phĩng oxy. Dể điều năy xảy ra, chỉ cần một mơi trường chứa một số hợp chất của sắt. Phản ứng năy được gọi lă phản ứng Hill. Tuy nhiín, bản thđn nĩ chưa khẳng địng rằng câc chloroplast câch ly cĩ thể tạo ra carbohydrate từ khí carbonic. Mă thiếu câc dẫn chứng, câc nhă khoa học khơng thể tin tưởng được rằng quang hợp hịan tịan được thực hiện trong chloroplast.
Câc nghiín cứu tiết theo được thực hiện bởi Arnon vă những người cộng tâc. Họ đê tìm ra hai phât kiến quan trọng.
Thứ nhất lă ơng đê phât hiện được rằng câ chloroplast tâch rời trong ânh sâng quả thật chuyển hĩa khí carbonic thănh carbohydrate, vă thứ hai lă ơng đê xâc định được rằng câc chloroplast tâch rời cĩ thể tạo ra ATP ngoaØi ânh sâng thậm chí trong
ATP được gọi lă phosphoryl hĩa quang hợp). Chúng ta sẽ gọi quâ trình năy lă sự hình thănh ATP trong ânh sâng. Phương tình tương ứng cĩ thể được trình baqy như sau:
chloroplast
ADP + Pvc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ATP Ẫnh sâng
Đầu tiín cĩ thể tưởng rằng sự hình thănh ATP trong ânh sâng giải thích được nguồn gốc của toăn bộ ATP trong quang hợp. Trín thực tế sự hình thănh ATP trong ânh sâng chỉ lă một phần của tổng số hợp chất năy vốn được tạo ra trong quâ trình quang hợp. Sau một thời gian Arnon vă những người cộng tâc đê phât hiện được một kiểu phản ứng khâc, trong đĩ sự hình thănh ATP ngịai ânh sâng gắn liền vời sự hình thănh NADPH vă oxy phđn tử. Phương trình tổng quât của quâ trình năy cĩ thể được diễn đạt như sau:
chloroplast
2NADP + 2ADP + 2Pvc + 2H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 2NADPH + 2H+ + 2ATP +
2O2
Ẫnh sâng
Quâ trình đầu tiín trong hai quâ trình tạo ra ATP ngoăi ânh sâng, mă kế qủa của nĩ lă chỉ tạo ra ATP được gọi lă quang phosphoryl hĩa cĩ tính chu kỳ. Quâ trình thứ hai mă tronmg đĩ ngịai ATP cịn tạo ra oxy vă NADPH được gọi lă quang phosphoryl hĩa khơng cĩ tính chu kỳ.
Để kết luận mục năy, cần phải nhớ rằng trong pha sâng của quang hợp cĩ sự hình thănh ATP theo câc con đường quang phosphoryl hĩa cĩ tính chu kỳ vă khơng cĩ tính chu kỳ dưới tâc động của ânh sâng. Quang phosphoryl hĩa khơng cĩ tính chu kỳdẫn đến sự hình thănh ATP vă NADPH, cịn quang phosphoryl hĩa cĩ tính chu kỳbổ sung thím ATP cần cho sự họat động bình thường của chu trình Calvin. Nguồn năng lượng đảm bảo cho sự diễn biến của câc quâ trình năy lă ânh sâng.
d/ Năng lượng ânh sâng tạo ra dịng điện tử.
Đến đđy chúng ta chỉ mới mơ tả câc quâ trình hình thănh ATP bằng câc con đường quang phosphoryl hĩa cĩ tính chu kỳ vă khơng cĩ tính chu kỳ xảy ra ngoăi ânh sâng, mă chưa nĩi gì về việc bằng câch năo năng lượng ânh sâng được sử dụng để tạo ra ATP vă NADPH.
Khi câc phđn tử hấp thụ năng lượng ânh sâng, chúng “bị kích động” vă chuyển năng lượng hấp thụ được cho câc điện tử của mình. Câc điện tử với mức năng lượng cao cĩ thể rời khỏi phđn tử bị kích động vă liín kết với câc phđn tử của một chất khâc. Câc phđn tử liín kết với câc địn tử với mức năng lượng cao sẽ thu nhận năng lượng bổ sung được câc điện tử mang tới vă bản thđn trở thănh phđn tử “cao năng” hay “giău năng lượng”.
Trong quang hợp năng lượng ânh sâng được hấp thụ bởi chính câc phđn tử chlorophyll. Câc nhă khoa học cho rằng câc phđn tử chlorophyll bị kích động sẽ nhường câc điện tử giău năng lượng. Những điện tử năy được chiếm lấy bởi câc phđn tử khâc, lăm cho năng lượng hĩa học của chúng tăng lín. Năng lượng ânh sâng biến thănh năng lượng hĩa học văo lúc chúng được chuyển cho câc phđn tử khâc vă bằng câch đĩ lại giải phĩng năng lượng hĩa học cĩ được để tạo ra ATP vă
Câc nghiín cứu về quang hợp đê tạo cơ sở để cho rằng câc điện tử được cho bởi chlorophyll bị kích động kết bợp với feredoxin, một protein chứa câc nguyín tử sắt. Chất năy được tìm thấy trong tất cả câc tế băo quang hợp. Thuyết tổng quât của trao đổi năng lượng trong quang hợp để tổng hợp ATP theo cơ chế quang