Tất cả các tế bào quang hợp đều chứa một hoặc một số nhóm sắc tố màu lục gọi là chlorophyll. Tuy nhiên, ngoài chlorophyll trong quang hợp còn có sự tham gia của một số sắc tố khác: carotenoid và phycobilin. Chlorophyll là sắc tố quang hợp chủ yếu của thực vật. Có nhiều loại chlorophyll khác nhau, nhưng ở thực
vật bậc cao chủ yếu gồm hai loại: chlorophyll a và chlorophyll b. Cấu trúc hóa học của chúng được mô tả trong hình 2.19.
Phân tử chlorophyll được cấu tạo từ 4 vòng pyrrol liên kết với nhau, tạo thành nhân porphyrine với nguyên tử manhê nằmở trung tâm. Mạch bên của chlorophyll có chứa gốc rượu phytol làm cho nó có tính kỵ nước.
Trong phân tử chlorophyll có một hệ thống liên kết đôi liên
hợp. Hệ thống này mang các điện tử pi (π) linh động, dễ dàng bị
năng lượng ánh sáng đẩy ra các quỹ đạo phía ngoài với mức năng lượng cao hơn và nhờ đó phân tử chlorophyll hấp thụ được năng lượng ánh sáng, trở thành một chất có thế khử cao (hình 2.20). Chlorophyll trong tế bào chủ yếu hấp thụ các tia 672 và 583 nm.
Hình 2.19. Cấu tạo hóa học của chlorophyll : Chlorophyll a: X = -CH3 ;
Chlorophyll b: X =-CHO.
Ngoài chlorophyll a và b, trong một số loại tảo còn có một số dạng chlorophyll khác: chlorophyll c (trong tảo nâu, tảo diatome), chlorophyll d (trong tảo đỏ); ở vi khuẩn có bacteriochlorphyll.
Số lượng năng lượng được chlorophyll hấp thụ bằng hiệu số năng lượng giữa hai mức qũy đạo của điện tử trước và sau khi chịu tác động kích thích của ánh sáng. Sau khi điện tử
chuyển lên trạng thái kích thích (e-*),
nó sẽ quay trở lại trạng thái cơ bản ban đầu. Như vậy, khi điện tử chuyển từ qũy đạo có mức năng lượng cao xuống quỹ đạo có mức năng lượng thấp, năng lượng sẽ được giải phóng. Nhờ một hệ thống chất vận chuyển trong lục lạp (cơ quan quang hợp của tế bào) năng lượng này có thể được sử dụng để biến thành năng lượng hóa học sau này.
Ngoài chlorophyll, tham gia trong quá trình quang hợp còn có hai loại sắc tố khác là phycobilin và carotenoid. Phycobilin là sắc tố quang hợp của tảo lam (Cyanophyta) và tảo đỏ (Rhodophyta).
Phycobilin cũng được cấu tạo trên cơ sở 4 vòng pyrrol, nhưng khác với chlorophyll, 4 vòng pyrrol này không tạo thành nhân
porphyrin vàø không chứa manhê. Phycobilin bao gồm hai loại:
phyco-eritrobilin và phycocianobilin (hình 2.21).
ình 2.21
H . Công thức cấu tạo của phycoeritrobilin (R = -CH=CH2 )
rong tế bào pycobilin tồn tại dưới dạng phức hợp đặc trưng và b
và của phycocianobilin (R = -CH2 -CH3 )
T
ền vững với protein ở hai dạng tương ứng là pycoeritrin và phycocianin. Nhờ hệ thống liên kết đôi liên hợp trong phân tử, phycobilin cũng có khả năng hấp thụ năng lượng của ánh sáng, vì vậy, nó giữ vai trò hỗ trợ cho chlorophyll trong quá trình quang hợp.
Carotenoid là nhóm sắc tố có màu da cam, vàng hoặc đỏ và rất phổ biến ở thực vật. Phân tử của chúng thường bao gồm 40
nguyên tử carbon với đơn vị cấu trúc là isopren (-CH2-CH=C-CH2-
)
CH3
Phần trung tâm của phân tử là mạch polyisoprenoid dài 18 nguyên tử carbon với hệ thống liên kết đôi liên hợp và 4 nhóm methyl. Ở hai đầu của mạch thường có một hoặc hai vòng ionol
(α- hoặc β-ionon). Một số carotenoid điển hình được giới thiệu
trong hình 2.22.
Trong lục lạp, carotenoid nằm trong pha ưa béo, liên kết với lipid và protein. Khác với chlorophyll hấp thụ ánh sáng đỏ, carotenoid hấp thụ các tia sáng có bước sóng ngắn hơn (tia lam, tím) gần vùng tử ngoại giàu năng lượng. Ngoài chức năng hỗ trợ cho chlorophyll, nó còn bảo vệ cho chlorophyll và các sắc tố khác của tế bào khỏi tác dụng thái qúa của ánh sáng. Người ta còn cho rằng một số carotenoid chứa oxy có thể tham gia vào phản ứng quang phân ly nước.
Hình 2.22 . Cấu tạo của một số carotenoid phổ biến.