4. QUANG HỢP
4.3. Bộ máy quang hợp
4.3.1.Các sắc tố quang hợp
a. Chlorophyll
Chlorophyll hay còn gọi là nhóm sắc tố lục là nhóm sắc tố quan trọng nhất của quá trình quang hợp.
60
- Cấu trúc: gồm 4 nhân pyron nối với nhau bằng các cầu nối methylen (-CH=) tạo nên vòng porphyrin. Ở giữa vòng porphyrin là một nhân Mg2+. Gắn với vòng porphyrin còn có rượu phyton và vòng cyclopentan.
- Quang phổ hấp thụ của chlorophyll nằm trong vùng bước sóng ánh sáng nhìn thấy được (400 - 700nm). Chlorophyll có đỉnh hấp thụ ở hai bước sóng:
+ Chlorophyll a là 420 và 662nm. + Chlorophyll b là 435 và 643nm.
Do đỉnh hấp thụ của chlorophyll là vùng quang phổ ánh sáng xanh lam và đỏ nên vùng quang phổ còn lại không được hấp thụ tạo cho chlorophyll có màu xanh, màu đặc trưng của thực vật.
Chlorophyll chiếm khoảng 4% trọng lượng của lục lạp. Trong đó, chủ yếu là chlorophyll a, còn lại là chlorophyll b có hàm lượng bằng khoảng 1/3 chlorophyll a. Chlorophyll a có mặt trong mọi cơ thể quang hợp giải phóng oxy.
Theo một số nhà khoa học, cholorophyll có những đặc tính chống viêm, chống oxy hóa, chữa lành vết thương. Một số khảo sát sơ bộ còn cho thấy, chlorophyll còn giúp làm giảm các chất gây ung thư trong cơ thể.
b. Carotenoid
Carotenoid hay còn gọi là sắc tố vàng. Dựa theo cấu trúc hóa học caroten được chia làm hai nhóm nhỏ:
- Caroten (C40H56): trong thực vật thường có 3 loại carotene α,β,γ. Phổ hấp thụ của caroten nằm trong khoảng 446 - 476nm.
61
- Xanthophyll (C40H56On, trong đó n = 1 - 6 ): xanthophyll là dẫn xuất của caroten và gồm nhiều loại khác nhau tùy theo trị số n. Quang phổ hấp thụ của xanthophyll nằm trong khoảng 451 - 481nm.
Carotenoid có nhiều trong hoa quả hoặc cơ quan già yếu của thực vật. Hiện nay người ta đã biết đến một số vai trò của carotenoid trong thực vật như sau:
- Lọc ánh sáng, bảo vệ chlorophyll.
- Tham gia vào quá trình quang phân ly nước và thải O2 (xanthophyll).
- Tham gia vào quá trình quang hợp thông qua việc hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền cho chlorophyll. Carotenoid có mặt nhiều trong quang hệ II.
Cũng giống như chlorophyll, carotenoid có đặc tính chống oxy hóa rất mạnh. Ngoài ra, một số chất carotenoid khi hấp thụ vào trong cơ thể người còn được chuyển hóa thành vitamin A. Trong số 600 chất carotenoid đã biết thì khoảng 30 - 50 loại có khả năng này. Carotenoid được ứng dụng để chữa các bệnh như ung thư (phổi, da, đường tiêu hóa,...), bệnh đục thủy tinh thể hay các trạng thái bệnh lý gây nên do tia phóng xạ hoặc quá trình oxy hóa mạnh...
Trong số các chất thuộc nhóm carotenoid thì α-caroten và β- caroten được nghiên cứu nhiều nhất.
c. Phycobilin
Phycobilin có nhiều trong tảo và các thực vật bậc thấp sống dưới nước. Đây là một loại sắc tố ưa nước, có cấu tạo từ 4 vòng pyron liên kết với nhau bằng cầu methylen (=CH-) thành một mạch không khép kín như ở chlorophyll.
62
Quang phổ hấp thụ của phycobilin nằm trong vùng ánh sáng lục và vàng. Cũng giống như carotenoid, phycobilin sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng sẽ truyền đến cho chlorophyll, qua đó hỗ trợ cho quá trình quang hợp.
d. Antoxyan
Antoxyan là nhóm sắc tố chứa nhiều trong dịch tế bào với nhiều màu sắc khác nhau như đỏ, xanh, tím... Quang phổ của hấp thụ antoxyan bổ sung cho quang phổ hấp thụ của chlorophyll. Nhóm sắc tố này không tham gia vào quá trình quang hợp. Năng lượng ánh sáng mà các sắc tố nhóm antoxyan hấp thụ sẽ được chuyển thành dạng nhiệt năng để sưởi ấm cho cây. Chính bởi vậy, antoxyan có nhiều trong các thực vật sống ở vùng có khí hậu lạnh.
Antoxyan không có chức năng quang hợp.
4.3.2.Các thành phần của chuỗi truyền điện tử
- Quinon: ubiquinon (Coenzyme Q) và plastoquinon. Các quinon có quang phổ hấp thụ ở vùng tử ngoại 260-300nm.
- Các cytocrom (Cyt): Cyt b (gồm Cyt b6 và b3) và Cyt c (gồm Cyt f). Các Cyt có quang phổ hấp thụ trong khoảng 500 - 600nm.
- Ferredoxin (Fd) và ferredoxin-NADP-reductase: Tỷ lệ giữa Fd và chlorophyll trong bộ máy quang hợp khoảng 1/400. Fd-NADP-reductase là một flavoprotein (protein kết hợp với FMN hoặc FAD) có quang phổ hấp thụ cực đại ở 275, 385 và 456nm.
- Plastocyanin: khi ở trạng thái oxy hóa có màu xanh tím, phổ hấp thụ cực đại là 597nm, dạng khử không có màu. Tỷ lệ giữa plastocyanin và chlorophyll là 1/400.
63
4.3.3.Đơn vị quang hợp
Đơn vị quang hợp có thể hiểu là cấu trúc nhỏ nhất có khả năng thực hiện biến đổi năng lượng từ photon ánh sáng thành năng lượng trong các liên kết hóa học. Một cách chi tiết, một hệ thống được gọi là đơn vị quang hợp khi nó thực hiện được 3 chức năng:
- Tiếp nhận một phân tử CO2 (hay giải phóng một phân tử O2). - Chuyển một điện tử.
- Biến đổi năng lượng một quang tử thành dạng năng lượng hóa học.
Trong một đơn vị quang hợp luôn có hai thành phần chính là phức hệ sắc tố và chuỗi truyền điện tử.
Từ năm 1932, Emerson và Arnold khi làm thí nghiệm với tảo Chlorella đã thấy rằng, trong điều kiện tối ưu, để cố định một phân tử CO2 cần có sự tham gia của 2500 phân tử chlorophyll. Các nghiên cứu về sau của các tác giả khác cũng cho kết quả tương tự, số lượng phân tử chlorophyll cần thiết là khoảng 2500 - 4200 phân tử.
Dựa vào kết quả nghiên cứu của Emerson, Arnold cùng các tác giả khác, năm 1969, Avron đã đề nghị rằng một đơn vị quang hợp sẽ gồm 2400 phân tử chlorophyll được sắp xếp theo 4 tiểu đơn vị nhỏ. Mỗi đơn vị nhỏ gồm 600 phân tử chlorophyll (trong đó 300 thuộc hệ quang hợp I, 300 thuộc hệ quang hợp II) và 1 phân tử P700.