HP.
Trên cơ sở thực nghiệm người ta đã xác định được rằng quá trình quang hợp bao gồm hai loại phản ứng: phản ứng sáng liên quan trực tiếp với việc sử dụng năng lượng ánh sáng, và phản ứng tối, trong đó CO2 bị khử thành các hợp chất hữu cơ. Khái niệm về tính hai pha của quang hợp được đúc rút từ kết qủa thí nghiệm của Hill (1937). Bằng cách chiếu sáng chế phẩm phi tế bào chứa chlorophyll thu được từ tế bào quang hợp trong điều kiện tồn tại chất nhận điện tử nhân tạo, ví dụ kali ferricyanate (A), oxy phân tử sẽ được giải phóng, đồng thời chất nhận điện tử bị khử theo phương trình:
h√
2H2O + 2A⎯→ 2AH2 + O2
Điều đặc biệt quan trọng là phản ứng khơng địi hỏi sự tham gia của CO2.
Như vậy, Hill đã cho thấy khả năng tách q trình giải phóng O2 ra khỏi q trình khử CO2 .
Phản ứng trên đây ngày nay được gọi là phản ứng Hill , còn chất A được gọi là thuốc thử Hill. Người ta cũng đã phát hiện được rằng thuốc thử Hill trong tế bào
laø NADP+. Trong điều kiện lục lạp được chiếu sáng, nó sẽ nhận điện tử để bị khử thành NADP.H, đồng thời giải phóng oxy phân tử. Như vậy, phản ứng Hill trong tế bào có dạng:
h√
2H2O + 2NADP+ ⎯→ 2NADP.H + 2H+ + O2
Treân cơ sở của phản ứng này người ta cho rằng một trong những sản phẩm cuối cùngcủa pha sáng là một tác nhân khử nào đó (có thể là NADP.H) màsau đó trong pha tối sẽ được sử dụng để khử CO2 .
Khái niệm về tính chất hai pha của quang hợp được tiếp tục củng cố nhờ Arnon phát hiện qtrình phosphoryl-hóa quang hợp năm1954. Ơng nhận thấy rằng khi chiếu sáng lục lạp trong điều kiện có mặt ADP và phosphate vơ cơ thì ATP sẽ được tổng hợp mà cũng khơng cần có sự tham gia cuûa CO2 .
Trên cơ sở của các thí nghiệm nói trên người ta đi đến kết luận rằng ở giai đoạn đầu của quá trình quang hợp năng lượng ánh sáng không những được dùng để
khử NADP+ mà cịn có tác dụng thực hiện phản ứng phosphoryl-hóa ADP thành
ATP. NADP.H và ATP hình thành ở pha sáng sẽ được sử dụng trong pha tối để khử CO2 và các chất nhận điện tử khác.
1. pha sáng của quang hợp
a/ Trong quang hợp có sự tham gia của các phản ứng sáng và các phản ứng tối.
Các nhà khoa học phát hiện được những chất tham gia và được tạo thành trong quá trình quang hợp vẫn khơng trả lời được một câu hỏi quan trọng là: cái gì xảy ra với năng lượng ánh sáng do thực vật hấp thụ trong quá trình này. Cần nhớ rằng năng lương khơng thể tự nó xuất hiện và mất đi. Nó chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Đã phát hiện được rằng các hợp chất hữu cơ – sản phẩm của quang hợp - có
mức năng lượng cao hơn mức năng lương của CO2 và nước là các nguyên liệu để
tạo ra chúng. Phần năng lượng hóa học dư thừa chỉ có thể được thu nhận do kết quả tác động của ánh sáng. Như vậy, quang hợp là q trình biến hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.
Quang hợp là một lọai cầu nối giữa năng lượng mặt trời và dạng năng lượng cần cho sự sống trên trái đất. Khơng có các q trình nào khác trong tế bào có thể sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Nó chỉ có thể được sử dụng sau khi được biến hóa thành năng lượng hóa học. Sự biến hóa này được thực hiện trong các cơ thể có khả năng quang hợp. Chúng hấp thụ năng lượng mặt trời và sử dụng nó để gắn các nguyên tử của nước và khí carbonic với nhau để tạo ra các liên kết hóa học có mức năng lượng cao hơn.Vác sản phẩm của sự “gắn bó” này là tạo ra oxy và các hợp chất hữu cơ cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thực vật và động vật.
Sau khi đã xác định được cái gì xảy ra trong quang hợp, các nhà khóa học bắt đầu tìm hiểu quá trình này xảy ra như thế nào.
Các quá trình bên trong của quang hợp mơ tả trong cái hộp hìinh chữ nhật của hình 5.1 vẫn cịn nhiều điều bí ẩn. Cần phải làm sáng tỏ những điều bí ẩn này. Các phát hiện đầu tiên về nội dung của cái hộp này đã được nhà khoa học người Anh F.F. Blecman phát hiện vào năm 1905. Ông bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của độ
chuyển bởi năng lượng ánh sáng nên ở cường độ ánh sáng cao hơn quá trình tổng hợp sẽ xảy ra nhanh hơn. Khi Blecman đo và xây dựng đường biểu diễn tốc độ quang hợp ở các cường độ ánh sáng khác nhau, ông đã ghi nhận được sự phụ thuộc mơ tả trong hình 5.2. Ở các cường độ ánh sáng ban đầu tương đối thấp khi tăng cường độ ánh sáng thì tốc độ quang hợp sẽ tăng. Tuy nhiên, ở các giá trị cao của cường độ ánh sáng sẽ dẫn đến một giá trị giới hạn. Tiếp tục tăng cường độ ánh sáng sẽ hầu như không làm tăng tốc độ quang hợp nữa.
Sau đó Blecman nghiên cứu ảnh hưởng phối hợp của nhiệt độ và ánh sáng lên quang hợp (hình 5.3) và phát hiện được rằng ở nhiệt độ giữa 30 vaø 40oC cùng với việc tăng nhiệt độ tốc độ của quang hợp sẽ giảm không phụ thuộc vào cường
độ ánh sáng. Nhưng trong khoảng 0-30oC việc tăng nhiệt độ dẫn đến các kết quả
khác nhau liên quan với cường độ ánh sáng.
Ở các cường độ ánh sáng thấp tăng nhiệt độ hầu như không ảnh hưởng đến quang hợp. Ngược lại, ở cường độ ánh sáng cao tăng nhiệt độ làm tăng đáng kể tốc độ quang hợp.
Xuất phát từ các kết quả thí nghiệm của mình Blecman đi đền kết luận rằng trong quang hợp có sự tham gia của các phản ứng sáng và tối. Nói chung, phản ứng tối có thể xảy ra hoặc khơng xảy ra trong tối. Các phản ứng này được gọi là phản ứng tối với ý nghóa chúng có thể xảy ra mà khơng cần đến ánh sáng. Blecman đã kết luận rằng, khi trong các thí nghiệm của mình cường độ chiếu sáng chưa đủ thì tốc độ quang hợp hồn tồn được xác định bởi chính cường độ ánh sáng. Khi chiếu sáng chưa đủ, việc tăng nhiệt độ không thể đẩy mạnh tốc độ quang hợp. Ở những cường độ ánh sáng đủ lớn để duy trì phản ứng sáng, tốc độ quang hợp sẽ được xác định chủ yea bởi tốc độ xảy ra các phản ứng enzyme tong tối.
Khái niệm theo đó cho rằng trong quang hợp có sự tham gia của phản ứng tối là hoàn toàn mới. Bây giờ các nhà khoa học đã có thể phát hiện được phần đóng góp trong quang hợp của các phản ứng sáng và của các phản ứng không phụ thuộc ánh sáng.
b/ Trong phản ứng sáng có sự tham gia của nước.
Trong quang hợp có hai chất bị phân hủy là H2O và CO2. Có thể cho rằng sự phân hủy của một chất xảy ra trong phản ứng sáng, còn sự phân hủy của chất kia - trong các phản ứng tối.
Vậy chất nào bị phân hủy trong điều kiện nào?
Có một thời gian các nhà khoa học có thiên hướng cho rằng ngịai ánh sáng
phân hủy CO2. Quan điểm này lần đầu tiên được đề xuất từ năm 1796. Trong vòng
nhiều năm sau đó nó trở nên rất hấp dẫn đối với các nhà hóa học với lý do là nó cho phép giải thích dễ dàng sự hình thành carbohydrate – sản phẩm chủ yếu của quang hợp.
Đến năm 1930 Van Hil đã đề xuất giả thuyết hoàn tồn ngược lại. Ơng nghiên cứu quang hợp ở vi khuẩn, trong đó oxy khơng được giải phóng. Một số vi khuẩn có khả năng quang hợp tạo ra carbohydrate từ CO2 và H2S, chứ khơng phải
từ nước (H2O). Trong quang hợp của những vi khuẩn này lưu hùynh là sản phẩm
phụ. Kết quả là nó được giải phóng hoặc được tích lũy trong tế bào vi khuẩn. Trong trường hợp này oxy khơng được giải phóng.
So sánh phương trình quang hợp của vi khuẩn với phương trình quang hợp của
thực vật, Van Hil đi đến kết kuận rằng ánh sáng khơng phân hủy CO2. Vì sao ơng
lại đi đến kết luận này?
So sánh 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 dàng thấy rõ là phương trình quang hợp của thực vật có một số thay đổi. – ở cả hai vế đều thêm một phân tử nước.
Các phương trình quang hợp của vi khuẩn và thực vật khác nhau ở chỗ ở vế bên trái thay cho nước là sunfua hydro, còn vế bên phải thay cho oxy (O2) laø hai nguyên tử lưu huỳnh (2S).
Van Hil đã kết luận rằng trong các phản ứng sáng trong tế bào vi khuẩn phân
hủy sunfua hydro chứ khơng phải CO2 vì kết quả là giải phóng lưu huỳnh chứ
khơng phải là oxy.Ơng đã giả thuyết rằng các phản ứng sáng trong quang hợp của thực vật và vi khuẩn là như nhau. Mà vì trong các phản ứng sáng ở vi khuẩn phân hủy sunfua hydro nên trong các phản ứng sáng ở thực vật cần phải phân hủy một
chất chứa hydro là nước. Sau đó hydro tương tác với CO2 và tạo ra CH2O. Caùc
nguyên tử khác – oxy ở thực vật và lưu huỳnh ở vi khuẩn – được giải phóng như các sản phẩm phụ.
Như vậy, Theo giả thuyết của Van Hil, chức năng của ánh sáng trong quang
hợp củ thực vật là phân hủy nước chứ không phải phân hủy CO2. Giả thuyết này
dẫn đến một số kết luận lý thú. Quang hợp của thực vật về bản chất là vận chuyển hydro từ nước đến CO2. Trong trường hợp này nước là chất cho hydro, cịn CO2 là chất nhận nó. Để tạo ra hai phân tử nước cần bốn nguyên tử hydro cho mỗi phân tử
CO2. Tịan bộ oxy giải phóng trong quang hợp là thu nhận được trong sự phân hủy
nước chứ không phải phân hủy CO2.
Vậy điều gì xảy ra trong các phản ứng tối của quang hợp? Các giả thuyết mới gắn liền các phản ứng tối với sự phân hủy CO2. Bây giờ chúng ta có thể cho rằng “hộp bí mật” trong hình 1.1 chứa đượng những điều bí ẩn của quang hợp được chia thành hai hộp nhỏ:
a/ ”hộp sáng”, trong đó chứa đựng điều bí mật của việc phân hủy nước bởi ánh sáng thành oxy và hydro;
b/ “Hộp tối” chứa bí mật của sự chuyển hóa CO2 thành carbohydrate.
Khoa học chỉ có thể tiến lên phía trước khi nào các giả thuyết được xác minh bằng thực nghiệm. Giả thuyết của Van Hil dựa trên cơ sở sự giống nhau của quang hợp ở vi khuẩn và ở thực vật. Xuất phát từ chỗ một số bộ phận của các quá trình này giống nhau, ơng cho rằng, có lẻ, cả các bộ phận khác cũng giống nhau. Các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm các khẳng định trực tiếp về giả thuyết này. Họ muốn phát hiện thực ra cái gì xảy ra trong các “hộp”. Bằng cách nào nước bị phân hủy bởi ánh sáng? Hydro chuyển từ các phản ứng sáng đến các phản ứng tối như
thế nào? Bằng cách nào CO2 được chuyển hóa thành carbohydrate trong các phản
ứng tối?
Năng lượng lấy từ đâu để tích lũy trong các phân tử ATP và NADPH? Chúng ta đã biết rằng nó được cung cấp bởi ánh sáng trong quá trình quang hợp. Như vậy, trong quang hợp năng lượng ánh sáng được biến hóa thành năng lượng hóa học. ATP và NADPH được tạo ra không phải trong các phản ứng sáng riêng biệt mà do kết quả của hàng lọat các phản ứng. Trật tự các phản ứng này được gọi là “pha sáng” của quang hợp.
Hãy lưu ý rằng oxy cũng là sản phẩm của quang hợp ở thực vật, nhưng nó khơng liên quan với các phản ứng của chu trình Calvin. Vì vậy, có thể mong đợi rằng oxy đượctạora cùng với ATP và NADPH trong pha sáng của quang hợp.
Pha sáng của quang hợp có tác dụng thúc đẩy tịan bộ q trình quang hợp. Một chiếc ơ tơ di chuyển được nhờ năng lượng do động cơ tạo ra. Động cơ chiếc ơ tơ biến hóa năng lượng hóa học của chất đốt thành năng lượng cơ học để quay bánh xe. Vậy “động cơ” của quang hợp thực hiện sự biến hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học là gì?
Có thể giả thuyết một cách tự nhiên rằng “động cơ “ của quang hợp có chứa chlorophyll vì, như đã nóio ở trện, chlorophyll là sắc tố sđầu tiên hấp thụ aùnh saùng. Trong lát cắt của lá dưới kính hiển vi chlorophyll trong tế bào được nhìn thấy chúng tham gia trong thành phần của các hạt riêng biệt. Những hạt này được gọi là lục lạp (chloroplast) .
Soá lượng chloroplast trong các tế bào quang hợp không cố định. Tế bào lá chứa khỏang 20-100 chloroplast, còn tảo đơn bào – chỉ từ 1 đến 2. Hình dạng của chloroplast cũng rất khác nhau. Chloroplast của thực vật bậc cao thường có dạng đóa bề dày khoảng 2 micron và đường kính khoảng 5 micron. Nhờ kính hiển vi điện tử các nhà sinh học đã có thể biết được nhiều điều hơn về chloroplast, ví dụ thành phần cấu tạo và đặc điểm cấu trúc của chúng.
Tóm lại. chloroplast là “động lực” của quang hợp. Tương tự như chlorophyll, chúng chứa các enzyme và các chất xúc tác khác cần cho sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Trên thực té tồn bộ q trình quang hợp ở thực vật xảy ra trong chloroplast. Vậy làm sao đã xác địch được quá trình này?.
Đã một trăm năm trơi qua các nhà thực vật học cho rằng quang hợp, có lẻ, chỉa xảy ra trong chloroplast, nhưng chứng minh điều này trong một thời gian dài không phải dễ dàng. Đến năm 1937, R. Hill. cộng tác viên của trường đại học Cambridg của nước Anh, đã phát hiện được rằng, nếu lục lạp được tách từ tế bào sống, chúng sẽ bắt đầu giải phóng oxy. Dể điều này xảy ra, chỉ cần một môi trường chứa một số hợp chất của sắt. Phản ứng này được gọi là phản ứng Hill. Tuy nhiên, bản thân nó chưa khẳng địng rằng các chloroplast cách ly có thể tạo ra carbohydrate từ khí carbonic. Mà thiếu các dẫn chứng, các nhà khoa học không thể tin tưởng được rằng quang hợp hòan tòan được thực hiện trong chloroplast.
Các nghiên cứu tiết theo được thực hiện bởi Arnon và những người cộng tác. Họ đã tìm ra hai phát kiến quan trọng.
Thứ nhất là ông đã phát hiện được rằng cá chloroplast tách rời trong ánh sáng quả thật chuyển hóa khí carbonic thành carbohydrate, và thứ hai là ơng đã xác định được rằng các chloroplast tách rời có thể tạo ra ATP ngoi ánh sáng thậm chí trong
ATP được gọi là phosphoryl hóa quang hợp). Chúng ta sẽ gọi q trình này là sự hình thành ATP trong ánh sáng. Phương tình tương ứng có thể được trình baqy như sau:
chloroplast
ADP + Pvc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ATP ÁÙnh sáng
Đầu tiên có thể tưởng rằng sự hình thành ATP trong ánh sáng giải thích được nguồn gốc của toàn bộ ATP trong quang hợp. Trên thực tế sự hình thành ATP trong ánh sáng chỉ là một phần của tổng số hợp chất này vốn được tạo ra trong quá trình quang hợp. Sau một thời gian Arnon và những người cộng tác đã phát hiện được một kiểu phản ứng khác, trong đó sự hình thành ATP ngịai ánh sáng gắn liền vời sự hình thành NADPH và oxy phân tử. Phương trình tổng qt của q trình này có thể được diễn đạt như sau:
chloroplast
2NADP + 2ADP + 2Pvc + 2H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 2NADPH + 2H+ + 2ATP +
2O2
ÁÙnh sáng
Quá trình đầu tiên trong hai q trình tạo ra ATP ngồi ánh sáng, mà kế qủa của nó là chỉ tạo ra ATP được gọi là quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ. Q trình thứ hai mà tronmg đó ngịai ATP cịn tạo ra oxy và NADPH được gọi là quang phosphoryl hóa khơng có tính chu kỳ.
Để kết luận mục này, cần phải nhớ rằng trong pha sáng của quang hợp có sự