CHƯƠNG 3 : QUANG HỢP
3.1.Pha sáng (light reactions)
3. Bản chất của quá trình quang hợp
3.1.Pha sáng (light reactions)
a/ Hiệu ứng khuếch đại Emerson : sự hợp tác của hai hệ thống
Do Robert Emerson và ctv. phát hiện năm 1950, nhóm nghiên cứu của ơng phát hiện rằng nếu ánh sáng của độ dài sóng ngắn hơn được cung cấp cùng lúc với độ dài sóng đỏ dài hơn thì sự quang hợp sẽ nhanh hơn mong muốn so với vận tốc tìm thấy của mỗi sắc tố riêng rẽ cộng lại. Sự cộng hưởng hay khuếch đại được gọi là hiệu ứng khuếch đại Emerson.
Sự quan trọng của nghiên cứu Emerson là nó chỉ ra sự hiện diện của 2 hệ thống quang (Photosystem – PS) phân biệt, mà ngày nay đã được phân lập và làm rõ chức năng. Phản ứng dưới đây sẽ tóm tắt cách thức PS I và PS II sử dụng năng lượng ánh sáng để oxy hóa H2O và sự hợp tác chuyển vận 2 điện tử sẵn có trong nó đến NADP+, vì vậy hình thành NADPH.
Ngày nay, chúng ta biết rằng trong vùng đỏ của quang phổ, một trong những phản ứng quang, gọi là hệ thống quang I (PS I), hấp thu ưu tiên ánh sáng đỏ xa (far-red light) của các bước sóng lớn hơn 680 nm, trong khi phản ứng thứ hai, gọi là hệ thống quang II (PS II), hấp thu tốt ánh sáng đỏ của 680 nm và được vận hành rất yếu bởi ánh sáng đỏ xa. Sự phụ thuộc bước sóng này giải thích cho hiệu ứng
36
khuếch đại. Một sự khác nhau nữa giữa hai hệ thống quang hợp là hệ thống quang I tạo ra một chất khử mạnh, có khả năng khử NADP+, và một chất oxy hóa yếu. Hệ thống quang II hình thành một chất oxy hóa rất mạnh, có khả năng oxy hóa nước, và một chất khử yếu hơn của hệ thống quang I. Chất khử này khử chất oxy hóa do hệ thống quang I tạo ra, mà nó giải thích cho hiệu ứng đối kháng. Các đặc tính này được trình bày dưới dạng giản đồ ở hình 3.5.
Hình 3.5: Giản đồ chữ Z của quang hợp. Tia đỏ được hấp thu bởi PS II tạo ra tình
trạng oxy hóa mạnh nhưng khử yếu. Tia đỏ xa được hấp thu bởi PS I tạo ra tình trạng khử mạnh nhưng oxy hóa yếu. PS II trong tình trạng oxy háo mạnh nó sẽ
oxy hóa nước, trong khi đó PS I trong tình trạng khửa mạnh, hai e- đến khử NADP+ thành NADPH.
Giản đồ này áp dụng cho sinh vật giải phóng O2. Nó giải thích cho sự vận hành của hai hệ thống phân biệt lý (PS I) và hóa học (PS II), mỗi hệ thống với các sắc tố antenna và trung tâm phản ứng quang hóa riêng của nó. Hai hệ thống quang được nối liền với nhau bằng một chuỗi vận chuyển điện tử. Các sinh vật khơng giải phóng O2 (anoxygenic), như khuẩn tía quang hợp thuộc chi Rhodobacter và
Rhodopseudomonas, chỉ chứa một hệ thống quang đơn độc và do đó khơng biểu
lộ các hiệu ứng đã được miêu tả ở trên. Tuy nhiên các sinh vật đơn giản này rất hữu ích để nghiên cứu cấu trúc và chức năng chi tiết góp phần chi sự hiểu biết hơn về sự quang hợp tạo ra oxygen.
b/ Hai hệ thống quang trong phản ứng sáng (photo system)
Hệ thống quang I (photosystem I, P700, pigment 700)
PS I chứa khoảng 200 phân tử Chla, một lượng nhỏ Chlb, carotenoid (-
carotene), protein liên kết với các sắc tố này là 1 cặp DLT đặc biệt làm trung tâm
phản ứng của hệ thống này là P700 vì chúng hấp thu cao nhất các tia sáng có bước sóng 700 nm. Các sắc tố khác liên kết chung quanh sắc tố trung tâm (được gọi là
37
sắc tố trung tâm P700 để phản ứng. Có sự hiện diện ít nhất của 2 protein chứa sắt tương tự với ferredoxin (Fd) mà 1 trong 4 nguyên tử sắt trong mỗi protein được liên kết vào 2 nguyên tử lưu huỳnh; chúng được gọi là protein Fe-S là chất nhận điện tử chủ yếu cho PS I, có nghĩa là trước tiên điện tử được chuyển từ trung tâm phản ứng của PS I (P700) đến một trong những proteins này (hình 3.6).
Chỉ có 1 trong 4 nguyên tử Fe hiện diện có thể nhận 1 điện tử và sẽ khử nó từ Fe3+ thành Fe2+. Rồi sau đó, Fe2+ này bị tái oxit hóa thành Fe3+ trong khi trải qua đoạn đường vận chuyển điện tử.
Ánh sáng + 4 PC(Cu+) + 4 Fd(Fe3+) 4 PC(Cu2+) + 4 Fd(Fe2+) 4 Fd(Fe2+) + 2 NADP+ 4 Fd(Fe3+) + 2 NADPH
Hình 3.6: Mơ hình của trung tâm phản ứng PS I
Hệ thống quang II (photosystem II, P680)
Cũng chứa Chla và -carotene (liên kết với 2 protein chính), và một ít Chlb hiện diện. Trung tâm phản ứng là P680, một phân tử Chla trong một mơi trường hóa học khác với của P700 hay những Chla khác. Nó cũng hiện diện trong PS II là chất nhận diện điện tử chính, ngày nay được biết là Chla khơng màu thiếu Mg2+. Phân tử này gọi là Pheophytin (Pheo). Kết chặt với Pheo, P680 và protein liên kết P680 là Quinone (Q) do khả năng dập tắt sự phát huỳnh quang của P680 bằng cách thu nhận điện tử kích thích của nó. Sau cùng, PS II chứa 1 hay nhiều hơn proteins chứa Mn liên kết, được gọi là protein manganese. Nó được nghĩ rằng là 4 ion Mn2+ liên kết vào 1 hay nhiều hơn proteins trong PS II và 1 ion chloride làm cầu nối 2 Mn2+ lại với nhau. Nếu vậy, điều này sẽ giải thích cho sự cần thiết của cả Mn2+ và Cl- đối với quang tổng hợp. Mn2+ dường như bị oxy hóa thành Mn3+
và sau đó bị khử trở lại khi vận chuyển điện tử xảy ra. Protein manganese là một phần của phía trong của màng thylakoid gần với kênh và có lẽ có liên quan trực tiếp trong bước đầu tiên của sự oxy hóa H2O (hình 3.7).
38
Giữa hai hệ thống quang cịn có sự hiện diện của các protein khác nữa cũng nằm trên thylakoid làm nhiệm vụ vận chuyển điện tử như: protein chứa Cu là
plastocyanine (PC), plastoquinone (PQ), cytochrome b6 (cyt b6), cytochrome f
(cyt f), cytochrome b3 (cyt b3).
Một thành phần nữa cần thiết cho quang phosphoryl hóa là một phức hợp protein được gọi là ATPase hay phức hợp nhân tố bắt cặp (coupling factor, CF, complex).
Sự vận chuyển điện tử khơng vịng (non- cycle electron transport)
và sự chuyển điện tử có vịng (cycle electron transport) giữa 2 hệ thống quang
Sự vận chuyển điện tử khơng vịng vì điện tử của H2O đến NADP+ và không quay trở lại. Ngược lại, điện tử của P700 sẽ trở về P700 gọi là sự truyền điện tử có vịng.
Hình 3.7: Mơ hình trung tâm phản ứng PS II
- Các sắc tố trong PS I nhận ánh sáng ( = 700 nm) và truyền năng lượng đến P700. P700 bị kích thích và trạng thái khử mạnh sẽ nhường điện tử của nó cho protein Fe-S. Đường đi của điện tử từ P700 sẽ được truyền đến các protein khác và cuối cùng trở về P700, gọi là sự chuyển vận điện tử có vịng.
- Điện tử của phân tử H2O xuất phát từ PS II sẽ truyền đến phân tử Fd, khử Fe3+ Fe2+ và cuối cùng Fd khử NADP+ và ở trạng thái này NADP+ kếp hợp với H+ để tạo thành NADPH dưới dạng sự xúc tác của E. Fd-NADPH reductase gọi là sự chuyển vận điện tử khơng vịng.
39
Sự vận chuyển điện tử qua phức hệ quinone và proton H+ qua
màngthylakoid
Cytochrome có cấu trúc giống như nhân porphyrine của DLT nhưng có nhân là Fe và nhân này liên kết với nhiều tiểu đơn vị protein phức tạp. Các cytochrome này nhận 2 e- từ plastohydroquinone (QH2), QH2 này trên phiến thylakoid nghiêng về phía khoang lumen.
Khi QH2 truyền 2 e- cho phức hợp cytochrome thì đồng thời nó cũng chuyển 2 H+ từ môi trường stroma sang môi trường khoang lumen. Sau đó, 2 e-
tiếp tục được truyền đến PC nằm về phía trong khoang lumen và cuối cùng chuyển đến PS I và P700 là chất nhận điện tử.
Hai điện tử từ phân tử H2O sẽ được truyền đến một Pheo là chất nhận điên tử đầu tiên có cấu tạo như phân tử DLT nhưng nhân Mg bị thay bởi 2 ion H+. Sau đó, điện tử sẽ truyền đến Q rồi sang PQ. Sự khử PQ thành PQH2 cần 2 e- và cần 2H+ , 2 H+ này lấy từ môi trường stroma. Khi 2 e- được truyền sang cho chất cyt b6, cyt f thì 2H+ cũng tách ra khỏi PQH2 PQ .
Đồng thời 2H+ được thải vào trong khoang lumen xuyên qua phiến thylakoid làm cho nồng độ ion H+ giữa 2 môi trường chênh lệch (lumen cao và stroma thấp) và là động lực để hình thành ATP.
PQ + 2e- + 2H+ PQH2
PQH2 + 2 PC(Cu2+) PQ + 2 PC(Cu+) + 2 H+
Hình 3.8: Cấu trúc và phản ứng của plastoquinone và chức năng cổng
2 điện tử hoạt động trong PSII. (A) PQ bao gồm 1 đầu quinoid và 1
đuôi dài khơng phân cực gắn chặt vào nó trong màng. (B) Các phản ứng oxy hóa-khử của PQ
40
Nước bị oxy hóa tại PS II
Khi các hạt photon ánh sáng được hấp thu bởi những sắc tố trong PS II, năng lượng của nó được dẫn truyền đến P680. Năng lượng này sẽ kích thích các điện tử trong P680 và P680 nhường điện tử cho Pheo, Pheo có cấu trúc giống như chlorophyll nhưng nhân Mg được thay thế bằng 2 H+. Khi mất điện tử P680 trở thành dạng oxy hóa mạnh và nó sẽ oxy hóa phân tử nước theo phản ứng tống quát sau:
2H2O O2 + 4 H+ + 4e-
Hai phân tử nước cho 4e- , 4 H+ và 1 phân tử O2. Hơn nữa nước là 1 phân tử rất bền vững và rất khó bị oxy hóa để thành 2H+ và O2 ngay khi chúng ta đun sơi. Nhưng chúng lại bị oxy hóa tại PS II dưới tác động ánh sáng và hệ thống sắc tố sinh học. Mn là nhân tố khơng thể thiếu trong việc oxy hóa nước tại PS II.
Sự tạo ra ATP trong quang hợp (quang phosphoryl hóa)
Quang phosphoryl hóa là sự hình thành ATP từ ADP và Pi trên màng thylakoid dưới tác động của năng lượng ánh sáng mặt trời.
Peter Michell (1961s) cho rằng những protein (Q, PQ, Cyt, PC) vận chuyển điện tử giữa PS I và PS II. Tại điểm PQ, cứ chuyển 2e- Cyt thì nó cũng chuyển 2 proton H+ từ phía ngồi mơi trường stroma vào khoang lumen (do PQH2 PQ) tạo ra sự chênh lệch gradient proton H+ giữa 2 môi trường.
Để hình thành 1 phân tử O2, cần đến 2 phân tử H2O. Vậy có 4e- được chuyển vận từ PSII PSI. Cứ 2e- chuyển từ PSII PSI thì 4H+ được bơm từ stroma lumen (2H+ cộng với 2H+ của điện tử vòng). Như vậy, có tất cả 8H+ được bơm vào khoang lumen cộng với 4H+ do phân ly 2 phân tử H2O. Tổng số có 12H+ được tạo ra trong khoang lumen để tạo ra 1 phân tử O2. Điều này giải thích vì sao có sự chênh lệch nồng độ H+ giữa lumen và stroma.
Theo lý thuyết, cứ 4H+ được vận chuyển bởi CF thì tạo ra 1 ATP. Do đó, có tất cả 4 phân tử ATP và 2 NADPH được tạo ra trong phản ứng sáng để tạo ra 1 phân tử O2.
41
Hình 3.9: Giải thích cơ chế tạo ra ATP trong Quang hợp (do chênh lệch nồng độ
H+ giữa lumen và stroma. Nhân tố CF chuyển vận H+ dưới sự xúc tác của ATP synthase, ATP được hình thành).
Theo tính tốn cho biết môi trường trong khoang lumen pH = 5 so với mơi trường stroma bên ngồi pH = 8 (chênh lệch 1.000 lần). Sự chênh lệch này làm cho H+ có khuynh hướng khuếch tán ra ngoài stroma, nhưng màng thylakoids hồn tồn khơng cho H+ thấm tự do qua màng này.
Điều này là do trên màng thylakoids có chứa nhân tố CF, chính CF chuyển H+ qua màng và dưới sự xúc tác của của ATPase thì ATP hình thành.