III. Cơ chế quang hợp
3.1.1. Giai đoạn quang vật lí
- Giai đoạn quang vật lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử clorophin. Theo lí thuyết thì: Tỉ lệ giữa số photon chiếu xuống vật thể và số phần tử của vật thể bị kích động bằng 1, nhưng trong thực tế tỉ lệ này thường lớn hơn nhiều.
Năng lượng của lượng tử ánh sáng phụ thuộc vào tần số dao động của bức xạ và được tính theo công thức sau:
E= hv=hC/λ
Trong đó E: Năng lượng photon ( tính bằng J) h: Hằng số planck (6.625.10-34 J.s) v: Tần số bức xạ( 1/s)
λ : Độ dài bức sóng(nm)
1J = 6.25.1018 eV
Theo đây ta có thể tính được năng lượng của một photon: E= 1242:λ.(eV)
Thông thường E được biểu thị bằng kcalo/mol của chất hấp thụ ánh sáng. Độ lớn năng lượng của photon do một chất hấp thụ (6.1023) khi chiếu ánh sáng có độ dài sóng nhất định, được gọi là Einstein (E). E ở quang phổ có độ dài sóng khác nhau thì khác nhau.
Ví dụ: λ= 700nm thì E = 40.8 kcalo/mol.
λ= 400nm thì E = 71 kcalo/mol
Mức năng lượng của điện tử (e) lớn hay nhỏ phụ thuộc vào năng lượng quang tử (lượng tử hay photon) mà nó hấp thụ. Nếu năng lượng của quang tử càng lớn thì e nhảy ra càng xa quỹ đạo càng xa, nghĩa là nó có mức năng lượng càng cao. Thời gian tồn tại của e trên mức năng lượng kích thích phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau.
thái không bền), nếu như khi chuyển e lên mức năng lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử. Quang phổ hấp thụ trong trường hợp này tương ứng với một vạch và được kí hiệu là S(π, π*).
Sự chuyển e từ trạng thái về các trạng thái khác thể hiện rõ qua các hiệ tượng huỳnh quang và lân quang của phân tử clorophin. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là đặc điểm quang học của nhiều chất.
+ Huỳnh quang là sự phát sáng ngắn hạn và tắt đi đồng thời với sự tắt nguồn sáng kích thích.
+ Lân quang là sự phát sáng dài hơn và còn tiếp tục sáng sau khi nguồn sáng kích thích đã tắt.
Nguyên nhân của hiện tượng huỳnh quang là do năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ khi chuyển e từ trạng thái kích thích singlet về trạng thái cơ sở. Thời gian huỳnh quang của phần lớn các phân tử hữu cơ là 10-9-
10-6s. Làm mất hoạt tính của trạng thái kích thích còn xảy ra bằng con đường không phát ra tia sáng, gọi là con đường không bức xạ. Trong trường hợp này, năng lượng của photon được e hấp thụ có thể được biến đổi thành dạng nhiệt. Có thể có sự truyền không bức xạ từ trạng thái singlet sang trạng thái triplet. Người ta thấy trạng thái triplets chủ yếu được hình thành bằng con đường này.
Từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở có thể xảy ra con đường bức xạ hoặc không bức xạ. Chính sự chuyển từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở bằng con đường bức xạ (con đường phát ra sóng điện từ), tạo ra hiện tượng lân quang. Trong quá trình chuyển này có sự đổi dấu spin e và thời gian sống của e khi lân quang dài từ 10-3-10-1s.
Như vậy rõ ràng huỳnh quang và lân quang đều là những dạng năng lượng do kết quả của quá trình làm mất hoạt tính của phân tử clorophin bằng con đường bức xạ. Dạng năng lượng này chỉ được sử dụng khi nó được các sắc tố khác hấp thụ. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là hiên tượng truyền năng lượng giữa các sắc tố.
Quá trình biến đổi trang thái của sắc tố ở giai đoạn quang vật lí có thể tóm tắt như sau: Chl + hv Chl* Chl Clorophin ở trạng thái bình thường thứ cấp Năng lượng ánh sáng trạng thái kích thích Clorophin ở Clorophin ở trạng thái bền
Sau khi hoàn thành giai đoạn quang vật lí, clorophin tham gia vào giai đoạn quang hóa học.
Hình18: các trạng thái kích thích của điện tử của phân tử diệp lục khi tiếp nhân năng lượng của lượng tử ánh sáng.
S0: Quỹ đạo cơ bản
S1: Trạng thái kích thích singlet khi hấp thụ ánh sáng xanh S2: Trạng thái kích thích singlet khi hấp thụ ánh sáng đỏ T: Trạng thái kích thích triplet
2.1.2.Giai đoạn quang hóa học
Giai đoạn này gồm hàng loạt các phản ứng hóa học. đây là giai đoạn clorophin sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để hình thành nên các hợp chất dữ trữ năng lượng và các hợp chất khử. Giai đoạn này gồm có quá trình quang hóa khởi nguyên, quá trình quang phân li H2O và quá trình photophorin hóa vòng và không vòng:
1. Quá trình quang hóa khởi nguyên
Đây là quá trình hình thành thuận nghịch clorophin khử bởi các phản ứng sáng 1 và phản ứng sáng 2. Có thể tóm tắt quá trình này như sau:
AH2 + Chl Chl- + AH2+ ChlH+ AH A+ChlH2 + Clorophin chuyển e cho chất nhận và trở về trạng thái ban đầu: Chl - + B Chl + B- (phản ứng nhanh)
ChlH +B Chl + BH (phản ứng chậm) Và ChlH2 +B Chl + BH2
Trong đó AH2: chất cho điện tử và hiđro
B: chất nhận e Chl: clorophin Chl-: ion gốc tự do
Sự truyền e và hiđro dược tiến hành cùng với sự tham gia của một hệ thống các chất truyền e phức tạp. Đó là các chất chứa Fe dạng hem như: xitocrom f, xitocrom b6, xitocrom b3,và dạng không hem như: ferredoxin, plastoxyanin, plastoquinon,… chuỗi truyền e này nằm trong hai hệ thống quang hóa: hệ thống quang hóa I (PSI) và hệ thống quang hóa II(PSII) và quá trình truyền e với hai phản ứng sáng: phản ứng sáng 1 và phản ứng sáng 2. Sự truyền điện tử có thể thực hiện theo hai con đường: con đường vòng kín thực hiện bởi hệ sắc tố sóng dài bao gồm clorophin a có cực đại hấp thụ ở bước sóng λ= 680-700nm và P700 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng một. chất nhận e đầu tiên của PSI là P430. thành phần của chu trình truyền e ở đây là ferredoxin, xitocrom f, xitocrom b6. Điện tử từ P700 đi ra rồi cuối cùng lại trở về P700 để khép kín chu trình. Kết quả của con đường truyền e này là sự hình thành các phân tử ATP. Còn đường không vòng (vòng hở hay vòng không khép kín) thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và cả sóng dài, bao gồm clorophin a có cực đại hấp thụ ở bước sóng λ < 680nm và các sắc tố phụ khác. P680 là trung tâm phản ứng của các phản ứng sáng 2 chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550. thành phần của chu trình truyền điện tử ở đây là: plastoxyanin,Plastoquinon và xitocrom 7. Điện tử từ P680 đến chất nhận là 550
về P680 để khép kín chu trình. Điện tử bù lại cho P680 được lấy từ H2O qua quá trình quang phân lí H2O để giải phóng O2 và e, cũng như H+.Vì vậy kết quả của chu trình truyền điện tử không vòng này là sự hình thành không những ATP mà còn giải phóng O2 và hình thành sản phẩm khử NADPH2.
* Quá trình quang phân li H2O :
Quang phân li nước là quá trình khởi nguồn cho quá trình photphoryl hóa này. Quá trình quang phân li nước diễn ra như sau :
4DL + 4hv 4DL*
4DL* + 4H2O 4DLH + 4OH 4OH 2H2O + O2
Tổng hợp : 2 H2O 4H+ + O2 + 4e- Như vậy, một phân tử H2O sẽ được phân li cho:
+ Electron (2e-) đưa vào chuỗi CVĐT quang hợp. + H+(2H+) để khử NADH thành NADPH2.
+ Giải phóng 1/2O2 vào không khí để điều hòa nồng độ õi trong không khí. * Quá trình photphorin quang hóa
Quá trình photphorin quang hóa bao gồm chu trình photphorin hóa vòng và chu trình photphorin hóa không vòng.
- Chu trình photphorin hóa vòng:
+ Con đường đi điện tử ở chu trình photphorin hóa vòng là e của clorophin qua dãy truyền e rồi lại trở về clorophin để khép kín chu trình.
+ Về sản phẩm của chu trình photphorin hóa vòng là chỉ tạo thành ATP. + Hệ sắc tố tham gia là hệ sắc tố tham gia vào PSI là hệ sắc tố sóng dài (λ = 680 – 700nm).
- Chu trình photphorin hóa không vòng:
Ánh sáng Diệp lục
+ Con đường đi điện tử ở chu trình này là e từ clorophinchuyeenr đến khử NADP và e trở về clorophin là e của nước.
+ Về sản phẩm của chu trình photphorin hóa không vòng là ATP, NADPH2, O2.
+ Hệ sắc tố tham gia là PSII đây là hệ sắc tố sóng ngắn và cả sóng dài (λ < 680nm)
Ở thực vật, trong hai chu trình photphorin hóa vòng và chu trình photphorin hóa không vòng thì chu trình photphorin hóa không vòng là cơ chế năng lượng cơ bản của cây xanh. Trong quá trình này, năng lượng e cũng được giải phóng và tích lũy trong ATP ở điểm giữa plastoquinon và xitocrom f. Năng lượng ánh sáng không chỉ tích lũy trong ATP mà còn cả trong NADPH2do phói hợp với quá trình phân li H2O giải phóng H+ để khử NADP thành NADPH2. Sơ đồ đơn giản hóa của quá trình photphorin hóa không vòng có thể được viết như sau :
2NADP + 2ADP + 2H2O + 2H3PO4 NADPH2 + 2ATP + O2
Một điều chú ý là quá trình photphorin hóa quang hợp và quá trình photphorin hóa oxi hóa về mặt cơ chế hình thành ATP và ADP và P vô cơ là giống nhau, chỉ khác là quá trình photphorin hóa quang hóa thực hiện được nhờ năng lượng photon ánh sáng và xảy ra ở lục lạp, còn quá trình photphorin hóa oxi hóa thực hiện được nhờ năng lượng của quá trình oxi hóa bản thể và xảy ra ở ti thể.
Quá trình photphorin hóa vòng tiến hóa hơn quá trình photphorin hóa không vòng, vì quá trình này chỉ gặp ở thức vật bậc cao và nó sử dụng cả hai hệ thống quang hóa, cũng như cho các sản phẩm phong phú hơn.Như vậy, nhờ hấp thụ năng lượng ánh sáng, clorophin đã tạo ra được “lục ồng hóa ”
Chl
3.2. Pha tối – các con đường đồng hóa CO2 trong hợp ở các nhóm thực vật
3.2.1. Con đường đồng hóa CO2 thực vật C3
Các thực vật C3 chỉ tiến hành một chu trình quang hợp là chu trình C3 hay còn gọi là chu trình Calvin. Chu trình cố định do nhà bác học Mĩ Calvin đưa ra từ 1951. Cơ sở của chu trình là Axit photphoglixeric (sản phẩm đồng hóa độc nhất mang C14 sau hai giây đưa C14O2 vào huyền phù tảo Chlorella). Sau đó nhờ có ATP hình thành trong quá trình photphorin hóa quang hóa cung cấp năng lượng, Axit photphoglixeric biến đổi thành axit diphotphoglixeric, sau đó bị khử bởi NADPH2 thành alđehyt photphoglixeric. Chu trình tiếp tục sẽ tạo ra các đường trioz, hexoz, heptoz để cuối cùng phục hồi chất nhận pentoz, nhận CO2 và khép kín chu trình.
Chú thích: Giai đoạn cố định CO2 Giai đoạn khử CO2
Giai đoạn tái tạo chất nhận CO2 RDP: Ribulozơ-1,5- điphotphat(C5) APG: Axit 3 photphoglixeric(C3) AIPG: Anđêhit 3 photphoglixeric(C3)
Như vậy chu trình Calvin gồm 3 giai đoạn :
* Giai đoạn 1: Giai đoạn cacboxi hóa: ở giai đoạn này CO2 bị khử để hình thành nên sản phẩm ddaaauf tiên của quang hợp là axit photphoglixeric.
Giai đoạn này gồm các phản ứng sau đây:
+ Phản ứng 1: Ribulozodiphotphat (RiDP) được cacboxi hóa với sự xúc tác của enzim ribulozo 1,5 diphotphat-cacboxilaza để hình thành sản phẩm đầu tiên của quang hợp: axit photphoglixeric (APG):
CH2 – O - P CH2 - O - P
C = O O O C - OH
CHOH + C ∼ E → C - C = O
CHOH O O CHOH
CH2 - O - P CH2 - O - P
RiDP + CO2 → cacboxi - ketopeltitol diphotphat
Cacboxi - ketopeltitoldiphotphat không bền, nên nhanh chóng phân chia thành 2 axit photphoglixeric: O CH2 - O – P CH2 - O – P COOH C - C – OH H CHOH + CHOH O C= O + - - - COOH CH2 - O - P CHOH AGP CH2 - O - P 1 3 2
+ Phản ứng 2: Axit photphoglixeric nhờ enzim photphoglixeratkinaza nên được photphorin hóa thành axit 1,3 diphotphoglixeric:
CH2 – O – P CH2 - O – P CHOH CHOH
C - OH + ATP C O + ADP
O O - P
* Giai đoạn 2 là giai đoạn khử: Giai đoạn này axit diphotphoglixeric (ADPG) bị khử để tạo thành aldehyt – photphoglixeric (ALPG) với sự tham gia của NADPH2:
+ Phản ứng 3: Phản ứng xảy ra với sự tham gia của enzim glixeraldehytphotphatdehidrogenaza:
O
C - O – P H – C = O
CHOH + NADPH2 CHOH + P vô cơ + NADP
CH2 - O - P CH2 - O - P
ADPG ALPG
* Giai đoạn 3 là giai đoạn phục hồi chất nhận ribulozodiphotphat:
Phản ứng 4: ALPG được enzim trizophotphatizomeraza xúc tác, đã đồng phân hóa thành ketotriozophotphat – dihidroxiaxetonphotphat (DHAP)
O
C – H CH2OH CHOH C = O
CH2 - O - P CH2 - O - P
Triozo P hình thành đã tạo điều kiện cho các phản ứng aldol hóa để tổng hợp nên các monosaccarit với 4 hoặc 7 cacbon.
+ Phản ứng 5: Photphotrioz dưới sự xúc tác của enzim fructozo di P – aldolaza hình thành nên hexo – fructozo 1,6 DP (FDP) :
CH2 - O – P H – C = O CH2 - O - P C = O CHOH C = O H2C - O – H + CH2 – O – P CHOH DHAP ALPG CHOH CHOH CH2 – O – P EPG
+ Phản ứng 6: DP dưới tác dụng của enzim fructozo 1,6 diphoyphataza hình thành fructozo P :
F – 1,6 DP + HOH FP + P vô cơ
+ Phản ứng 7: Enzim transketolaza chuyển nhóm keto (CH2OHCO) từ FP đến nhóm aldehyt của ALPG để hình thành nên đường pentoz đầu tiên (xilulozoP) và erytrozo P:
CH2 – O – P CH2 – O – P CH2OH CHOH O = C – H CHOH C = O CHOH + CH – OH CHOH CHOH HO -CH CH2 – O – P H - C = O CHOH
C = O CH2 – O - P CH2- OH
+ Phản ứng 8: Eritrozo P dưới tác dụng của enzim sedoheptulozo diphotphataldolaza đã kết hợp với DAP thành sedoheptulozo DP (SeDP): CH2 – O – P O = C – H CH2 – O - P
C = O CHOH C = O CH2OH + CHOH CHOH DHAP CH2 – O – P CHOH
CHOH CHOH
+ Phản ứng 9: SeDP dưới tác dụng của enzim sedoheptulozo diphotphataza đã thủy phân thành sedoheptulozo P:
CH2 – OH C = O
sedoheptulozo DP HOH (CHOH)4 + P vô cơ CH2 – O - P
+ Phản ứng 10: Enzim transketolaza lại chuyển nhóm keto của sedoheptulozo P về nhóm aldehyt của ALPG và tạo thành 2 phân tử pentoz:
H
CH2OH C = O CH2OH C = O O = C – H CHOH C = O H – O - CH + CHOH CHOH + CHOH (CHOH)3 CH2 – O – P CHOH CHOH CH2 – O – P CH2 – O – P CH2 - O - P
+ Phản ứng 11: Trong các phản ứng 7 và 10 đã hình nên các pentozo P. Các pentoz này lại đòng phân hóa thành các ribulozo P. Còn xilulozo P thì dưới tác dụng của enzim ribulozo-P-epimeraza cũng hình thành nên ribulozo P: CH2OH CH2OH C=O C=O HO - C – H CHOH H - C – OH CHOH CH2 – O – P CH2 - O - P
+ Phản ứng 12: Ribozo P (ở phản ứng 10) nhờ enzim ribozo – photphatizomeraza chuyển thành ribulozo P:
O C – H CH2OH CHOH C = O CHOH CHOH CHOH CHOH CH2 - O - P CH2 - O - P
+ Phản ứng 13: Các ribozo P trong phản ứng 10 cuối cùng đã nhờ enzim ribozo photphokiraza hình thành các ribulozo DP:
CH2OH CH2- O – P C = O C = O
CHOH CHOH + ADP CHOH CHOH
CH2 – O – P CH2 – O – P Ribozo P Ribulozo DP
Đến đây RiDP lại được cacboxi hóa (phản ứng 1) và chu trình lặp lại, khép kín.
* Ý nghĩa của chu trình C3
- Chu trình C3 là chu trình quang hợp cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật thượng đẳng hay hạ đẳng, dù thực vật C3, C4 hay thực vật CAM. Đây là chu trình khử CO2 duy nhất để tạo nên các sản phẩm quang hợp trong thế giới thực vật.
- Trong chu trình tạo ra nhiều sản phẩm sơ cấp của quang hợp. Đó là các hợp chất C3, C5, C6… Các hợp chất này là nguyên liệu để tổng hợp nên các sản phẩm quang hợp thứ cấp như đường, tinh bột, axit amin, protein,lipit… Tùy theo bản chất của sản phẩm thu hoạch mà con đường đi ra của các sản phẩm
thứ cấp khác nhau, nhưng chúng đều xuất phát từ các sản phẩm sơ cấp của quang hợp.