Tất cả năng lượng tự do ủược sinh vật sử dụng ủều bắt nguồn từ năng lượng ỏnh sỏng mặt trời, ủó ủược chuyển hoỏ trong quỏ trỡnh quang hợp.
Phương trình tổng quát của quang hợp ở thực vật là một phản ứng ôxy hóa - khử, trong ủú H2O là chất cho ủiện tử (hydro) ủể khử CO2 thành carbohydrate (CH2O):
Cơ chế của quang hợp khỏ phức tạp, ủũi ủũi hỏi sự phối hợp tham gia của nhiều protein và cỏc phõn tử nhỏ. Quang hợp xảy ra ở thực vật thượng ủẳng, rờu và tảo, cũng như một số vi sinh vật gồm nguyờn sinh ủộng vật và hàng loạt vi khuẩn. Mặc dự, ở cỏc sinh vật trờn, quỏ trình khác nhau ở chi tiết, song về cơ bản cơ chế là giống nhau; nhiều sự hiểu biết về quang hợp của thực vật bậc cao bắt nguồn từ cỏc nghiờn cứu ở sinh vật ủơn giản.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 119 Hỡnh 6-17. Cỏc dạng năng lượng sinh học ủều bắt
nguồn từ ánh sáng mặt trời. Sinh vật quang hợp sử dụng năng lượng ỏnh sỏng ủể tổng hợp glucose và cỏc chất hữu cơ khác; rồi các sinh vật dị dưỡng sử dụng chỳng ủể khai thỏc năng lượng và nguồn carbon.
Hình 6-18. Các phản ứng sáng của quang hợp tạo ra NADPH và ATP nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời. Cỏc chất này ủược sử dụng ủể khử CO2, tạo ra các triose và các hợp chất phức tạp hơn (như glucose).
Năng lượng ỏnh sỏng ủược cỏc sắc tố (pigment) gọi là chlorophyll trong lục lạp hấp thụ, ủược sử dụng ủể tạo ra cỏc ủiện tử cao năng cú thế năng khử lớn. Sau ủú, cỏc ủiện tử cao năng ủược sử dụng ủể tạo NADPH và ATP trong các phản ứng sáng (xảy ra dưới ánh sáng). NADPH và ATP sẽ khử CO2 và chuyển nó thành 3-phosphoglycerate, rồi thành ủường bởi một loạt cỏc phản ứng ủược gọi là chu trỡnh Calvin (hay các phản ứng tối).
Hỡnh 6-19. Sơ ủồ cấu tạo của lục lạp (Chloroplast)
Vai trũ của quang hợp ủối với sinh quyển là vụ cựng lớn lao. Quang hợp là nguồn cung cấp tất cả cỏc hợp chất cacbon và ụxy là chất cần thiết cho cỏc quỏ trỡnh trao ủổi hiếu khớ. Hàng năm, hơn 1017 kcal năng lượng tự do ủược quang hợp tạo ra trờn Trỏi ðất, tương ứng với sự ủồng húa hơn 1010 tấn (10 tỷ tấn) carbon thành carbohydrate và cỏc dạng chất hữu cơ khỏc.
a. Quang hợp ở cây xanh diễn ra trong lạp lục
Ở thực vật cao ủẳng, cỏc phản ứng của pha sỏng và pha tối ủều diễn ra ở lục lạp (chloroplast), một khớ quan nội bào cú màng bao bọc, hỡnh dạng khụng ủồng nhất, ủường kớnh vài àm (hỡnh 6-19). Giống như ty thể, chỳng cú hai lớp màng bao quanh. Màng ngoài cú thể cho cỏc phõn tử nhỏ và cỏc ion ủi qua, màng trong tạo thành một khoang kớn riờng. Khoang này chứa nhiều ủĩa - cỏc bọc cú màng bao quanh - ủú là cỏc màng thylakoid, thường ủược sắp xếp trong các ngăn gọi là Granum. Trong màng thylakoid có các sắc tố quang hợp và các tổ
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 120 hợp enzyme thực hiện các phản ứng sáng và tổng hợp ATP. Stroma (dịch nước bao quanh bởi màng trong) cú chứa cỏc enzyme cần thiết cho cỏc phản ứng ủồng húa carbon.
b. Các sắc tố quang hợp chính
Cỏc sắc tố của tế bào quang hợp ở thực vật thượng ủẳng là chlorophyll và carotenoid.
Thực vật thượng ủẳng cú hai loại chlorophyll: a và b, là chất nhận ỏnh sỏng rất hiệu quả, vỡ cú mạng lưới cỏc liờn kết ủụi và ủơn liờn hợp. Ngoài chlorophyll là cỏc sắc tố chớnh, lục lạp cũn có các sắc tố phụ là các chất carotenoid (nhưβ-caroten, xanthophin, zeaxanthin, violaxanthin và một số chất khỏc) hấp thụ phần quang phổ mà chlorophyll khụng hấp thụủược và cũn bảo vệ chlorophyll không bị phá huỷ dưới tác dụng của ôxy.
Trong lục lạp nguyên vẹn, chlorophyll tồn tại ở một số dạng, vốn hấp thụ ánh sáng khác nhau. Mỗi dạng ủược ký hiệu dựa vào dộ dài cực ủại của ỏnh sỏng trong vựng ủỏ mà nú hấp thụ. Dạng cú cực ủại hấp thụ trong vựng 670-673nm, ủược ký hiệu là Chla 670 hay P670 (Pigment nghĩa là sắc tố). Dạng khỏc cú cực ủại hấp thụ giữa 680-683nm, ký hiệu là Chla 680, hay P680. Một dạng ủặc biệt của chlorophyll cú cực ủại hấp thụ khoảng 700nm, ký hiệu là P700, cú vai trũ quan trọng, là cỏi ôbẫyằ cỏc lượng tử ỏnh sỏng.
Trong lục lạp, cỏc chlorophyll ủược sắp xếp một cỏch trật tự trong cỏc ủơn vị quang hợp. Mỗi ủơn vị quang hợp gồm cú: khoảng 400 phõn tử chlorophyll, cỏc sắc tố phụ và cỏc chất vận chuyển ủiện tử. Trong một ủơn vị quang hợp, cỏc sắc tố thực hiện vai trũ hấp thụ lượng tử ỏnh sỏng, sau ủú truyền năng lượng hấp thụ cho cỏc trung tõm phản ứng, tại ủú xảy ra các phản ứng quang hoá. Trung tâm phản ứng là dạng chlorophyll a hấp thụ ánh sáng có bước súng dài. Tổ hợp của một ủơn vị quang hợp và một trung tõm phản ứng ủược gọi là hệ thống quang hoá (Photosystem), gọn hơn là quang hệ (QH). Trong lục lạp của thực vật có ít nhất hai kiểu QH: QHI và QHII, khác nhau về thành phần các sắc tố. QHI chứa P700, còn quang QHII chứa P680 ở trung tâm phản ứng.
c. Cơ chế hoá sinh của quang hợp ở thực vật
Quang hợp có hai pha: sáng và tối. Các phản ứng của pha sáng liên quan chặt chẽ và trực tiếp tới sự sử dụng năng lượng ánh sáng, còn các phản ứng của pha tối có thể xảy ra khi không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng.
+ Pha sáng của quang hợp – Quá trình quang phosphoryl hoá:
Trong pha sáng, xảy ra quá trình quang phân ly nước, giải phóng O2. Năng lượng ánh sỏng ủược dựng ủể khử NADP+ thành NADPH và phosphoryl hoỏ ADP thành ATP. ðõy là một quỏ trỡnh phức tạp, nhiều chi tiết cũn chưa rừ. Mởủầu là sự hấp thụ cỏc lượng tử ỏnh sỏng của chlorophyll và một trong số cỏc ủiện tử của nú ủược chuyển lờn mức năng lượng cao hơn.
Sau ủú, qua một chuỗi cỏc chất vận chuyển ủiện tử trung gian trong lục lạp, ủiện tử ủược chuyển về mức năng lượng ban ủầu. Quỏ trỡnh vận chuyển ủiện tử làm tạo ra một gradient proton, ủõy là ủộng lực cho sự tổng hợp ATP.
Quá trình quang phosphoryl hoá gồm hai kiểu: vòng và không vòng.
Trong quang phosphoryl hoá vòng, có sự tham gia của QHI với trung tâm phản ứng là P700. P700 hấp thụ năng lượng photon và chuyển sang trạng thái kích thích (P*700), có thế khử chuẩn cao (-1,2V). Sau ủú, ủiện tử của P*700 ủược chuyển về P700 ủó bị ụxy hoỏ, qua một loạt các các chất vận chuyển trung gian, trước hết là ferredoxin – một protein chứa Fe, rồi ủến phức hợp cytochrome bf và cuối cựng là plastocyanin. Sự vận chuyển ủiện tử làm proton bị bơm qua màng thylakoid, tạo ra một sự chờnh lệch về H+ (gradient proton), dẫn ủến tổng hợp ATP. Trong quỏ trỡnh này NADPH khụng ủược hỡnh thành và cũng khụng cú sự giải phóng O2 từ H2O.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 121 Hình 6-20. Sự phối hợp của hai quang hệ trong lạp lục
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA]
ðiện tửủược tỏch ra từ H2O ủi ủến NADP+ trong quang phosphoryl hoá không vòng. ðể ủủ năng lượng khử NADP+ thành NADPH, mỗi ủiện tử phải ủược kớch thớch (ủược nõng mức năng lượng) hai lần (mũi tên lớn) bởi các photon hấp thụ tại QHII và QHI. Trong từng qang hệ, mỗi ủiện tử cần một photon kớch thích. Ở trạng thái kích thích, các ủiện tử cao năng ủược chuyển xuôi qua một chuỗi các thành viờn vận chuyển ủiện tử cú thế khử chuẩn giảm dần. Từ nước bị phân ly, proton di chuyển qua màng thylakoid và ủiện tử chuyển qua phức hợp cytochrome bf, tạo ra một gradient proton, ủú là trạng thỏi trung gian dự trữ năng lượng ủể tạo ATP. Mũi tên không liền chỉ sự vận chuyển ủiện tử theo ủường vũng, chỉ cú ở QHI; ủiện tử trở lại QHI, thay vì khử NADP+ thành NADPH.
Trong quang phosphoryl hoỏ khụng vũng, cú sự tham gia ủồng thời của QHI và QHII.
ðiện tửủược chuyển liờn tục từ QHII sang QHI. P700 (trung tõm phản ứng của QHI) nhận photon, bị kích thích chuyển sang dạng P*700 có thế khử chuẩn cao. Ở trạng thái không bền này, ủiện tử của nú ủược sử dụng ủể khử NADP+ thành NADPH. ðiện tử ủược chuyển qua một loạt các chất trung gian có thế năng khử chuẩn giảm dần: A0, A1, một trung tâm chứa Fe- S, Fd (một flavoprotein), ferredoxin:NADP+ oxidoreductase. NADP+ ủồng thời nhận ủiện tử từ P*700 và H+ từ quá trình quang phân ly H2O, kết quả tạo thành NADPH.
Sau khi mất ủiện tử, P700 của QHI sẽ nhận ủiện tử từ QHII. P680 của QHII nhận photon ánh sáng, trở thành dạng kích thích P*680 (có thế năng khử chuẩn khoảng -0,8V). Sau ủú ủiện tử từ P*680 ủược chuyển cho P700 của QHI, qua một loạt cỏc chất vận chuyển trung gian: Pheo (pheophitin), PQA và PQB (những protein chứa plastoquinon), phức hợp cytochrome bf và cuối cùng là plastocyanin.
ðiện tử trả lại cho P680 của QHII bắt nguồn từ H2O. Ở vi khuẩn lam (cyanobacteria) và thực vật xảy ra quỏ trỡnh quang phõn ly H2O, nhả ra O2. H+ của H ủược dựng ủể khử NADP+ (nhưủó nờu ở trờn), cũn ủiện tử (từ H) ủược chuyển cho P680 của QHII. Kết quả của sự vận chuyển ủiện tử qua cỏc chất trung gian cũng tạo ra một gradient proton dẫn ủến quỏ trỡnh tạo ATP.
Như vậy, trong quang phosphoryl hoỏ khụng vũng, ủiện tử khụng ủược vận chuyển một cách khép kín; ngoài ATP, sản phẩm còn là NADPH và O2.
Các sinh vật quang hợp có nhả O2 (thực vật, tảo và vi khuẩn lam) có cả hai QHI và QHII, còn các sinh vật không nhả O2 chỉ có một quang hệ (QHI).
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 122 + Pha tối của quang hợp (ðồng hoá CO2):
Hỡnh 6-21. Ba giai ủoạn của chu trỡnh Calvin
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition.
Freeman and Company, New York, USA]
Giai ủoạn 1: cốủịnh carbon nhờ sự carboxyl húa ribulose -1,5-bisphosphate. Giai ủoạn 2: khử carbon cốủịnh ủể tổng hợp hexose. Giai ủoạn 3: tỏi tạo hợp chất nhận hay chất mởủầu (ribulose-1,5-bisphosphate).
Pha tối của quang hợp gồm một chuỗi phản ứng enzyme, nhằm ủồng hoỏ CO2, khử nú thành carbohydrate. Chuỗi phản ứng khộp kớn này ủược gọi là chu trỡnh Calvin (do Malvin Calvin tỡm ra năm 1945), chia làm 3 giai ủoạn, nhưở Hỡnh 6-21, 6-22 và 6-23 và 6-24.
Giai ủoạn 1: Cốủịnh CO2 chuyển thành 3-Phosphoglycerate
CO2 ủược cốủịnh vào chất nhận ribulose -1,5-bisphosphate (RBD), hỡnh thành 2 phõn tử 3-phosphoglycerate (Hình 6-22).
Giai ủoạn 2: Biến ủổi 3-Phosphoglycerate thành glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) cú 3C và biến ủổi cỏc ủường 3C thành ủường 6C (Hỡnh 6-23).
3-Phosphoglycerate (hỡnh thành trong giai ủoạn 1) ủược chuyển thành GAP qua hai phản ứng :
3-Phosphoglycerate + ATP → 1,3-bisphosphoglycerate + ADP ; enzyme xúc tác là 3- phosphoglycerate kinase.
1,3-Bisphosphoglycerate + NADPH + H+ → glyceraldehyde-3-phosphate + NADP+, enzyme xúc tác là glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.
Sau ủú GAP ủược ủồng phõn hoỏ, nhờ enzyme triosephosphate isomerase, thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP).
GAP và DHAP (hai phân tử có 3C) kết hợp thành Fructose-1,6-bisphosphate (6C), nhờ xúc tác của enzyme transaldolase.
Dưới tác dụng của hexobisphophatase, một gốc phosphate của fructose-1,6-bisphosphate bị thuỷ phõn, fructose-6-phosphate ủược tạo thành và từủõy cú thể tạo ra tinh bột.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 123 Hỡnh 6-22. Giai ủoạn 1 của chu trỡnh Calvin
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA]
Rubisco cú hoạt tớnh của carboxylase. Phản ứng cố ủịnh CO2 do ribulose-1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase (rubisco) xúc tác. (1) Từ ribulose-1,5-bisphosphate tạo ra một enediolate ở TTHð. (2) CO2 bị phân cực khi Mg+2 xích lại gần, tương tác với enediolate, tạo ra một hexose phõn nhỏnh. (3) Hợp nước ở C-3 của ủường, sau ủú là sự phân tách (4), tạo ra một phân tử 3-phosphoglycerate, chất này rời TTHð của enzyme.
(5) Carbanion (C-) của mảnh 3C cũn lại ủược gắn proton từ gốc Lys175 kề cận và tỏch ra thành phân tử 3-phosphoglycerate thứ hai. Toàn bộ phản ứng thực hiện sự kết hợp một phân tử CO2 và một ribulose 1,5-bisphosphate tạo ra 2 phân tử 3-phosphoglycerate, một trong sốủú chứa nguyờn tử carbon từ CO2.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 124 Hỡnh 6-23. Giai ủoạn ủoạn 2 của chu trỡnh Calvin
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition.
Freeman and Company, New York, USA]
Qua hai phản ứng, 3-phosphoglycerate ủược chuyển thành GAP. Carbon ủược cốủịnh trong GAP cú thểủược chuyển hoỏ theo nhiều cỏch. Một phần GAP chuyển vũng lại thành ribulose-1,5-bisphosphate nhưở hỡnh 6-24. Một phần nhỏ GAP cú thểủược sử dụng ngay làm nguồn năng lượng, nhưng chủ yếu ủược chuyển thành sucrose ủể vận chuyển hoặc ủược dự trữ dưới dạng tinh bột trong lục lạp. Ở trường hợp ủầu, GAP ngưng tụ với DHAP tạo ra fructose-1,6-bisphosphate, là một tiền chất của tinh bột. Trong các trường hợp khỏc, GAP ủược ủồng phõn hoỏ thành DHAP, chất này rời lục lạp nhờ một hệ thống vận chuyển ủặc hiệu, và ở cytosol (tế bào chất) cú thểủi vào quỏ trỡnh ủường phõn ủể khai thỏc năng lượng hay ủược tổng hợp thành fructose-6-phosphate và sau ủú thành sucrose.
Giai ủoạn 3 : Tỏi tạo lại ribulose-1,5-bisphosphate từ cỏc triose phosphate.
Cơ chất mở ủầu là GAP và DHAP. Quỏ trỡnh tỏi tạo lại chất nhận ribulose-1,5- bisphosphate, từ cỏc triose phosphate ủược thể hiện trong sơủồ 6-24.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 125 Hỡnh 6-24. Giai ủoạn 3 của chu trỡnh Calvin (Tỏi tạo chất nhận)
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition.
Freeman and Company, New York, USA]
Sơủồ cho thấy sự biến ủổi qua lại của cỏc triose phosphates và pentose phosphate. Cỏc hỡnh trũn ủen chỉ số carbon trong mỗi hợp chất. Cơ chất mởủầu là GAP và DHAP. Cỏc phản ứng 1 và 4 do transaldolase; 3 và 6 do transketolase xỳc tỏc, tạo ra cỏc pentose phosphate, rồi cỏc chất này ủược chuyển thành ribulose-1,5- bisphosphate/ribose-5-phosphate nhờ enzyme ribose-5-phosphate isomerase (7) và xylulose-5-phosphate nhờ ribulose-5-phosphate epimerase (8). Ở phản ứng 9, ribulose-5-phosphate ủược phosphoryl hoỏ ủể tỏi tạo lại ribulose-1,5-bisphosphate. Cỏc phản ứng 2; 5 và 9, tương ứng ủược enzyme fructose-1,6-bisphosphatase;
sedoheptulose bisphosphatase và ribulose-5-phosphate kinase xỳc tỏc, ủều thu năng lượng, làm cả quỏ trỡnh chỉ diễn ra một chiều.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 126 Hỡnh 6-25. Số phõn tử CO2 ủược ủồng hoỏ trong chu trỡnh Calvin
[Theo J. R. Bowyer và R. C. Leegood. "Photosynthesis" trong “Plant Biochemistry”; P. M. Dey and J. B. Harborne, Eds.
(Academic Press, 1997), p. 85.]
Cứ 3 phõn tử CO2ủược cốủịnh, tạo ra một triose phosphate (glyceraldehyde 3-phosphate), sử dụng hết 9ATP và 6NADPH.
Bản chất hoỏ học của chu trỡnh Calvin là sự khử CO2 thành ủường hexose (Sơủồ 6- 25). Phương trỡnh tổng quỏt của chu trỡnh Calvin cú thểủược viết như sau:
6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H2O → C6H12O6 + 18ADP + 18Pi + 12NADP+ + 12H+ + Chu trình Hatch – Slack (Chu trình C4):
Chu trỡnh Calvin (chu trỡnh C3) diễn ra ở hầu hết thực vật. Sản phẩm ủầu tiờn của sự ủồng hoỏ carbon trong chu trỡnh này là hợp chất cú 3C (3-phosphoglycerate). Do ủú, cỏc thực vật cốủịnh CO2 theo chu trỡnh này ủược gọi là những thực vật C3. Tuy nhiờn, ủõy khụng phải là ủường hướng duy nhất của sự cố ủịnh CO2. Ở một số thực vật nguồn gốc nhiệt ủới (mớa, ngụ, cao lương, vv…) cú một ủường hướng khỏc ủể cố ủịnh CO2. Cỏc thực vật này cố ủịnh CO2 với sự hỡnh thành trước hết những hợp chất cú 4C, nờn ủược gọi là thực vật C4.
Thực nghiệm chứng minh rằng, khi giữ thực vật trong khí quyển 14CO2, dấu phóng xạ trước tiên xuất hiện ở các hợp chất có 4C như oxaloacetate, malate, aspartate. Muộn hơn, 14C cũng sẽủi vào 3-phosphoglycerate và cỏc este phosphate của ủường. ðường hướng này do Hatch và Slack nghiờn cứu ủầu tiờn, nờn ủược gọi là chu trỡnh Hatch – Slack (chu trỡnh C4).
Thực vật C4 có hai loại tế bào quang hợp là tế bào thịt lá (mesophyll cell) và tế bào bao bó mạch (bundle- sheath cell). Theo Hatch và Slack, các hợp chất C4 chuyển CO2 từ các tế bào thịt lá (tiếp xúc với không khí) sang các tế bào bao bó mạch, là nơi chính của quang hợp.
Chất nhận CO2ủầu tiờn ở chu trỡnh C4 khụng phải là ribulose-1,5-bisphosphate như trong chu trình Calvin, mà là 2-phosphoenolpyruvate (PEP). Tại tế bào thịt lá, CO2 ngưng tụ với PEP
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 127 tạo ra oxaloacetate, nhờ enzyme PEP-carboxylase. Sau ủú oxaloacetate ủược khử thành malate nhờ malate dehydrogenase xúc tác. Malate chuyển sang tế bào bao bó mạch và bị khử carboxyl hoỏ trong lục lạp nhờ enzyme malic cho ra pyruvate và CO2. CO2ủược tỏch ra sẽủi vào chu trình Calvin; còn pyruvate trở lại tế bào thịt lá, chuyển thành PEP.
Hỡnh 6-26. Sự ủồng hoỏ carbon ở thực vật C4
[Theo Nelson D. L. và Cox M. M. (2005) trong “Lehninger Principles of Biochemistry”, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA]
Con ủường C4, liờn quan ủến cỏc tế bào thịt lỏ và tế bào bao bú mạch, diễn ra chủ yếu ở thực vật cú nguồn gốc nhiệt ủới, ủồng hoỏ CO2 xảy ra qua cỏc hợp chất trung gian cú 4C.