Google+ Quang hợp | Zsinhhoc
Wednesday, January 9, 2013

5:02 PM

I. Những khái niệm chung về quang hợp

1. Khái niệm quang hợp
Quang hợp là một khái niệm tổng quát về quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 xảy ra trong cơ thể thực vật.
Phương trình tổng quát của quang hợp là:
phương trình tổng quát của qung hợp

Trong đó:  X là S đối với sinh vật quang khử.
                   X là O2 đối với sinh vật quang hợp.
Dựa vào bản chất của quá trình, người ta  chia quang hợp ra hai giai đoạn:
- Giai đoạn xảy ra cần ánh sáng → pha sáng.  
- Giai đoạn xảy không cần ánh sáng → pha tối.

2. Các hình thức tiến hoá của quang hợp
Quang hợp là hình thức dinh dưỡng cao nhất của sinh vật tự dưỡng. Để có quang hợp ngày nay, sinh vật tự dưỡng đã trải qua nhiều giai đoạn tiến hoá.

- Hoá năng hợp: đây là nhóm sinh vật tự dưỡng tiến hoá thấp nhất. Nhóm sinh vật này (vi khuẩn) sử dụng năng lượng của các phản ứng hoá học xảy ra trong cơ thể để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 và H2S.

- Quang khử: nhóm sinh vật quang khử có mức tiến hoá cao hơn nhóm hoá năng hợp. Nhóm sinh vật này (các nhóm tảo, vi khuẩn) có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 và H2S nhờ năng lượng ánh sáng.

- Quang  hợp xảy ra ở thực vật bậc cao là hình thức tiến hoá cao nhất của sinh vật tự dưỡng.

3. Ý nghĩa quang hợp
Quang hợp là quá trình sinh lý trung tâm của thực vật, có ý nghĩa quan trọng về nhiều mặt.

- Trước hết, quang hợp có vai trò quan trọng đến các hoạt động sống của thực vật. Quang hợp chuyển hoá năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học dự trữ trong cơ thể. Nhờ hô hấp, năng lượng hoá học được chuyển hoá thành ATP cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Quang hợp tổng hợp các chất hữu cơ để xây dựng nên cơ thể và làm nguyên liệu cho các hoạt động sống. Quang hợp còn có ý nghĩa quyết định sự tồn tại của sinh giới. Nhờ có quang hợp, thực vật mới đóng vai trò của sinh vật sản xuất, làm nhiệm vụ cung cấp nguồn vật chất và năng lượng cho các nhóm sinh vật khác.

Đối với con người, quang hợp còn có ý nghĩa quan trọng đặc biệt. Quang hợp cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu, lương thực, thực phẩm, dược phẩm.... cho nhu cầu của con người.

Quang hợp còn có ý nghĩa lớn lao với môi trường. Nhờ có quang hợp mà tỷ lệ CO2/O2 trong không khí ổn định, nhờ đó sự sống được duy trì. Nếu không có quang hợp sử dụng CO2 thì lượng CO2 khổng lồ được thải ra hàng ngày qua các hoạt động sống của sinh vật (hô hấp, thối rữa ....) do hoạt động của các ngành công nghiệp, do đốt cháy ... sẽ làm cho lượng CO2 trong khí quyển tăng, gây nên hiện tượng hiệu ứng lồng kính có thể dẫn đến thảm hoạ về môi trường.


II. Cơ chế quang hợp

1. Pha sáng quang hợp

a. Đặc tính quang hoá của ánh sáng
Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận cung cấp cho nhu cầu của quang hợp.
Một đặc tính quan trọng của ánh sáng là mang năng lượng. Năng lượng của ánh sáng được tính theo phương trình của Einstein:
                                    E = hγ = hC/λ
Trong đó: 
E: năng lượng của Photon (eV) hay của Einstein (Kcalo).
h: hằng số Planck (6,625.10-34 J.s).
γ: tần số ánh sáng.
λ: bước sóng ánh sáng (nm).
C: tốc độ ánh sáng (3.1010 cm/s).

Từ công thức trên, chúng ta có thể tính  được năng lượng của các tia sáng khác nhau. Năng lượng được tính theo đơn vị eV hay Kcalo.

Qua các trị số cho thấy năng lượng của ánh sáng tỷ lệ với λ. Trong vùng ánh sáng sinh lý (380 - 800 nm), tia đỏ có năng lượng bé nhất, ngược lại số Photon/Kcalo lại lớn nhất.

Một tính chất rất quan trọng khác của ánh sáng là nhờ mang năng lượng nên ánh sáng có tính chất quang hoá. Đó là khả năng gây ra những biến đổi lý hoá của các chất khi các phân tử hấp thu được các Photon. Các phân tử khi nhận năng lượng từ Photon truyền cho sẽ chuyển sang trạng thái giàu năng lượng hơn - đó là trạng thái hoạt hoá hay trạng thái kích động điện tử. Từ trạng thái hoạt hoá các phân tử mới thực hiện các biến đổi tiếp theo  

Nhờ tính chất này mà ánh sáng trực tiếp tham gia vào quang hợp bằng cách hoạt hoá phân tử chlorophyll, khi chlorophyll hấp thụ ánh sáng, phân tử chlorophyll chuyển sang trạng thái hoạt động để tham gia vào các phản ứng quang hoá tiếp theo.

b. Giai đoạn quang lý
Quang lý là giai đoạn đầu tiên của pha sáng quang hợp. Trong giai đoạn này xảy ra những biến đổi về tính chất vật lý của phân tử sắc tố khi hấp thụ năng lượng ánh sáng.

Giai đoạn này có hai hoạt động chính xảy ra là sự hấp thụ năng lượng của sắc tố và sự truyền năng lượng do các sắc tố hấp thụ được đến hai tâm quang hợp (P700 và P680). Kết quả của giai đoạn này là hai tâm quang hợp tiếp nhận được năng lượng ánh sáng do các hệ sắc tố chuyển đến và trở thành trạng thái hoạt động. Điện tử của hai tâm quang hợp giàu năng lượng sẽ tham gia vào các phản ứng quang hoá của giai đoạn quang hoá tiếp sau đó.

c. Giai đoạn quang hoá
Quang hoá là giai đoạn chuyển hoá năng lượng của các điện tử ở hai tâm quang hợp đã được làm giàu bởi năng lượng ánh sáng thành năng lượng của các hợp chất giàu năng lượng là ATP và NADPH2.
Quang hoá được thực hiện tại hai tâm quang hợp với sự tham gia của hai hệ thống quang hoá I và II. Hoạt động chính của giai đoạn quang hoá là quá trình quang phân ly nước và quá trình phptphoryl hoá.


* Quang phân ly nước. Quang phân ly nước là một quá trình rất quan trọng trong quang hợp đã được Hill và cộng sự nghiên cứu từ năm 1937. Trong môi trường vô bào tác giả cho H2O, lục lạp ngoại bào, các chất oxy hoá như K3Fe (C2O4)3... vào bình thí nghiệm rồi chiếu sáng vào hỗn hợp đó, kết quả nước bị phân huỷ theo phương trình sau (phương trình được gọi là phản ứng Hill).
Như vậy, nhờ năng lượng ánh sáng, với sự tham gia của sắc tố, các chất oxy hoá mà nước đã bị phân huỷ:

Quá trình phân huỷ nước nhờ năng lượng ánh sáng xảy ra trong quang hợp gọi là quang phân ly nước. Quá trình này xảy ra qua 3 giai đoạn cơ bản:
Trong các sản phẩm do quang phân ly nước tạo ra, O2  thải ra môi trường, e- thực hiện chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp để tổng hợp ATP - quá trình photphoryl hoá, H+ kết hợp với NADP--  để tạo sản phẩm quan trọng thứ hai của pha sáng  NADPH2.

* Photphorryl hoá quang hoá
Trong pha sáng quang hợp, sau khi năng lượng ánh sáng được chuyển  thành năng lượng điện tử của hai tâm quang hợp trong giai đoạn quang lý, năng lượng điện tử này được biến đổi thành năng lượng của ATP. Quá trình này được thực hiện qua photphoryl hoá quang hoá.

Năm 1954, Arnon phát hiện ra hai hình thức photphoryl hoá quang hoá là photphoryl hoá vòng và photphoryl hoá không vòng. Đến năm 1969, ông lại phát hiện thêm một hình thức photphoryl hoá đặc biệt ở cây mọng nước là photphoryl hoá vòng giả.

* Photphoryl hoá vòng.
Photphoryl hoá vòng xảy ra ở hệ quang hoá I với sự tham gia của hệ ánh sáng I (λ < 730 nm), hệ sắc tố I, hệ quang hoá I. Quá trình này xảy ra trong  điều kiện kỵ khí với sự tham gia của các chất oxy hoá như NADP, vitamin K, feredoxin ...

Ánh sáng hệ I tác động vào hệ sắc tố I, điện tử giàu năng lượng do nhận thêm năng lượng ánh sáng được chuyển đến tâm quang hợp I (P700). Qua hệ thống vận chuyển điện tử của hệ quang hoá I, diện tử được di chuyển theo con đường vòng: xuất phát từ P700, khi e- của  P700 nhận thêm năng lượng ánh sáng nó trở nên giàu năng lượng hơn. Ở trạng thái giàu năng lượng này (trạng thái kích động điện tử của sắc tố) không bền nên điện tử mất dần năng lượng qua chuỗi phản ứng oxy hoá khử thuận nghịch. Đến khi điện tử trở lại trạng thái bình thường thì nó quay trở lại P700 , hoàn thành một chu kỳ hoạt động. Trong quá trình mất dần năng lượng qua chuỗi phản ứng oxy hoá khử, nếu giai đoạn nào đủ điều kiện sẽ thực hiện phản ứng tổng hợp ATP:

ADP + H3PO4    →   ATP + H2O

Giai đoạn thực hiện tổng hợp ATP xảy ra khi e- di chuyển từ hệ xytocrom b6 sang xytocrom F. Như vậy, cứ 2e- di chuyển theo con đường vòng sẽ tổng hợp được 1ATP  với hiệu quả năng lượng đạt 6 - 9%.

* Photphoryl hoá không vòng.

Trong pha tối quang hợp để khử CO2 thành phân tử glucose (C6H12O6) không chỉ đòi hỏi năng lượng do ATP cung cấp mà còn cần chất khử mạnh NADPH2. Photphoryl hoá vòng mới cung cấp một phần ATP cho nên cần có có quá trình cung cấp thêm ATP và đặc biệt là NADPH2 cho pha tối. Nhu cầu đó đã được 
quá trình photphoryl hoá không vòng thoả mãn.

Photphoryl hoá không vòng thực hiện qua cả hai hệ quang hoá:
- Hệ quang hoá I có hệ ánh sáng I, hệ sắc tố I, tâm quang hợp I và hệ quang hoá I.
- Hệ quang hoá II có hệ ánh sáng II, hệ sắc tố II, tâm quang hợp II (P680) và hệ quang hoá II.

Đặc biệt trong photphoryl hoá không vòng có sự tham gia của nước. Qua quang phân ly, nước đã cung cấp e- cho quá trình photphoryl hoá không vòng.

Dưới tác động của năng lượng áng sáng với sự tham gia của các chất oxi hoá và P680, nước bị oxy hoá. Sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng hệ II, hệ sắc tố II truyền năng lượng đó cho P680. P680 trở nên trạng thái kích động điện tử với thể oxy hoá cao sẽ oxy hoá H2O. Phân tử nước bị P680 oxy hoá cướp e- nên phân ly thành H+ + O2. Điện tử tách ra từ P680 được vận chuyển qua hệ quang hoá II để đến P700. Từ  P700, nhờ năng lượng ánh sáng cung cấp qua hệ sắc tố I, e- lại giàu năng lượng  để chuyển  đến cho feredoxin. feredoxin khử NADP tạo ra NADP-- và NADP-- kết hợp với 2H+ do nước tách ra để tạo NADPH2 - sản phẩm quan trọng thứ hai của pha sáng.


Trong quá trình di chuyển e- từ hệ quang hoá II sang hệ quang hoá I, năng lượng e- giảm dần. Năng lượng thải ra qua các phản ứng oxy hoá khử đó nếu đủ điều kiện sẽ được dùng tổng hợp ATP, đó là giai đoạn từ xytocrom b559 sang xytocrom F. Như vậy, sản phẩm của photphoryl hoá không vòng ngoài ATP còn NADPH2, đó là nhờ có sự tham gia của quang phân ly nước xảy ra đồng thời với quá trình photphoryl hoá không vòng này.

Phương trình tổng quát của photphoryl hoá không vòng là:
H2O + ADP + H3PO4 + NADP    →     H2O + ATP + NADPH2
ADP + H3PO4 + NADP     →     ATP + NADPH2
Để khử 6CO2 tạo C6H12O6 cần 18 ATP và 12 NADPH2, vậy pha sáng phải thoả mãn nhu cầu này, tức là photphoryl hoá vòng và photphoryl hoá không vòng phối hợp để tạo ra đủ 18ATP và 12 NADPH2, cụ thể là:
- Photphoryl hoá vòng:
6 ADP + 6 H3PO4   → 6 ATP + 6H2O
- Photphoryl hoá không vòng: 12H2O + 12ADP + 12 H3PO4 + 12NADP → 12 H2O + 12 ATP + 12 NADPH2

Kết quả chung của pha sáng:
12H2O + 18ADP + 18 H3PO4 + 12NADP → 18 H2O + 18ATP + 12 NADPH2
18ADP + 18 H3PO4 + 12NADP → 6 H2O + 18ATP + 12 NADPH2 + 6O2


2. Pha tối quang hợp
Sau khi pha sáng tạo ra ATP và NADPH2, giai đoạn tiếp theo của quang hợp là sử dụng ATP. NADPH2 để khử CO2, tạo nên các sản phẩm của quang hợp.

Quá trình này xảy ra không cần sử dụng năng lượng ánh sáng mà chỉ dùng sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH2 nên được gọi là pha tối quang hợp. Pha tối là một chuỗi phản ứng hoá sinh được thực hiện nhờ hệ enzyme xúc tác.

Sản phẩm đầu tiên của quá trình đồng hoá CO2 là glucose. Từ glucose, qua nhiều con đường biến đổi khác nhau sẽ tạo nên tất cả các hợp chất hữu cơ khác có trong lá.
Giai đoạn đầu của pha tối là quá trình tạo C6H12O6,  quá trình này xảy ra theo nhiều con đường khác nhau, mỗi con đường đặc trưng cho một nhóm thực vật. Cho đến nay, người ta đã xác định có 3 con đường đồng hoá CO2 tạo glucoza trong quang hợp: chu trình Calvin, chu trình Hatch - Slack, chu trình CAM.

a. Chu trình Calvin
Vào những năm 1948 - 1954, hai nhà khoa học là Calvin và Benson đã dùng đồng vị phóng xạ C14
 gắn vào CO2 để tiến hành nghiên cứu con đường đồng hoá CO2 trong pha tối quang hợp. Bằng cách cho chlorella quang hợp với 14CO2, sau những thời gian quang hợp xác  định (sau 1’’, 2’’...), tiến hành cố  định mẫu  để không cho cholorela tiếp tục quang hợp. Chiết rút các sản phẩm của quá trình đồng hoá 14CO2, theo dõi sự xuất hiện của 14C trong các sản phẩm theo thời gian sau khi cho chollorella quang hợp với 14CO2.

Qua phân tích, các tác giả xác định được sản phẩm đầu tiên tạo ra trong quá trình đồng hoá CO2 là một hợp chất có 3 nguyên tử cacbon - APG (acid - photpho - glyceric). Vì vậy, chu trình này còn được gọi là chu trình C3. Để tạo C3 từ CO2 cần chất tiếp nhận CO2.

Qua thực nghiệm, người ta đã xác định được chất nhận CO2 là hợp chất có 5 nguyên tử C - đó là Ribulozo 1,5 diphotphat. Quá trình biến đổi CO2 thực hiện theo chu trình khép kín, gọi là chu trình Calvin (hay chu trình C3).

Kết quả chu trình C3: chu trình xảy ra qua 3 giai đoạn:

- Giai đoạn tiếp nhận CO2:
6C5 + 6CO2  + 6H2O  →  12 C3(APG)
- Giai đoạn khử APG:
12APG + 12ATP + 12NADPH2 → 12C3(AlPG) + 12ADP + 12H3PO4 + 12 NADP

- Giai đoạn tái tạo C5:
10C3 + 6ATP + 4H2O  →  6C5 + 6ADP +  4H3PO42C3 + 2H2O  → C6H12O6 + 2 H3PO4
Kết quả chung của chu trình:
6CO2+12H2O+12ATP+12NADPH2→ C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18H3PO4

Kết hợp với pha sáng ta có:  

Sản phẩm chu trình Calvin là C6H12O6, từ C6H12O6 sẽ tạo nên tinh bột, các hợp chất hữu cơ khác. Có thể nói mọi chất hữu cơ có trong cây đều được tạo ra từ quang hợp. 


b. Chu trình Hatch - Slack
Năm 1943, Cacvanho nghiên cứu lục lạp của mía thấy cấu trúc của nó không đồng đều như lục lạp của nhiều cây khác. Năm 1963, Tacchepski và Cacpilop cũng phát hiện lại điều đó, đồng thời tìm thấy sản phẩm đầu tiên của pha tối quang hợp ở cây này không phải là APG như chu trình C3 mà là hợp chất có 4 nguyên tử cacbon là acid malic. Đến năm 1966, Hatch và Slack tiếp tục nghiên cứu vấn này một cách hoàn chỉnh hơn và đã xác định được cơ chế đồng hoá CO2 đặc trưng ở một số cây một lá mầm như mía, ngô, kê... xảy ra theo chu trình khác với chu trình C3. Đó là chu trình Hatch-Slack hay chu trình C4.

Chu trình C4 xảy ra ở nhóm thực vật một lá mầm. Ở nhóm thực vật này có cấu tạo lá và một số hoạt động sinh lý đặc trưng.

Về hình thái giải phẫu lá của nhóm thực vật này có hai loại tế bào cùng tiến hành quang hợp, nhưng với chức năng khác nhau. Tế bào thịt là (mezophyll) nằm ngay sát dưới lớp biểu bì. Lục lạp dạng hạt. Tế bào bao bó mạch nằm sâu trong lá, sát các bó mạch. kích thước tế bào lớn hơn, lục lạp dạng bản.

Do vị trí các loại tế bào trong lá khác nhau nên chức năng tham gia trong quang hợp cũng khác nhau. Tế bào mezophyll nằm sát biểu bì nên có thể tiếp nhận trực tiếp CO2 từ không khí cung cấp theo con  đường khuyếch tán qua khí khổng. Những sản phẩm quang hợp tạo ra ở đây lại khó đưa đến bó mạch để vận chuyển đi nuôi các bộ phận khác của cây. Ngược lại, tế bào bao bó mạch nằm sâu trong lá nên không thể tiếp nhận CO2 từ không khí cung cấp, những sản phẩm tạo ra ở đây lại dễ dàng chuyển vào hệ mạch để vận chuyển đi các nơi khác của cây.

Về đặc điểm sinh lý, sinh thái, nhóm thực vật C4 cũng có những đặc điểm riêng khác với thực vật C3 và thực vật CAM. Nhu cầu nhiệt độ cho quang hợp cao hơn thực vật C3. Điểm no ánh sáng cao hơn nhiều so với thực vật C3. Ngược lại, nhu cầu nước, điểm bù CO2 lại thấp hơn thực vật C3. Một đặc điểm rất quan trọng là thực vật C4 không có quang hô hấp cho nên cường độ quang hợp cao hơn, năng suất sinh học cao hơn nhiều so với thực vật C3. Do đặc điểm cấu tạo lá của nhóm thực vật một lá mầm thực hiện quá trình đồng hoá CO2 theo chu trình C4 mà chu trình C4 cũng có những đặc trưng khác hẳn chu trình C3.
Chu trình C4 xảy ra qua hai giai đoạn tách biệt nhau. Hai giai đoạn được thực hiện ở hai loại tế bào khác nhau.

- Ở tế bào thịt lá, xảy ra giai đoạn cacboxyl hoá APEP (acid photpho enol pyruvic) tạo nên acid oxalo acetic, sau đó bị khử thành acid malic. Acid malic rất linh động, có tính thấm cao với màng tế bào nên dễ dàng chuyển từ tế bào mezophyll vào tế bào bao bó mạch để tiếp tục biến đổi trong giai đoạn hai.

 - Ở tế bào bao bó mạch, sau khi tiếp nhận acid malic từ tế bào thịt lá chuyển vào, acid malic bị decacboxyl hoá để tạo acid pyruvic và CO2. CO2 được tạo ra ngay trong tế bào này (CO2 nội bào) sẽ được ribulozo 1,5 diphotphat tiếp nhận để thực hiện chu trình Calvin. Qua chu trình Calvin, C6H12O6 được tạo ra.


c. Chu trình CAM (Casulaceae Acids Metabolism)
Trong điều kiện khí hậu khô nóng kéo dài, nhất là ở vùng sa mạc, núi đá vôi ... tồn tại nhóm thực vật có kiểu đồng hoá CO2 rất đặc biệt thích nghi với điều kiện khô nóng, hạn hán kéo dài. Trong điều kiện khô nóng, để tiết kiệm nước, ở nhóm cây này chỉ mở khí khổng vào ban  đêm còn ban ngày khí khổng  đóng. Do vậy, ban  đêm lá mới nhận được CO2 từ không khí cung cấp cho quang hợp, còn ban ngày khí khổng  đóng, CO2 trong không khí không khuyếch tán vào tế bào lá  được nên không diễn ra quá trình cacboxyl hoá. Bởi vậy nên ở nhóm thực vật này quá trình đồng hoá CO2 cũng xảy ra qua hai giai đoạn:

- Giai  đoạn 1: cacboxyl hoá APEP  để tạo acid  oxalo acetic, sau  đó, acid  oxalo acetic bị khử thành acid malic. Quá trình này xảy ra vào ban đêm khi khí khổng mở, CO2 của không khí khuyếch tán qua khí khổng cung cấp cho tế bào lá thực hiện quá trình cacboxyl hoá.

- Giai đoạn 2: decacboxyl hoá acid malic. Acid malic tích lũy vào ban đêm, đến ban ngày sẽ bị decacboxyl hoá để tạo CO2 và acid pyruvic. CO2  này tham gia vào chu trình Calvin để tạo ra C6H12O6.

Tóm lại, quá trình đồng hoá CO2 là quá trình phức tạp, xảy ra theo nhiều con đường khác nhau. Trong các con đường đó, chu trình Calvin là con đường cơ bản vì qua đó sẽ tạo sản phẩm sơ cấp của quang hợp là C6H12O6.

Theo GTTBH
DOWNLOAD:

0 nhận xét:

Post a Comment