Chlorophyll) không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích vì ánh sáng huỳnh quang được phát ra khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S 1 →S o . Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên các mức năng lượng cao hơn S 1 , qua con đường thải nhiệt để cuối cùng đều chuyển về mức S 1 để sau đó phát ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ Chlorophyll có thể hấp thụ cả ánh sáng xanh (λ=440nm) và ánh sáng đỏ (λ=700nm) nên khi chiếu dung dịch Chlorophyll dù là ánh sáng xanh hay ánh sáng đỏ thì phổ huỳnh quang của Chlorophyll vẫn không thay đổi. * Qui luật Levin: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang đối xứng quanh một bước sóng λ o (xem hình 8.5). Qui luật đúng với phân tử có cấu trúc đơn giản. 1 2 λ 1 λ o λ 2 λ D Hình 8.5: Phổ hấp thụ (1) và phổ huỳnh quang (2) đối xứng qua λ o 2. Sự phát lân quang Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản S o lên mức kích thích S 1 và khi trở về trạng thái ban đầu có thể bằng sự thải nhiệt (đường 2, hình 8.3) hoặc phát huỳnh quang (đường b, hình 8.3), hoặc thải nhiệt để chuyển về mức triplet (đường 3, hình 8.3), sau đó phân tử chuyển từ mức triplet về mức S o và phát ra ánh sáng lân quang (đường c, hình 8.3). Sự phát lân quang có thể biểu diễn dưới dạng: T→S o +hγ * γ * : Tần số ánh sáng lân quang ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ =γ * * v . Lân quang cũng được đặc trưng bởi phổ lân quang. Phổ lân quang là đường cong phụ thuộc của cường độ ánh sáng lân quang vào bước sóng ánh sáng lân quang (λ*). Phổ lân quang luôn dịch chuyển về phía ánh sáng có bước sóng dài hơn so với phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Nguyên do vì * lq ' hqht v .hE ' v .hE v .hE λ => λ => λ = suy ra bước sóng ánh sáng hấp thụ (λ) nhỏ hơn bước sóng ánh sáng huỳnh quang và bước sóng ánh sáng huỳnh quang (λ') lại nhỏ hơn bước sóng ánh sáng lân quang (λ * ) (xem hình 8.6). Sự phát lân quang kéo dài từ 10 -4 đến 10 -2 giây, tức là lâu hơn so với sự phát huỳnh quang. Do vậy khi đã tắt ánh sáng chiếu nhưng sự phát lân quang vẫn có thể xảy ra. 1 2 λ λ ' λ D 3 λ * Hình 8.6: Phổ hấp thụ (1), phổ huỳnh quang (2) và phổ lân quang (3) (λ<λ'<λ * ). 3. Sự vận chuyển năng lượng Phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng đã chuyển từ mức năng lượng thấp là S o lên mức năng lượng cao là S 1 . Khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S 1 →S o , nó có thể qua con đường thải nhiệt, phát huỳnh quang hay lân quang, hoặc nó có thể chuyền năng lượng cho phân tử khác. Giả sử phân tử ở trạng thái kích thích là chất cho năng lượng (ký hiệu là ) còn chất nhận năng lượng là phân tử ở trạng thái cơ bản (ký hiệu là M * 1 M o ) thì quá trình chuyền năng lượng có thể viết dưới dạng: +M * 1 M o →M 1 + * 0 M * 0 M là phân tử ở trạng thái kích thích và có mức năng lượng cao hơn so với năng lượng của phân tử M o . Quá trình chuyền năng lượng là một quá trình vật lý, không kèm theo sự biến đổi hoá học và không cần M 1 va chạm với M o . Sự chuyền năng lượng có thể xảy ra theo nhiều cơ chế nhưng ở đây chỉ xét cơ chế chuyền năng lượng theo cộng hưởng cảm ứng. Để có sự chuyền năng lượng theo cơ chế này cần có một số điều kiện sau: - Chất cho năng lượng phải có khả năng phát huỳnh quang, đặc trưng bởi cường độ phát quang là J. * 1 M - Phổ huỳnh quang của chất cho phải có vùng chung với phổ hấp thụ của chất nhận M * 1 M o (xem hình 8.7), đặc trưng bởi mật độ quang học là D. J D λ - Khoảng cách giữa chất cho và chất nhận năng lượng M * 1 M o phải nhỏ hơn giá trị tới hạn cho phép. Ở một số điều kiện khi khoảng cách trung bình giữa chất cho và chất nhận năng lượng đạt khoảng cách từ 20 đến 100 thì có thể chuyền toàn bộ năng lượng cho M o A * 1 M o , tức là hiệu suất chuyển năng lượng bằng một (ϕ=1). Với hệ có chứa nhiều phân tử có khả năng hấp thụ ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích thì khả năng xảy ra sự chuyền năng lượng đối với phân tử protein đạt chỉ vài phần trăm còn axit nucleic đạt 30% J D Hình 8.7: Phổ phát quang của chất * 1 M là J và phổ hấp thụ của chất M o là D có vùng chung (phần gạch ngang) và ở hệ có nhiều phân tử hấp thụ ánh sáng thì có thể đạt tới 100%. V. Phản ứng quang hóa Phản ứng quang hóa là những phản ứng xảy ra trong hệ dưới tác dụng của ánh sáng. Phản ứng quang hóa nào cũng đều trải qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là giai đoạn được chiếu sáng đã xảy ra sự hấp thụ năng lượng ánh sáng để tạo nên những phân tử bị kích thích, các ion và các gốc tự do. Giai đoạn thứ hai là giai đoạn tối (không cần sự chiếu sáng) tiếp tục xảy ra các phản ứng với sự tham gia của các sản phẩm quang hóa được hình thành từ giai đoạn sáng để tạo nên sản phẩm quang hóa bền vững. Tốc độ phản ứng quang hóa được xác định bằng nồng độ phân tử chất tham gia vào phản ứng trong một đơn vị thời gian (ký hiệu là dt dC ). Phân tử chỉ có thể tham gia vào phản ứng khi đã hấp thụ lượng tử ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích (tức đã được hoạt hóa). Do vậy, tốc độ phản ứng quang hóa phải bằng số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian (ký hiệu là dt dN ). Từ đó có phương trình: dt dN dt dC = (8.15) Số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số lượng tử ánh sáng chiếu vào hệ (ký hiệu là I), nồng độ phân tử chất hấp thụ (C) và tiết diện bề mặt bị chiếu sáng (S). Từ đó có phương trình: dt dN = S.C.I (8.16) Từ (8.15) suy ra: dt dC = S.C.I (8.17) Tuy nhiên, không phải tất cả năng lượng photon đều được các phân tử hấp thụ để chuyển lên trạng thái kích thích và sau đó phân tử kích thích tiếp tục tham gia vào phản ứng mà có một số phân tử kích thích không tham gia vào phản ứng mà trở về trạng thái ban đầu bằng cách thải nhiệt ra môi trường hay phát quang. Vì thế có khái niệm hiệu suất quang hóa (hay suất lượng tử, ký hiệu là ϕ) được xác định theo công thức: Số photon được phân tử hấp thụ để tham gia vào phản ứng (N 2 ) ϕ = Số photon được hệ hấp thụ (N 1 ) Hay: 1 2 N N =ϕ (8.18) Trên thực tế giá trị ϕ bao giờ cũng nhỏ hơn 1 và chỉ đạt vài phần trăm đến vài chục phần trăm. Ví dụ như hiệu suất quang hóa của phản ứng khử hoạt tính của men khi bị chiếu sáng chỉ đạt từ 10 -3 đến 10 -2 (tức từ 1 00 0 →1%), nghĩa là một phân tử men phải hấp thụ từ 100 đến 1000 photon mới bị mất hoạt tính xúc tác. Sở dĩ hiệu suất quang hóa có giá trị thấp như vậy là do chỉ có một số ít phân tử sau khi hấp thụ photon đã tham gia vào phản ứng. Từ đó dẫn tới khái niệm tiết diện quang sinh ( δ) và được cho rằng chỉ khi photon đập trúng tiết diện quang sinh của phân tử mới dẫn tới phân tử tham gia vào phản ứng. Bây giờ hiệu suất quang hóa được tính theo công thức: S δ =ϕ (8.19) δ < S → ϕ < 1 Phương trình (8.17), thay khái niệm tiết diện bề mặt bị chiếu sáng bằng tiết diện quang sinh sẽ được viết dưới dạng: dt dC = - δ.C.I (8.20) Dấu trừ biểu hiện nồng độ phân tử kích thích khi tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian. Phương trình (8.20) có thể viết dưới dạng: C dC = - δ.I.dt (8.21) Nếu lấy thời gian bắt đầu xảy ra phản ứng quang hóa là không giây, ứng với nồng độ ban đầu của các phân tử tham gia vào phản ứng quang hóa là C o thì sau thời gian là t, số phân tử kích thích chưa tham gia vào phản ứng là C. Lấy tích phân hai vế (8.21) ta có: ∫ δ−= C C t O o dtI. C dC ∫ → o C C ln = - δ.I.t t.I. o t.I. o e.CCe C C δ−δ− =→= (8.22) Nồng độ phân tử kích thích tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian. Để đánh giá tốc độ phản ứng quang hóa có phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu ( λ), người ta đo tốc độ phản ứng quang hóa ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ dt dC ở những bước sóng khác nhau nhưng có cùng một cường độ ánh sáng là I (tức là cùng số lượng tử ánh sáng chiếu vào mẫu vật). Khi đó giá trị dt dC /I sẽ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu được gọi là đo quang phổ hoạt động của phản ứng quang hóa. Quang phổ hoạt động của phản ứng quang hóa có dạng trùng với quang phổ hấp thụ của các phân tử đã tham gia vào phản ứng quang hóa. Ví dụ: Trong quang phổ hoạt động của quá trình quang hợp, xuất hiện đỉnh cực đại ở vùng bước sóng 480nm - 500nm mà carotin cũng có đỉnh hấp thụ cực đại tại vùng bước sóng này, chứng tỏ carotin có tham gia vào quá trình quang hợp. Hoặc khi chiếu ánh sáng lên dung dịch men thể hiện phổ hoạt động của phản ứng quang hóa dẫn tới khử hoạt tính men trùng với phổ hấp thụ của axit amin thơm. Điều này chứng tỏ axit amin thơm trong thành phần cấu tạo của phân tử men đã tham gia vào phản ứng quang hóa nên dẫn tới làm cho phân tử men bị mất hoạt tính xúc tác. Nếu chất A hấp thụ năng lượng ánh sáng nhưng tham gia vào phản ứng quang hóa lại là chất B thì phổ hoạt động và phổ hấp thụ của chất B phải trùng nhau. Như vậy có nghĩa là chất A đã chuyền năng lượng cho chất B (A+h γ→A * →B→B * ) để chất B chuyển lên trạng thái kích thích (B * ) và tham gia vào phản ứng quang hóa. Nếu trong hệ có nhiều chất, khi chiếu sáng và nghiên cứu phổ hoạt động, sau đó so sánh với phổ hấp thụ của những chất đã biết sẽ xác định được chất nào đã chuyền năng lượng (nên không có phổ hoạt động) và chất nào đã tham gia vào phản ứng quang hóa (nên có phổ hoạt động). VI. Phương pháp đo độ hấp thụ trong vùng ánh sáng trông thấy và tử ngoại Khi đo độ hấp thụ, các nhà nghiên cứu hay dùng máy quang phổ kế (còn gọi là máy so màu). Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế được mô tả trên hình 8.8. 1 2 3 4 5 0 Hình 8.8: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế 1) Nguồn chiếu sáng 2) Kính lọc bước sóng ánh sáng 3) Cốc đựng mẫu (cuvét) 4) Tế bào quang điện 5) Màn hình thiết bị đo giá trị mật độ quang học (D) hay độ truyền qua (T) Nguyên tắc đo: Cho dung môi (chất dùng để pha dung dịch nghiên cứu) vào ống thủy tinh số 3 và chỉnh thiết bị đo số 5, cho kim chỉ số không. Sau đó đổ dung môi ra, tráng sạch, sấy khô, để nguội rồi đổ dung dịch nghiên cứu vào, trên màn hình thiết bị đo số 5, kim sẽ chỉ giá trị mật độ quang học D hay độ truyền qua T. Lưu ý cả dung môi và dung dịch nghiên cứu đều đo ở bước sóng đã được chọn trước. Ví dụ đo mật độ quang học của dung dịch ADN thì phải chọn bước sóng λ=260nm. Mỗi chất hấp thụ cực đại ở một bước sóng nhất định (ký hiệu là λ max ) và khi chiếu ánh sáng λ max , đối với mỗi chất có một hệ số hấp thụ xác định (ký hiệu là k max ). Song cũng có những chất hấp thụ cực đại ở một số bước sóng khác nhau như triptophan, tirozin, phenilalanin và do vậy chúng cũng có các hệ số hấp thụ tương ứng (xem bảng 8.1). Bảng 8.1: Độ hấp thụ và hệ số hấp thụ ở bước sóng λ max . Các chất λ max (nm) k max Tirozin 274; 222; 193 (1,4; 8; 48).10 -3 Phenilalanin 257; 206; 188 (0,2; 9,3; 60).10 -3 Triptophan 280; 219 (5,6; 47).10 -3 Hixtidin 211 5,9.10 -3 Xistein 250 0,3.10 -3 Adenin 260,5 13,4.10 -3 Adenozin 259,5 14,9.10 -3 Guanozin 252,5 13,6.10 -3 Guanin 246 10,7.10 -3 Xitozin 267 6,1.10 -3 Xitidin 271 9,1.10 -3 Uraxin 261,1 10,1.10 -3 Timin 264,5 7,9.10 -3 Timidin 267 9,7.10 -3 ADN 260 6,6.10 -3 ARN 258 7,4.10 -3 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy được áp dụng để xác định nồng độ. Vì theo định luật Lambert - Beer thì mật độ quang học (D) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch (C). Vì vậy, muốn xác định nồng độ của một chất cần nghiên cứu thì trước tiên phải có đồ thị chuẩn D = f( λ) của chất nghiên cứu chuẩn (tự làm hay lấy từ tài liệu tham khảo (xem hình 8.2). Sau đó lấy dung dịch chất cần nghiên cứu đo được giá trị mật độ quang học là D x , dựa vào đồ thị chuẩn sẽ suy ra được nồng độ C x . Để xác định nồng độ vi khuẩn (C vk ) cách làm cũng tương tự, chỉ việc thay nồng độ phân tử gam (M) bằng số lượng vi khuẩn trong 1ml và đo ở bước sóng λ=650nm (xem hình 8.9). Ví dụ: Từ đồ thị chuẩn D = f( λ=260nm) của dung dịch ADN chuẩn đã biết được nếu D 260 (mật độ quang học đo ở λ=260nm) bằng 1 sẽ tương ứng với nồng độ ADN là 50 microgam/ml, nếu D 260 bằng 0,5 tương ứng với nồng độ ADN là 25 microgam/ml, nếu D 260 bằng 0,1 tương ứng với nồng độ ADN là 5 microgam/ml. D(650nm) D x O C x C D=f( λ ) Hình 8.9: Nồng độ vi khuẩn (C vk ) xác định bằng cách đo mật độ quang học (D) Phương pháp đo quang phổ hấp thụ còn có thể cho phép xác định thành phần của phân tử. Từ bảng 8.1 đã biết hệ số hấp thụ k max của 4 bazơ Nitơ là Adenin, Timin, Guanin, Xitozin. Dựa vào bước sóng λ max trong bảng 8.1 sẽ đo được mật độ quang học tương ứng của mỗi bazơ Nitơ. Áp dụng công thức (8.10) D = k.C.l và khi chọn cuvét có độ dày l = 1Cm thì suy ra D = k.C. Khi biết D và k sẽ tính được nồng độ k D C = . * Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử - Phân tích định tính: Sự hấp thụ của nguyên tử vật chất đối với ánh sáng mang tính chất chọn lọc, nghĩa là mỗi nguyên tử chỉ hấp thụ ở một bước sóng ánh sáng nhất định. Điều này cho phép nhận dạng được nguyên tố có mặt trong mẫu đem phân tích khi so sánh quang phổ hấp thụ của mẫu với quang phổ hấp thụ của các nguyên tố hoá học đã biết trước. - Phân tích định lượng: Áp dụng định luật Lambert - Beer và sử dụng công thức (8.10) sẽ xác định được nồng độ của chất nghiên cứu khi đo được mật độ quang học D và hệ số hấp thụ nguyên tử k ở ánh sáng chiếu có bước sóng xác định (ánh sáng đơn sắc). Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử có độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp dùng quang phổ kế. VII. Quang hợp 1. Phương trình quang hợp tổng quát Trên trái đất chỉ có hai nguồn năng lượng mà thế giới sinh vật có thể sử dụng là năng lượng hoá học của các chất vô cơ có nguồn gốc từ trái đất và năng lượng ánh sáng có nguồn gốc từ vũ trụ. Năng lượng ánh sáng là nguồn năng lượng vô tận, có ý nghĩa quyết định tới sự sống ở trên trái đất được thực vật và nhiều loài vi sinh vật quang dưỡng chuyển hóa thành năng lượng hoá học trong các phân tử hữu cơ. Nhờ quá trình quang hợp mà mỗi năm trên trái đất có 5.10 10 tấn chất hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2.10 12 tấn CO 2 và thải ra 13.10 10 tấn O 2 vào khí quyển. Phản ứng tổng quát của quang hợp là phản ứng tổng hợp các chất hữu cơ (hydratcacbon) từ các chất vô cơ (khí CO 2 và H 2 O) dưới tác dụng của ánh sáng (ký hiệu là h γ). 6CO 2 + 6H 2 O C γ ⎯⎯→⎯ h lucdiep 6 H 12 O 6 + 6O 2 Quá trình quang hợp diễn ra ở thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp. Một loại quang hợp khác diễn ra ở vi khuẩn theo phản ứng: CO 2 + 2H 2 S CH⎯→⎯ γh 2 O + H 2 O + 2S Đối với vi khuẩn, quá trình quang hợp không thải ra oxy mà thải ra khí lưu huỳnh. 2. Năng lượng trong quá trình quang hợp Để định lượng vai trò của ánh sáng có thể tính tổng năng lượng các liên kết ở các chất tham gia vào phản ứng và các sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp theo phương trình tổng quát sau đây: O=C=O+H ⎯O⎯H H⎯C=O+O=O ⎯→⎯ γh ⏐ H Ở các chất tham gia có: 2 nối C=O có năng lượng là: 2x190 Kcal/M 2 nối O ⎯ H có năng lượng là: 2x110 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 600 Kcal/M Ở sản phẩm quang hợp có: 1 nối O=O có năng lượng là: 1x116 Kcal/M 1 nối C=O có năng lượng là: 1x190 Kcal/M 2 nối C ⎯ H có năng lượng là: 2x92 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 490 Kcal/M So sánh năng lượng trước và sau phản ứng ta có: 600Kcal/M-490 Kcal/M=110Kcal/M Như vậy năng lượng ánh sáng cung cấp cho quá trình quang hợp cũng chính bằng 110 Kcal/M để phá vỡ liên kết cũ (chất tham gia) và hình thành liên kết mới (sản phẩm). Theo tính toán lý thuyết 1 photon ánh sáng đỏ ( λ=690nm) có năng lượng khoảng 42Kcal/M và như vậy để có 110Kcal/M, thực vật chỉ cần hấp thụ 3 photon ánh sáng đỏ là đủ thực hiện quá trình quang hợp. Trên thực tế, theo dẫn liệu của nhiều tác giả để tạo ra 1 phân tử oxy, tối thiểu phải cần từ 4 đến 12 photon. Nếu lấy giá trị trung bình số photon cần thiết cho quá trình quang hợp là 8 thì hiệu suất trung bình của quá trình quang hợp sẽ là: 375,0 Kcal42photon8 Kcal42photon3 = × × =η hay đạt 37,5% Hiệu suất cực đại của quá trình quang hợp có thể đạt được là: 75,0 Kcal42photon4 Kcal42photon3 = × × =η hay đạt 75% 3. Sắc tố cảm quang Để thực hiện được quá trình quang hợp, các tế bào thực vật, các vi khuẩn phải có các sắc tố cảm quang để tiếp nhận năng lượng ánh sáng. Có ba nhóm sắc tố chính là: Porphyrin, Phycobilin và Carotenoid. - Sắc tố nhóm Porphyrin: Tất cả các loài thực vật và vi khuẩn có quang hợp đều chứa Chlorophyll ở các dạng khác nhau. Tế bào thực vật chứa Chlorophyll còn vi khuẩn quang hợp chứa Bacteriochlorophyll. Chlorophyll ở các loài khác nhau không đáng kể về cấu trúc phân tử nhưng lại khác nhau về quang phổ hấp thụ ở bước sóng λ max . Các cơ thể tiến hành quang hợp thải oxy như thực vật bậc cao, tảo và vi khuẩn Cyanobacteria hấp thụ cực đại ở bước sóng 650nm và 680nm. Vi khuẩn xanh lục chủ yếu chứa Bacteriochlorophyll c, d, e lại hấp thụ cực đại ở bước sóng 725nm; 740nm; 760nm còn vi khuẩn tía chứa Bacteriochlorophyll a hấp thụ cực đại đến bước sóng 950nm và chứa Bacteriochlorophyll b hấp thụ cực đại ở bước sóng 1020nm đến 1100nm. - Phycobiliprotein: Là các sắc tố màu đỏ hoặc xanh lam, có mặt ở vi khuẩn lam, tảo đỏ, tảo nâu Nhờ có Phycobiliprotein mà tế bào vi khuẩn lam hấp thụ ánh sáng có bước sóng vùng 450-700nm. Các sắc tố như Phycoerythrin hấp thụ cực đại ở bước sóng 565nm, Phycocyanin hấp thụ cực đại ở bước sóng 620nm, Allophycocianin hấp thụ cực đại ở bước sóng 654nm - Carotenoid: Nhóm Carotenoid có thể chia làm ba loại: không vòng, đơn vòng hoặc hai vòng. Ở thực vật bậc cao có mặt Carotenoid thuộc loại hai vòng, ở vi khuẩn tía có Carotenoid thuộc loại không vòng còn ở vi khuẩn xanh có đến 80-85% Carotenoid thuộc loại một vòng. Nhờ có tập hợp các sắc tố quang hợp đa dạng như vậy nên các sinh vật có quang hợp đã hấp thụ được hầu hết phổ ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất (bước sóng từ 350 đến 1100nm). Sự khác nhau về vùng ánh sáng bị hấp thụ ở các nhóm sinh vật khác nhau đã làm cho chúng không phải cạnh tranh với nhau về nguồn năng lượng chiếu sáng. 4. Sự chuyền năng lượng trong quang hợp Tập hợp các sắc tố tham gia vào quá trình quang hợp, giữa chúng có xảy ra sự chuyền năng lượng. Các nhà khoa học đã tính toán trong gran của lục lạp có nồng độ Chlorophyll rất cao từ 0,1 đến 1M/dm 3 và khoảng cách trung bình giữa các phân tử sắc tố chỉ khoảng từ 10 đến 20 . Sự chuyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố xảy ra theo cơ chế cộng hưởng cảm ứng. o A Ở thực vật bậc cao và tảo, bằng phương pháp phá vỡ tế bào, tách riêng lấy lục lạp và dùng phương pháp điện di, sắc ký đã tách được phức hợp sắc tố - protein. Trong thành phần phức hợp sắc tố - protein có khoảng 50-60% Chlorophyll của tế bào thực vật hay tảo. Trong phức hợp sắc tố này có hai dạng Chlorophyll phát huỳnh quang cực đại ở bước sóng 680nm và 695nm. Vì vậy, người ta cho rằng có hai kênh vận chuyển năng lượng, bắt đầu từ sự nhận năng lượng ánh sáng bởi Chlorophyll b sau đó vận chuyển năng lượng cho Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 680nm (ký hiệu là Chl.a (680)) và Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 695nm (Chl.a (695)). Chlorophyll có khả năng hấp thụ ánh sáng chọn lọc, chuyền năng lượng hấp thụ được từ ánh sáng sang cho hệ vận chuyển điện tử quang hợp để chuyển thành hóa năng. Nhóm sắc tố Carotenoid cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng rồi chuyển năng lượng cho hệ Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Nhóm sắc tố Phycobilin cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng ở vùng bước sóng ngắn và chuyển năng lượng cho Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Ví dụ: Ở vi khuẩn lam, quá trình vận chuyển năng lượng diễn ra theo chiều hướng sau: Phycoerythrin → Phycocianin → Allophycocianin → (565nm) (620nm) (654nm) Allophycocianin B → Chlorophyll a. (671nm) (680nm) Các số ghi trong ngoặc ở dưới là bước sóng hấp thụ cực đại ( λ max ) của mỗi sắc tố. 5. Cơ chế của quá trình quang hợp Quá trình quang hợp được chia ra 2 giai đoạn (hay 2 pha, được gọi là pha sáng và pha tối). * Pha sáng quang hợp Đây là pha đầu tiên của quang hợp, có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng. Sắc tố quang hợp là Chlorophyll (Chl) đã hấp thụ năng lượng ánh sáng do photon chuyền cho để chuyển lên trạng thái kích thích (Chl * ) có mức năng lượng cao hơn so với trạng thái ban đầu (Chl). E = h γ → Chl → Chl * Điện tử của phân tử Chlorophyll ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái ban đầu đã chuyển năng lượng cho hệ chuyền điện tử định vị trong lục lạp để tổng hợp nên ATP. Ở pha sáng quang hợp có sự tham gia của phân tử nước. Dưới tác dụng của ánh sáng với sự tham gia của hệ sắc tố và hệ oxy hóa trong lục lạp mà phân tử nước bị phân li, gọi là sự quang phân li nước. Quang phân li nước xảy ra qua nhiều giai đoạn như sau: 4H 2 O 4H γ ⎯⎯→⎯ h toSac + + 4OH - 4OH - 4e ⎯⎯→⎯ - + 4OH 4OH O ++ − ⎯⎯→⎯ Mn Cl 2 + 2H 2 O Kết quả: 2H 2 O 4H⎯⎯→⎯ + + 4e - + O 2 Oxy được thải vào không khí còn proton (tức H + ) và điện tử (e - ) sẽ tham gia vào các quá trình tiếp sau. Điện tử được vận chuyển qua hệ vận chuyển điện tử quang hợp để tổng hợp nên ATP còn H + kết hợp với NADP - để tạo nên NADPH 2 . Tóm tắt phản ứng của pha sáng như sau: 2H 2 O + 2ADP + 2H 3 PO 4 + 2NADP 2ATP + 2NADPH γ ⎯⎯→⎯ h toSac 2 + O 2 ↑ Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH 2 sẽ tiếp tục tham gia vào phản ứng tiếp theo của pha tối để tổng hợp nên chất hữu cơ với sự tham gia của CO 2 . * Pha tối quang hợp Các phản ứng của pha tối diễn ra không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng chiếu mà có sự tham gia của ATP, NADPH 2 và CO 2 . Sản phẩm đầu tiên của pha tối quang hợp là tổng hợp nên glucose (C 6 H 12 O 6 ). Có 3 con đường tổng hợp glucose từ CO 2 ứng với 3 nhóm thực vật khác nhau là thực vật C 3 , thực vật C 4 và thực vật CAM (Crasulacean Acid Metabolism), được thực hiện theo các chu trình C 3 , C 4 , CAM. VIII. Tia tử ngoại và các hiệu ứng sinh học của nó 1. Tia tử ngoại và hiệu ứng tác dụng của nó ở mức độ tế bào Trong thiên nhiên nguồn bức xạ tử ngoại là mặt trời. Trên đường đi tới trái đất, phần lớn năng lượng của tia cực tím bị tầng Ozôn hấp thụ và chỉ còn lại phần ánh sáng có bước sóng từ 200nm đến 400nm (nanômét) tác dụng lên cơ thể sinh vật. Tia tử ngoại thường được chia ra 3 vùng chính sau: - Vùng cực tím sóng dài có λ = 320nm đến 400nm - Vùng cực tím sóng trung có λ = 280nm đến 320nm - Vùng cực tím sóng ngắn có λ = 200nm đến 280nm Khác với tia gamma ( γ) và tia Roentgen (X), tia tử ngoại vùng 200nm đến 400nm không có khả năng gây ra quá trình ion hóa các phân tử sinh học. Tia tử ngoại chỉ gây ra hiện tượng kích thích làm cho điện tử của các phân tử sinh học từ mức cơ bản chuyển lên mức kích thích có năng lượng cao hơn, tức là đã hoạt hóa các phân tử đó. Do vậy, các phân tử sinh học đã được hoạt hóa, chúng dễ dàng tham gia vào các phản ứng hóa sinh dẫn tới gây kích thích hoặc làm tổn thương cơ thể sinh vật. Mặt khác, khả năng xuyên sâu của tia tử ngoại kém, chỉ vài milimét, do đó nó chỉ gây nên các hiệu ứng sinh học ở lớp tế bào ngoài cùng. Tia tử ngoại có tác dụng làm xạm da, gây phát ban đỏ hoặc gây bỏng da. Tia cực tím sóng trung kích thích sự tổng hợp vitamin D có tác dụng chống còi xương Tia cực tím sóng ngắn có tác dụng làm thay đổi cấu trúc đặc trưng của lipit và protein, có tác dụng diệt khuẩn. Hầu hết các công trình nghiên cứu trên các đối tượng như vi khuẩn, vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật, đều phát hiện qui luật chung là khả năng gây ra tử vong nhiều, khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 300nm và tử vong nhiều nhất ở bước sóng 260nm. Điều này có liên quan tới sự tổn thương của phân tử ADN vì nó hấp thụ cực đại ở bước sóng 260nm. Tia tử ngoại còn gây ra hiệu ứng ức chế sự phân bào hoặc kích thích sự phân chia tế bào tùy thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu. Ví dụ như Coviadin khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 256nm lên các tế bào nấm men đã gây ra sự ức chế phân chia tế bào. Vraigerchi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 265nm và 280nm đã dẫn tới phá hủy quá trình phát triển phôi. Như vậy, sự ức chế quá trình phân chia tế bào có liên quan tới sự hấp thụ tia tử ngoại của phân tử ADN ở bước sóng 260nm và phân tử protein ở bước sóng 280nm. Năm 1914, Lep là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng kích thích khi chiếu xạ trứng cầu gai với liều lượng thấp. Sau này các nhà nghiên cứu tiếp tục phát hiện trên các đối tượng vi khuẩn, vi sinh vật, tảo đơn bào, dưới tác dụng của tia tử ngoại liều lượng thấp thấy tốc độ phân chia tế bào tăng lên từ 110% đến 170%. Theo Kimball, [...]... 1ec=0,625 .101 2eV - Đơn vị Gray (ký hiệu là Gy): Gray là liều hấp thụ 1J/kg môi trường vật chất khi bị chiếu bất kỳ tia phóng xạ nào Công thức qui đổi: 1Gy =100 Rad - Liều tương đương: Cùng một năng lượng hấp thụ như nhau nhưng lại chiếu các tia phóng xạ có bản chất khác nhau thì sẽ gây ra đối với người và động vật có vú những hiệu ứng sinh học khác nhau Nguyên nhân là do các tia phóng xạ có hiệu ứng sinh học. .. proton (H+) được hình thành do sự quang ion hóa axit amin cũng làm đứt liên kết hydro góp phần thay đổi cấu trúc phân tử protein Chương 9 PHÓNG XẠ SINH HỌC I Các nguồn tia phóng xạ Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia thành hai loại sau: o - Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ . 252,5 13,6 .10 -3 Guanin 246 10, 7 .10 -3 Xitozin 267 6,1 .10 -3 Xitidin 271 9,1 .10 -3 Uraxin 261,1 10, 1 .10 -3 Timin 264,5 7,9 .10 -3 Timidin 267 9,7 .10 -3 ADN 260 6,6 .10 -3 ARN 258 7,4 .10 -3 Phương. 8; 48) .10 -3 Phenilalanin 257; 206; 188 (0,2; 9,3; 60) .10 -3 Triptophan 280; 219 (5,6; 47) .10 -3 Hixtidin 211 5,9 .10 -3 Xistein 250 0,3 .10 -3 Adenin 260,5 13,4 .10 -3 Adenozin 259,5 14,9 .10 -3 Guanozin. vi sinh vật quang dưỡng chuyển hóa thành năng lượng hoá học trong các phân tử hữu cơ. Nhờ quá trình quang hợp mà mỗi năm trên trái đất có 5 .10 10 tấn chất hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2 .10 12