http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 55 - CHƯƠNG 5. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HP. I. KHÁI NIỆM VỀ QUANG HP Có thể hiểu được quang hợp – photosynthesis – qua tên gọi của nó. Photo có nghóa là ánh sáng, còn synthesis có nghóa là tổng hợp. Như vậy, quang hợp là quá trình, trong đó xảy ra sự hình thành các hợp chất hữu cơ nhờ sử dụng năng lượng ánh sáng. Sự xuất hiện khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng là một bước tiến hóa quan trọng của cơ thể sống trên trái đất. Quang hợp là kiểu dinh dưỡng được thực hiện bởi lá và các bộ phận có màu lục khác của cây. Trong các bộ phận này có một nhóm hợp chất được gọi là sắc tố quang hợp. Chúng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng và biến chúng thành năng lượng hóa học và một chất khử để được sử dụng trong việc tổng hợp đường glucose và các chất hữu cơ khác nuôi cây. Phương trình tổng quát của quang hợp có dạng như sau: năng lượng ánh sáng 6CO 2 + 6H 2 O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Các nhà khoa học đã phát hiện được rằng quá trình quang hợp bao gồm hai pha là pha sáng và pha tối. Pha sáng có nhiệm vụ sử dụng năng lượng ánh sáng để tạo ra hai lọai hợp chất cần cho pha tối xảy ra sau đó chất giàu năng lượng, hay hợp chất cao năng ATP, và hợp chất ỡ dạng khử là NADPH. NADPH được sử dụng để khử CO 2 thành đường glucose và các hợp chất hữu cơ khác trong pha tối, còn ATP được sử dụng như nguồn năng lượng cho quá trình khử này. Glucose và các carbohydrate khác trở thành nguyên liệu và nguồn năng lượng để tổng hợp aminoacid, protein, lipid và nhiều hợp chất khác cần cho sự sống của tế bào. Phương trình tổng quát nêu trên chưa nói gì đến các sản phẩm trung gian của quá trình quang hợp, trong đó tạo thành đường glucose và giải phóng oxy phân tử. Ngòai ra, nó cũng không nói gì đến các phản ứng mà trong đó năng lượng ánh sáng biến hóa thành năng lượng hóa học. Hình 5.1 mô tả những vấn đề cơ bản của quang hợp. Trong hình này hộp hình chữ nhật tượng trưng cho các vấn đề quan trọng nhất của quang hợp. Các nhà khoa học đã biết được cái gì rơi vào hộp này và các gì đi ra từ nó. Nhưng các quá trình xảy ra trong hộp vẫn cò nhiều điều bí ẩn. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 56 - Hình 5.1. Sơ đồ mô tả các quá trình cơ bản của quang hợp 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp. Các nhà nghiên cứu quang hợp đầu tiên đã phát hiện được rằng khí carbonic và nước là nguyên liệu đầu tiên, còn carbohydate và oxy phân tử là sản phẩm cuối cùng của quang hợp. Ở đây xuất hiện một số câu hỏi. Trong trường hợp nào tốc độ của quá trình nhanh hơn: khi cường độ ánh sáng mạnh hay khi cường độ ánh sáng yếu? Ở đâu quá trình này xảy ra nhanh hơn: trong các tế bào xanh đậm hay xanh nhạt? Để trả lời các câu hỏi này cần đề xuất các giả thuyết có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm. Kết quả của những thí nghiệm này cho phép nêu ra được những khái niệm mới về bản thân của quá trình quang hợp. Trong quá trình quang hợp có sự tham gia của hai chất khí; khí carbonic và oxy. Các nhà vật lý và hóa học đã đề xuất một số phương pháp đo số lượng của các lọai khí này. Một phương pháp là theo dõi áp suất và thể tích khí, còn phương pháp thứ hai liên quan với việc phân tích hóa học. Một trong những phương pháp đo tốc độ quang hợp đơn giản nhất là theo dõi tốc độ sử dụng CO 2 hoặc tốc độ giải phóng oxy, hoặc theo dõi đồng thời cả hai. Thông thường, sự đo lường này được thực hiện nhờ một thiết bò đơn giản có tên gọi là manomét. Vì trong quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng nên hoàn toàn có thể giả thuyết rằng quá trình này cần phải xảy ra nhanh hơn khi cường độ ánh sáng cao hơn. Giả thuyết này được xác nhận ở cường độ ánh sáng tương đối yếu. Khi tăng cường độ ánh sáng sẽ làm tăng tốc độ quang hợp. Tuy nhiên, ở cường độ ánh sáng lớn đường cong sẽ không thay đổi, và tiếp tục tăng cường độ ánh sáng hầu như không ảnh hưởng đến quang hợp. Điều này có thể giải thích như thế nào? Trước khi giải thích hiện tượng này hãy làm quen với một số kết quả của các thí nghiệm đơn giản về nghiên cứu quang hợp. Chúng ta cũng có thể giả thuyết rằng tốc độ quang hợp cần phải tăng lên cùng với sự tăng số lượng khí carbonic. Khi hàm lượng khí carbonic không cao, tốc độ quang hợp rất thấp. Khi tăng nồng độ CO 2 tốc độ quang hợp sẽ tăng lên, nhưng chỉ đến một điểm nhất đònh, sau đó tăng nồng độ CO 2 không còn ảnh hưởng đến tốc độ quang hợp nữa. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 57 - Bây giờ chúng ta hãy phối hợp hai thí nghiệm để tìm thấy sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO 2 ở ba cường độ ánh sáng khác nhau. Kết quả của các thí nghiệm này ở dạng một số đường cong trình bày trong hình 5.2. Hình 5.2. Sự phụ thuộc của tốc độ quang hợp vào nồng độ CO 2 ở các cường độ khác nhau. Qua hình này chúng ta thấy rằng ở nồng độ CO 2 thấp tốc độ quang hợp phụ thuộc vào hàm lượng CO 2 . Khi hàm lượng CO 2 cao tốc độ quang hợp phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Vì vậy chúng ta có thể nói rằng một trong hai thông số (ánh sáng và nồng độ CO 2 ) có hàm lượng thấp hơn sẽ xác đònh tốc độ cuối cùng của quang hợp. Chúng ta có thể nhớ đến các trường hợp khác, trong đó các hạn chế tương tự ảnh hưởng đến một quá trình nào đó. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang hợp đã tìm thấy được các quy luật thú vò. Hầu như tất cả các phản ứng hóa học, bao gồm cả các phản ứng được xúc tác bởi các enzyme, đều xảy ra với tốc độ nhanh hơn ở nhiệt độ cao – đến các giá trò nhiệt độ xác đònh. Từ 0 o đến 40 o C các phản ứng enzyme xảy ra nhanh hơn khoảng hai lần khi nhiệt độ tăng lên 10 o . Tuy nhiên, các phản ứng quang hóa sử dụng năng lượng ánh sáng và thường không phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự tăng năng lượng của phân tử khi tăng nhiệt độ là không đáng kể so với năng lượng được phân tử thu nhận khi hấp thụ lượng tử ánh sáng. Số năng lượng này đủ để bắt đầu quá trình quang hợp. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình quang hợp được minh họa trong hình 5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ quang hợp cho thấy rằng tốc độ quang hợp ở cường độ ánh sáng thấp hầu như không thay đổi. Ánh sáng là yếu tố hạn chế. Nhưng ở cường độ ánh sáng cao việc tăng nhiệt độ làm tăng quá trình quang hợp đúng như trong trường hợp đối với bất kỳ phản ứng enzyme nào. Từ đây có thể rút ra kết luận rằng quá trình quang hợp được hình thành ít nhất từ hai kiểu phản ứng: phản ứng quang hóa (xảy ra trong ánh sáng và không phụ thuộc vào nhiệt độ) và phản ứng enzyme (xảy ra trong tối và nhạy cảm với nhiệt độ). Điều này giải thích tại sao việc tăng không hạn chế cường độ ánh sáng không làm tăng GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 58 - vô giới hạn tốc độ quang hợp. Nói cách khác, các phản ứng enzyme vốn không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, là yếu tố hạn chế tốc độ quang hợp. Hình 5.3. Sự phụ thuộc của tốc độ quang hợp vào nhiệt độ Nhiều nhà khoa học đã chứng minh rằng quá trình quang hợp bao gồm rất nhiều phản ứng enzyme. Khi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của quang hợp các nhà khoa học đã đề xuất sự bắt đầu đáng lưu ý bản chất của quang hợp. Ở dạng phương trình đơn giản CO 2 + H 2 O ⎯⎯→ (CH 2 O) + O 2 còn dấu diếm nhiều phản ứng trung gian. Có thể giả thuyết rằng các cơ thể tự dưỡng đầu tiên dần dần dung nạp vào mình tất cả các phản ứng trung gian này để cuối cùng biến thành hàng lọat các phản ứng của quá trình quang hợp. 2. Phân tử biến hóa năng lượng Nếu tế bào tự dưỡng bò nghiền nát và khối màu lục được hòa tan trong ethanol hoặc acetone và tách chúng bằng phương pháp sắn ký thi hầu như lúc nàu cũng thu nhận được hai hợp chất. Những hợp chất này thuộc nhóm các chất có tên gọi là chlorophyll (chất diệp lục). Một trong số chúng được gọi là chlorophyll a, có chất thứ hai có tên là chlorophyll b. Công thức cấu tạo của chlorophylla được trình bày trong hình 5.4. Khi tìm hiểu cấu trúc này ta thấy rằng các nguyên tử nitơ và carbon tạo ra các vòng, những vòng này lại tạo ra một vòng lớn hơn mà trung tâm của nó là nguyên tử manhê. Nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo đối với hai lọai chlorophyll, mà đặc biệt đối với chlorophyll a, cho thấy chúng hấp thụ rất tốt các tia có bước sóng trong vùng đỏ và xanh của quang phổ nhìn thấy và phản xạ phần ánh sáng màu lục. Hòa tan và phân tích chlorophyll bằng phương pháp sắc ký trên giấy chỉ cho phép thu nhận các kết quả sơ bộ. Sau đó chúng ta có thể nghiên cứu sự hấp thụ các bước sóng khác nhau của ánh sáng nhìn thấy được thực hiện bởi chlorophyll a hòa tan trong ethanol hoặc trong một dung môi khác. Bằng các thiết bò khác nhau chúng ta cũng có thể đo được chiều dài bước sóng ánh sáng được hấp thụ bởi chlorophyll a trong tế bào sống. Chiều dài các bước sóng hấp thụ bởi chlorophyll a của tế bào sống khác với chiều dài các bước sóng được hấp thụ bởi chlorophyll a hòa tan. Thí nghiệm của nhiều tác giả cho thấy rằng trong tế bào sống có đến mấy lọai chlorophyll a. Chúng hấp thụ các tia có chiều dài bước sóng khác nhau trong vùng quang phổ màu đỏ, mặc dù khi hòa tan sắc tố chỉ phát hiện được một lọai chlorophyll a. Kết quả khó hiểu này chỉ được giải thích sau khi phát hiện được rằng chlorophyll a trong tế bào sống liên kết chặt chẽ với protein và lipid của các cấu trúc tế bào chất được biết với tên gọi là lục lạp (chloroplast). GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 59 - Hình 5.4. Công thức cấu tạo của chlorophyll a Ngoài chlorophyll cơ thể thực vật còn chứa các sắc tố quang hợp khác màu vàng hoặc màu da cam. Chúng hấp thụ ánh sáng với bước sóng xác đònh và chuyển năng lượng ánh sáng hấp thụ đươc cho chlorophyll. Tuy nhiên, không một sắc tố nào trong số chúng có thể thay thế được cho chlorophyll. Trong các tế bào không chứa chlorophyll thì quang hợp không thể xảy ra. Tính chất đặc biệt của chlorophyll là ở chỗ năng lượng ánh sáng do chúng hấp thụ có thể được sử dụng sau đó trong các phản ứng hóa học của quá trình quang hợp. Các phản ứng hóa học này sẽ xác đònh tổng số năng lượng tích lũy trong các liên kết của các hợp chất hóa học dùng để nuôi cây, tạo điều kiện cho cây sinh trưởng và phát triển. II. KHÁI NIỆM VỀ TÍCH CHẤT HAI GIAI ĐOẠN CỦA QUANG HP. Trên cơ sở thực nghiệm người ta đã xác đònh được rằng quá trình quang hợp bao gồm hai loại phản ứng: phản ứng sáng liên quan trực tiếp với việc sử dụng năng lượng ánh sáng, và phản ứng tối, trong đó CO 2 bò khử thành các hợp chất hữu cơ. Khái niệm về tính hai pha của quang hợp được đúc rút từ kết qủa thí nghiệm của Hill (1937). Bằng cách chiếu sáng chế phẩm phi tế bào chứa chlorophyll thu được từ tế bào quang hợp trong điều kiện tồn tại chất nhận điện tử nhân tạo, ví dụ kali ferricyanate (A), oxy phân tử sẽ được giải phóng, đồng thời chất nhận điện tử bò khử theo phương trình: h√ 2H 2 O + 2A⎯→ 2AH 2 + O 2 Điều đặc biệt quan trọng là phản ứng không đòi hỏi sự tham gia của CO 2 . Như vậy, Hill đã cho thấy khả năng tách quá trình giải phóng O 2 ra khỏi quá trình khử CO 2 . Phản ứng trên đây ngày nay được gọi là phản ứng Hill , còn chất A được gọi là thuốc thử Hill. Người ta cũng đã phát hiện được rằng thuốc thử Hill trong tế bào GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 60 - là NADP + . Trong điều kiện lục lạp được chiếu sáng, nó sẽ nhận điện tử để bò khử thành NADP.H, đồng thời giải phóng oxy phân tử. Như vậy, phản ứng Hill trong tế bào có dạng: h√ 2H 2 O + 2NADP + ⎯→ 2NADP.H + 2H + + O 2 Trên cơ sở của phản ứng này người ta cho rằng một trong những sản phẩm cuối cùngcủa pha sáng là một tác nhân khử nào đó (có thể là NADP.H) màsau đó trong pha tối sẽ được sử dụng để khử CO 2 . Khái niệm về tính chất hai pha của quang hợp được tiếp tục củng cố nhờ Arnon phát hiện quátrình phosphoryl-hóa quang hợp năm1954. Ông nhận thấy rằng khi chiếu sáng lục lạp trong điều kiện có mặt ADP và phosphate vô cơ thì ATP sẽ được tổng hợp mà cũng không cần có sự tham gia của CO 2 . Trên cơ sở của các thí nghiệm nói trên người ta đi đến kết luận rằng ở giai đoạn đầu của quá trình quang hợp năng lượng ánh sáng không những được dùng để khử NADP + mà còn có tác dụng thực hiện phản ứng phosphoryl-hóa ADP thành ATP. NADP.H và ATP hình thành ở pha sáng sẽ được sử dụng trong pha tối để khử CO 2 và các chất nhận điện tử khác. 1. pha sáng của quang hợp a/ Trong quang hợp có sự tham gia của các phản ứng sáng và các phản ứng tối. Các nhà khoa học phát hiện được những chất tham gia và được tạo thành trong quá trình quang hợp vẫn không trả lời được một câu hỏi quan trọng là: cái gì xảy ra với năng lượng ánh sáng do thực vật hấp thụ trong quá trình này. Cần nhớ rằng năng lương không thể tự nó xuất hiện và mất đi. Nó chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác. Đã phát hiện được rằng các hợp chất hữu cơ – sản phẩm của quang hợp - có mức năng lượng cao hơn mức năng lương của CO 2 và nước là các nguyên liệu để tạo ra chúng. Phần năng lượng hóa học dư thừa chỉ có thể được thu nhận do kết quả tác động của ánh sáng. Như vậy, quang hợp là quá trình biến hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Quang hợp là một lọai cầu nối giữa năng lượng mặt trời và dạng năng lượng cần cho sự sống trên trái đất. Không có các quá trình nào khác trong tế bào có thể sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Nó chỉ có thể được sử dụng sau khi được biến hóa thành năng lượng hóa học. Sự biến hóa này được thực hiện trong các cơ thể có khả năng quang hợp. Chúng hấp thụ năng lượng mặt trời và sử dụng nó để gắn các nguyên tử của nước và khí carbonic với nhau để tạo ra các liên kết hóa học có mức năng lượng cao hơn.Vác sản phẩm của sự “gắn bó” này là tạo ra oxy và các hợp chất hữu cơ cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thực vật và động vật. Sau khi đã xác đònh được cái gì xảy ra trong quang hợp, các nhà khóa học bắt đầu tìm hiểu quá trình này xảy ra như thế nào. Các quá trình bên trong của quang hợp mô tả trong cái hộp hìinh chữ nhật của hình 5.1 vẫn còn nhiều điều bí ẩn. Cần phải làm sáng tỏ những điều bí ẩn này. Các phát hiện đầu tiên về nội dung của cái hộp này đã được nhà khoa học người Anh F.F. Blecman phát hiện vào năm 1905. Ông bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của độ sáng, hay cường độ ánh sáng và giả thuyết rằng vì quá trình quang hợp được di GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 61 - chuyển bởi năng lượng ánh sáng nên ở cường độ ánh sáng cao hơn quá trình tổng hợp sẽ xảy ra nhanh hơn. Khi Blecman đo và xây dựng đường biểu diễn tốc độ quang hợp ở các cường độ ánh sáng khác nhau, ông đã ghi nhận được sự phụ thuộc mô tả trong hình 5.2. Ở các cường độ ánh sáng ban đầu tương đối thấp khi tăng cường độ ánh sáng thì tốc độ quang hợp sẽ tăng. Tuy nhiên, ở các giá trò cao của cường độ ánh sáng sẽ dẫn đến một giá trò giới hạn. Tiếp tục tăng cường độ ánh sáng sẽ hầu như không làm tăng tốc độ quang hợp nữa. Sau đó Blecman nghiên cứu ảnh hưởng phối hợp của nhiệt độ và ánh sáng lên quang hợp (hình 5.3) và phát hiện được rằng ở nhiệt độ giữa 30 và 40 o C cùng với việc tăng nhiệt độ tốc độ của quang hợp sẽ giảm không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Nhưng trong khoảng 0-30 o C việc tăng nhiệt độ dẫn đến các kết quả khác nhau liên quan với cường độ ánh sáng. Ở các cường độ ánh sáng thấp tăng nhiệt độ hầu như không ảnh hưởng đến quang hợp. Ngược lại, ở cường độ ánh sáng cao tăng nhiệt độ làm tăng đáng kể tốc độ quang hợp. Xuất phát từ các kết quả thí nghiệm của mình Blecman đi đền kết luận rằng trong quang hợp có sự tham gia của các phản ứng sáng và tối. Nói chung, phản ứng tối có thể xảy ra hoặc không xảy ra trong tối. Các phản ứng này được gọi là phản ứng tối với ý nghóa chúng có thể xảy ra mà không cần đến ánh sáng. Blecman đã kết luận rằng, khi trong các thí nghiệm của mình cường độ chiếu sáng chưa đủ thì tốc độ quang hợp hoàn toàn được xác đònh bởi chính cường độ ánh sáng. Khi chiếu sáng chưa đủ, việc tăng nhiệt độ không thể đẩy mạnh tốc độ quang hợp. Ở những cường độ ánh sáng đủ lớn để duy trì phản ứng sáng, tốc độ quang hợp sẽ được xác đònh chủ yea bởi tốc độ xảy ra các phản ứng enzyme tong tối. Khái niệm theo đó cho rằng trong quang hợp có sự tham gia của phản ứng tối là hoàn toàn mới. Bây giờ các nhà khoa học đã có thể phát hiện được phần đóng góp trong quang hợp của các phản ứng sáng và của các phản ứng không phụ thuộc ánh sáng. b/ Trong phản ứng sáng có sự tham gia của nước. Trong quang hợp có hai chất bò phân hủy là H 2 O và CO 2 . Có thể cho rằng sự phân hủy của một chất xảy ra trong phản ứng sáng, còn sự phân hủy của chất kia - trong các phản ứng tối. Vậy chất nào bò phân hủy trong điều kiện nào? Có một thời gian các nhà khoa học có thiên hướng cho rằng ngòai ánh sáng phân hủy CO 2 . Quan điểm này lần đầu tiên được đề xuất từ năm 1796. Trong vòng nhiều năm sau đó nó trở nên rất hấp dẫn đối với các nhà hóa học với lý do là nó cho phép giải thích dễ dàng sự hình thành carbohydrate – sản phẩm chủ yếu của quang hợp. Đến năm 1930 Van Hil đã đề xuất giả thuyết hoàn toàn ngược lại. Ông nghiên cứu quang hợp ở vi khuẩn, trong đó oxy không được giải phóng. Một số vi khuẩn có khả năng quang hợp tạo ra carbohydrate từ CO 2 và H 2 S, chứ không phải từ nước (H 2 O). Trong quang hợp của những vi khuẩn này lưu hùynh là sản phẩm phụ. Kết quả là nó được giải phóng hoặc được tích lũy trong tế bào vi khuẩn. Trong trường hợp này oxy không được giải phóng. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 62 - So sánh phương trình quang hợp của vi khuẩn với phương trình quang hợp của thực vật, Van Hil đi đến kết kuận rằng ánh sáng không phân hủy CO 2 . Vì sao ông lại đi đến kết luận này? So sánh phương trình quang hợp của vi khuẩn CO 2 + 2H 2 S → (CH 2 O) + 2S + H 2 O với phương trình quang hợp của thực vật CO 2 + 2H 2 O → (CH 2 O) + O 2 + 2H 2 O dễ dàng thấy rõ là phương trình quang hợp của thực vật có một số thay đổi. – ở cả hai vế đều thêm một phân tử nước. Các phương trình quang hợp của vi khuẩn và thực vật khác nhau ở chỗ ở vế bên trái thay cho nước là sunfua hydro, còn vế bên phải thay cho oxy (O 2 ) là hai nguyên tử lưu huỳnh (2S). Van Hil đã kết luận rằng trong các phản ứng sáng trong tế bào vi khuẩn phân hủy sunfua hydro chứ không phải CO 2 vì kết quả là giải phóng lưu huỳnh chứ không phải là oxy.Ông đã giả thuyết rằng các phản ứng sáng trong quang hợp của thực vật và vi khuẩn là như nhau. Mà vì trong các phản ứng sáng ở vi khuẩn phân hủy sunfua hydro nên trong các phản ứng sáng ở thực vật cần phải phân hủy một chất chứa hydro là nước. Sau đó hydro tương tác với CO 2 và tạo ra CH 2 O. Các nguyên tử khác – oxy ở thực vật và lưu huỳnh ở vi khuẩn – được giải phóng như các sản phẩm phụ. Như vậy, Theo giả thuyết của Van Hil, chức năng của ánh sáng trong quang hợp củ thực vật là phân hủy nước chứ không phải phân hủy CO 2 . Giả thuyết này dẫn đến một số kết luận lý thú. Quang hợp của thực vật về bản chất là vận chuyển hydro từ nước đến CO 2 . Trong trường hợp này nước là chất cho hydro, còn CO 2 là chất nhận nó. Để tạo ra hai phân tử nước cần bốn nguyên tử hydro cho mỗi phân tử CO 2 . Tòan bộ oxy giải phóng trong quang hợp là thu nhận được trong sự phân hủy nước chứ không phải phân hủy CO 2 . Vậy điều gì xảy ra trong các phản ứng tối của quang hợp? Các giả thuyết mới gắn liền các phản ứng tối với sự phân hủy CO 2 . Bây giờ chúng ta có thể cho rằng “hộp bí mật” trong hình 1.1 chứa đượng những điều bí ẩn của quang hợp được chia thành hai hộp nhỏ: a/ ”hộp sáng”, trong đó chứa đựng điều bí mật của việc phân hủy nước bởi ánh sáng thành oxy và hydro; b/ “Hộp tối” chứa bí mật của sự chuyển hóa CO 2 thành carbohydrate. Khoa học chỉ có thể tiến lên phía trước khi nào các giả thuyết được xác minh bằng thực nghiệm. Giả thuyết của Van Hil dựa trên cơ sở sự giống nhau của quang hợp ở vi khuẩn và ở thực vật. Xuất phát từ chỗ một số bộ phận của các quá trình này giống nhau, ông cho rằng, có lẻ, cả các bộ phận khác cũng giống nhau. Các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm các khẳng đònh trực tiếp về giả thuyết này. Họ muốn phát hiện thực ra cái gì xảy ra trong các “hộp”. Bằng cách nào nước bò phân hủy bởi ánh sáng? Hydro chuyển từ các phản ứng sáng đến các phản ứng tối như thế nào? Bằng cách nào CO 2 được chuyển hóa thành carbohydrate trong các phản ứng tối? Chúng ta hãy xem xét trước “hộp tối” và tình trạng của CO 2 . c/ Pha sáng của quang hợp dẫn đến sự hình thành ATP và NADPH. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 63 - Năng lượng lấy từ đâu để tích lũy trong các phân tử ATP và NADPH? Chúng ta đã biết rằng nó được cung cấp bởi ánh sáng trong quá trình quang hợp. Như vậy, trong quang hợp năng lượng ánh sáng được biến hóa thành năng lượng hóa học. ATP và NADPH được tạo ra không phải trong các phản ứng sáng riêng biệt mà do kết quả của hàng lọat các phản ứng. Trật tự các phản ứng này được gọi là “pha sáng” của quang hợp. Hãy lưu ý rằng oxy cũng là sản phẩm của quang hợp ở thực vật, nhưng nó không liên quan với các phản ứng của chu trình Calvin. Vì vậy, có thể mong đợi rằng oxy đượctạora cùng với ATP và NADPH trong pha sáng của quang hợp. Pha sáng của quang hợp có tác dụng thúc đẩy tòan bộ quá trình quang hợp. Một chiếc ô tô di chuyển được nhờ năng lượng do động cơ tạo ra. Động cơ chiếc ô tô biến hóa năng lượng hóa học của chất đốt thành năng lượng cơ học để quay bánh xe. Vậy “động cơ” của quang hợp thực hiện sự biến hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học là gì? Có thể giả thuyết một cách tự nhiên rằng “động cơ “ của quang hợp có chứa chlorophyll vì, như đã nóio ở trện, chlorophyll là sắc tố sđầu tiên hấp thụ ánh sáng. Trong lát cắt của lá dưới kính hiển vi chlorophyll trong tế bào được nhìn thấy chúng tham gia trong thành phần của các hạt riêng biệt. Những hạt này được gọi là lục lạp (chloroplast) . Số lượng chloroplast trong các tế bào quang hợp không cố đònh. Tế bào lá chứa khỏang 20-100 chloroplast, còn tảo đơn bào – chỉ từ 1 đến 2. Hình dạng của chloroplast cũng rất khác nhau. Chloroplast của thực vật bậc cao thường có dạng đóa bề dày khoảng 2 micron và đường kính khoảng 5 micron. Nhờ kính hiển vi điện tử các nhà sinh học đã có thể biết được nhiều điều hơn về chloroplast, ví dụ thành phần cấu tạo và đặc điểm cấu trúc của chúng. Tóm lại. chloroplast là “động lực” của quang hợp. Tương tự như chlorophyll, chúng chứa các enzyme và các chất xúc tác khác cần cho sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Trên thực té toàn bộ quá trình quang hợp ở thực vật xảy ra trong chloroplast. Vậy làm sao đã xác đòch được quá trình này?. Đã một trăm năm trôi qua các nhà thực vật học cho rằng quang hợp, có lẻ, chỉa xảy ra trong chloroplast, nhưng chứng minh điều này trong một thời gian dài không phải dễ dàng. Đến năm 1937, R. Hill. cộng tác viên của trường đại học Cambridg của nước Anh, đã phát hiện được rằng, nếu lục lạp được tách từ tế bào sống, chúng sẽ bắt đầu giải phóng oxy. Dể điều này xảy ra, chỉ cần một môi trường chứa một số hợp chất của sắt. Phản ứng này được gọi là phản ứng Hill. Tuy nhiên, bản thân nó chưa khẳng đòng rằng các chloroplast cách ly có thể tạo ra carbohydrate từ khí carbonic. Mà thiếu các dẫn chứng, các nhà khoa học không thể tin tưởng được rằng quang hợp hòan tòan được thực hiện trong chloroplast. Các nghiên cứu tiết theo được thực hiện bởi Arnon và những người cộng tác. Họ đã tìm ra hai phát kiến quan trọng. Thứ nhất là ông đã phát hiện được rằng cá chloroplast tách rời trong ánh sáng quả thật chuyển hóa khí carbonic thành carbohydrate, và thứ hai là ông đã xác đònh được rằng các chloroplast tách rời có thể tạo ra ATP ngoi ánh sáng thậm chí trong trưởng hợp khi CO 2 không tiếp cận với chúng. (Quá trình mới này của sự tổng hợp GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 64 - ATP được gọi là phosphoryl hóa quang hợp). Chúng ta sẽ gọi quá trình này là sự hình thành ATP trong ánh sáng. Phương tình tương ứng có thể được trình baqy như sau: chloroplast ADP + Pvc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ATP ÁÙnh sáng Đầu tiên có thể tưởng rằng sự hình thành ATP trong ánh sáng giải thích được nguồn gốc của toàn bộ ATP trong quang hợp. Trên thực tế sự hình thành ATP trong ánh sáng chỉ là một phần của tổng số hợp chất này vốn được tạo ra trong quá trình quang hợp. Sau một thời gian Arnon và những người cộng tác đã phát hiện được một kiểu phản ứng khác, trong đó sự hình thành ATP ngòai ánh sáng gắn liền vời sự hình thành NADPH và oxy phân tử. Phương trình tổng quát của quá trình này có thể được diễn đạt như sau: chloroplast 2NADP + 2ADP + 2Pvc + 2H 2 O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 2NADPH + 2H + + 2ATP + 2O 2 ÁÙnh sáng Quá trình đầu tiên trong hai quá trình tạo ra ATP ngoài ánh sáng, mà kế qủa của nó là chỉ tạo ra ATP được gọi là quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ. Quá trình thứ hai mà tronmg đó ngòai ATP còn tạo ra oxy và NADPH được gọi là quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ. Để kết luận mục này, cần phải nhớ rằng trong pha sáng của quang hợp có sự hình thành ATP theo các con đường quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ và không có tính chu kỳ dưới tác động của ánh sáng. Quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳdẫn đến sự hình thành ATP và NADPH, còn quang phosphoryl hóa có tính chu kỳbổ sung thêm ATP cần cho sự họat động bình thường của chu trình Calvin. Nguồn năng lượng đảm bảo cho sự diễn biến của các quá trình này là ánh sáng. d/ Năng lượng ánh sáng tạo ra dòng điện tử. Đến đây chúng ta chỉ mới mô tả các quá trình hình thành ATP bằng các con đường quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ và không có tính chu kỳ xảy ra ngoài ánh sáng, mà chưa nói gì về việc bằng cách nào năng lượng ánh sáng được sử dụng để tạo ra ATP và NADPH. Khi các phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng, chúng “bò kích động” và chuyển năng lượng hấp thụ được cho các điện tử của mình. Các điện tử với mức năng lượng cao có thể rời khỏi phân tử bò kích động và liên kết với các phân tử của một chất khác. Các phân tử liên kết với các đòn tử với mức năng lượng cao sẽ thu nhận năng lượng bổ sung được các điện tử mang tới và bản thân trở thành phân tử “cao năng” hay “giàu năng lượng”. Trong quang hợp năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi chính các phân tử chlorophyll. Các nhà khoa học cho rằng các phân tử chlorophyll bò kích động sẽ nhường các điện tử giàu năng lượng. Những điện tử này được chiếm lấy bởi các phân tử khác, làm cho năng lượng hóa học của chúng tăng lên. Năng lượng ánh sáng biến thành năng lượng hóa học vào lúc chúng được chuyển cho các phân tử khác và bằng cách đó lại giải phóng năng lượng hóa học có được để tạo ra ATP và NADPH. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học [...].. .Trao đổi chất và năng lượng - 65 - Các nghiên cứu về quang hợp đã tạo cơ sở để cho rằng các điện tử được cho bởi chlorophyll bò kích động kết bợp với feredoxin, một protein chứa các nguyên tử sắt Chất này được tìm thấy trong tất cả các tế bào quang hợp Thuyết tổng quát của trao đổi năng lượng trong quang hợp để tổng hợp ATP theo cơ chế quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ được trình bày trong. .. tổng hợp các hợp chất hữu cơ quan trọng khác để nuôi cây, giúp cây sinh trưởng và phát triển NADP.H và ATP hình thành trong pha sáng của quang hợp được lục lạp sử dụng để tổng hợp carbohydrate và các hợp chất hữu cơ khác Các quá trình tổng hợp này không cần ánh sáng nên được gọi là pha tối của quang hợp Người ta đã phát hiện được rằng pha tối của quang hợp bao gồm một số con đường khác nhau, trong đó quan... biểu đồ trình bày cả hai pha của quang hợp – pha sáng và pha tối – và cho thấy mối quan hệ giữa chúng Hình 1.8 Sơ đồ của quá trình quang hợp theo các khái niệm hiện đại GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 67 - Đường được hình thành trong quang hợp trở thành một chất dinh dưỡng, từ đó với sự tham gia của các yếu tố dinh dưỡng khóang tham gia tổng hợp. .. chlorophyll lại bắt đầu một chu kỳ mới của sự hấp thụ ánh sánh và trao đổi năng lượng Còn quá trình quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ xảy ra như thế nào? Các nhà khoa học cho rằng các giai đoạn cơ bản của trao đổi năng lượng ở đây cũng giống như những gì xảy ra trong quang phosphoryl hóa có ttính chu kỳ, nhưng trong trườnfg hợp này có một vài sự khác biệt quan trọng Sự giống nhau là các phân... http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 66 - Sự hấp thụ ánh sáng bởi chlorophyll trong pha sáng dẫn đến các phản ứng vận chuyển điện tử, làm giải phóng oxy từ nước và tạo ra ATP và NADPH Những hợp chất này đảm bảo cho việc xảy ra chu trình Calvin và tổng hợp đường Hình 5.7 Tổng hợp ATP theo cơ chế quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ 2 Pha tối của quang hợp Qua hình 5.8 chúng ta... được gọi là con đường C4 trong quang hợp Nó có dạng như mô tả trong hình 5.9 Ở những thực vật có con đường C4 (gọi tắt là cây C4) hoạt tính enzyme PEPcarboxylase – enzyme then chốt của chu trình C4 – cao gấp 20 lần so với cây C3 Lợi thế của cây C4 là ở chỗ bằng cách tổng hợp oxaloacetate và malate chúng dự trũ được CO2 trong tế bào, nhờ đó chúng có thể thực hiện được quang hợp trong lú khí khổng đóng... Phương trình tổng quát của toàn bộ chu trình là: 6CO2 + 18ATP + 12NADP.H + 12H+ ⎯→ Hexose + 18ADP + + 18Pvc + 12NADP+ + 6O2 b/ Chu trình Hatch – Slack Vào những năm 1960 hai nhà bác học M.D Hatch (người c) và Slack (người Anh) đã phát hiện một cơ chế sinh hóa ở cây mía và một số thực vật nhiệt đới khác, trong đó sản phẩm đầu tiên của quá trình khử CO2 là một hợp chất 4 carbon – acid oxaloacetic Chu trình. .. (hình 5.7) Ngày nay đã thu được khá nhiều khái niệm về pha sáng của quang hợp, nhưng nhiều điều cần phải phát hiện và thu nhận những kết quả chính xác Đặc biệt rõ ràng nhất là còn thiếu các khái niệm chính xác về bản chất của các phản ứng quang hợp dẫn đến giải phóng oxy từ nước Quá trình quang hợp nói chung có thể được hình dung như mô tả trong hình 1.8 và đang là đối tượng nghiên cứu của nhiều nhà hóa... khác nhau, trong đó quan trọng nhất là chu trình Calvin (con đường C3) cà chu trình Hatch – Slack (con đường C4) a/ Chu trình Calvin Sau nhiều năm nghiên cứu (1946-1961) Melvin Calvin thuộc trường đại học Berkeley (Hoa kỳ) với công cụ chủ yếu là 14O2 đã tìm ra một trật tự các phản ứng cố đònh CO2 trong quang hợp mà ngày nay chúng ta gọi là chu trình Calvin.Chu trình này còn được gọi là con đường C3 do... nhóm thực vật này được phân biệt về mặt thời gian Quá trình carboxyl-hóa sơ cấp xảy ra vào ban đêm, trong đó acid phosphoenol-pyruvic kết hợp với CO2 để tạo ra acid malic Vào ban ngày, trong điều kiện khí khổng đóng, CO2 được giải phóng để tham gia chu trình Calvin Sự khẳng đònh trực tiếp rằng đồng hóc khí carbonic là kết quả của phản ứng tối của quang hợp được thực hiện bởi Calvin và các ộng tác viên . http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 55 - CHƯƠNG 5. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HP. I. KHÁI NIỆM VỀ QUANG HP Có thể hiểu được quang hợp –. đầu quá trình quang hợp. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình quang hợp được minh họa trong hình 5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ quang hợp