MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1.5.2 Quá trình t ng h p pyrol (porphobinogen)ổ ợ .26 1.5.3 Quá trình óng vòng c a 4 vòng pyrol (tetrapyrol)đ ủ 27 1.5.4 a ion Mg2+ v o h th ng vòngĐư à ệ ố 29 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Đoàn Duy Tiên đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em làm nghiên cứu khoa học. Em xin cảm ơn thầy cô giáo ở bộ môn Hoá hữu cơ đã dạy cho em những kiến thức bổ ích, và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học này. Em xin cảm ơn các anh chị, và các bạn học viên, sinh viên trong phòng Tổng hợp hữu cơ 2 đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này. Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên Trần Thị Hiền MỞ ĐẦU Đã hơn thế kỷ nay, các nhà khoa học rất quan tâm tới việc chiết tách các sắc tố từ lá xanh của thực vật bậc cao. Cách đây hơn 100 năm các nhà hóa học đã tách được chất màu xanh từ lá và gọi chúng là Chlorophyll. Vào năm 1913, Richard Willstatter, nhà hóa học ngườI Đức đã chỉ ra rằng tất cả các năng lượng sống đều nhờ mặt trời. Cây xanh có một cách nào đó để giữ năng lượng mặt trời. Tới năm 1919, ông đã giải thích được chức năng của chất giữ năng lượng mặt trời chính là chất được gọi là Chlorophyll. Thực vật bậc cao có lá xanh đã tự mình hấp thụ được năng lượng tia bức xạ và chuyển hóa thành năng lượng dự trữ trong cơ thể. Chlorophyll giữ vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình quang hợp, là chất đầu tiên nhận năng lượng ánh sáng cho hệ quang hợp. Chlorophyll hấp thụ ánh sáng chuyển về dạng năng lượng ATP, trong quá trình này xảy ra các phản ứng chuyển dịch electron (phản ứng oxy hóa khử) tạo thành các sản phẩm oxy hóa và khử. Chlorophyll có những ứng dụng khác nhau trong y học, công nghiệp. Trong y học, chlorophyll được chú ý nhiều như một thành phần cơ bản cho khẩu phần ăn kiêng chữa bệnh và như là chất chữa bệnh. Thí dụ chlorophyllin dẫn xuất kim loại của chlorophyll, có tiềm năng phòng chống các chất gây ung thư từ thức ăn bị thiu mốc như hydrocarbon mạch vòng, aflatoxin. Chlorophyll và các dẫn xuất còn được sử dụng như là chất cảm thụ ánh sáng để diệt các tế bào ung thư và chống virus, chất kháng bổ thể, chất chữa vết thương và khử mùi hôi. Chlorophyll ức chế phát triển của vi khuẩn, kích thích việc phục hồi các mô đã bị hư hại và bảo vệ con người khỏi các chất gây ung thư. Chlorophyll còn giúp cho tiêu hóa tốt và làm cho da thêm đẹp… 1 Đã có những công trình nghiên cứu khả năng chữa bệnh của các hợp chất với chlorophyll để chữa, tiêu diệt tế bào ung thư tủy, virus leukemia, u ác tính (malignant melanoma). Chlorophyll còn có tác dụng giảm viêm khớp (arthritis), xử lý các u xơ, giảm mùi hôi, giảm đường máu của người bệnh già. Chlorophyll có nhiều loại, chlorophyll (a, b, c, d, …), trong đó chlorophyll a rất phổ biến trong tự nhiên, đó là chất diệp lục trong hệ quang hợp của thực vật bậc cao, tảo biển, và vi khuẩn quang hợp. Tuy nhiên trong thực vật bậc cao hệ thống quang hợp có cấu tạo rất phức tạp và bao gồm nhiều loại chlorophyll khác nhau. Quá trình tách các chlorophyll ra khỏi nhau rất khó khăn và phức tạp. Trong các loại vi khuẩn quang hợp thì vi khuẩn lam có cấu tạo hệ quang hợp đơn giản nên việc phân lập dễ dàng hơn.Vì vậy tôi đã lựa chọn “ Tách chiết và chuyển hoá chlorophyll a từ vi khuẩn cyanobacteria” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình. 2 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1 Cấu tạo và tính chất của hệ quang hợp 1.1.1 Cấu tạo và tính chất của hệ quang hợp ở thực vật và vi khuẩn Quang hợp là cơ sở năng lượng của sự sống trên trái đất. Do ánh sáng điện tử chuyển từ sắc tố diệp lục trong các trung tâm phản ứng quang hợp của vi khuẩn và thực vật, cuối cùng hình thức NADPH và ATP được sử dụng để sản xuất carbohydrate (Hình 1.1). Hình 1.1: Việc sử dụng năng lượng bức xạ cho sự tổng hợp của các phân tử hữu cơ Các chất diệp lục có thể được coi là chất quang dẫn nằm trong vùng ánh sáng hấp thụ và trung tâm phản ứng của bộ máy quang hợp. Các chất diệp lục 3 hấp thụ và chuyển đổi quang năng thành hoá năng với hiệu suất cao. Các hệ thống quang hợp (PS) (hình 1.2) phân loại theo cấu trúc của trung tâm phản ứng, bao gồm PSI của vi khuẩn lam, PSII của thực vật bậc cao và PS của vi khuẩn tía, bao gồm bốn thành phần chính là ăng-ten, các trung tâm phản ứng, khu chuyển điện tử và bộ máy cố định carbon. [5,3] Hình 1.2 :Các hệ thống quang hợp. [28] Ở trung tâm phản ứng của vi khuẩn tía, tiểu đơn vị protein L và M, gắn các sắc tố hoạt động trong sự phân chia điện tích, là bộ phận có liên quan với nhau bởi đối xứng bậc hai. Trung tâm phản ứng được bao quanh bởi một vòng ánh sáng của các protein thu hoạch (LH1). Các electron được chuyển vào trung tâm phản ứng của một heme-binding cytochrome (cyt). Trong PSII , những protein D1 và D2 có cấu trúc và chức năng tương đồng với các tiểu đơn vị L và M của trung tâm phản ứng ở vi khuẩn và tổ 4 chức các sắc tố hoạt động trong một hình dạng tương tự. Năng lượng ánh sáng được thu thập bởi LHCII và chuyển vào trung tâm phản ứng bởi nhân protein chất diệp lục thu thập các lượng tử ánh sáng, CP43 và CP47, được đặt ở bên cạnh của heterodimer D1-D2 (protein cấu thành từ các polypeptit vốn khác nhau ở các dãy axit amin). Việc phân tách điện tích cho phép các nhóm mangan trên bề mặt lumen ôxi hóa nước và giải phóng oxi vào khí quyển. Trong PS I, các protein PsaA và PsaB tạo thành một heterodimer giống PSII. Mỗi PsaA và PsaB bao gồm một trung tâm phản ứng tương đương với D1 hoặc D2, và một nhân ăng - ten tương đương với CP43 hoặc CP47. Điện tử được lấy từ liên kết thuận nghịch plastocyanin (PC) ở bên trên lumen, và giao cho các cụm sắt sunfua (FeS) ở phía trên stroma , nơi chúng được sử dụng để giảm NADP + tới NADPH [28] . Hệ thống ăng-ten quang (Hình 1.3 và Hình 1.4) được tổ chức để thu thập và cung cấp năng lượng cho một trạng thái kích thích bằng cách kích thích chuyển tới các khu trung tâm phản ứng nơi phản ứng quang hoá diễn ra. Loại đầu tiên của ăng-ten bao gồm một heterodimer của các chuỗi axit amin và hai phân tử chất diệp lục a, b trong khi loại thứ hai của ăng-ten bao gồm một heterodimer của chuỗi axit amin dài cùng với ba phân tử chất diệp lục a, b . Đại đa số các sắc tố như carotenoid (Hình 1.5) trong một sinh vật quang hợp không hoạt động hoá học, nhưng chức năng chủ yếu như một ăng-ten 5 Hình 1.3 : Hệ thống ăng ten của các vi khuẩn tía -một chất màu protein vòng phức hợp. [29] Hệ thống ăng-ten tăng phần hiệu quả của sự hấp thụ qua photon bằng cách tăng số lượng sắc tố nằm ở mỗi phức hợp quang hóa. Cường độ của ánh sáng mặt trời là khá thấp và một phân tử diệp lục duy nhất chỉ hấp thụ một vài photon trong một giây. Bằng cách kết hợp nhiều chất màu vào một đơn vị duy nhất, phản ứng sinh tổng hợp trung tâm và chuỗi vận chuyển điện tử có thể được sử dụng với hiệu quả tối đa. Sự đa dạng nổi bật của ăng-ten phức hợp đã được xác định từ các lớp khác nhau của các sinh vật quang hợp. Kích thích chuyển giao phải được nhanh chóng, đủ để cung cấp kích thích trung tâm phản ứng quang hóa trong một thời gian tương đối ngắn so với các thời gian trạng thái kích thích trong trường hợp không có sự thu thập. Thời gian sống của phức hợp ăng-ten, nơi trung tâm phản ứng được loại bỏ, thường trong khoảng 1-5 ns. Quan sát thời gian trạng thái kích thích của các hệ thống ăng-ten, nơi được kết nối với trung tâm phản ứng này thường trên vài chục pico giây, đó là đủ nhanh để có điều kiện sinh lý hầu như tất cả năng lượng 6 ánh sáng bị giữ lại là tiếp tục sử dụng trong các phản ứng quang hóa. [1,4,7,12,15,26,27,29] Hình 1. 4: Ánh sáng hấp thụ phức hợp II ăng-ten protein của thực vật -một trimer với 14 chất diệp lục và 3 carotenoid cho một tiểu đơn vị protein [15] OH OH O O OH OH OH OH Zeaxanthin Violaxanthin Lutein ß-Carotene Hình 1.5: Carotenoids của trung tâm phản ứng. 7 Phản ứng trung tâm bao gồm hàng trăm các chất diệp lục ánh sáng thu hoạch và một cặp đặc biệt của chất diệp lục quang hoá phản ứng một trong màng tế bào. Các phản ứng quang hóa của loại trung tâm phản ứng I không sản xuất bất kỳ oxy nào trong khi ở trung tâm phản ứng loại II oxy được tạo thành. Trung tâm phản ứng của vi khuẩn virdis Rhodopseudomonas bao gồm bốn tiểu đơn vị protein (Hình 1.6). Hai trong số đó, L và M , hình thức mở rộng năm màng xoắn. Cấu trúc này cho thấy sự sắp xếp chính xác trong tiểu đơn vị L và M của các nhóm hoạt động quang hoá có chứa một dimer của hai monomeric chất diệp lục , hai phân tử pheophytin, phân tử quinone Q A , phân tử quinone và một ion sắt Q B (Fe). Tiểu đơn vị L và M và các nhóm mang màu của chúng có liên quan bởi một trục đối xứng gồm hai phần đi qua dimer chất diệp lục và sắt. Một tiểu đơn vị thứ ba H, không có nhóm hoạt động và nằm trên bề mặt bên trong màng tế bào, được neo vào các màng tế bào của một chuỗi xoắn protein. Các tiểu đơn vị còn lại, một cytochrome ( một trong các chất màu hô hâps protein phức chất) với bốn nhóm heme tương tự như các sắc tố hemoglobin trong máu, gắn ở bề mặt ngoài của màng. 8