Thực hành sinh lí thực vật (Tài liệu phục vụ huấn luyện học sinh giỏi dự thi Olympic Sinh học) Phần 1 : Các phương pháp tách chiết sắc tố từ thực vật 1. Các sắc tố quang hợp, tính chất và vai trò của chúng. Bằng các phương pháp sắc kí và quang phổ hiện đại, ngày nay đã phân biệt 4 nhóm sắc tố tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào quá trình quang hợp ở thực vật và vi khuẩn quang hợp. Đó là các nhóm sắc tố trong màng tilacoit: nhóm clorophin, nhóm carotenoit, nhóm phycobilin và nhóm sắc tố trong dịch tế bào: nhóm antoxianin. 1.1. Nhóm sắc tố xanh lục - Clorophin Đây là nhóm sắc tố có vai trò quan trọng nhất đối với quang hợp, vì nó có khả năng hấp thụ trực tiếp ánh sáng và biến năng lượng hấp thụ được - năng lượng vật lí thành năng lượng dự trữ trong các hợp chất hữu cơ - năng lượng hoá học. Các nhóm sắc tố khác không làm được chức năng đầy đủ và trực tiếp như vậy. Có nhiều loại clorophin và sự khác nhau giữa chúng chỉ ở một số chi tiết về cấu tạo và sau đó là về điểm cực đại trong quang phổ hấp thụ ánh sáng. Về cấu tạo chung của clorophin, ta chú ý đến các đặc điểm sau: phân tử clorophin có 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng các cầu nối metyl ( - CH = ) để tạo nên vòng porphyrin có nguyên tử Mg ở giữa liên kết với 4 nguyên tử N của các nhân pyron, có hai nguyên tử H ở nhân pyron thứ tư, nhân này nối với gốc rượu phyton và có vòng cyclopentan ở nhân pyron thứ ba với một nguyên tử oxi. Sau đây là công thức tổng quát của clorophin a và clorophin b: Clorophin a: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg Clorophin b: C 55 H 70 O 6 N 4 Mg Nhìn vào công thức cấu tạo (trong sách giáo khoa t), ta thấy trong phân tử clorophin có nhiều nối đôi cách đều. Đó là kiểu nối đôi cộng đồng - kiểu nối đôi thể hiện khả năng hấp thụ mạnh năng lượng ánh sáng và dễ dàng bị kích thích bởi ánh sáng, cũng như dễ dàng chuyển năng lượng ánh sáng hấp thụ được cho các phản ứng quang hoá. Về một số tính chất hoá học và vật lí của clorophin: a. Clorophin không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ. Vì vậy khi muốn tách clorophin ra khỏi lá, bắt buộc phải dùng một dung môi hữu cơ như: ête, cồn hay axeton, … b. Clorophin là este của axit dicacboxilic: C 32 H 30 ON 4 Mg(COOH) 2 với hai loại rượu là phyton: C 20 H 39 OH và metanol: CH 3 OH, nên công thức của clorophin có thể viết như sau: COOCH 3 C 32 H 30 ON 4 Mg COOC 20 H 39 và khi tác dụng với bazơ sẽ xảy ra phản ứng xà phòng hoá tạo thành muối clorophinat vẫn có màu xanh. Ngược lại khi tác dụng với axit thì Mg bị H thay thế và hình thành một hợp chất kết tủa có màu nâu pheophytin. Nếu cho pheophytin tiếp tục tác dụng với một kim loại khác thì kim loại này lại thay thế vị trí của Mg và tạo thành một hợp chất cơ-kim (hữu cơ - kim loại) có màu xanh rất bền. c. Sự mất màu của clorophin: Clorophin trong tế bào không bao giờ bị mất màu, trừ trường hợp bị phân huỷ trong quá trình hoá già của cơ quan, cơ thể. Bởi vì clorophin nằm trong phức hệ cáu trúc chặt chẽ với protein và lipoit. Nhưng dung dịch clorophin ngoài ánh sáng và trong môi trường có O2 thì sự mất màu xảy ra do clorophin bị oxi hoá dưới tác dụng của ánh sáng: Clorophin + hv => Clorophin* (trạng thái kích thích) Clorophin* + O 2 > ClorophinO 2 (trạng thái oxi hoá, mất màu). d. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang của clorophin Khi chiếu ánh sáng vào dung dịch sắc tố rút từ lá xanh và bằng phương pháp đo huỳnh quang, lân quang, ta thấy dung dịch này có hiện tượng huỳnh quang và lân quang. Điều đó chứng tỏ có hiện tượng truyền năng lượng giữa các phân tử clorophin và các loại sắc tố với nhau. Năng lượng của các photon ánh sáng được clorophin hấp thụ đã kích thích các phân tử clorophin và các dạng của các phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau tạo nên hiện tượng huỳnh quang và lân quang. (Huỳnh quang là hiện tượng phát sáng khi chiếu sáng vào sắc tố và sự phát sáng này tắt ngay khi nguồn chiếu sáng tắt. Lân quang là hiện tượng phát sáng khi chiếu sáng vào sắc tố và sự phát sáng này không tắt ngay khi nguồn sáng đã tắt). e. Quang phổ hấp thụ của clorophin Trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 nm - 700 nm), có hai vùng hấp thụ của clorophin: vùng xanh tím (430 nm) và vùng đỏ (680nm). Màu xanh đặc trưng của clorophin và cũng là màu xanh của lá cây chính là kết quả của sự hấp thụ hai vùng quang phổ xanh tím và đỏ này. Vì phổ ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng trắng) gồm các vùng ánh sáng: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Các sắc tố của lá cây hấp thụ các vùng ánh sáng ở đầu và cuối của phổ ánh sáng nhìn thấy để lại ánh sáng vùng lục không hấp thụ (phản xạ hoặc xuyên qua). Ánh sáng màu lục đập vào mắt ta khi ta nhìn vào lá cây và thấy lá cây có màu xanh lục (Hình 2). f. Clorophin tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp Năng lượng tích luỹ được bởi clorophin khi hấp thụ ánh sáng được chuyển trực tiếp cho các phản ứng quang hoá để quang phân li H 2 O giải phóng O 2 , H + và electron và sau đó hình thành 2 sản phẩm vô cùng quan trọng của pha sáng là ATP và NADPH. 1.2. Nhóm sắc tố vàng - Carotenoit Đây là nhóm sắc tố có các màu từ vàng đến tím đỏ. Chúng được cấu tạo theo mạch nối đôi thẳng, gồm 40 nguyên tử C và 56 nguyên tử hidro (C 40 H 56 ). Nhóm carotenoit được chia thành 2 nhóm nhỏ theo cấu trúc hoá học: Caroten và Xanthophin * Caroten - C 40 H 56 là một cacbuahidro chưa bão hoà, không tan trong nước mà chỉ tan trong các dung môi hữu cơ. Công thức cấu tạo gồm một mạch cacbon dài gồm 8 gốc izopren và hai đầu là một hoặc hai vòng ionon. Trong thực vật thường có 3 loại caroten: anpha, beta, gama caroten. Cắt đôi phân tử beta caroten ta được hai phân tử vitamin A. Bước sóng hấp thụ cực đại của caroten ở 446 - 467 nm. * Xanthophin - C 40 H 56 O n (n : 1- 6) là dẫn xuất (dạng oxi hoá) của caroten. Vì oxi từ 1 đến 6 nên có nhiều loại xanthophin: Cripthoxanthin (C 40 H 56 O ), Lutein (C 40 H 56 O 2 ), Violaxanthin (C 40 H 56 O 4 ). Các nguyên tử oxi liên kết trong các nhóm: hidroxy, cacboxy, axetoxy, metoxy, epoxy,… Bước sóng hấp thụ của cực đại của [...]... Về sự hình thành nhóm carotenoit, có giả thuyết cho rằng: có sự hình thành nhóm carotenoit từ sản phẩm phân huỷ clorophin ở những cơ quan hoá già hoặc thiếu dinh dưỡng khoáng Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã phủ nhận giả thuyết này 1.3 Nhóm sắc tố của Tảo - nhóm phycobilin Nhóm sắc tố này rất quan trọng đối với các nhóm thực vật thuỷ sinh sống ở các vùng nước sâu Đó là nhóm sắc tố ưa nước, trong tế bào... trong quá trình tiến hoá của nhóm thực vật ở nước Quá trình sinh tổng hợp nhóm phycobilin hiện nay chưa biết rõ về các enzim và các sản phẩm trung gian 1.4 Nhóm sắc tố dịch bào - Nhóm antoxianin Ngoài các nhóm sắc tố làm nhiệm vụ trực tiếp và gián tiếp trong quá trình quang hợp, trong cây xanh còn có các sắc tố dịch bào với các màu sắc khác nhau: đỏ, xanh, tím, …hợp thành nhóm sắc tố antoxianin Antoxianin...xanthophin ở 451 - 481 nm Người ta còn phân chia nhóm carotenoit thành hai nhóm nhỏ theo tính chất sinh học: • Nhóm carotenoit sơ cấp: làm nhiệm vụ quang hợp hoặc bảo vệ • Nhóm carotenoit thứ cấp: có trong các cơ quan nh ư: hoa, quả, các cơ quan hoá già hoặc bị bệnh khi thiếu dinh dưỡng... violaxanthin (C40H56O4) thành lutein (C40H56O2) + nhóm carotenoit sơ cấp tham gia vào quá trình quang hợp bằng cách hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng ánh sáng này cho clorophin và nó có mặt trong hệ thống quang hoá II Như vậy nhóm carotenoit tham gia gián tiếp vào chức năng quang hợp + nhóm carotenoit thứ cấp là nguồn cung cấp vitamin cho cơ thể Về sự hình thành nhóm carotenoit, có giả... hợp, quang phổ hấp thụ của antoxianin bổ sung cho quang phổ hấp thụ của clorophin Do đó nó tham gia gián tiếp vào quá trình quang hợp Mặt khác khi hấp thụ năng lượng ánh sáng, nó biến năng lượng photon thành dạng nhiệt năng, sưởi ấm cho cây Điều này giải thích tại sao những hoa vùng lạnh lại có màu sắc sặc sỡ và tại sao trong đợt gió mùa đông bắc bèo hoa dâu ở ta từ màu xanh chuyển sang màu tím Antoxianin . Thực hành sinh lí thực vật (Tài liệu phục vụ huấn luyện học sinh giỏi dự thi Olympic Sinh học) Phần 1 : Các phương pháp tách chiết sắc tố từ thực vật. hấp thụ trực tiếp ánh sáng và biến năng lượng hấp thụ được - năng lượng vật lí thành năng lượng dự trữ trong các hợp chất hữu cơ - năng lượng hoá học. Các