Bình Dương, tháng 11 năm 2010 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - -    - - - MÔN: SINH LÍ THỰC VẬT LỚP: SINH K3-HỆ LIÊN THÔNG KHÓA: 2010-2012 NHÓM 2: Ngô Thị Bình Hồ Thị Dung Nguyễn Thị Hồng Hà Trần Quốc Kha Nguyễn Thị Thu Nguyệt Nguyễn Thị Hồng Thắm Phạm Thị Thuỳ Trâm Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật 1. KHÁI NIỆM QUANG HỢP 1.1. Quang hợp Quang hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ nhờ năng lượng của ánh sáng, là quá trình trong đó năng lượng của ánh sáng mặt trời do các sắc tố của cây hấp thụ được chuyển hóa và tích lũy ở dạng năng lượng hóa học trong các hợp chất hữu cơ Nói cách khác, quang hợp là quá trình biến đổi các chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp có hoạt tính cao trong cơ thể thực vật dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời và sự tham gia của các sắc tố Ngày nay, người ta chia quang hợp thành hai pha là pha sáng và pha tối 1.2. Pha Sáng Bao gồm quá trình hấp thụ ánh sáng và kích động các phân tử sắc tố (giai đoạn quang lý) cùng với sự biến đổi năng lượng photon thành năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất dự trữ năng lượng ATP và chất khử NADPH 2 (giai đoạn quang hóa) 2. BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG Ánh sáng vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng. Thành phần nhỏ nhất của ánh sáng là photon là một loại hạt cơ bản có khối lượng vô cùng nhỏ bé và mang năng lượng. Các photon khác nhau đặc trưng bằng nguồn năng lượng dự trữ khác nhau và được xác định theo công thức sau. E = h.v = h.(c ∕ג) Trong đó. E Năng lượng của photon h. Hằng số Planck ( 6.625. 10 -34 J/s c. Tốc độ ánh sáng ( 3.10 17 nm ∕ s) ג . Độ dài bước sóng ( nm) v. Tần số bức xạ ( số dao động ∕ s) Năng lượng photon tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng. Ánh sáng bước sóng ngắn có năng lượng photon lớn hơn ánh sáng có bước sóng dài. Năng lượng photon rất nhỏ nên trong thực tế thường tình theo trị số Einstein. Einstein = E. N Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật E là năng lượng một photon N là số Avogadro Các phân tử diệp lục và các sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng với các mức khác nhau. diệp lục hấp thụ photon ánh sáng xanh tím ( 430 nm), diệp lục hấp thụ photon ánh sáng đỏ ( 670 nm). 3. CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHA SÁNG 3.1. Giai đoạn quang lí Pha sáng là một trong hai pha của quá trình quang hợp. Những năm đầu của thế kỷ 18 ,người ta đã bắt đầu phát hiện ra vai trò của ánh sáng và màu xanh của thực vật đối với quá trình sống của nó (Ingenhousz,1779);có những phát hiện sơ khởi về vai trò của nước trong pha sáng (De Saussure,1804). Đến thế kỷ 20, xuất hiện nhiều công trình về cơ chế quang hợp như phản ứng quang phân ly H2O (Hill,1940);chứng minh rằng O2 được thải ra từ H2O chứ không phải từ CO2 như những quan niệm ban đầu(Ruben,Kamen,1939,1941). Đến năm 1954,Arnold -người có công rất lớn cho cho công trình nghiên cứu về cấu trúc hoàn chỉnh của bộ máy quang hợp ,con đường chuyển hoá e trong pha sáng Pha sáng trong quang hợp có sự tham gia của ánh sáng bao gồm quá trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố cùng sự biến đổi năng lượng lượng tử thành các dạng năng lượng hoá học dưới dạng các hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH2 . Xét về bản chất thì giai đoạn pha sáng có hai giai đoạn chính: 1. Giai đoạn quang vật lý. 2. Giai đoạn quang hóa học. 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 để tham gia vào các phản ứng quang hoá. Như ta đã biết , ánh sáng là một dạng vật chất vừa có tính chất hạt (photon) vừa có tính chất sóng . •Chính vì vậy ,khi ánh sáng chiếu vào vật thể ,nghĩa là photon tiếp xúc với vật thể thì các photon sẽ được vật thể hấp thụ để chuyển thành dạng kích động , xuất hiện hiệu suất quang tử .Năng lượng mà điện tử hấp thụ phụ thuộc vào tần số dao động của bức xạ và được tính theo công thức sau: Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật E = hv = h(c/ג) 3.1.1. Sự hấp thụ năng lượng ánh sáng của sắc tố. Khi phân tử chlorophyll hấp thụ tia sáng có năng lượng lớn như tia xanh, điện tử của chlorophyll sẽ được nâng lên quĩ đạo cao hơn, đó là trạng thái singlet 2. Trạng thái singlet-2 tồn tại không bền, nó chỉ tồn tại 10-12s rồi thải năng lượng để quay về trạng thái ban đầu hay năng lượng mất đi một ít để trở về mức trung gian – trạng thái singlet -1 Khi phân tử chlorophyll hấp thụ tia đỏ điện tử của chlorophyll nhận năng lượng của foton đỏ truyền cho trở nên giàu năng lượng và chuyển sang quĩ đạo có năng lượng lớn hơn quĩ đạo cơ sở, đó là trạng thái singlet-1 của chlorophyll. Trạng thái này tồn tại trong thời gian rất ngắn, khoảng 10-9s. Năng lượng của điện tử thải ra để quay về quĩ đạo cơ sở. Điện tử có thể thải năng lượng ở nhiều dạng: năng lượng kích thích, năng lượng huỳnh quang, năng lượng nhiệt . Năng lượng của điện tử ở trạng thái singlet-1 của sắc tố cũng có thể không mất đi hoàn toàn mà chỉ mất đi một ít để tồn tại ở trạng thái triplet. Trạng thái triplet của chlorophyll tồn tại bền hơn 2 trạng thái singlet,với thời gian khoảng 10-3s. Điện tử ở trạng thái này có khả năng tham gia vào các phản ứng quang hoá để thực hiện các giai đoạn tiếp theo của quang hợp. Tóm lại kết quả của giai đoạn hấp thụ ánh sáng của sắc tố là đã chuyển năng lượng ánh sáng (Ehγ) thành năng lượng của các e- của sắc tố (Ee-). Chuyển hóa mức năng lượng điện tử Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật Quá trình biến đổi trạng thái của các diệp lục tố của quá trình quang lí có thể tổng hợp như sau: Chl + hv ↔ Chl* ↔ Chl Trạng thái bình thường E ánh sáng Trạng thái kích thích Trạng thái bền thứ cấp 3.1.2. Sự truyền năng lượng Trong lục lạp có nhiều loại sắc tố, mỗi loại sắc tố lại có rất nhiều phân tử. Khi có ánh sáng các sắc tố phân bố ở các vùng khác nhau có khả năng hấp thụ ánh sáng khác nhau. Đồng thời không phải mọi sắc tố khi nhận được năng lượng ánh sáng đều có thể thực hiện phản ứng quang hoá mà chỉ có các phân tử chlorophyll. Hai tâm quang hợp (P700, P680) trực tiếp tiến hành các phản ứng quang hoá. Bởi vậy cần có sự truyền năng lượng từ các sắc tố nhận được năng lượng sang các sắc tố khác và cuối cùng truyền năng lượng cho hai tâm quang hợp đề thực hiện phản ứng quang hoá. Có hai hình thức truyền năng lượng trong các sắc tố: truyền đồng thể và truyền dị thể. Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật + Truyền đồng thể là quá trình truyền năng lượng từ phân tử sắc tố giàu năng lượng sang phân tử sắc tố nghèo năng lượng trong cùng 1 loại sắc tố. + Truyền dị thể là quá trình truyền năng lượng từ phân tử sắc tố giàu năng lượng sang phân tử sắc tố nghèo năng lượng. Cơ sở của quá trình truyền năng lượng dị thể là nhờ hiện tượng huỳnh quang. Phân tử giàu năng lượng thải năng lượng ở dạng ánh sáng huỳnh quang và phân tử nghèo năng lượng sẽ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng huỳnh quang đó. Cơ chế dị thể chỉ xảy ra việc truyền năng lượng từ các sắc tố có cực đại hấp thụ ở bước sóng ngắn sang các sắc tố có cực đại hấp thụ ở bước sóng dài hơn. Nhờ vậy mà năng lượng do các loại carotenoic, chlorophyll b, chlorophyll a hấp thụ được sẽ truyền đến cho P700, P680. 3.2. Giai đoạn quang hoá: Là giai đoạn diệp lục sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để tạo nên các hợp chất dự trữ năng lượng và chất khử. 3.2.1. Phản ứng ánh sang I và con đường vận chuyển điện tử vòng: Phản ứng ánh sang I bao gồm một chuỗi lien tục các phản ứng oxy hóa khử. Hệ sắc tố I thực hiện phản ứng ánh sang I. ở đây diệp lục a 700 còn gọi là P 700 giữ vai trò là trung tâm phản ứng, nơi thu nhận và tích lũy năng lượng từ các sắc tố khác chuyển đến. phản ứng ánh sang I có thể xảy ra một cách độc lập và hình thành con đường vận chuyển điện tử vòng trong quang hợp. Phản ứng bắt đầu từ tâm phản ứng P 700 . trước hết P 700 hấp thụ ánh sang có bước song ngắn hơn 730 nm và trở thành dạng kích động điện tử, nó nhường một điện tử giàu năng lượng cho chất nhận điện tử đầu tiên X (X là chất chưa rõ bản chất) rồi chuyển tiếp cho ferredoxin, xitocrom b6, xitocrom f và cuối cùng lại trở về P 700 Trong phản ứng ánh sáng I có thể xảy ra một khả năng vận chuyển điện tử khác mà không phải vận chuyển điện tử vòng. Đó là điện tử tách ra từ P 700 không quay trở về P 700 mà nó được chuyển tới ferredoxin rồi ferredoxin – NADP – reductaza và điện tử được chuyển tới NADP là chất nhận điện tử cuối cùng của phản ứng ánh sang I. mặt khác sự vận chuyển H + tới NADP tạo NADPH 2 , gọi là lực đồng hóa, để khử CO 2 trong pha tối của quang hợp. điện tử mất đi từ P 700 được bù lại từ phản ứng ánh sang II 3.2.2. Phản ứng ánh sáng II và con đường vận chuyển điện tử không vòng: Thực hiện phản ứng ánh sáng II là hệ sắc tố II. Sắc tố giữ vai trò trung tâm phản ứng là diệp lục a 680 (gọi là P 680 ). Phản ứng ánh sang II thường xảy ra cùng với phản ứng ánh sang I và nối liền với phản ứng ánh sang I nhờ các chất vận chuyển điện tử trung gian Phản ứng ánh sang II được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 700nm. P 680 bị kích động sẽ chuyển điện tử cho chất nhận đầu tiên Q (Q có thể là hợp chất quinon) rồi từ đó điện tử được vận chuyển qua các thành viên trong hệ thống Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật vận chuyển điện tử là plastoquinon, xitocrom b 559 và plastoxianin và xitocrom f để bù lại điện tử cho P 700 của phản ứng ánh sang I Phản ứng quang phân ly nước sẽ bù lại điện tử cho P 680 : sự hoạt động của phản ứng ánh sang II cần có sự tham gia của Mn +2 và Cl - Như vậy sự kết hợp hoạt động của hai phản ứng ánh sáng I và II tạo thành con đường vận chuyển điện tử không vòng trong quang hợp. con đường này liên tục từ H 2 O đến NADP 3.2.3. Quang phân li nước: Quá trình quang phân li nước diễn ra gắn liền với hoạt động của phản ứng ánh sáng II trong giai đoạn quang hóa. Bằng phương pháp đồng vị phóng xạ ( 18 O) người ta đã xác định được rằng O 2 giải phóng trong quá trình quang hợp có nguồn gốc từ H 2 O mà không phải từ CO 2 . một bằng chứng cho kết luận trên là trong thí nghiệm với tảo Elodea người ta đã thấy tỉ lệ 18 O thoát ra trong quang hợp rất khớp với tỉ lệ 18 O có trong nước và khác xa tỉ lệ 18 O có trong CO 2 . Quang phân ly H 2 O chỉ xảy ra ở cây xanh mà không có ở vi khuẩn quang hợp. cơ chế quang phân ly nước diễn ra như sau: Trước hết diệp lục hấp thụ các photon và trở thành dạng diệp lục kích động, 4 phân tử diệp lục hấp thụ 4 photon.  4DL + hv  4DL* Diệp lục kích động xúc tác cho phản ứng phân ly nước:  4H 2 O  4H + + 4OH −  4OH −  4OH + 4ē  4OH  2H 2 O + O 2 • Tổng quát 2H 2 O  4H+ + 4ē + O 2 Sản phẩn của quá trình quang phân li nước là H + được dùng để khử NADP, tạo chất khử NADPH 2 , điện tử bù lại cho P 680 và O 2 được giải phóng 3.2.4. Quang phosphorin hoá Phosphorin hóa quang hợp là quá trình tạo thành ATP trong quang hợp. phosphorin hóa quang hợp xảy ra đồng thời với quá trình vận chuyển điện tử trong quang hợp. khi điện tử được vận chuyển từ chất có thế năng oxy hóa khử thấp tới chất có thế năng oxy hóa khử cao hơn, điện tử sẽ nhường bớt một phần năng lượng. nếu trong môi trường có mặt ADP và gốc phosphate vô cơ (H 2 PO 3 ) năng lượng điện tử sẽ được tích lũy trong lien kết giàu năng lượng của ATP. Năm 1954, Arnon phát hiện ra hai hình thức phosphorin hóa quang hợp là phosphorin hóa vòng và phosphorin hóa không vòng. Đến năm 1969, ông lại Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật phát hiện them một hình thức phosphoril hóa đặc biệt ở cây mọng nước là phosphoril hóa vòng giả 3.2.4.1. Phosphorin hóa quang hợp vòng: Phosphorin hóa quang hợp vòng gắn liền với con đường vận chuyển điện tử vòng (hình) Khi một cặp điện tử (2e) được tách ra từ P 700 ( mỗi phân tử P 700 hấp thụ 1 photon và tách ra một điện tử) chuyển qua các chất vận chuyển điện tử trung gian là ferredoxin, xitocrom b6, xitocrom f rồi quay trở về P 700 có thể tạo ra 1 – 2 ATP. Năng lượng tích lũy trong mỗi phân tử ATP từ 7 – 10 Kcal Hiệu quả năng lượng của phosphrin hóa quang hợp vòng đạt 11% nếu tạo ra 1 ATP và đạt 22% nếu tạo ra 2ATP Phosphor rin hóa quang hợp vòng chỉ xảy ra ở cây trong điều kiện thiếu nước và ở vi khuẩn quang hợp. nguồn ATP này được dung trong quá trình đồng hóa CO 2 tổng hợp các chất hữu cơ trong quang hợp 3.2.4.2. Phosphorin hóa quang hơp không vòng Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 2 e - ATP AD P ATP X Fd Xit b6 Xit f PC P 70 0 DI hv 2e - 2e - 2e - 2e - AD P X ’ Fd ’ Q Xit C 55 P 690 Bchl hv 2e- 2e- 2e- 2e- Xit b6 ADP ATP 2e- Phosphorin hóa quang hợp vòng ở thực vật và vi khuẩn X 100 = 36 % Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật Phosphor rin hóa không vòng gắn liền với con đường vận chuyển điện tử không vòng. Một phần năng lượng điện tử được giải phóng sẽ tích lũy trong ATP khi điện tử chuyển từ xitocrom tới plastoxianin (PC) một phần khác được tích lũy trong phân tử chất khử NADPH 2 Phương trình tổng quát của quá trình phosphorin hóa không vòng là: 2H 2 O + 2NADP + 2ADP + 2H 3 PO 4 2NADPH 2 + 2ATP + O 2 Hiệu quả của phosphorin hóa không vòng cao hơn phosphorin hóa vòng: Sản phẩm tạo thành gồm có: 1 phân tử ATP tương đương 9 Kcal 1 phân tử NADPH 2 tương đương 52 Kcal Phosphorin hóa không vòng xảy ra khi cả hai phản ứng ánh sáng hoạt động đồng thời mỗi phản ứng ánh sáng 52 + 9 168 Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 b 3 X Fd Xit b6 Xit f PC P 700 DI hv 2e- 2e- ADP ATP FP 2e- 2e - ADP ATP NADP Xitb 559 PQ Dl 2 H 2 O xitc hv Phosphorin hóa quang hợp không vòng Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật Sự khác biệt giữa hai hình thức phosphorin hóa quang hợp đượng trình bày như bảng Hình thức phosphorin hóa Vòng Không vòng Sự tham gia của phản ứng ánh sáng Phản ứng ánh sáng I Phản ứng ánh sáng I và phản ứng ánh sáng II Chất tham gia ADP, H 3 PO 4 ADP, H 3 PO 4 , H 2 O và NADP Sản phẩm ATP NADPH 2 , ATP, O 2 Hiệu quả năng lượng 11-22% 36% 3.2.4.3. Photphoryl hóa vòng giả: Trong điều kiện hiếu khí, không có NADP, thiếu nước .trong một số thực vật có xảy ra quá trình photphoryl hóa mà O 2 làm chất nhận ion H + và e- thay cho NADP. Bởi vậy sản phẩm tạo ra không có NADPH 2 mà tái tạo lại phân tử H 2 O mới. Photphoryl hóa vòng giả thường gặp ở thực vật CAM (Crassulacean acid metabolism), là những cây thuộc họ Liliaceae: Hành, Bromeliaceae: Dứa, Orchidaceae: Lan, Cactaceae: Xương rồng; Crassulaceae: Thuốc bỏng, Messembryanthemaceae và Asclepiadaceae: Trúc đào. 4. KẾT QUẢ CỦA PHA SÁNG Trong giai đoạn quang lý nhờ hấp thụ năng lượng ánh sáng, phân tử sắc tố đã có những thay đổi sâu sắc về mức năng lượng điện tử và thay đổi tính chất quang hóa. Quá trình biến đổi trạng thái của sắc tố ở giai đoạn quang lý có thể tóm tắt như sau: Trong giai đoạn quang hóa - Nhờ hoạt động của phản ứng ánh sáng I và II tạo thành con đường vận chuyển điện tử không vòng trong quang hợp, con đường này liên tục từ H 2 O đến NADP - Sản phẩm của các quá trình quang phân ly nước là các H + được dùng để khử NADP tạo NADPH 2 và giải phóng O 2 - Hiệu quả năng lượng của photphorin hóa quang hợp vòng đạt 11% nếu tạo 1 ATP và đạt 22% nếu tạo 2 ATP. Nguồn ATP này dùng để đồng hóa CO 2 tổng hợp chất hữu cơ trong quang hợp Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 DL Diệp lục ở trạng thái bình thường hv photon DL * Diệp lục kích động DL v Diệp lục ở trạng thái bền triplet + [...]...Chuyên đề Pha sáng của quang hợp - Môn sinh lí thực vật Hiệu quả năng lượng của photphorin hóa không vòng đạt 36% Tạo 1 ATP và 1 NADPH2 Lớp Sinh – K3 Bình dương 9 ĐH SP TPHCM . Trâm Lớp Sinh – K3 Bình dương ĐH SP. TPHCM 9 Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật 1. KHÁI NIỆM QUANG HỢP 1.1. Quang hợp Quang hợp là quá. Phosphorin hóa quang hợp không vòng Chuyên đề Pha sáng của quang hợp Môn sinh lí thực vật Sự khác biệt giữa hai hình thức phosphorin hóa quang hợp đượng trình