Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh CHƯƠNG I GIỚI THIỆU uang hợp là quá trình thu nhận năng lượng ánh sáng Mặt trời của thực vật, tảo và một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái đất. Trong các chuỗi thức ăn tự nhiên, các sinh vật quang dưỡng (sống nhờ nguồn năng lượng do quang hợp) thường là những mắt xích đầu tiên; nghĩa là các sinh vật còn lại đều sử dụng sản phẩm của quá trình quang hợp phục vụ nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Do vậy, quang hợp là chuỗi phản ứng hóa học quan trọng bậc nhất trên Trái đất, vì nó tạo năng lượng cho sự sống trong sinh quyển. Q Quá trình quang hợp cũng sản sinh ra khí ôxy, tạo nên một bầu khí quyển chứa nhiều ôxy cho Trái đất, một bầu khí quyển vốn dĩ chỉ chứa nitơ và cácbônic trước khi có sinh vật quang dưỡng. Ở thực vật, quá trình quang hợp chủ yếu được thực hiện nhờ diệp lục (chlorophyll nghĩa là màu xanh lục). Sắc tố này thường chứa trong các bào quan gọi là lục lạp. Mặc dù, hầu hết các phần của nhiều loài thực vật đều có màu xanh, năng lượng của quá trình quang hợp chủ yếu được thu nhận từ lá. Một số loài vi khuẩn quang dưỡng không sử dụng chlorophyll của thực vật (tảo và cyanobacteria) mà dùng một sắc tố tương tự gọi là bacteriochlorophylls và quá trình quang hợp của các vi khuẩn không sản sinh ôxy. - 1 - Lá cây: nơi thực hiện quá trình quang hợp ở thực vật. Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh CHƯƠNG II TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUANG HỢP II.1. Định nghĩa. Quang hợp là phương thức dinh dưỡng của các sinh vật có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng tích trong các chất hữu cơ. Quang hợp không chỉ là phương thức dinh dưỡng đặc trưng cho tảo và thực vật mà còn có ở các vi khuẩn quang hợp và vi khuẩn lam.Quá trình quang hợp ở thực vật là chủ yếu. Có thể định nghĩa quang hợp theo bản chất, phương trình phản ứng, tác dụng . Phương trình chung của quang hợp: II.2. Hệ sắc tố quang hợp: Đối với tảo và thực vật, sắc tố quang hợp chủ yếu là clorophyl, carotenoit và xantophyl ở tảo và thực vật bậc thấp. - 2 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh (Quang phổ hấp thụ của clorophyl) Ở vi khuẩn quang hợp thì sắc tố là bacteriorodopxin, bacterioclorophyl và bacteriopheophitin II.3 Bào quan thực hiện quang hợp ở thực vật: lục lạp Bằng nhiều thí nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng Quang hợp gồm có 2 pha: pha sáng và pha tối. II.3.1. Pha sáng trong quang hợp: Pha sáng quang hợp bao gồm các phản ứng đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích, đến các quá trình di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng và cuối cùng từ đây năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học. Pha sáng quang hợp gồm 2 giai đoạn: - Quang vật lí - Quang hóa học. II.3.1.1. Giai đoạn quang lí: - 3 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh Giai đoạn quang lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyl.Giai đoạn này thông qua cơ chế hấp thụ năng lượng ánh sáng của vật thể. Ánh sáng là một dạng vật chất vừa có tính chất hạt (những phần tử năng lượng nhỏ bé được gọi là photon ánh sáng hay quang tử_là một dạng hạt cơ bản không mang điện tương tự như proton hay electron) lại vừa có tính chất sóng (ánh sáng thuộc các miền quang phổ khác nhau thì có bước sóng dài ngắn khác nhau). Khi ánh sáng chiếu vào vật thể, tức là các photon đập vào vật thể thì các photon phải được vật thể hấp thụ và vật thể trở thành dạng kích động, lúc đó ánh sáng chiếu xuống mới có hiệu suất quang tử. Tỉ lệ giữa số photon chiếu xuống vật thể và số phân tử vật thể bị kích động bằng 1 nhưng trên thực tế tỉ lệ này lớn hơn rất nhiều. Khi hấp thụ quang tử ánh sáng, điện tử của phân tử từ quỹ đạo cơ sở nhảy lên quỹ đạo xa hơn, ở đấy nó có mức năng lượng lớn hơn và lúc đó phân tử ở trạng thái kích động. Mức năng lượng của điện tử lớn hay nhỏ phụ thuộc vào năng lượng của quang tử mà nó hấp thụ. Năng lượng quang tử càng lớn thì e bị bắn ra càng xa, tức là nằm ở mức năng lượng càng cao. (Tác động của ánh sáng lên phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng) Khi năng lượng ánh sáng (photon) đập vào phân tử diệp lục, các điện tử của phân tử diệp lục sẽ hấp thụ năng lượng photon, nhảy ra các mức năng lượng cao hơn. Thời gian tồn tại - 4 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh của e ở mức năng lượng cao phụ thuộc vào năng lượng photon mà e nhận được, khi năng lượng photon e nhận được đủ lớn để kích thích e nhảy ra bậc năng lượng cao, tồn tại khá lâu (ở trạng thái bền thứ cấp) thì phân tử diệp lục lúc này ở trạng thái kích thích và có thể tham gia vào quá trình vận chuyển Hidro và điện tử (e) của hệ thống trung gian tới CO2. Các phân tử cholophyll trong các trung tâm phản ứng trên màng tilacoit (Cấu trúc phân tử của các diệp lục) Ngoài phân tử chlorophyll, trung tâm phản ứng sáng PSI và PSII còn chứa các sắc tố phụ carotenoit…v v… Các sắc tố khác nhau sẽ hấp thu tốt các bước sóng khác nhau của quang - 5 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh phổ, truyền điện tử và hidro bị kích thích cho diệp lục a trực tiếp tham gia các phản ứng sáng. II.3.1.2. Giai đoạn quang hóa: Chlorophyll sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để hình thành nên các hợp chất dự trữ năng lượng và các hợp chất khử. Giai đoạn này gồm quá trình quang hóa khởi nguyên, quang phân li nước và phosphorin hóa. Tuy nhiên, giai đoạn quang hóa một cách tổng thể (không phân riêng thành từng giai đoạn nhỏ) để có thể hiểu dễ hơn. Sự truyền e và hidro được tiến hành cùng với sự tham gia của một hệ thống các chất truyền e phức tạp (chuỗi truyền e). Đó là những chất chứa Fe ở dạng hem như xitocrom f, xitocrom b6_b3… và dạng không hem như ferredoxin, plastoxianin, plastoquinon… Chuỗi truyền e này nằm trong 2 hệ thống quang hóa: hệ thống quang hóa I và quang hóa II và quá trình truyền e được thực hiện bởi 2 phản ứng sáng: phản ứng sáng I và phản ứng sáng II. Khi quang tử đập vào các trung tâm phản ứng, nó sẽ kích thích cả 2 trung tâm cùng hoạt động song song (tuy nhiên trong trường hợp cây thiếu nước thì chỉ có hệ thống quang hóa I và trung tâm P700 hoạt động). Ta sẽ xét sự vận chuyển điện tử trong từng trung tâm. · Khi quang tử đập vào các phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng sáng I (P700), điện tử (e) bị kích động sẽ được dẫn truyền theo con đường sau: P700 --> [X] (hợp chất chưa xác định) --> Fd à Xitb6 --> Xit7 --> Pc --> P700. - 6 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh Điện tử sẽ lần lượt được truyền theo con đường như trên và tạo được từ 2 đến 3 ATP (tuy nhiên trên lí thuyết, người ta thường tính 3 ATP) và không tạo ra sản phẩm khác. Con đường này được gọi là con đường vận chuyển e vòng. · Khi quang tử đập vào các phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng sáng II (P680), điện tử (e) bị kích động sẽ được dẫn truyền theo con đường sau: P680 --> [Q] --> Pq --> Xg --> Pc --> P700 --> [X] --> Fd --> NADP+ Con đường vận chuyển này là con đường vận chuyển e không vòng (e không trở về lại vị trí ban đầu). Thực chất quá trình vận chuyển e không vòng bao gồm cả quá trình vận chuyển e vòng. E từ P680 sẽ đi qua các chất truyền trung gian đến P700 để bù đắp chỗ e còn thiếu của P700, e tại P700 sẽ di chuyển qua lần lượt các chất truyền trung gian tiếp theo và cuối cùng đến NADP+, kết hợp với H+ trong chất nền để tạo NADPH. - 7 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh Để bù đắp điện tử bị thiếu cho P680, giai đoạn quang phân li nước sẽ diễn ra. 2 Phân tử nước sẽ trải qua lần lượt các phản ứng tạo thành 4e (bù đắp cho P680), 4H+ (tham gia vào tạo chất khử) và 1 phân tử oxi thải ra môi trường. Trong giai đoạn quang hóa, có quá trình phosphorin hóa vòng và phosphorin hóa không vòng, chúng ta không nên hiểu chúng theo cách phân lập chúng thành các quá trình riêng biệt mà thực chất quá trình này nằm trong 2 con đường vận chuyển e vòng và không vòng. Phosphorin hóa là quá trình hình thành ATP. Phosphorin hóa vòng và không vòng là quá trình hình thành ATP theo con đường vòng và không vòng, bản chất quá trình này nằm trong quá trình vận chuyển e ta đã tìm hiểu ở trên (trong vận chuyển e có sự hình thành ATP). Kết thúc pha sáng của quang hợp, dựa trên lí thuyết để tạo thành 1 phân tử glucoz (tức là chu trình Canvin lặp lại 2 vòng), kết quả của pha sáng tạo thành 18 ATP (gồm 12 ATP ở pha không vòng và 6 ATP ở pha vòng), 12 NADPH và 6 Oxi phân tử (tương ứng tiêu hao 12 phân tử nước). PTTQ: 18ADP + 18 Pi + 12 NADP+ + 12 Nước à 18 ATP + 12 NADPH + 6 Oxi phân tử. - 8 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh II.4. Pha tối quang hợp: Năng lượng và lực khử được tạo ra ở trên sẽ đi vào pha tối của quang hợp để thực hiện các phản ứng khử CO2 tạo thành hợp chất hữu cơ. Giai đoạn này diễn ra ở chất nền stroma của lục lạp, không cần ánh sáng nhưng liên quan gián tiếp đến ánh sáng. Pha tối ở các thực vật khác nhau sẽ khác nhau. Chúng ta chia thực vật thành 3 loại với 3 cơ chế cố định CO2 khác nhau đảm bảo phù hợp với điều kiện sống của từng loại thực vật: - Thực vật C3. - Thực vật C4. - Thực vật CAM. Tuy nhiên, cả 3 loại thực vật này đều trải qua cùng 1 chu trình cơ bản là chu trình Canvin. Sau đây, ta sẽ đi sâu hơn về cơ chế của chu trình này. Chu trình Canvin_ Chu trình C3: Chu trình Canvin gồm 3 giai đoạn cơ bản: - 9 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh - Giai đoạn 1: giai đoạn cacboxi hóa Ở giai đoạn này CO2 bị khử để hình thành nên sản phẩm đầu tiên của quang hợp là acid phosphoglixeric. - Giai đoạn 2: giai đoạn khử Giai đoạn này acid diphosphoglixeric (APG) bị khử để tạo thành aldehyd phosphoglixeric (AlPG) với sự tham gia của ATP và NADPH. - Giai đoạn 3: giai đoạn phục hồi chất nhận Rubisco. Nếu với sự tham gia của 3 phân tử CO2 thì sẽ tạo được 6 phân tử AlPG (C3), 1 phân tử AlPG tách ra để tham gia tổng hợp glucoz, 5 C3 còn lại tiếp tục được chuyển tiếp thành 3 C5 để phục hồi chất nhận Rubisco (C5). Tuy nhiên để tạo được 1 phân tử glucoz thì cần phải có 2 C3, có nghĩa là cần phải có 6CO2 tham gia pha tối (chu trình Calvin quay 2 vòng). Và chu trình này cũng chính là chu trình cố định CO2 ở cây C3. Các cây này thường sống ở vùng ôn đới, nồng độ CO2 cao (nên nhớ rằng RiDP có hoạt tính với cả oxi và CO2). Chu trình Hatch_Slack hay chu trình C4: Không phải tất cả các thực vật trên trái đất đều có cùng một điều kiện sống như nhau và không phải lúc nào nồng độ CO2 cũng đủ cao để đảm bảo tốt quá trình quang hợp xảy ra. Thực vật ở những vùng nhiệt đới nóng, thiếu nước, nồng độ CO2 không cao… đã thích nghi theo một hướng mới phù hợp với điều kiện sống, đảm bảo năng suất tốt. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu về hướng thích nghi đặc biệt này. (Sự khác nhau về cấu trúc lá của C3 và C4). - 10 - [...]... quang hợp, ánh sáng là yếu tố cơ bản để tiến hành quang hợp Trong mối liên quan này, cần lưu ý hai khái niệm: a) Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng tối thiểu để cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau b) Điểm bão hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng cực đại để cường độ quang hợp đạt cực đại Về thành phần quang phổ ánh sáng: Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cường độ quang hợp và thành phần quang phổ ánh sáng... sáng thì ánh sáng đơn sắc màu đỏ sẽ có hiệu quả quang hợp lớn hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh tím - 14 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh III.3 Quang hợp và nhiệt độ Hệ số nhiệt Q10 đối với pha sáng là: 1,1- 1,4, đối với pha tối là: 2-3 Như vậy cường độ quang hợp phụ thuộc rất chặt chẽ vào nhiệt độ Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và quang hợp theo chiều hướng như sau: khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp. .. trường III.1 Quang hợp và nồng độ CO2 CO2 trong không khí là nguồn cung cấp cacbon cho quang hợp Nồng độ CO2 trong không khí quyết định vận tốc của quá trình quang hợp a) Điểm bù CO2: Nồng độ CO2 tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau b) Điểm bão hoà CO2: Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất III.2 Quang hợp và cường độ, thành phần quang phổ ánh sáng Trong các... hưởng đến độ hidat hoá của chất nguyên sinh và do đó đến điều kiện làm việc của hệ thống enzim quang hợp - Quá trình thoát hơi nước đã điều hoà nhiệt độ của lá, do đó ảnh hưởng đến quang hợp - Sau cùng nước là nguyên liệu trực tiếp cho quang hợp với việc cung cấp H+ và e cho phản ứng sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO - 15 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh 1 http://vuamoi.net/read.php/627.htm 2 http://thuviensinhhoc.violet.vn/entry/showprint/entry_id/1806665... đến 0 III.4 Quang hợp và nước Vai trò của nước đối với quang hợp có thể tóm tắt như sau: - Hàm lượng nước trong không khí, trong lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước, do đó ảnh h ưởng đến độ mở khí khổng, tức là ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ CO2 vào lục lạp - Nước ảnh hởng đến tốc độ sinh trưởng và kích thước của bộ máy đồng hoá - Nước ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp - Hàm... Rubisco, không thể phân biệt CO2 với ôxy Kết quả là thực vật sử dụng năng lượng để phá vỡ các hợp chất cacbon Quá trình tốn kém này diễn ra khi nồng độ ôxy bên trong lá là quá cao, cụ thể là trong các thực vật C3 - 13 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh CHƯƠNG III ẢNH HƯƠNG CỦA MÔI TRUỜNG ĐẾN SỰ QUANG HƠP Quang hợp là quá trình cơ bản trong hoạt động sống của cơ thể thực vật, có quan hệ mật thiết với tất.. .Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh Ở Thực vật C3, quá trình quang hợp chỉ diễn ra ở tế bào mô giậu (cả pha sáng và tối) chính vì thế khi nồng độ CO2 thấp, O2 được thải ra trong pha sáng cao làm ức chế vai trò cacboxylaz của enzim Rubisco, lúc này, Rubisco (enzim đặc biệt có 2 hoạt tính: oxygendaza... tính: oxygendaza và cacboxylaza) sẽ sử dụng O2 để làm cơ chất cho hoạt tính oxigendaza, tiêu hao nhiều năng lượng và sản phẩm quang hợp Chính vì thế năng suất cây trồng không cao Đối với thực vật C4, quá trình quang hợp diễn ra ở 2 không gian hoàn toàn cách biệt nhau (pha sáng và quá trình cố định CO2 diễn ra ở tế bào mô giậu, quá trình khử CO2 và chu trình Calvin diễn ra ở tế bào bao bó mạch), đảm... thời tách rời cố định CO2 ra khỏi chu trình này - 12 - Quang hơp GVHD: Nguyễn Xuân Linh Thực vật CAM có khả năng giữ nước rất tốt, cũng như rất hiệu quả trong việc sử dụng nitơ Tuy nhiên, chúng là không hiệu quả trong việc hấp thụ CO2, do vậy chúng là các loại cây phát triển chậm khi so sánh với các loài thực vật khác Ngoài ra, thực vật CAM cũng tránh quang hô hấp Enzym chịu trách nhiệm cố định cacbon... phương diện, CAM tương tự như kiểu quang hợp C4, ngoại trừ một điều là thực vật CAM không chứa các tế bào bó màng bọc Thực vật C4 bắt CO2 trong một kiểu mô tế bào (thịt lá) và sau đó di chuyển nó tới kiểu mô khác (các tế bào bó màng bao) sao cho quá trình cố định cacbon có thể diễn ra thông qua chu trình Calvin-Benson Ngoài ra, trao đổi chất C4 diễn ra liên tục khi còn có ánh nắng, trong khi CAM chỉ diễn . hợp và thành phần quang phổ ánh sáng và thấy rằng: Nếu cùng một cường độ chiếu sáng thì ánh sáng đơn sắc màu đỏ sẽ có hiệu quả quang hợp lớn hơn ánh sáng. hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng cực đại để cường độ quang hợp đạt cực đại. Về thành phần quang phổ ánh sáng: Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cường độ quang