1 PHẦN I: SINH HỌC TẾ BÀO CHƯƠNG VI. QUANG HP (PHOTOSYNTHESIS) TS. Nguyễn Hồi Hương VI.1. Đại cương về quang hợp – Phản ứng tổng quát 1) Hiện tượng : Quang hợp = sự tổng hợp đường và O 2 ở thực vật. Điều kiện để thực vật quang hợp: CO 2 + H 2 O + ánh sáng mặt trời H 2 O do rễ hấp thu qua rẽ, vận chuyển lên lá; CO 2 ra vào lá qua khí khổng Sản phẩm của quang hợp là đường được vận chuyển trong cây 2) Phản ứng tổng quát • 6CO 2 + 12H 2 O + ánh sáng  C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O+ 6O 2 Chất oxy hóa Chất khử O 2 sinh ra từ đâu? 1950, các nhà khoa học dùng C 18 O 2 hoặc H 2 18 O nghiên cứu, khí 18 O 2 chỉ thoát ra khi dùng H 2 18 O Trong quang hợp O 2 sinh ra từ H 2 O. Chất phản ứng 6CO 2 12H 2 O Sản phẩm C 6 H 12 O 6 6H 2 O 6O 2 3) Hai pha của quang hợp PHA SÁNG PHA TỐI Lục lạp Đường 2 Pha sáng Chuyển hóa quang năng thành hóa năng: tổng hợp ATP Tổng hợp NADPH từ NADP+ H 2 O O 2 NADP+ NADPH CO 2 GLUCOSE Pha tối Cố định CO2, tổng hợp đường glucose Tiêu thụ ATP Tái tạo NADP+ VI. 2. Pha sáng 1) Phổ sóng điện từ Bước sóng Ánh sáng màu do lăng kính tạo nên Lục lạp của tảo Spirogyra (nhìn dưới kính hiển vi) Vi khuẩn hiếu khí 2) Các thí nghiệm khám phá pha sáng a) Thí nghiệm khám phá ánh sáng hấp thụ - Lăng kính tạïo phổ ánh sáng từ đỏ sang tím - Tảo Spirogyra có khả năng quang hợp - Để tảo ngập nước trong lam kính, quan sát dưới kính hiển vi - Sau thời gian, vi khuẩn hiếu khí mọc tụ quanh vùng ánh sáng đỏ và xanh. AnÙh sáng đỏ và xanh được sắc tố quang hợp hấp thụï tốt nhất. Tách các sắc tố quang hợp bằng sắc ký giấy Carotene Xanthophyll Chlorophyll a Chlorophyll b b) Thí nghiệm xác định các sắc tố quang hợp 3 c) Đo phổ hấp thụ của các sắc tố quang hợp Phân tử sắc tố chlorophyll a và các sắc tố phụ sắp xếp trên màng thylakoid tạo thành một hệ thống hấp thụ ánh sáng gọi là antenna Phần đi kị nước bám vào lớp lipid đơi Cấu trúc vòng hấp thụ ánh sáng 3) Hệ thống hấp thụ ánh sáng trên màng thylakoid = antenna 4) Phản ứng quang hóa của phân tử sắc tố Nguyên tắc kích hoạt của photon ánh sáng Photon đập vào nguyên tử của sắc tố Kích hoạt điện tử nhảy lên mức năng lượng cao hơn (không bền) Điện tử trở về vò trí ban đầu (mức căn bản) kèm theo tỏa nhiệt và phát huỳnh quang. Mức căn bản Mức kích hoạt Một phân tử sắc tố bị kích thích có thể phát huỳnh quang hoặc truyền năng lượng sang phân tử sắc tố khác. Chất nhận e- đầu tiên nhận e- từ trung tâm phản ứng bị kích thích Quang hệ = antenna + trung tâm phản ứng + chất nhận điện tử đầu tiên + protein Trạng thái kích thích Trung tâm phản ứng (phân tử chlorophyll) 4 Hai kiểu quang hệ trong tự nhiên Quang hệ II (P680) Chlorophyll a ở trung tâm phản ứng hấp thụ ánh sáng đỏ λ = 680 nm Quang hệ I (P700) Chlorophyll a ở trung tâm phản ứng hấp thụ ánh sáng đỏ λ = 700 nm Tóm lại Ba khả năng truyền năng lượng của phân tử sắc tố khi bị photon ánh sáng kích thích Phát nhiệt hoặc huỳnh quang (năng lượng vô ích) Truyền năng lượng cho phân tử sắc tố kế cận Truyền e - cho một chất nhận điện tử. Phản ứng oxy hóa khử trong lục lạp 5) Phản ứng oxy hóa khử trong lục lạp Chl* + A + e - → →→ → Chl + A - NADP + + 2H + + 2e - → →→ → NADPH + H + Quang phosphoryl hóa: tổng hợp ATP theo cơ chế hóa thẩm thấu Trung tâm phản ứng chlorophyll a ở trạng thái kích thích (Chl*) truyền e - cho chất nhận điện tử đầu tiên (A) H 2 O → →→ → 2H + + 2e - + 1/2O 2 (quang phân nước cung cấp e- cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng) Dòng e - chuyển động từ nước đến quang hệ II - chuỗi quang hợp – quang hệ I đến NADP + tổng hợp NADPH CHUỖI QUANG HỢP QUANG HỆ II QUANG HỆ I 1) Quang phân nước, cung cấp e - , H + và giải phóng O2 2) Chl ở quang hệ II bị kích thích thành Chl* 3) Vận chuyển e - và H + trong chuỗi quang hợp, tổng hợp ATP theo cơ chế hóa thẩm thấu 4) Chl ở quang hệ I bị kích thích thành Chl*, nhận e - từ quang hệ II 5) Quang hệ I khử Fd (Ferrodoxin), Fd khử NADP + thành NADPH và H + 5 Cơ chế hóa thẩm thấu tổng hợp ATP - quang phosphoryl hóa: Chuỗi quang hợp vận chuyển e - từ quang hệ II sang quang hệ I, Bơm H + từ stroma vào thylakoid. Khuếch tán của dòng H + trở lại stroma qua phức hợp ATP synthase cung cấp năng lượng tổng hợp ATP. Stroma: [H + ] thấp, pH cao Bên trong thylakoid: [H + ] cao, pH thấp Vận chuyển tích cực H + từ stroma vào thylakoid ATP synthase tổng hợp ATP nhờ năng lượng lực dẫn proton Chuỗi quang hợp gồm các protein: PQ = Plastoquinone Cyt = Cytochrome b6/f PC = Plastocyanin Fd = Ferrodoxin NADP reductase 6) Quang phosphoryl hóa không vòng và quang phosphoryl hóa vòng a) Quang phosphoryl hóa không vòng: Dòng e- chuyển động hình chữ Z từ quang hệ II sang quang hệ I qua chuỗi quang hợp. Quang phân H2O để cung cấp e- Tổng hợp ATP, NADPH, giải phóng O2 Hiệu suất năng lượng cao. b) Quang phosphoryl hóa vòng: Dòng e- chuyển động hình tròn từ quang hệ I qua chuỗi quang hợp rồi trở về quang hệ I Không cần quang phân H2O để cung cấp e- Chỉ tổng hợp ATP, không sinh NADPH, không giải phóng O2 Hiệu suất năng lượng thấp. Summary of Light Reactions e - acceptor light NADPH NADP + Chuỗi quang hợp ATP H 2 O → 2e - + 2H + + O e - acceptor Quang hệ II Quang hệ I Quang phosphoryl hóa không vòng: e- chuyển động hình chữ Z 6 Quang phosphoryl hóa vòng CHUỖI QUANG HỢP QUANG HỆ I 2) Chuỗi quang hợp gồm Fd (Ferrodoxin), PQ (Plastoquinone) và PC (Plastocyanin) 1) Năng lượng ánh sáng truyền qua các phân tử sắc tố đến trung tâm phản ứng Chl. Chl bị kích thích thành Chl* truyền e- cho chuỗi quang hợp 3) Tổng hợp ATP theo cơ chế hóa thẩm thấu 4) e- từ chuỗi quang hợp trả lại cho Chl, bắt đầu lại vòng quang phosphoryl hóa VI.3. Pha tối của quang hợp-Chu trình Calvin 1. Pha tối - Không cần ánh sáng, không tạo năng lượng. - Sử dụng ATP và NADPH cố đònh C và tổng hợp chất hữu cơ. 2. Chu trình Calvin Melvin Calvin dùng 14 CO 2 theo dõi số phận của C trong quang hợp (Giải Nobel 1961) 4 bước của chu trình Calvin: Cố đònh Carbon (CO 2 fixation) Phosphoryl hóa và khử Phóng thích G3P Tái tạo RuBP RuBP Carboxylase Oxygenase (rubisco) 6 C-C-C-C-C 6 CO 2 6 C-C-C-C-C-C Cố đònh CO 2 Cố đònh CO 2 là gắn CO 2 vào một phân tử chất hữu cơ để tạo nên một phân tử lớn hơn. C 5 + CO 2    C 6 C 5 = ribulose biphosphate (RuBP) có 5 C PGA 12 C-C-C Mỗi C 6 phân đôi thành 2 C 3 (phosphoglyceric acid - PGA). Enzyme xúc tác phản ứng 7 PGA PGAL RuBP 12 C-C-C 6 C-C-C-C-C 6 CO 2 6 C-C-C-C-C-C 12 C-C-C 12 ATP 12 NADPH 12 NADP + 12 ADP + Pi Phosphoryl hóa và khử Hai phân tử PGA bò khử thành PGAL (phosphoglyceraldehyde). Giai đoạn sử dụng ATP và NADPH do pha sáng tạo ra RuBP Carboxylase Oxygenase (rubisco) PGA PGAL RuBP RuBP Carboxylase- Oxygenase (rubisco) 12 C-C-C 6 C-C-C-C-C 6 CO 2 6 C-C-C-C-C-C 12 C-C-C 12 ATP 12 NADPH 12 NADP + 12 ADP + Pi Phóng thích PGAL và tái tạo RuBP Glucose C-C-C-C-C-C 10 C-C-C 6 ADP + Pi 6 ATP Phóng thích 2 PGAL tạo Glucose 10 PGAL còn lại dùng để tái tạo RuBP, phản ứng cần năng lượng PGA PGAL RuBP 12 C-C-C 6 C-C-C-C-C 6 CO 2 6 C-C-C-C-C-C 12 C-C-C 12 ATP 12 NADPH 12 NADP + 12 ADP + Pi Chu trình Calvin – Quang hợp C 3 Glucose C-C-C-C-C-C 10 C-C-C 6 ADP + Pi 6 ATP RuBP Carboxylase- Oxygenase (rubisco) VI. 4. Tổng biến đổi năng lượng của quang hợp Các phản ứng sáng chuyền điện tử (ở màng thylakoid) 18 ATP 12 NADPH 12 NADP + 18 ADP 18 Pi Các phản ứng tối của chu trình Calvin (ở stroma) 48 photon 12 H 2 O 6 ATP (cho tế bào) 6 O 2 6 CO 2 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (glucose) 8 VI. 5. Thực vật CAM và thực vật C4 1. Quang hô hấp (photorespiration): tiêu thụ O 2 , giải phóng CO 2 RuBP 12 C-C-C C-C-C-C-C-C 6 C-C-C-C-C 6 C-C-C-C-C-C 12 C-C-C 6 CO 2 10 C-C-C Cố đònh CO 2 đòi hỏi phải có CO 2 trong lá . Xét bước cố đònh CO 2 RuBP Carboxylase- Oxygenase (rubisco) Cấu tạo lá C3 (đậu, lúa, lúa mì) Khí khổng (stoma) : nơi hơi nước và khí ra vào. Khi trời nóng và khô, thiếu nước, khí khổng đóng Thiếu CO 2 cho chu trình Calvin, quang hợp giảm mạnh Khi nào xảy ra quang hô hấp ? Quang hô hấp RuBP 6 C-C-C-C-C 6 C-C-C-C-C-C 6 CO 2 RUBISCO CO 2 O 2 Peroxisome Xảy ra trong peroxisome Lục lạp Trong phản ứng cố đònh CO 2 , CO 2 là cơ chất, O 2 là chất kìm hãm cạnh tranh của Rubisco Khi [CO 2 ] thấp, O 2 gắn vào Rubisco C 5 bi phân hủy CO 2 được giải phóng. Cơ chế quang hô hấp Vai trò của quang hô hấp Chưa rõ lợi ích, nhưng Quang hô hấp không tạo ra đường, không tạo ra ATP. Quang hô hấp là quá trình cạnh tranh với quang hợp, làm giảm năng suất quang hợp Làm sao giảm được quang hô hấp ? Một số loài thực vật giảm thiểu quang ho âhấp có cơ chế cố đònh CO 2 khác với thực vật C 3 9 2. Quang hợp C 4 : bắp, mía, cỏ dại Gọi là C 4 vì hợp chất trung gian là C 4 thay vì C 3 như chu trình Calvin Tế bào bao mạch lá Diệp nhục Mô dậu diệp nhục Mô xốp diệp nhục Cố đònh CO 2 trong thực vật C 4 CO 2 được cố đònh trong tế bào diệp nhục tạo thành hợp chất C 4 nhờ enzyme PEP Carboxylase Enzyme này không có ái lực với O 2 , quang hô hấp không xảy ra CO 2 được bơm từ tế bào diệp nhục vào tế bào bao mạch lá, duy trì [CO 2 ] cao, thuận tiện cho quang hợp. Thực vật C 4 thích nghi với những vùng ánh sáng mạnh Tế bào diệp nhục Tế bào bao mạch lá Sản phẩm đi vào tế bào mạch lá (PEP=Phosphoenolpyruvate) 3. Thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism) Các cây họ Crassulaceae: mọng nước sống trong điều kiện t o cao, độ ẩm thấp, đất mặn. Có cơ chế quang hợp tiết kiệm nước Khí khổng mở vào ban đêm CO 2 được cố đònh trong tối thành hợp chất C 4 C 4 được dự trữ trong không bào đến sáng hôm sau C 4 được khử thành CO 2 cho chu trình Calvin trong lục lạp. Cố đònh CO 2 trong thực vật CAM . BÀO CHƯƠNG VI. QUANG HP (PHOTOSYNTHESIS) TS. Nguyễn Hồi Hương VI. 1. Đại cương về quang hợp – Phản ứng tổng quát 1) Hiện tượng : Quang hợp = sự tổng hợp. quang hợp 3) Tổng hợp ATP theo cơ chế hóa thẩm thấu 4) e- từ chuỗi quang hợp trả lại cho Chl, bắt đầu lại vòng quang phosphoryl hóa VI. 3. Pha tối của quang