90 Chương 5. QUANG HỢP CỦA THỰC VẬT 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUANG HỢP 1.1. Định nghĩa về quang hợp Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản là CO 2 và H 2 O dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời và sự tham gia của sắc tố diệp lục. Đây là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích lũy trong các chất hữu cơ để hình thành nên năng suất cây trồng. - Chất tham gia phản ứng là CO 2 , H 2 O, ánh sáng mặt trời và diệp lục - Sản phẩm quan trọng nhất của quang hợp là đường glucose. Toàn bộ quá trình này có thể minh họa theo sơ đồ tổng quát sau: Năng lượng sử dụng trong quá trình quang hợp là quang năng (năng lượng từ bức xạ ánh sáng mặt trời nhìn thấy được trong khoảng 380-750 nm) Về bản chất hoá học: quang hợp là quá trình oxyhoá-khử, khi quang hợp xãy ra thì đồng thời cũng xãy ra quá trình khử CO 2 và quá trình oxy hoá nước. Trong các phản ứng oxy hóa khử của sự quang hợp, năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO 2 thành dạng đường giàu năng lượng. Nói một cách khác, ion H + và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO 2 để tạo ra hợp chất khử Quang hợp H 2 O Phương trình tổng quát của quang hơp: 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6 O 2 Ánh sáng Diệp ｌ ục Chất phản ứng Sản phẩm Bước sóng ngắn Năng lượng thấp Bước sóng dài Năng lượng cao Ánh sáng nhìn thấy được Hình 5.1. Sơ đồ chung của quá trình quang hợp Hình5. 2. Năng lượng sử dụng trong quá trình quang hợp 91 với đơn vị căn bản là (CH 2 O), và năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trử trong quá trình này. Trong sự quang hợp, cần chú ý cơ chế hấp thu và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hydro và điện tử từ nước đến CO 2 . 1.2. Ý nghĩa của quang hợp * Quang hợp của cây xanh có vai trò vô cùng quan trọng đối với hoạt động sống của mọi sinh vật trên Trái Đất, trong đó có con người. - Quang hợp cung cấp nguồn vật chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú cho nhu cầu dinh dưỡng của mọi sinh vật trên trái đất. - Quang hợp có vai trò quyết định trong việc đảm bảo sự cân bằng tỷ lệ O 2 /CO 2 trong khí quyển, duy trì hoạt động sống cho mọi sinh vật trên trái đất. * Quang hợp có vai trò quan trọng đối với con người. Hoạt động quang hợp: - Cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho con người, khoảng 80% nhu cầu dinh dưỡng của con người có nguồn gốc từ thực vật - Cung cấp nguồn nhiên liệu rất phong phú cho mọi hoạt động sản xuất của con người trên trái đất (than đá, dầu mỏ, củi, than bùn, khí đốt ). - Cung cấp nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho công nghiệp như công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá, công nghiệp đường - Quang hợp cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ để cấu trúc nên cơ thể sinh vật. Như vậy, thực vật có một sứ mạng vô cùng to lớn đối với sự sống của sinh vật trên trái đất nhờ vào hoạt động quang hợp của mình. Nói cách khác quang hợp là một quá trình độc nhất mà tất cả hoạt động sống đều phụ thuộc vào nó. 2. CƠ QUAN LÀM NHIỆM VỤ QUANG HỢP – HỆ SẮC TỐ QUANG HỢP 2.1. Lá -cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp Mặc dù sự quang hợp có thể xảy ra ở tất cả những phần xanh, có chứa diệp lục tố, của cây, nhưng cơ quan chính có chứa nhiều diệp lục tố là lá, nên lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp. Trong lá còn có mạng lưới mạch dẫn dày đặc làm nhiệm vụ dẫn nước và muối khoáng cho quá trình quang hợp và vận chuyển các sản phẩm quang hợp đến các cơ quan khác. Hình 5.3. Sơ đồ giải phẩu cấu tạo của lá C 3 và C 4 92 2.2. Lục lạp (chloroplast) - bào quan thực hiện chức năng quang hợp Lục lạp là bào quan chuyên hoá cho chức năng quang hợp. Nhìn lục lạp dưới kính hiển vi điện tử, chúng ta thấy lục lạp có 3 bộ phận cấu trúc nên: Ngoài cùng là lớp màng kép bao bọc gồm 2 màng cơ sở tạo thành, mỗi màng được cấu tạo bởi hai lớp protein tách biệt nhau bằng lớp đúp lipid ở giữa. Chức năng của màng ngoài: bao bọc, bảo vệ các cấu phần bên trong và kiểm tra tính thấm của các chất đi vào hoặc đi ra của lục lạp. Lục lạp chứa một hệ thống màng bên trong làm thành các túi dẹp thông thương với nhau được gọi là thylakoid. Màng thylykoid có cấu tạo gồm protein và phospholipid sắp xếp tương tự như màng cơ sở, có chức năng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoid và chất nền của lục lạp (stroma). Các màng này tập hợp nên các cấu trúc như các túi tròn hay các đĩa (gọi là thylacoid) chồng lên nhau tạo thành cấu trúc dạng hạt (grana) giống như chồng đĩa hay còn gọi là thylacoid hạt. Mỗi lục lạp có từ 40 đến 50 grana với đường kính 4-6m. Mỗi grana có từ 5 hoặc 6 đến vài chục cái thylacoid, dày chừng 0,13m có màng riêng bao bọc. Cây có chồng hạt càng cao thì khả năng quang hợp càng tốt. Màng thylakoid chứa các thành phần: - Sắc tố quang hợp - Các chất hữu cơ khác nhau - Các thành phần chuyền điện tử trong quang hợp - Các enzyme xúc tác cho các phản ứng sáng của quang hợp - Các nguyên tố khoáng đa lượng, vi lượng… Chức năng của màng thylacoid là thực hiện quá trình biến đổi quang năng thành hoá năng, tức là thực hiện pha sáng của quang hợp. - Trong màng lục lạp, bao bọc quanh các hạt (grana) là cơ chất (stroma) lỏng nhầy, không Lục ｌạp Màng thylakoid Màng ngoài Màng trong Khoảng giữa màng Hạt lục lạp (grana) đính trên màng thylakoid Các phân tử sắc tố diệp lục đính trên màng thylakoid Lớp kép lipid Hình 5.4. Sơ đồ cấu trúc lục lạp và màng thylakoiid của thực vật bậc cao 93 màu. Thành phần chủ yếu của cơ chất là protein, nhiều loại enzyme tham gia vào quá trình khử CO 2 và nhiều sản phẩm quang hợp. Đây là nơi thực hiện pha tối của quang hợp. 3. CÁC PHA TRONG QUANG HỢP Quá trình quang hợp được thực hiện ở bào quan lục lạp, bao gồm 2 pha: pha sáng và pha tối Pha sáng: là giai đoạn có sự tham gia của ánh sáng bao gồm các quá trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố, cùng với 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 NADPH 2 . Lục lạp Ánh sáng Ánh sáng phán chiếu Ánh sáng hấp phụ Ánh sáng truyền đi Hình 5.5. Cấu trúc và thành phần của luc lạp Hệ quang II Chuỗi chuyền điện tử Hệ quang I Pha tối Pha sáng Tinh bột Lục lạp Chu trình Calvin Sucrose Amino acid Acid béo Hình5. 6. Các pha trong quang hợp 94 Diệp lục Ánh sáng 12 H 2 O 12 [H 2 ] + 6O 2 Pha tối: là giai đoạn không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng, gồm quá trình sử dụng ATP và NADPH 2 để tổng hợp các chất hữu cơ trong chu trình Calvin. 6CO 2 + 12[H 2 ] C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 3.1. Pha sáng và sự tham gia của diệp lục trong quang hợp Pha sáng xãy ra trong hệ thống thilacoid, nơi chứa các sắc tố quang hợp, pha này bao gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau là quang vật lí và quang hóa học. Trong pha này xảy ra các quá trình: - Hấp thụ năng lượng ánh sáng bởi diệp lục - Dự trử năng lượng trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng điện tử (e-) được kích thích - Vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng - Biến năng lượng ở trung tâm thành năng lượng hoá học (trong ATP, NADPH 2 ). 3.1.1. Giai đoạn quang vật lí Diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng rất mạnh. Khi lượng tử ánh sáng (photon) chạm vào diệp lục, nó được hấp thụ, năng lượng được chuyển đến điện tử của phân tử diệp lục và chuyển chúng lên trạng thái kích thích ở mức năng lượng cao hơn nhưng không bền. Điện tử đã được kích thích không bền, lập tức quay trở lại trạng thái gốc ban đầu, đồng thời phóng thích năng lượng vừa hấp thu được. Ở các diệp lục tách rời khỏi tế bào, khi được chiếu sáng, diệp lục hấp thu năng lượng rồi phóng thích ra ngay ở dạng ánh sáng huỳnh quang, hoặc nhiệt, nhưng nếu diệp lục trong lục lạp nguyên vẹn của tế bào, năng lương từ phân tử diệp lục ở trạng thái kích thích sẽ được truyền từ phân tử này sang phân tử khác, đến trung tâm phản ứng rồi được chuyển đến chất nhận điện tử và tham gia vào chuỗi phản ứng để biến thành năng lượng đễ sử dụng cho tế bào 3.1.2. Giai đoạn quang hóa học Có 2 qúa trình thu giữ lại năng lượng từ các điện tử được kích thích: quang phosphoryl Chất nhận điện tử sơ cấp Trung tâm phản ứng Phân tử sắc tố diệp lục Lượng tử ánh sáng (photon) Lượng tử ánh sáng (photon) Phân tử diệp lục Trạng thái kích thích Trạng thái gốc ban đầu Phosphoryl hoá vòng Hình 5.7. Trạng thái kích thích của phân tử diệp 95 hoá vòng và quang phosphoryl hoá không vòng. a. Quang phosphoryl hoá vòng: Trung tâm phản ứng là P700 - Diệp lục hấp thụ quang tử ánh sáng và chuyển điện tử lên trạng thái kích thích. - Điện tử này sẽ được tập trung vào tâm phản ứng P700 và được chuyển đến chất nhận điện tử sơ cấp. - Điện tử tiếp tục chuyền sang feredoxin (Fd) đến phức hợp cytochrome, qua plastocyanin rồi trở về lại diệp lục. Quá trình này giải phóng ra 1 ATP - Quá trình này vòng vì điện tử quay trở về diệp lục và 1 phần năng lượng dùng phosphoryl hoá ADP thành ATP - - - - - - - - - - - Hình 5.8. Sơ đồ tổng quát của quá trình phosphoryl hoá vòng Phosphoryl hoá vòng là dạng đầu tiên của quang hợp, đây là dạng duy nhất ở phần lớn vi khuẩn quang hợp, hiệu quả năng lượng của quá trình này ít (khoảng 25 kcal/M). b. Quang phosphoryl hoá không vòng: bao gồm: hệ thống quang I, hệ thống quang II và quang phân ly nước. Đây là cơ chế thu năng lượng hiệu quả hơn. P700 Lượng tử ánh sáng Hệ quang I Dây chuyền khử ADP + Pv h chl ATP Tổng hợp ATP Chất nhận điện tử đầu tiên NADP + dạng khử Chất nhận điện tử đầu tiên Ánh sáng Chất nhận điện tử đầu tiên Chuỗi chuyền điện tử Ánh sáng Phức hợp Cytochrome Điện tử cung cấp Quang phân ly nước 96 Hệ thống quang I có trung tâm phản ứng là P700 (phân tử diệp lục có cực đại hấp thu ở bước song là 700 nm), còn hệ thống quang II có trung tâm phản ứng là P680 (phân tử diệp lục có cực đại hấp thu ở bước song là 680 nm). Chúng hấp thu hai quang tử để chuyển sang trạng thái kích thích. Năng lượng hấp thu này sẽ sử dụng cho quá trình phosphoryl hóa để tạo nên ATP và NADPH 2 Hình 5.10. Hệ thống quang I và quang II trên màng Thylakoid Quang phân ly nước là quá trình khởi nguồn cho quá trình phosphoryl hóa này. Quá trình quang phân ly nước xãy ra như sau: Khi kết thúc pha sáng, có 3 sản phẩm tạo thành là ATP, NADPH 2 và oxy. Oxy sẽ bay vào không khí còn năng lựong ATP và chất khử NADPH 2 sẽ được sử dụng để khử CO 2 Hình 5.9. Sơ đồ tổng quát của quá trình quang phosphoryl hoá không vòng Hệ quang II Phức hợp cytochrome Hệ quang I Ánh sáng Chất nền Ánh sáng NADP + dạng khử Chất nền Bơm tổng hợp ATP Chu trình Calvin Màng thylakoid Khoảng giữa thylakoid 2H 2 O . Chl - 4H + + 4e - + O 2 4H 2 O h 4OH - + 4H + 4OH - 4[OH] + 4e - 4[OH] 2H 2 O + O 2 Chl. Mn, Cl Chl.h Bên trong Thylakoid Hệ quang II Chất nền (stroma) Phức hợp Cytochrome 97 trong pha tối của quang hợp để tạo nên chất hữu cơ cho cây. 3.2. Pha tối và sự đồng hóa CO 2 trong quang hợp Pha tối xãy ra trong phần cơ chất (phần nền-stroma) của lục lạp. Tùy vào từng nhóm thực vật C 3 , C 4 và CAM, mà quá trình đồng hóa CO 2 xãy ra theo các con đường khác nhau. Trong đó sự đồng hóa CO 2 ở thực vật C 3 xãy ra theo chu trình Canvil (Hình 12), ở thực vật C 4 quá trình cố định CO 2 xãy ra theo chu trình Hatch-Slack ở trong lục lạp của tế bào thịt lá (mesophyll) và quá trình khử CO 2 xãy ra theo chu trình Canvil ở trong lục lạp của tế bào bao mạch (Hình 13), còn ở thực vật CAM quá trình cố định CO 2 (chu trình Hatch-Slack ) xãy ra vào ban đêm và quá trình khử CO 2 (chu trình Canvil) xãy ra vào ban ngày (Hình 14). 3.2.1. Chu trình Calvin: Chu trình này có 3 giai đoạn: cố định CO 2, khử CO 2 và tái sinh chất nhận CO 2 . Giai đoạn cố định CO 2 : Dưới tác dụng của enzyme ribuloso1,5 biphosphatcarboxylase, CO 2 được kết hợp với phân tử ribuloso1,5 biphosphate (Rubisco) để hình thành hợp chất 6C. Chất này không bền nên nhanh chóng phân chia thành 2 hợp chất 3C là 3 Giai đoạn 1: Cố định CO 2 Giai đoạn 2: Khử CO 2 -Giai đoạn 3: Tái sinh chất nhận CO 2 là (RuBP) Glucose và các hợp chất hữu cơ khác Hình 5.11. Sơ đồ tổng quát của chu trình Calvin Đầu vào Đầu ra 98 phosphoglycerate, sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình Canvil. Giai đọan khử CO 2 : Sản phẩm đầu tiên là 3 phosphoglycerate sẽ bị khử ngay để thành glyceraldehyde-3P (G3P) với sự tham gia của NADPH. Giai đoạn này cần ATP và NADPH2 từ pha sáng. Giai đoạn tái sinh chất nhận CO 2 : G3P có thể xem là sản phẩm cuối cùng của quang hợp vì chất này là thức ăn tế bào có thể dùng được, nhưng khó vận chuyển và dự trử nên một bộ phận chất này tách ra khỏi chu trình để đi theo hướng tổng hợp glucose, rồi từ glucose có thể tổng hợp các chất hữu cơ khác như hydrat carbon, mở, axit béo, amino axit…Đại bộ phận G3P trải qua hàng loạt phản ứng phức tạp để cuối cùng tái tạo lại chất nhận CO 2 là rubisco để khép kín chu trình. Giai đoạn này cần 6ATP để tạo đủ chất nhận CO 2 cho việc hình thành nên 1 phân tử glucose. Như vậy để thực hiện quá trình tổng hợp một phân tử hexose theo chu trình Calvin, pha sáng cần cung cấp 18ATP và 12 phân tử NADPH 2 (tỷ lệ 3/2). Đây là một năng lượng lớn mà pha sáng phải bảo đảm đủ. Nếu vì lý do nào đó mà thiếu năng lượng thì quá trình khử CO 2 sẽ bị ức chế. Ý nghĩa của chu trình Calvin - Chu trình C 3 là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật bậc cao hay bậc thấp, dù thực vật C 3 , C 4 hay thực vật CAM. - Trong chu trình tạo ra nhiều sản phẩm sơ cấp của quang hợp. Đó là các hợp chất C 3 , C 4 , C 5 , C 6 .Các chất này là nguyên liệu để tổng hợp nên các sản phẩm quang hợp thứ cấp như đường, tinh bột, acid amin, protein, lipid . Tuỳ theo bản chất của sản phẩm thu hoạch mà con đường đi ra của các sản phẩm thứ cấp khác nhau, nhưng chúng đều xuất phát từ những sản phẩm sơ cấp của quang hợp. 3.2.1. Chu trình Hatch-Slack (chu trình C 4 ): - Chất nhận CO 2 đầu tiên là phosphoenolpyruvate (PEP) và sản phẩm quang hợp đầu tiên là acid oxaloacetic (AOA), một phần tử có 4 carbon. Tiếp theo, AOA có thể bị khử để tạo thành acid malic hay có thể được amine hoá thành acid aspartic. Acid malic được chuyển từ tế bào thịt lá sang tế bào bao bó mạch. Hình 5.12. Con đường đồng hóa CO 2 theo tế bào thịt lá và tế bào bao mạch ở thực vật C 4 99 Hình 5.13. Con đường đồng hóa CO 2 theo chu trình ngày đêm ở thực vật CAM Quang hợp chịu ảnh hưởng rõ rệt của các điều kiện ngoại cảnh như ánh sáng, nhiệt độ, CO 2 , nước, chất khoáng…Hoạt động quang hợp quyết định 90-95% năng suất cây trồng nên cần có các biện pháp điều chỉnh quang hợp phù hợp với điều kiện ngoại cảnh để nâng cao năng suất cây trồng, phục vụ đời sống của con người. . 90 Chương 5. QUANG HỢP CỦA THỰC VẬT 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUANG HỢP 1.1. Định nghĩa về quang hợp Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ các. nhiều sản phẩm quang hợp. Đây là nơi thực hiện pha tối của quang hợp. 3. CÁC PHA TRONG QUANG HỢP Quá trình quang hợp được thực hiện ở bào quan lục lạp, bao