Giáo trình Sinh hóa (Nghề: Bảo vệ thực vật - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng cộng đồng Đồng Tháp

Chương 4
VITAMIN
MỤC ĐÍCH
1. Trình bày được bản chất hóa học của các loại vitamin tan trong dầu (A, D,
E và K) và các vitamin tan trong nước (vitamin C và vitamin nhóm B)
2. Biết được nguồn gốc của các loại vitamin
4.1. Khái niệm
Vitamin là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé, có cấu tạo hố học
rất khác nhau và đều có hoạt tính sinh học nhằm đảm bảo cho các q trình hố sinh
và sinh lý trong cơ thể tiến hành được bình thường, và do đó, có ảnh hưởng rất lớn
đối với sự trao đổi chất.
Vitamin khơng được tổng hợp ở động vật bậc cao, vì vậy chúng phải được
tiếp nhận cùng với thức ăn. Nhiều vitamin là tiền chất của cofactor (vitamin nhóm
B) tham gia vào các phản ứng enzyme, trong khi đó những vitamin khác tham gia
vào quá trình nhìn và điều khiển sự sao chép (vitamin A), các phản ứng khử
(vitamin C và E), tạo xương (vitamin D), đông máu (vitamin K) v.v…
Các vitamin thuộc các nhóm hố học khác nhau. Thường chúng được phân
loại dựa vào độ hồ tan:
Nhóm vitamin hồ tan trong nước: B1, B2, B6, B12, folate, pantothenate, biotin,
C. Chúng được tích luỹ chỉ với lượng ít. Lượng dư thừa được thải ra qua nước tiểu.
Nhóm vitamin hồ tan trong chất béo: A, D, E, K. Chúng được tích luỹ. Lượng
tiếp nhận dư thừa dẫn đến hiện tượng thừa vitamin (đặc biệt vitamin A và E).
4.2. Các vitamin tan trong nước
4.2.1. Thiamin (vitamin B1)
Vitamin B là loại Vitamin rất phổ biến trong thiên nhiên, đặc biệt trong nấm
1

men, cám gạo, mầm lúa mì ... Trong đó cám gạo có hàm lượng Vitamin B cao nhất.
1

Vitamin B được tách ra ở dạng tinh thể vào năm 1912 và xác định được cấu trúc

1

hố học của nó.

55


Hình 4.1: Thiamin (vitamin B1)
Vitamin B bền trong mơi trường acid, cịn trong mơi trường kiềm nó rất dễ
1

bị phân huỷ khi đun nóng. Trong cơ thể B có thể tồn tại ở trạng thái tự do hay ở
1

dạng Thiamin pyrophosphate. Thiamin pyrophosphate là dạng B liên kết với H PO
1

3

4

và có vai trị quan trọng trong q trình trao đổi chất của cơ thể. Thiamin
pyrophosphate là coenzyme xúc tác cho quá trình phân giải các ceto acid như
pyruvic acid, oxaloacetic acid.... Vì vậy khi thiếu Vitamin B sự chuyển hoá các
1

ceto acid bị ngừng trệ làm cho cơ thể tích luỹ một lượng lớn các ceto acid làm rối
loạn trao đổi chất và gây nên các trạng thái bệnh lý nguy hiểm.
Vitamin B hồ tan tốt trong mơi trường nước và chịu nhiệt khá nên không bị
1

phân huỷ khi nấu nướng. B được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và một số vi sinh vật.
1

Người và động vật không tổng hợp được B mà phải nhận từ nguồn thức ăn. Nguồn
1

chứa nhiều Vitamin B là cám gạo, ngô, lúa mì, gan, thận, tim, não, nhất là ở nấm
1
men.
Khi thiếu B có thể phát sinh bệnh beri-beri, cịn gọi là bệnh tê phù, do quá
1

trình trao đổi chất bị rối loạn. Nhu cầu Vitamin B phụ thuộc vào điều kiện nghề
1

nghiệp, vào trạng thái sinh lý của cơ thể, vào lứa tuối. Nhu cầu hàng ngày của người
lớn là 1-3mg, của trẻ em 0,5-2mg.
4.2.2. Riboflavin (vitamin B2)
Vitamin B là dẫn xuất của vịng Isoalloxazin, thuộc nhóm flavin. Trong cơ
2

thể B liên kết với H PO tạo nên coenzyme FMN và FAD là những coenzyme của
2

3

4

56

hệ enzyme dehydrogenase hiếu khí.

57


Hình 4.2: Riboflavin (vitamin B2)
Ở trạng thái khơ Vitamin B bền với nhiệt và acid.
2

Vitamin B có nhiều trong nấm men, đậu, thịt, sữa, gan, trứng. Khi thiếu
2

Vitamin B sự tổng hợp các enzyme oxi hoá khử bị ngừng trệ làm ảnh hưởng đến
2

q trình oxi hố khử tạo năng lượng cho cơ thể. Đồng thời khi thiếu Vitamin B

2

việc sản sinh ra các tế bào của biểu bì ruột cũng bị ảnh hưởng gây nên sự chảy máu
ruột hay rối loạn hoạt động của dạ dày, ruột. Vitamin B còn giúp cơ thể kháng
2
khuẩn tốt hơn.
Nhu cầu Vitamin B hàng ngày của một người khoảng 2-3mg.
2

4.2.3. Pyridoxin (vitamin B6)

Hình 4.3: Các dạng vitamin B6
Vitamine B6 Tồn tại trong cơ thể ở 3 dạng khác nhau: Piridoxol, Pyridoxal,
Pyridoxamine. Ba dạng này có thể chuyển hố lẫn nhau
Vitamin B là thành phần coenzyme của nhiều enzyme xúc tác cho quá trình
6

chuyển hoá amino acid, là thành phần cấu tạo của phosphorylase...
58


Vitamin B có nhiều trong nấm men, trứng, gan, hạt ngũ cốc, rau quả ...
6

Nếu thiếu Vitamin B sẽ dẫn đến các bệnh ngoài da, bệnh thần kinh như đau
6

đầu, bệnh rụng tóc, rụng lơng ...
Hàng ngày mỗi người lớn cần 1,5-2,8 mg, với trẻ em cần 0,5-2mg Vitamin
B.
6

4.2.4. Cobalamin (vitamin B12)
Vitamin B12 có cấu tạo phức tạp, trong thành phần chứa nhóm CN, CO,
amin.Thành phần chính của vitamin B12 là nhóm porphyrin.
Vitamin B12 giúp cho việc tạo hồng cầu tố và hồng cầu. B12 tham gia quá
trình tổng hợp nucleotide nhờ xúc tác phản ứng metyl hóa các basen nito. Thiếu
vitamin B12 gây ra bệnh thiếu máu ác tính.
Ngồi các loại Vitamin trên, trong nhóm Vitamin tan trong nước còn một số
Vitamin khác như Vitamin B 5, Vitamin B c, Vitamin H...
4.2.5. Ascorbate (vitamin C)

Hình 4.4: Ascorbate (vitamin C)
Vitamin C là ascorbic acid. Trong cơ thể Vitamin C tồn tại ở 2 dạng: dạng
khử là ascobic acid và dạng oxy hoá là dehydro ascobic.
Vitamin C tham gia nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể:
- Quá trình hydroxyl hố do hydroxylase xúc tác.
+2

+3

+1

+2

- Duy trì cân bằng giữa các dạng ion Fe /Fe , Cu /Cu .

59


- Vận chuyển H trong chuỗi hô hấp phụ.
2

- Làm tăng tính đề kháng của cơ thể đối với những điều kiện không thuận lợi
của môi trường, các độc tố của bệnh nhiễm trùng, làm giảm các triệu chứng bệnh lý
do tác dụng của phóng xạ.
Ngồi ra Vitamin C cịn tham gia vào nhiều q trình khác có vai trị quan
trọng trong cơ thể.
Vitamin C có nhiều trong các loại rau quả tươi, nhất là trong các loại quả có
múi như cam, chanh, bưởi... Nhu cầu hàng ngày cần 70-80mg/người. Nếu thiếu
Vitamin C sẽ dẫn đến bệnh hoại huyết, giảm sức đề kháng của cơ thể, bị bệnh chảy

máu răng, lợi hay nội quan (bệnh scorbutus).
4.3. Các vitamin tan trong chất béo
4.3.1. Retinol (vitamin A)

Hình 4.5: Retinol (vitamin A)
Vitamin A có 2 dạng quan trọng là A và A . Vitamin A được hình thành từ
1

2

β.caroten là tiền Vitamin A. Từ β.caroten tạo thành 2 phân tử Vitamin A.
Vitamin A có nhiều trong dầu cá, lịng đỏ trứng. Trong thực vật có
nhiều tiền Vitamin A (β.caroten) nhất là trong củ cà rốt, quả cà chua, quả gấc,... quả
đu đủ.
Vitamin A có vai trị quan trọng trong cơ chế tiếp nhận ánh sáng của mắt,
tham gia vào quá trình trao đổi protein, lipid, saccharide. Thiếu Vitamin A sẽ bị

60


bệnh quáng gà, khô mắt, chậm lớn, sút cân, giảm khả năng đề kháng của cơ thể đối
với các bệnh nhiễm trùng.
Nhu cầu Vitamin A hàng ngày đối với người lớn 1-2mg, trẻ em dưới 1 tuổi
0,5-1mg.
4.3.2. Calciferol (vitamin D)

Hình 4.6: Calciferol (vitamin D)

Trong cơ thể tồn tại nhiều loại Vitamin D, trong đó quan trọng nhất là dạng
D và D . Các Vitamin D là dẫn xuất của các sterol. Trong cơ thể Vitamin D được

2

3

tạo ra từ tiền Vitamin D có sẵn dưới da nhờ ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại.
Thiếu hoặc thừa Vitamin D đều ảnh hưởng đến nồng độ photpho và canxi
trong máu. Thiếu Vitamin D trẻ em dễ bị bệnh còi xương, ở người lớn bị bệnh lỗng
xương.
Vitamin D có nhiều trong dầu cá, mỡ bị, lịng đỏ trứng. Tiền Vitamin D có
sẵn trong mỡ động vật. Hàng ngày mỗi người cần khoảng 10-20mg, trẻ em dưới 30
tháng cần nhiều hơn: 20-40mg.

61


4.3.3. Tocopherol (vitamin E)

Hình 4.7: Tocopherol (vitamin E)
Vitamin E có nhiều dạng khác nhau. Đó là các dạng α, β, γ, δ ... tocopherol.
Các dạng khác nhau này được phân biệt bởi số lượng và vị trí của các nhóm metyl
gắn vào vòng thơm của phân tử. Trong các loại Vitamin E, dạng α -tocopherol có
hoạt tính cao nhất
Vitamin E có nhiều ở các loại rau xanh, nhất là xà lách, ở hạt ngũ cốc, dầu
thực vật, gan bò, lòng đỏ trứng, mầm hạt hồ thảo ...
Vitamin E có tác dụng như chất chống oxi hố nên có tác dụng bảo vệ các
chất dễ bị oxi hoá trong tế bào. Vitamin E cịn có vai trị quan trọng trong sinh sản.
Nhu cầu Vitamin E hàng ngày khoảng 20mg cho một người lớn.
4.3.4. Phylloquinon và menoquinon (vitamin K)

Hình 4.8: Các dạng vitamin

62


Vitamin K cần cho quá trình sinh tổng hợp các yếu tố làm đông máu
(prothrombin) cho nên Vitamin K là Vitamin chống chảy máu, thiếu Vitamin K tốc
độ đông máu giảm, máu khó đơng.
Vitamin K có nhiều trong cỏ linh lăng, bắp cải, rau má, cà chua, đậu, ngũ
cốc, lòng đỏ trứng, thịt bò ...
Thường ở người khoẻ mạnh, vi khuẩn đường ruột có khả năng cung cấp đủ
Vitamin K cho nhu cầu của cơ thể, chỉ cần bổ sung thêm khoảng 0,20,3mg/ngày/người.

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG
1. Chức năng sinh hóa của các vitamin ?
2. Khi thủy phân β-caroten số vitamin A thu được:
a. 1

b. 2

c. 3

d. 4

3. Vitamin nào sau đây có thể tan trong nước
a. Vitamin K

b. Vitamin E

c. Vitamin D

d. Vitamin B6

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi và Lê
Dỗn Niên (2004), Hóa Sinh Cơng Nghiệp, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội.
2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (2000), Hóa sinh học, ĐHSP Hà Nội.
3. Phạm Thị Thu Cúc (2001), Giáo trình sinh hóa Phần 1, ĐHCT.

63


Chương 5
GLUCID VÀ TRAO ĐỔI GLUCID
MỤC ĐÍCH
1. Trình bày được định nghĩa glucid và phân loại glucid.
2. Mô tả được bằng sơ đồ những con đường chuyển hóa chính của glucid
3. Xác lập được mối quan hệ giữa chuyển hóa của glucid, lipid và protein.
5.1. Khái niệm
Là hợp chất hữu cơ được tạo nên từ các nguyên tố: C, H, O có cơng thức cấu
tạo chung Cm(H O)n, thường m = n. Do có cơng thức cấu tạo như trên nên
2

saccharide thường được gọi là carbohydrate - có nghĩa là carbon ngậm nước.
Tuy nhiên có những saccharide có cơng thức cấu tạo khơng ứng với cơng
thức chung nói trên ví dụ: deoxyribose (C H O ).
5

10

4

Có những chất khơng phải là saccharide nhưng có cơng thức cấu tạo phù hợp
với cơng thức chung ở trên ví dụ : acetic acid (CH COOH).
3

Saccharide là thành phần quan trọng trong mọi sinh vật .
Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khô, saccharide tham
gia vào thành phân các mô nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay tích trữ dưới dạng thực
phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột. Ở động vật, hàm lượng saccharide thấp
hơn nhiều, thường không q 2%, ví dụ glycogen.
5.2. Monosaccharide
Là chất có chứa nhiều nhóm rượu và một nhóm khử (nhóm khử là nhóm
carbonyl là aldehyde hay cetone).
- Nhóm khử là aldehyde ta có đường aldose và có cơng thức tổng qt:
H
‫ا‬
C=O
‫ا‬
(CHOH)n
‫ا‬
CH2OH
- Nhóm khử là ketone ta có đường ketose có cơng thức tổng quát:

64


CH2OH
‫ا‬
C=O
‫ا‬

(CHOH)n
‫ا‬
CH2OH
Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ 2 đến 7 carbon và được gọi tên
theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose
Ví dụ: monosaccharide có 3C gọi là triose. Tương tự ta có tetrose, pentose, hexose,
heptose.
* D – glucose (đường nho): có trong hạt, quả, trái, máu người và động vật
CHO
CH2OH
O
H

H H
OH

OH

H

H

C

OH

HO

C

H

H C OH

OH

H
H

OH
D -  - glucose (mach vòng)

C OH
CH2OH
D - glucose

* D – fructose (đường trái cây): có nhiều trong trái cây, mật ong
CH2OH

O
CH O
2

CH2OH

CO

H

H H

OH

OH OH
H

HO

C

H

H
H

C
C

OH
OH

CH2OH
D - fructose

D -  - fructose (mach vòng)

* D – galactose (đường sữa):

65

CHO
CH2OH
O
OH H
OH
H
H

H

H

C

OH

H

HO

C

H

OH

HO
H

C

C

H
OH

CH2OH

OH

D -  - galactose (mach vòng)

D - galactose

 Tính chất của monosaccharide
- Tính khử (phản ứng bị oxy hóa)
Các monosaccharide có tính khử do có nhóm chức khử aldehyde hoặc
cetone. Khi cho monosaccharide tác dụng với kim loại nặng (Cu2+, Hg2+….) trong
mơi trường kiềm nóng, monosaccharide sẽ khử các kim loại này. Các phản ứng này
dùng để định tính và định lượng đường. Monosaccharide sẽ khử Cu++ thành Cu+
dưới dạng oxyd đồng I (Cu2O) tủa màu đỏ gạch, monosaccharide bị oxy hóa thành
acid.
- Tính oxyl hóa (bị khử)
Monosaccharide có thể bị khử thành các polyalcol tương ứng
Glucose
+H2
Sorbitol
Fructose

- Phản ứng tạo este: với các acid vô cơ hoặc hữu cơ ( CH3COOH, H2SO4,
H3PO4....). Quan trọng nhất là các este phosphat của monosaccharide. Các este

phosphat của monosaccharide là những sản phẩm trung gian quan trọng của nhiều
quá trình trao đổi chất trong cơ thể sinh vật.
Ví dụ: Glucose -6 phosphate (G6P), Fructose -6 phosphate, fructose – 1,6
diphosphate...
- Phản ứng tạo glycoside: Là liên kết được tạo thành do nhóm –OH bán
acetal của monosaccharide kết hợp với một nhóm –OH của một chất khác (R-OH),
hợp chất được tạo thành có tên chung là các glycoside.

66


- Tác dụng của acid : đun sôi các pentose, hexose với acid ở nồng độ cao (
HCl 12% hoặc H2SO4

) phân tử của chúng loại đi 3 phân tử H2O, tạo thành

đặc

fucfurol hoặc oxymetylfucfurol. Các sản phẩm này ngưng tụ với các hợp chất
phenol như α-naphtol, timol,antron…tạo thành hợp chất màu đặc trưng.
5.3. Disaccharide
Sự tạo thành disaccharide là do sự kết hợp của 2 monose cùng loại hay khác
loại nhờ liên kết glycoside. Liên kết glucosidic có thể được tạo thành giữa -OH
glucoside của monose này với -OH glycoside của monose kia, hay giữa một nhóm OH glycoside của monose này với -OH ( không phải -OH glycoside) của monose
kia.
Disaccharide chỉ có tính khử khi ít nhất một trong 2 nhóm -OH glycoside ở
trạng thái tự do. Nghĩa là disaccharide sẽ khơng có tính khử khi 2 nhóm -OH
glycoside liên kết với nhau.
Các disaccharide quan trọng
* Maltose do 2 phân tử α- D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 - C4 tạo

thành. Cơng thức cấu tạo:
CH2OH
O
H
H H
OH

H

H

OH

OH

CH2OH
O
H
H H
O

 - glucose

OH

H

H

OH

OH

 - glucose

Maltose có nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên có tính khử. Maltose
có nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nó là maltose.
* Lactose (đường sữa) do một phần tử β D-galactose liên kết với một phân tử
D- α- glucose ở vị trí C1- C4.

H

H

OH

OH

H

H

H
67

CH2OH
O
H
H H

OH

O

O

OH

H

H

OH

OH

CH2OH
 - galactose

 - glucose

68


* Saccharose do một phần tử α D-glucose liên kết với một phân tử β D-fructose
ở vị trí C1-C2. Do đó nó khơng có tính khử, cịn gọi là đường mía vì có nhiều trong
mía. Dễ bị thủy phân khi đun nóng.
CH2OH
O

H
H H
OH

H

H

OH

OH

O
CH2OH
O

H
OH

D -  - glucose

H

OH CH OH
2
H

- fructose

5.4. Polysaccharide

Cịn gọi là glycan, tùy thành phần monose có trong polysaccharide người ta
chia chúng ra làm: homopolysaccharide (chỉ chứa một lọai monosaccharide) và
heteropolysaccharide (có ít nhất 2 lọai monosaccharide).
5.4.1. Tinh bột
Là polysaccharide dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành. Trong củ và
hạt có từ 40 đến 70% tinh bột, các thành phần khác của cây xanh có it hơn và chiếm
khoảng từ 4 đến 20%.
Tinh bột không hịa tan trong nước, đun nóng thì hạt tinh bột phồng lên rất
nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột. Tinh bột khơng có tính khử
Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin, ngồi ra cịn có
khoảng 2% phospho dưới dạng ester. Tỷ lệ amylopectin/amylose ở các đối tượng
khác nhau là không giống nhau, tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn hơn gạo tẻ.
*Amylose
Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, do nhiều gốc α D- glucose liên kết với
nhau thông qua C -C tạo thành mạch thẳng khơng phân nhánh. Trong khơng gian
1

4

nó cuộn lại thành hình xoắn ốc và được giữ bền vững nhờ các liên kết hydro. Theo
một số tài liệu trong amylose cịn có chứa các α D- glucopyranose dạng thuyền.

69


Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nóng, hiện màu
trở lại khi nguội. Một đặc trưng hóa lý khác cần chú ý là nó bị kết tủa bởi rượu
butylic.
* Amylopectin
Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhưng có phân nhánh.

Chổ phân nhánh là liên kết C -C glucosidic.
1

6

Tinh bột bị thủy phân (bởi acid vô cơ hoặc bởi enzyme amylase trong đường
tiêu hóa) sẽ tạo thành sản phẩm trung gian là Dextrin, cuối cùng cho maltose rồi
glucose.
5.4.2. Cellulose
Được cấu tạo bởi những phân tử β D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết
1-4 glucoside.
Chúng là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Đối với người thì
cellulose khơng có giá trị dinh dưỡng vì cellulose khơng bị thủy phân trong ống tiêu
hóa. Một số nghiên cứu cho thấy nó có vai trị trong điều hịa tiêu hố. Động vật ăn
cỏ thủy phân được cellulose nhờ enzyme cellulase.
Cellulose khơng tan trong nước, khi đun nóng với H 2SO 4, cellulose sẽ bị
thủy phân thành các phân tử β D-glucose.

70


Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với nhau thành
chùm nhờ các liên kết hydro, mỗi chùm (micelle) chứa khỏang 60 phân tử cellulose.
Giữa các chùm có những khoảng trống, khi hố gỗ khoảng trống này chứa đầy
lignin và ta xem lớp lignin này như là một lớp cement. Lignin là chất trùng hợp của
coniferylic alcohol
Các gốc -OH của cellulose có thể tạo ester với acid ví dụ: tạo nitro cellulose
với HNO , tạo acetyl cellulose với CH COOH.
3

3

5.4.3. Glycogen
Là polysaccharide dự trử ở động vật được tìm thấy trong gan và cơ, hiện nay
cịn tìm thấy trong một số thực vật như ngơ, nấm.
Có cấu tạo giống amylopectin nhưng phân nhánh nhiều hơn, bị thuỷ phân bởi
phosphorylase ( có coenzyme là pyrydoxal phosphate), để cắt liên kết 1-6 cần
enzyme khử mạch nhánh. Sản phẩm cuối cùng là các phân tử glucose-1-P.
5.5. Tổng hợp glucid
5.5.1. Pha sáng trong quang hợp
Trong thế giới sinh vật thì quang hợp là một q trình cơ bản. Thơng qua
quang hợp mà năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu xuống được biến thành năng
lượng hoá học. Hầu hết sinh vật của hành tinh chúng ta sống trực tiếp hoặc gián tiếp
nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời. Như vậy năng lượng được tích luỹ là ở dạng
năng lượng hố học.
Phản ứng tổng quát của quá trình quang hợp thường được biểu diễn bằng
phương trình sau, mặc dù nó thể hiện khơng hồn tồn đầy đủ.
6CO2 +

6H2O +

Năng lượng



C6 H12O6 + 6O2

Chính xác là ở q trình quang hợp nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời mà
đường được tạo thành và quang hợp ở thực vật đã gắn liền với việc giải phóng oxy.
Q trình quang hợp được chia làm hai giai đoạn:

- Phản ứng sáng
- Sự đồng hoá CO2
Giai đoạn thứ nhất là quá trình chuyển năng lượng ánh sáng thành năng
lượng hoá học.

71


Giai đoạn thứ hai là tạo ra dạng năng lượng hố học bền vững và dễ dự trữ
hơn.

Hình 5.1: Cấu trúc của diệp lục a và của farnesol. Farnesol là gốc kị nước
của một sơ tế bào vi khuẩn
Ánh sáng cần cho quá trình quang hợp được tiếp nhận bởi hai nhóm sắc tố:
chlorophyll và carotenoid. Ở một số sinh vật bậc thấp hơn cịn có phycobillin. Cấu
trúc cơ bản của diệp lục là vòng porphyrin, được tạo nên từ 4 vịng pyrrol riêng lẽ
(hình 5.1). Ở trung tâm của vịng có một ngun tử Mg liên kết với các nguyên tử
nitơ bởi hai liên kết đồng hoá trị và hai liên kết phối trí. Ngun tử Mg có thể được
tách ra khi có tác động của axit lỗng. Phân tử diệp lục không chứa Mg được gọi là
pheophytin cũng có một vai trị quan trọng trong phản ứng sáng quang hợp. Chuỗi
bên của phân tử diệp lục có tính kỵ nước và nhờ vậy mà toàn bộ phân tử có đặc tính
kỵ nước. Người ta biết những loại chlorophyll khác nhau: chlorophyll a, chlorophyll
b và chlorophyll vi khuẩn. Sự khác nhau của những loại này là do sự khác nhau của
các chuỗi bên. Ở chlorophyll b có nhóm aldehyde, như hình 4.3, được thay thế bằng
nhóm methyl ở chlorophyll a. Điều thú vị hơn là chuỗi bên dài kỵ nước được tạo
nên từ các dẫn xuất isopren. Ở chlorophyll a và b chuỗi bên là một phytol (rượu)
liên kết ester với một chuỗi bên của vòng porphyrine. Ở một số vi khuẩn
chlorophyll chứa một farnesol (alkohol) được liên kết ester với chuỗi bên của vòng.

72

Điều có ý nghĩa đặc biệt hơn là những liên kết đơi liên hợp trong vịng
porphyrine. Chúng có khả năng hấp thu ánh sáng và vì vậy những liên đơi này là
yếu tố quan trọng của chlorophyll. Những liên kết liên hợp của carotenoide cũng
hấp thu ánh sáng. Các chất thuộc nhóm carotenoide có màu vàng đến màu đỏ da
cam, thấy rõ ở lá cây vào mùa thu, lúc này diệp lục bị phân huỷ nên khơng cịn che
phủ sắc tố carotenoid.
Để hiểu hơn về quá trình quang hợp chúng ta phải đề cập đến cơ quan mà
trong đó quang hợp xảy ra, đó là lục lạp. Lục lạp có hình trịn đến hình bầu dục, có
đường kính khoảng 10 m. Nó được bao quanh bởi màng trong và màng ngồi,
những màng này có ý nghĩa đối với việc đi vào và đi ra của các chất. Màng trong
của lục lạp được tạo nên từ hệ thống màng kéo dãn, ở một số vị trí có dạng xếp
chồng lên nhau.

Hình 5.2: Sơ đồ biểu diễn một lục lạp
Những màng này xuất hiện dưới kính hiển vi điện tử như những túi dẹt. Vì
vậy người ta gọi chúng là thylacoid. Màng thylacoid bao quanh một không gian bên
trong gọi là cơ chất của lạp thể và tạo nên sự ngăn cách giữa bên trong thylacoid với
mơi trường ngồi. Sự phân cách giữa bên trong thylacoid với stroma là cần thiết cho
phản ứng sáng của quang hợp. Ở một số vị trí có nhiều thylacoid xếp lên nhau thành
chồng rất dày. Chúng xuất hiện dưới kính hiển vi như những hạt (grana), vì vậy

73


người ta gọi chúng là grana-thylacoid. Chúng được nối kết với những thylacoid
riêng lẽ như màng kép xuyên qua cơ chất lục lạp. Chúng được gọi là stromathylacoid (hình 5.2).
Màng thylacoid là nơi mà ánh sáng được tiếp nhận bởi các sắc tố đã mô tả ở
trên và nhờ các hệ thống oxy hoá khử khác nhau mà năng lượng ánh sáng mặt trời

được biến đổi thành năng lượng hoá học và thẩm thấu. Quá trình này phức tạp và
chưa được giải thích chi tiết.
Màng thylacoid chứa ba cấu thành siêu phân tử, chúng chiếm toàn bộ bề
rộng của màng và là thành phần quan trọng của chuỗi vận chuyển điện tử trong quang
hợp. Ba phức hệ đó là hệ thống quang hoá I, hệ thống quang hoá II và phức
hệ cytochrome b/f (hình 5.3).

Hình 5.3: Các phức hệ vận chuyển quan trọng nhất của màng thylacoid. Hệ
thống quang hóa II (HT QHII), phức hệ cytochrome b/f, hệ thống quang
hóa I (HT QHI)
Hệ thống quang hố là vị trí chứa các sắc tố hấp thụ ánh sáng (những anten).
Hệ thống quang hố I chứa ít nhất là 13 loại protein khác nhau, khoảng 200 phân tử
diệp lục, một số lượng carotenoid chưa biết và ba phức hệ Fe-S. Những polypeptide
kết hợp và định hướng các phân tử chlorophyll và carotenoid.
Hệ thống quang hố II chứa ít nhất 11 phân tử polypeptide khác nhau,
khoảng 200 phân tử diệp lục a và 100 phân tử diệp lục b, hai phân tử pheophytin,
quinon, 4 Mn cũng như Ca và chlorid. Cả hai hệ thống tiếp nhận ánh sáng và
chuyển hoá chúng trong sự vận chuyển điện tử.

74


Hệ thống quang hố II cịn có nhiệm vụ là tách điện tử ra từ H2O, như vậy là oxy
hoá H2O. Sự oxy hố này là q trình phức tạp, gồm 4 bước (mỗi bước 1e- được
vận chuyển và ở đây có sự tham gia của Mn với sự thay đổi hố trị.
2H2O  4e- + 4H+ + O2.
Q trình tách nước trong quang hợp được gọi là quang phân ly nước, nó giải
phóng ra O2 và đặc trưng cho quang hợp ở sinh vật nhân chuẩn.
Hệ thống quang hoá I và II không chỉ chứa sắc tố tiếp nhận ánh sáng mà mỗi hệ
thống còn chứa một phân tử diệp lục hoàn toàn đặc biệt thể hiện ở vị trí của nó,

phân tử diệp lục này khi tiếp nhận ánh sáng có khả năng bắn ra 1 điện tử. Quá trình
này như là sự khởi đầu cho sự vận chuyển điện tử trong quang hợp. Phân tử diệp lục
đặc biệt của hệ thống quang hoá I hấp thu cực đại ánh sáng có bước sóng 700 nm.
Vì vậy gọi là P700 (Pigment 700) và phân tử diệp lục đặc biệt của hệ thống quang
hoá II hấp thu cực đại ở 682 nm.
Để bắn ra 1 điện tử thì phân tử diệp lục cần năng lượng. Năng lượng được
hấp thụ ở dạng năng lượng ánh sáng từ những sắc tố khác (chlorophyll và carotenoid)
của mỗi hệ thống quang hoá và được chuyển đến P682 cũng như P700 qua sự cộng
hưởng điện tử. Bằng cách này hai hệ thống quang hoá tạo ra một sự vận chuyển
điện tử khi có ánh sáng, sự vận chuyển điện tử này đi từ H2O như là nguồn điện tử,
qua hệ thống quang hoá II, plastoquinon, phức hệ cytochrom b/f, plastocianin đến
hệ thống quang hoá I và cuối cùng đến NADP+ và nó được khử
thành NADPH.
NADP+ + H+ + 2e-  NADPH
Trong chuỗi khử này hệ thống quang hoá II và hệ thống quang hoá I khởi
động kế tiếp nhau. Plastoquinone cũng như phức hệ cytochrome b/f và plastocyanin
có chức năng vận chuyển e- giữa hai hệ thống quang hố này vì chúng định vị ở
những vị trí khác nhau. Sự vận chuyển e- đã làm cho năng lượng ánh sáng được
biến đổi thành năng lượng hoá học, ở dạng khử NADPH (1 mol NADPH  220 kJ).
Thành viên vận chuyển điện tử cơ bản ở trong chuỗi vận chuyển là phức
cytochrome b/f, cũng là protein có heme là nhóm prostetic, và vận chuyển điện tử là
do sự thay đổi hoá trị của Fe. Bên cạnh phức cytochrome b/f là plastoquinon, một

75


protein chứa Cu (protein màu xanh) vận chuyển điện tử giữa phức cytochrome b/f
và hệ thống quang hoá I. Sự vận chuyển này có thể là do sự thay đổi hoá trị của Cu.
Hệ thống plastoquinon-plastoquinol vận chuyển H từ hệ thống quang hoá II đến
phức cytochrome b/f. Khoảng cách vận chuyển ở đây lớn hơn. Nó khuếch tán trong

“vùng đuôi” của lớp màng kép lipid. Thành phần màng chứa nhiều acid béo chưa no
thì sự khuếch tán của plastoquinone dễ dàng hơn.
Sau đây là phân tử plastoquinone và sự khử nó thành plastoquinol
(plastohydroquinone). Đặc tính kỵ nước của phân tử là do các nhóm CH3 và chuỗi
bên dài với 9 gốc isopren. Phản ứng khử vòng quinone thực hiện qua sự tiếp nhận
của 2e- và 2H+ và vòng quinone chuyển sang một hệ thống liên kết đôi của
bensoide.

Hệ thống plastoquinone/plastoquinol vận chuyển H giữa hệ thống quang hoá
II và phức hệ cytochrome b/f. Phức hệ dạng oxy hoá-plastoquinon gắn vào hệ
thống quang hoá II để trước hết nhận 2e- và tạo thành semiquinone (dạng anion) và
sau đó nhận 2H+ của hệ thống quang hoá II để tạo thành dạng khử plastoquinol. Sau
đó nó tách ra khỏi hệ thống quang hoá II và khuếch tán đến phức hệ cytochrome b/f.
Đến đây nó bị oxy hố khi nhường 2e- và 2H+, tạo nên plastoquinone và lại khuếch
tán về hệ thống quang II
Chức năng cơ bản của hai hệ thống quang hoá là hấp thu ánh sáng và tập trung
năng lượng của chúng đến P682 và P700, rồi dẫn đến quá trình quang hoá, thực chất
là bắn ra 1e-. Chức năng của 2 hệ thống tương tự nhau, tuy nhiên những quá trình
riêng lẽ ở hai hệ thống khác nhau, và về chi tiết cũng chưa được giải thích hết. Sự
nhường 1 điện tử của P682 làm xuất hiện một chất oxy hố rất mạnh (phân tử có khả
năng oxy hố chất khác) có thế năng khoảng 1200 mV. P682 ở dạng oxy

76


hố (P+682) có khả năng oxy hố H2O, nghĩa là tách e- ra khỏi H2O. Giai đoạn quan
trọng ở quá trình này là sự tiếp nhận e- từ P682 bắn ra.

Ngày nay người ta cho rằng, chất nhận tiếp nhận điện tử bắn ra đó là những
hợp chất quinone. Ở đây quinone được khử thành bán quinone (semiquinone mang

điện tích âm). Semiquinone là 1 radical, tiếp tục phản ứng nhanh, có thể chuyển e của nó đến plastoquinone. Dạng semiquinone được khử để tạo thành plastoquinone.
Pheophytin cũng tham gia vào sự vận chuyển e-. Điện tử được bắn ra từ P682
có thể khơng được tiếp nhận ngay, dưới tác dụng của ánh sáng đã tạo nên rất nhanh
“lỗ hổng điện tử” của P682. Dạng oxy hoá của P682 (P+682) tồn tại rất ngắn với
thời gian khoảng 10-12giây.
Nhờ có hệ thống quang hoá II, dưới tác dụng của ánh sáng 1e- từ H2O có thế
năng oxy hố khử cao (thế năng oxy hoá khử tiêu chuẩn là +800 mV) được chuyển
đến plastoquinone có thế oxy hố khử thấp (thế khử tiêu chuẩn 100 mV). Như vậy
khả năng khử của e- được tăng lên rất nhiều. Trong đó chỉ ra năng lượng ánh sáng
đã được tiếp nhận.
Trong hệ thống quang hoá I e- được bắn ra từ P700 được tiếp nhận bởi 1
phức hệ Fe-S. Nó chuyển e- này tiếp tục đến ferredoxin ở dạng hoà tan nằm trong
stroma của lạp thể. Ở đây cũng thực hiện một “phản ứng ngược chiều” của e- nghĩa
là điện tử được chuyển đến nơi có điện thế âm lớn hơn, một quá trình cần năng
lượng, được thực hiện nhờ ánh sáng mặt trời tiếp nhận được. Thế khử tiêu chuẩn
của P700 nằm khoảng +400 mV, của ferredoxin khoảng - 400 mV. Năng lượng

77


được nâng lên rõ rệt nhờ hệ thống quang hoá I. Ferredoxin khử được tạo nên là một
chất khử mạnh, có khả năng khử NADP+.
2 * Ferredoxin

FeII

2 * Ferredoxin

FeIII

NADP+
NADPH

Ferredoxin là một chất khử mạnh, có khả năng khử nhiều chất nhất, được chỉ
ra ở hình 5.4. Ngồi ra NADP+ cịn có ý nghĩa đặc biệt trong việc khử nitrite,
sulfate và oxoglutarate. Phản ứng khử nitrite và sulfate là một bước quan trọng
trong sự đồng hố các ion vơ cơ. Vì vậy phản ứng sáng của quang hợp không chỉ là
sự đồng hố CO2 mà cịn đồng hố cả N và S.

Hình 5.3: Những khả năng phản ứng của ferredoxin
Trong hình 5.3 đã chỉ ra từ ferredoxin e- khơng những có thể được chuyển
đến NADP-reductase mà còn trở về plastoquinone. Như vậy tạo nên một dịng điện
tử khép kín. Ở đây điện tử lại đi qua cytochrome f và plastocyanin để trở về lại
P700 và từ đây lại nhờ năng lượng ánh sáng được đưa đến ferredoxin. Dịng điện tử
khép kín này cũng tạo nên sự phân tách proton và nhờ vậy mà tổng hợp ATP, dịng
điện tử khép kín này được gọi là quang phosphoryl hố vịng.
Quang phosphoryl hố vịng chỉ “sản xuất” ATP, quang phosphoryl hố khơng
vịng tạo nên ATP và NADPH. Bằng cách này quá trình quang hợp có thể tự phù hợp
với nhu cầu ATP và NADPH. Quá trình tổng hợp tinh bột chủ yếu cần ATP, trong
khi tổng hợp acid béo cần tương đối nhiều NADPH. Để đồng hoá CO2, cần ATP và
NADPH theo tỷ lệ 3:2.

78


Ferredoxin cũng có thể chuyển e- của nó đến O2 (hình 5.3). Sau đó H2O xuất
hiện, vì O2 bị khử lập tức phản ứng với H+ trong môi trường nước.
1/2O2 + 2eO2-

+ 2H+

 O2 H2O

Phản ứng này có nghĩa là tiêu hao e- và triệt tiêu gradient H+. Vì vậy nó làm
quang phosphoryl hố tách rời sự vận chuyển e- .
Tổng kết chuyển hoá của năng lượng quang hợp người ta cho rằng 4 mol proton
ánh sáng đỏ cần cho việc vận chuyển 2 mol e- và ở quá trình quang hợp chuỗi vận
chuyển e- tạo nên 1 mol ATP và 1 mol NADPH.
Bảng 5.1 Tổng quát năng lượng của quá trình quang hợp
Đầu vào:
4 Einstein (= mol proton)

 710 x 103J

Đầu ra:
1 mol NADPH  220 x 103J
1 mol ATP

 32 x 103J

Hiệu suất: 3,5 % 252 x 103J
Năng lượng ánh sáng được hấp thu khoảng 35% được chuyển sang dạng
năng lượng hoá học.
5.5.2. Pha tối trong quang hợp
Sự kết hợp CO2 vào một chất nhận hữu cơ (sự đồng hố CO2) là một trong
những q trình sinh học quan trọng nhất. Nhờ q trình này mà cacbon vơ cơ được
đưa vào thế giới sống. Phản ứng được xúc tác bởi enzyme ribulosodiphosphatecarboxylase (RuDP-carboxylase), enzyme này có nhiều trong lá xanh và nó chiếm
khoảng 30-50% protein hồ tan trong lá. Enzyme này gồm 8 tiểu đơn vị lớn và 8
tiểu đơn vị nhỏ, trong đó chỉ có các tiểu đơn vị lớn có hoạt tính xúc tác, các tiểu đơn
vị nhỏ có chức năng điều khiển. Thú vị hơn là thông tin di truyền của các tiểu đơn

vị lớn định vị ở trên DNA của lạp thể (DNA là chất mang gen).
Để xúc tác enzyme cần những điều kiện hồn tồn xác định, đó là giá trị pH
cao (pH 8,3-8,6) và nồng độ Mg2+ tương đối cao. Cả hai đều bị tác động bởi sự vận
chuyển e- qua màng thylacoid. Vì vậy enzyme chỉ hoạt động trong điều kiện chiếu

79