BẢN CHẤT CỦA PHA SÁNG TRONG QUANG HỢP

BẢN CHẤT CỦA PHA SÁNG TRONG QUANG HỢP
1. ĐỊNH NGHĨA QUANG HỢP
Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng
hoá học dưới dạng các hợp chất hữu cơ. Nói một 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 và sự tham gia
của hệ sắc tố thực vật.
Bản chất của quá trình quang hợp là sự khử khí CO
2
đến cacbonhiđrat
với sự tham gia của năng lượng ánh sáng do sắc tố thực vật hấp thụ. Đối với
tất cả thực vật và phần lớn các vi sinh vật quang hợp thì nguồn hidro khi tổng
hợp các phân tử hữu cơ là H
2
O. Do đó phản ứng tổng quát của quang hợp
được viết như sau:
CO
2
+ H
2
O
NLAS
uuuuuur
[CH
2
O] + O
2
(1)
Tuy nhiên là để tổng hợp một phân tử glucose phải cần 6 phân tử CO
2
và H

2
O:
6CO
2
+ 12H
2
O
NLAS
uuuuuur
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
+ 6H
2
O (2)
Ôxi thải ra do kết quả của quá trình phân li H
2
O là nhân tố căn bản (nếu
như không muốn nói là độc nhất) hình thành nên bầu khí quyển Trái Đất và
đảm bảo sự cân bằng oxi trong khí quyển.
Tuy nhiên không phải quá trình quang hợp nào cũng kèm theo sự giải
phóng O
2
. Các vi sinh vật khi quang hợp không giải phóng O
2

mà ở chúng
chất cho hidro không phải là H
2
O mà là những chất chứa hidro khác: các este
của axit hữu cơ hoặc bản thân các axit hữu cơ, các rượu bậc hai, các hợp chất
vô cơ chứa S, hay chính hidro dạng phân tử:
Sucxinat + CO
2

NLAS
uuuuuur
[CH
2
O] + phumarat (3)
2H
2
S + CO
2

NLAS
uuuuuur
[CH
2
O] + H
2
O + 2S (4)
Phản ứng cuối cùng đó đặc trưng đối với một số vi khuẩn quang hợp
(ví dụ như vi khuẩn lưu huỳnh đỏ và xanh).
Bởi vậy dạng chung nhất về phản ứng tổng quát của quang hợp có thể
được viết như sau:

CO
2
+ 2H
2
A
NLAS
uuuuuur
[CH
2
O] + H
2
O + 2A (5)
2. CÁC PHA TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HỢP
Với hai chữ quang hợp, ta có thể lầm tưởng rằng đây là quá trình phụ
thuộc hoàn toàn vào ánh sáng, và như vậy quang hợp chỉ gồm có các phản
ứng quang hoá. Thực ra không phải như vậy. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy
1
rằng: Ánh sáng không trực tiếp ảnh hưởng đến toàn bộ các phản ứng tham gia
trong quá trình quang hợp, mà chỉ có vai trò quyết định ở giai đoạn đầu của
quá trình, còn sau đó có một giai đoạn không trực tiếp chịu ảnh hưởng của
ánh sáng. Đó là giai đoạn bao gồm các phản ứng enzim, gọi là các phản ứng
tối.
Ngày nay, người ta chia quang hợp thành hai giai đoạn: Giai đoạn 1 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
. Giai đoạn này gọi là pha sáng của quang hợp. Giai đoạn 2 là
giai đoạn không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng gồm có quá trình sử

dụng ATP và các sản phẩm khác. Giai đoạn này gọi là pha tối của quang hợp.
Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu chi tiết vào pha sáng trong quá trình quang
hợp.
3. BẢN CHẤT CỦA PHA SÁNG TRONG QUANG HỢP
Pha sáng 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 hoá
học. Pha sáng có thể chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn quang vật lý và giai đoạn
quang hoá học.
a. Giai đoạn quang vật lý
Giai đoạn quang vật lý 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 clorophin.
Những nghiên cứu gần đây đã chứng minh tính chất đúng đắn của luận
điểm về sự tham gia của clorophin trong quá trình chuyển hoá quang năng
thành hoá năng của Timiriazev.
Ta biết rằng ánh sáng là một dạng vật chất vừa có tính chất hạt (những
phần năng lượng nhỏ bé gọi là photon hay quang tử, photon là một loại hạt cơ
bản giống như proton và electron, nhưng không mang điện và có khối lượng
vô cùng nhỏ bé), lại vừa có tính chất sóng (ánh sáng có các mầu khác nhau
thuộc các miền quang phổ khác nhau, có độ dài sóng và tần số nhất định). Khi
ánh sáng chiếu vào vật thể, tức là thành dạng kích động, lúc đó ánh sáng chiếu
suống mới có hiệu suất quang tử. Theo lý thuyết thì: Tỉ lệ giữa số photon đập
vào vật thể và số phân tử của vật thể bị kích động bằng 1, nhưng trong thực tế
tỉ lệ này thường lớn hơn nhiều. Năng lượng của lượng tử ánh sáng phụ thuộc
vào số dao động của bức xạ và được tính theo công thức sau:
2
E = h
ν
=

hC
λ
E: năng lượng photon (tính bằng J)
h: hằng số planck (6,625.10
-34
J.s)
ν
: tần số bức xạ (1/s)
C: vận tốc ánh sang (3.10
17
nm/s)
λ
: độ dài bước song (nm)
1J = 6,25.10
18
eV
Theo đây ta có thể tính được năng lượng của một photon:
E = 1242 :
λ
(eV)
Thông thường E được biểu thị bằng kcalo/mol của chất hấp thụ ánh
sáng. Độ lớn năng lượng của photon do một mol của một chất hấp thụ (6.10
23
)
khi chiếu ánh sáng có độ dài sóng nhất định, được gọi là Einstein (E). E ở
quang phổ có độ dài sóng khác nhau thì khác nhau. Ví dụ
λ
= 700 nm thì E =
40,8 kcalo/mol,
λ

= 400 nm thì E = 71 kcalo/mol.
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 (e) lớn hay nhỏ phụ
thuộc vào năng lượng của quang tử (lượng tử hay photon) mà nó hấp thụ. Nếu
năng lượng của quang tử càng lớn thì e nhảy ra quỹ đạo càng xa, nghĩa là nó
có mức năng lượng càng cao. Thời gian tồn tại của e trên mức năng lượng
kích thích phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau.
Đầu tiên phải lưu ý rằng: Trên cùng một mức năng lượng, không thể có
số điện tử lớn hơn 2 (theo nguyên lý Paul) và chỉ có trong trường hợp nó có
dấu spin ngược nhau. Vì bình thường tổng số spin của màng điện tử của
nguyên tử bằng 0 (spin e là moment từ của sự chuyển động của e được biểu
hiện bằng chiều quay của e quanh trục của nó) do khi quay quanh hạt nhân, e
còn quay quanh trục của mình. Mỗi điện tử có giá trị spin bằng + ½ hoặc - ½
tuỳ theo hướng quay. Nếu như trong một quỹ đạo nào đấy có 2 e thì spin của
e này là +1/2 và e kia là -1/2 và nếu như tất cả các e trong nguyên tử đều cặp
đôi thì spin tổng số bằng 0 và nguyên tử ở trạng thái không có biểu hiện
moment từ của e (gọi là trạng thái singlet). Năng lượng của e trong trường
hợp này không chuyển và phân chia cho các thành phần. Nếu như 2 e trên các
quỹ đạo khác nhau của nguyên tử không cặp đôi thì có thể có trường hợp spin
của chúng song song với nhau và lúc đó spin tổng số của phân tử bằng +1, 0
hoặc -1. Cả ba khả năng này hình thành nên khái niệm triplet (trạng thái bền
thứ cấp). Sự hình thành các e không cặp đôi là kết quả cơ bản của sự hấp thụ
và chuyển năng lượng photon trong các quá trình quang hoá, tức là năng
lượng photon trong trường hợp này dễ dàng được chuyển và phân chia cho
các thành phần. Như vậy nếu như nguyên tử hấp thụ photon, e chuyển lên
3
mức năng lượng cao hơn mà vẫn giữ nguyên dấu spin thì nó có thể nhanh
chóng quay về quỹ đạo ban đầu. Thời gian sống của trạng thái e kích thích
trong trường hợp này phụ thuộc vào cấu tạo hoá học của phân tử.

Trong các phân tử với các liên kết đơn, bão hoà thì cần phải có những
photon mang năng lượng cao mới làm cho e nhảy từ quỹ đạo cơ sở lên quỹ
đạo xa của trạng thái kích thích. Thời gian tồn tại ở trạng thái kích thích của e
này rất ngắn (10
-14
s).
Trong các phân tử chưa bão hoà thường hình thành những liên kết đôi
do sự tham gia của các cặp e
δ
để hình thành nên quỹ đạo
δ
. Bên cạnh cặp e
δ
còn có cặp e
π
. Quỹ đạo chuyển động của cặp e này lớn nên nằm xa nhân
trung tâm, vì thế nó liên kết với nhân trung tâm yếu hơn so với e ở quỹ đạo
δ
,
nên năng lượng để kích thích nó nhỏ hơn và nó dễ dàng nhảy lên quỹ đạo xa
hơn so với e ở quỹ đạo
δ
.
Như vậy trong hệ thống của những liên kết đôi kết hợp có hai nhóm e:
nhóm điện tử
δ
hình thành nên cái khung chắc chắn của những liên kết ổn
định và nhóm điện tử
π
nằm trong hệ thống chuyển động thống nhất, phân bố

theo toàn bộ khung liên kết.
Những hợp chất hữu cơ vòng, không bão hoà rất phổ biến và đặc trưng
cho kiểu liên kết đôi kết hợp kín theo vòng nói trên, trong đó đặc biệt có
những hợp chất hữu cơ vòng, dị nguyên tử. Ở những hợp chất dị nguyên tử
này có thể có e n. Các e n này chỉ nằm trên một nguyên tử chứ không tham
gia vào việc hình thành liên kết giữa các nguyên tử (hoặc nếu có cũng rất
yếu). Một trong những điện tử không bão hoà đó có thể chuyển lên mức năng
lượng cao hơn chỉ cần nó hấp thụ photon mang năng lượng rất nhỏ. Năng
lượng dùng để chuyển e từ quỹ đạo
π
lên
π
*
rất gần với năng lượng dùng để
chuyển e từ quỹ đạo n lên quỹ đạo
π
*
.
Cả hai cách chuyển điện tử này là biểu hiện của trạng thái kích thích
điện tử đặc trưng cho phân tử clorophin (một phân tử có hệ thống liên kết đôi
kết hợp theo đường vòng và là một hợp chất dị nguyên tử).
Nói như vậy có nghĩa là khi tiếp nhận photon ánh sáng, phân tử
clorophin trở thành trạng thái kích thích do kết quả của quá trình nhảy e từ
π
π
→
*
và từ
*n
π

→
. Thời gian sống của e trên mức năng lượng cao của những
phân tử kiểu clorophin này lâu hơn so với các phân tử bão hoà vào khoảng 10
-
9
đến 10
-8
s. Nếu quá trình nhảy e kèm theo có sự đổi dấu spin e thì thời gian
sống của e trên mức năng lượng cao có thể đến 10
-2
s hoặc lâu hơn.
Như trên đã trình bày, thông thường khi e của nguyên tử bị kích thích
có thể xảy ra 2 trường hợp: Trường hợp thứ 1 là trạng thái kích thích của e
được coi là singlet (trạng thái không bền), nếu như khi chuyển e lên mức năng
lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử. Quang phổ hấp
thụ trong trường hợp này tương ứng với một vạch và được kí hiệu là S
( , *)
π π
.
4
Trường hợp thứ 2 là trạng thái kích thích của e được gọi là triplet (bền ổn
định hoặc bền thứ cấp), nếu như khi chuyển e lên mức năng lượng cao hơn có
kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử. Quang phổ hấp thụ trong trường hợp
này tương ứng với 3 vạch và được kí hiệu là T
( , *)
π π
. Có hai trạng thái kích
thích singlet cơ bản, đặc trưng cho phân tử clorophin với 2 mức năng lượng
khác nhau, tuỳ theo mức năng lượng của photon hấp thụ. Một trong chúng
được kí hiệu là S

a

( , *)
π π
có thể bị kích thích nhờ ánh sáng đỏ, có bước sóng
680nm
λ
=
. Còn trạng thái kia kí hiệu là S
b
( , *)
π π
có mức năng lượng cao hơn,
được kích thích nhờ ánh sáng xanh, có bước sóng
430nm
λ
=
.
Trạng thái triplet thường có được nhờ sự biến đổi từ singlet khi e từ
mức năng lượng kích thích trở về mức năng lượng thấp hơn hoặc về trạng thái
cơ sở. Còn từ trạng thái cơ sở chuyển lên trạng thái triplet thì ít xảy ra, vì cần
phải có một năng lượng kích thích rất lớn.
Sự chuyển e từ trạng thái kích thích về các trạng thái khác thể hiện rõ
qua các hiện tượng huỳnh quang và lân quang của phân tử clorophin. Hiện
tượng huỳnh quang và lân quang là đặc điểm quang học của nhiều chất.
Huỳnh quang là sự phát sáng ngắn hạn và tắt đi đồng thời với sự tắt nguồn
sáng kích thích. Khác với huỳnh quang, lân quang là sự phát sáng dài hơn và
còn tiếp tục phát sáng sau khi nguồn sáng kích thích đã tắt.
Nguyên nhân của hiện tượng huỳnh quang là do năng lượng phát ra
dưới dạng sóng điện từ khi chuyển e từ trạng thái kích thích singlet về trạng

thái cơ sở. Thời gian huỳnh quang của phần lớn các phân tử hữu cơ là 10
-9
đến
10
-6
s. Làm mất hoạt tính của trạng thái kích thích còn xẩy ra bằng con đường
không phát ra tia sáng, gọi là con đường không bức xạ. Trong trường hợp này,
năng lượng của photon được e hấp thụ có thể được biến đổi thành dạng nhiệt.
Có thể có sự truyền không bức xạ từ trạng thái singlet này sang trạng thái
singlet khác có mức năng lượng nhỏ hơn, hoặc từ trạng thái singlet sang trạng
thái triplet. Người ta thấy trạng thái triplet chủ yếu hình thành bằng con
đường này.
Từ trạng thái triplet đến trạng thái cơ sở có thể xảy ra bằng con đường
bức xạ hoặc không bức xạ. Chính sự chuyển từ trạng thái triplet đến trạng thái
cơ sở bằng con đường bức xạ (con đường phát ra sóng điện từ), tạo ra hiện
tượng lân quang. Trong quá trình chuyển này có sự đổi dấu spin e và thời
gian sống của e khi lân quang dài từ 10
-3
đến 10
-1
s.
Như vậy rõ ràng là huỳnh quang và lân quang đều là những dạng năng
lượng do kết quả của quá trình làm mất hoạt tính của phân tử clorophin bằng
con đường bức xạ. Dạng năng lượng này chỉ được sử dụng khi nó được các
sắc tố khác hấp thụ. Hiện tượng huỳnh quang và lân quang là hiện tượng
truyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố.
5