Trao đổi carbonhydrate trong quá trình quang hợp

Trao đổi chất và năng lượng
- 55 -
CHƯƠNG 5. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ
TRÌNH QUANG HP.


I. KHÁI NIỆM VỀ QUANG HP

Có thể hiểu được quang hợp – photosynthesis – qua tên gọi của nó. Photo có
nghóa là ánh sáng, còn synthesis có nghóa là tổng hợp. Như vậy, quang hợp là quá
trình, trong đó xảy ra sự hình thành các hợp chất hữu cơ nhờ sử dụng năng lượng
ánh sáng. Sự xuất hiện khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng là một bước tiến hóa
quan trọng của cơ thể sống trên trái đất.
Quang hợp là kiểu dinh dưỡng được thực hiện bởi lá và các bộ phận có màu
lục khác của cây. Trong các bộ phận này có một nhóm hợp chất được gọi là sắc tố
quang hợp. Chúng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng và biến chúng thành
năng lượng hóa học và một chất khử để được sử dụng trong việc tổng hợp đường
glucose và các chất hữu cơ khác nuôi cây.
Phương trình tổng quát của quang hợp có dạng như sau:
năng lượng ánh sáng
6CO
2
+ 6H
2
O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ C
6
H
12
O
6

+ 6O
2
Các nhà khoa học đã phát hiện được rằng quá trình quang hợp bao gồm hai
pha là pha sáng và pha tối. Pha sáng có nhiệm vụ sử dụng năng lượng ánh sáng để
tạo ra hai lọai hợp chất cần cho pha tối xảy ra sau đó chất giàu năng lượng, hay hợp
chất cao năng ATP, và hợp chất ỡ dạng khử là NADPH. NADPH được sử dụng để
khử CO
2
thành đường glucose và các hợp chất hữu cơ khác trong pha tối, còn ATP
được sử dụng như nguồn năng lượng cho quá trình khử này.
Glucose và các carbohydrate khác trở thành nguyên liệu và nguồn năng
lượng để tổng hợp aminoacid, protein, lipid và nhiều hợp chất khác cần cho sự sống
của tế bào.
Phương trình tổng quát nêu trên chưa nói gì đến các sản phẩm trung gian của
quá trình quang hợp, trong đó tạo thành đường glucose và giải phóng oxy phân tử.
Ngòai ra, nó cũng không nói gì đến các phản ứng mà trong đó năng lượng ánh sáng
biến hóa thành năng lượng hóa học.
Hình 5.1 mô tả những vấn đề cơ bản của quang hợp. Trong hình này hộp hình
chữ nhật tượng trưng cho các vấn đề quan trọng nhất của quang hợp. Các nhà khoa
học đã biết được cái gì rơi vào hộp này và các gì đi ra từ nó. Nhưng các quá trình
xảy ra trong hộp vẫn cò nhiều điều bí ẩn.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 56 -
Hình 5.1. Sơ đồ mô tả các quá trình cơ bản của quang hợp
1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp.
Các nhà nghiên cứu quang hợp đầu tiên đã phát hiện được rằng khí carbonic
và nước là nguyên liệu đầu tiên, còn carbohydate và oxy phân tử là sản phẩm cuối
cùng của quang hợp. Ở đây xuất hiện một số câu hỏi. Trong trường hợp nào tốc độ

của quá trình nhanh hơn: khi cường độ ánh sáng mạnh hay khi cường độ ánh sáng
yếu? Ở đâu quá trình này xảy ra nhanh hơn: trong các tế bào xanh đậm hay xanh
nhạt? Để trả lời các câu hỏi này cần đề xuất các giả thuyết có thể kiểm tra được
bằng thực nghiệm. Kết quả của những thí nghiệm này cho phép nêu ra được những
khái niệm mới về bản thân của quá trình quang hợp.
Trong quá trình quang hợp có sự tham gia của hai chất khí; khí carbonic và
oxy. Các nhà vật lý và hóa học đã đề xuất một số phương pháp đo số lượng của các
lọai khí này. Một phương pháp là theo dõi áp suất và thể tích khí, còn phương pháp
thứ hai liên quan với việc phân tích hóa học. Một trong những phương pháp đo tốc
độ quang hợp đơn giản nhất là theo dõi tốc độ sử dụng CO
2
hoặc tốc độ giải phóng
oxy, hoặc theo dõi đồng thời cả hai. Thông thường, sự đo lường này được thực hiện
nhờ một thiết bò đơn giản có tên gọi là manomét.
Vì trong quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng nên hoàn toàn có thể giả
thuyết rằng quá trình này cần phải xảy ra nhanh hơn khi cường độ ánh sáng cao
hơn. Giả thuyết này được xác nhận ở cường độ ánh sáng tương đối yếu. Khi tăng
cường độ ánh sáng sẽ làm tăng tốc độ quang hợp. Tuy nhiên, ở cường độ ánh sáng
lớn đường cong sẽ không thay đổi, và tiếp tục tăng cường độ ánh sáng hầu như
không ảnh hưởng đến quang hợp. Điều này có thể giải thích như thế nào? Trước khi
giải thích hiện tượng này hãy làm quen với một số kết quả của các thí nghiệm đơn
giản về nghiên cứu quang hợp.
Chúng ta cũng có thể giả thuyết rằng tốc độ quang hợp cần phải tăng lên
cùng với sự tăng số lượng khí carbonic. Khi hàm lượng khí carbonic không cao, tốc
độ quang hợp rất thấp. Khi tăng nồng độ CO
2
tốc độ quang hợp sẽ tăng lên, nhưng
chỉ đến một điểm nhất đònh, sau đó tăng nồng độ CO
2
không còn ảnh hưởng đến tốc

độ quang hợp nữa.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 57 -
Bây giờ chúng ta hãy phối hợp hai thí nghiệm để tìm thấy sự phụ thuộc của
quang hợp vào nồng độ CO
2
ở ba cường độ ánh sáng khác nhau. Kết quả của các
thí nghiệm này ở dạng một số đường cong trình bày trong hình 5.2.
Hình 5.2. Sự phụ thuộc của tốc độ quang hợp vào nồng độ CO
2
ở các cường
độ khác nhau.
Qua hình này chúng ta thấy rằng ở nồng độ CO
2
thấp tốc độ quang hợp phụ
thuộc vào hàm lượng CO
2
. Khi hàm lượng CO
2
cao tốc độ quang hợp phụ thuộc vào
cường độ ánh sáng. Vì vậy chúng ta có thể nói rằng một trong hai thông số (ánh
sáng và nồng độ CO
2
) có hàm lượng thấp hơn sẽ xác đònh tốc độ cuối cùng của
quang hợp. Chúng ta có thể nhớ đến các trường hợp khác, trong đó các hạn chế
tương tự ảnh hưởng đến một quá trình nào đó.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang hợp đã tìm thấy được các
quy luật thú vò. Hầu như tất cả các phản ứng hóa học, bao gồm cả các phản ứng

được xúc tác bởi các enzyme, đều xảy ra với tốc độ nhanh hơn ở nhiệt độ cao – đến
các giá trò nhiệt độ xác đònh. Từ 0
o
đến 40
o
C các phản ứng enzyme xảy ra nhanh
hơn khoảng hai lần khi nhiệt độ tăng lên 10
o
. Tuy nhiên, các phản ứng quang hóa
sử dụng năng lượng ánh sáng và thường không phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự tăng
năng lượng của phân tử khi tăng nhiệt độ là không đáng kể so với năng lượng được
phân tử thu nhận khi hấp thụ lượng tử ánh sáng. Số năng lượng này đủ để bắt đầu
quá trình quang hợp. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình quang hợp được minh
họa trong hình 5.3.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ quang hợp cho thấy rằng tốc
độ quang hợp ở cường độ ánh sáng thấp hầu như không thay đổi. Ánh sáng là yếu
tố hạn chế. Nhưng ở cường độ ánh sáng cao việc tăng nhiệt độ làm tăng quá trình
quang hợp đúng như trong trường hợp đối với bất kỳ phản ứng enzyme nào. Từ đây
có thể rút ra kết luận rằng quá trình quang hợp được hình thành ít nhất từ hai kiểu
phản ứng: phản ứng quang hóa (xảy ra trong ánh sáng và không phụ thuộc vào
nhiệt độ) và phản ứng enzyme (xảy ra trong tối và nhạy cảm với nhiệt độ). Điều
này giải thích tại sao việc tăng không hạn chế cường độ ánh sáng không làm tăng
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 58 -
vô giới hạn tốc độ quang hợp. Nói cách khác, các phản ứng enzyme vốn không phụ
thuộc vào cường độ ánh sáng, là yếu tố hạn chế tốc độ quang hợp.

Hình 5.3. Sự phụ thuộc của tốc độ quang hợp vào nhiệt độ

Nhiều nhà khoa học đã chứng minh rằng quá trình quang hợp bao gồm rất
nhiều phản ứng enzyme. Khi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của
quang hợp các nhà khoa học đã đề xuất sự bắt đầu đáng lưu ý bản chất của quang
hợp.
Ở dạng phương trình đơn giản CO
2
+ H
2
O ⎯⎯→ (CH
2
O) + O
2
còn dấu diếm
nhiều phản ứng trung gian. Có thể giả thuyết rằng các cơ thể tự dưỡng đầu tiên dần
dần dung nạp vào mình tất cả các phản ứng trung gian này để cuối cùng biến thành
hàng lọat các phản ứng của quá trình quang hợp.
2. Phân tử biến hóa năng lượng
Nếu tế bào tự dưỡng bò nghiền nát và khối màu lục được hòa tan trong
ethanol hoặc acetone và tách chúng bằng phương pháp sắn ký thi hầu như lúc nàu
cũng thu nhận được hai hợp chất. Những hợp chất này thuộc nhóm các chất có tên
gọi là chlorophyll (chất diệp lục). Một trong số chúng được gọi là chlorophyll a, có
chất thứ hai có tên là chlorophyll b. Công thức cấu tạo của chlorophylla được trình
bày trong hình 5.4.
Khi tìm hiểu cấu trúc này ta thấy rằng các nguyên tử nitơ và carbon tạo ra các
vòng, những vòng này lại tạo ra một vòng lớn hơn mà trung tâm của nó là nguyên
tử manhê.
Nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo đối với hai lọai chlorophyll, mà đặc biệt
đối với chlorophyll a, cho thấy chúng hấp thụ rất tốt các tia có bước sóng trong
vùng đỏ và xanh của quang phổ nhìn thấy và phản xạ phần ánh sáng màu lục.
Hòa tan và phân tích chlorophyll bằng phương pháp sắc ký trên giấy chỉ cho

phép thu nhận các kết quả sơ bộ. Sau đó chúng ta có thể nghiên cứu sự hấp thụ các
bước sóng khác nhau của ánh sáng nhìn thấy được thực hiện bởi chlorophyll a hòa
tan trong ethanol hoặc trong một dung môi khác. Bằng các thiết bò khác nhau chúng
ta cũng có thể đo được chiều dài bước sóng ánh sáng được hấp thụ bởi chlorophyll
a trong tế bào sống. Chiều dài các bước sóng hấp thụ bởi chlorophyll a của tế bào
sống khác với chiều dài các bước sóng được hấp thụ bởi chlorophyll a hòa tan. Thí
nghiệm của nhiều tác giả cho thấy rằng trong tế bào sống có đến mấy lọai
chlorophyll a. Chúng hấp thụ các tia có chiều dài bước sóng khác nhau trong vùng
quang phổ màu đỏ, mặc dù khi hòa tan sắc tố chỉ phát hiện được một lọai
chlorophyll a. Kết quả khó hiểu này chỉ được giải thích sau khi phát hiện được rằng
chlorophyll a trong tế bào sống liên kết chặt chẽ với protein và lipid của các cấu
trúc tế bào chất được biết với tên gọi là lục lạp (chloroplast).
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 59 -

Hình 5.4. Công thức cấu tạo của chlorophyll a
Ngoài chlorophyll cơ thể thực vật còn chứa các sắc tố quang hợp khác màu
vàng hoặc màu da cam. Chúng hấp thụ ánh sáng với bước sóng xác đònh và chuyển
năng lượng ánh sáng hấp thụ đươc cho chlorophyll. Tuy nhiên, không một sắc tố
nào trong số chúng có thể thay thế được cho chlorophyll. Trong các tế bào không
chứa chlorophyll thì quang hợp không thể xảy ra.
Tính chất đặc biệt của chlorophyll là ở chỗ năng lượng ánh sáng do chúng
hấp thụ có thể được sử dụng sau đó trong các phản ứng hóa học của quá trình
quang hợp. Các phản ứng hóa học này sẽ xác đònh tổng số năng lượng tích lũy trong
các liên kết của các hợp chất hóa học dùng để nuôi cây, tạo điều kiện cho cây sinh
trưởng và phát triển.
II. KHÁI NIỆM VỀ TÍCH CHẤT HAI GIAI ĐOẠN CỦA QUANG
HP.

Trên cơ sở thực nghiệm người ta đã xác đònh được rằng quá trình quang hợp
bao gồm hai loại phản ứng: phản ứng sáng liên quan trực tiếp với việc sử dụng
năng lượng ánh sáng, và phản ứng tối, trong đó CO
2
bò khử thành các hợp chất hữu
cơ. Khái niệm về tính hai pha của quang hợp được đúc rút từ kết qủa thí nghiệm
của Hill (1937). Bằng cách chiếu sáng chế phẩm phi tế bào chứa chlorophyll thu
được từ tế bào quang hợp trong điều kiện tồn tại chất nhận điện tử nhân tạo, ví dụ
kali ferricyanate (A), oxy phân tử sẽ được giải phóng, đồng thời chất nhận điện tử
bò khử theo phương trình:
h√
2H
2
O + 2A⎯→ 2AH
2
+ O
2

Điều đặc biệt quan trọng là phản ứng không đòi hỏi sự tham gia của CO
2
.
Như vậy, Hill đã cho thấy khả năng tách quá trình giải phóng O
2
ra khỏi quá trình
khử CO
2
.
Phản ứng trên đây ngày nay được gọi là phản ứng Hill , còn chất A được gọi
là thuốc thử Hill. Người ta cũng đã phát hiện được rằng thuốc thử Hill trong tế bào
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng
- 60 -
là NADP
+
. Trong điều kiện lục lạp được chiếu sáng, nó sẽ nhận điện tử để bò khử
thành NADP.H, đồng thời giải phóng oxy phân tử. Như vậy, phản ứng Hill trong tế
bào có dạng:
h√
2H
2
O + 2NADP
+
⎯→ 2NADP.H + 2H
+
+ O
2

Trên cơ sở của phản ứng này người ta cho rằng một trong những sản phẩm
cuối cùngcủa pha sáng là một tác nhân khử nào đó (có thể là NADP.H) màsau đó
trong pha tối sẽ được sử dụng để khử CO
2
.
Khái niệm về tính chất hai pha của quang hợp được tiếp tục củng cố nhờ
Arnon phát hiện quátrình phosphoryl-hóa quang hợp năm1954. Ông nhận thấy rằng
khi chiếu sáng lục lạp trong điều kiện có mặt ADP và phosphate vô cơ thì ATP sẽ
được tổng hợp mà cũng không cần có sự tham gia của CO
2
.
Trên cơ sở của các thí nghiệm nói trên người ta đi đến kết luận rằng ở giai

đoạn đầu của quá trình quang hợp năng lượng ánh sáng không những được dùng để
khử NADP
+
mà còn có tác dụng thực hiện phản ứng phosphoryl-hóa ADP thành
ATP. NADP.H và ATP hình thành ở pha sáng sẽ được sử dụng trong pha tối để khử
CO
2
và các chất nhận điện tử khác.
1. pha sáng của quang hợp
a/ Trong quang hợp có sự tham gia của các phản ứng sáng và các phản ứng tối.
Các nhà khoa học phát hiện được những chất tham gia và được tạo thành
trong quá trình quang hợp vẫn không trả lời được một câu hỏi quan trọng là: cái gì
xảy ra với năng lượng ánh sáng do thực vật hấp thụ trong quá trình này. Cần nhớ
rằng năng lương không thể tự nó xuất hiện và mất đi. Nó chỉ có thể chuyển từ dạng
này sang dạng khác.
Đã phát hiện được rằng các hợp chất hữu cơ – sản phẩm của quang hợp - có
mức năng lượng cao hơn mức năng lương của CO
2
và nước là các nguyên liệu để
tạo ra chúng. Phần năng lượng hóa học dư thừa chỉ có thể được thu nhận do kết quả
tác động của ánh sáng. Như vậy, quang hợp là quá trình biến hóa năng lượng ánh
sáng thành năng lượng hóa học.
Quang hợp là một lọai cầu nối giữa năng lượng mặt trời và dạng năng lượng
cần cho sự sống trên trái đất. Không có các quá trình nào khác trong tế bào có thể
sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Nó chỉ có thể được sử dụng sau khi được
biến hóa thành năng lượng hóa học. Sự biến hóa này được thực hiện trong các cơ
thể có khả năng quang hợp. Chúng hấp thụ năng lượng mặt trời và sử dụng nó để
gắn các nguyên tử của nước và khí carbonic với nhau để tạo ra các liên kết hóa học
có mức năng lượng cao hơn.Vác sản phẩm của sự “gắn bó” này là tạo ra oxy và các
hợp chất hữu cơ cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thực vật và động vật.

Sau khi đã xác đònh được cái gì xảy ra trong quang hợp, các nhà khóa học bắt
đầu tìm hiểu quá trình này xảy ra như thế nào.
Các quá trình bên trong của quang hợp mô tả trong cái hộp hìinh chữ nhật của
hình 5.1 vẫn còn nhiều điều bí ẩn. Cần phải làm sáng tỏ những điều bí ẩn này. Các
phát hiện đầu tiên về nội dung của cái hộp này đã được nhà khoa học người Anh
F.F. Blecman phát hiện vào năm 1905. Ông bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của độ
sáng, hay cường độ ánh sáng và giả thuyết rằng vì quá trình quang hợp được di
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học