QUANG HỢP CỦA THỰC VẬT

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