Quang hợp

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Lá cây: nơi thực hiện quá trình quang hợp ở thực vật.

Quang hợp là quá trình thu nhận năng lượng ánh sáng Mặt trời của thực vật, tảo và một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất. Quang hợp trong thực vật thường liên quan đến chất tố diệp lục màu xanh lá cây và tạo ra oxy như một sản phẩm phụ.[1]

Năng lượng hóa học này được lưu trữ trong các phân tử carbohydrate như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxitnước. Do đó quá trình này có tên quang hợp, gồm hai từ Hán Việt quang-"ánh sáng", và hợp-"đặt lại với nhau". Tiếng Hy lạp cũng tương tự, từ φῶς (tức phōs) nghĩa là "ánh sáng", và σύνθεσις (tức synthesis) nghĩa là "tổng hợp lại".[2][3][4] Trong hầu hết các trường hợp, oxy cũng được tạo ra như là một sản phẩm phụ. Hầu hết các thực vật, tảovi khuẩn cyanobacteria thực hiện quang hợp, và các sinh vật như vậy được gọi là photoautotrophs. Quang hợp giúp duy trì nồng độ oxy trong không khí và cung cấp tất cả các hợp chất hữu cơ và hầu hết các năng lượng cần thiết cho sự sống trên Trái Đất.[1]

Mặc dù quá trình quang hợp được thực hiện khác nhau với các loài thực vật khác nhau, quá trình này luôn luôn bắt đầu khi năng lượng từ ánh sáng được hấp thụ bởi các protein được gọi là trung tâm phản ứng có chứa sắc tố diệp lục màu xanh lá cây. Ở thực vật, các protein này được tổ chức bên trong các bào quan gọi là lục lạp, vốn là chất chiếm nhiều nhất trong các tế bào lá, trong khi ở vi khuẩn các protein này được nhúng vào trong màng bào tương. Trong các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng trên, một số năng lượng được sử dụng để tách các điện tử từ các chất thích hợp như nước, sản xuất khí oxy. Thêm vào đó, hai hợp chất tiếp tục được tạo ra: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) và adenosine triphosphate (ATP), các "đơn vị tiền tệ năng lượng" của các tế bào.

Tóm tắt quá trình quang tổng hợp (photosynthesis): quang hợp bao gồm hai pha: pha sáng xảy ra ở thylakoid, còn pha tối xảy ra ở chất nền stroma lục lạp.

thực vật, tảovi khuẩn lam, đường được sản xuất bởi một chuỗi các phản ứng tiếp theo không phụ thuộc ánh sáng, được gọi là chu trình Calvin, nhưng một số vi khuẩn sử dụng các cơ chế khác nhau, chẳng hạn như chu trình Krebs ngược. Trong chu trình Calvin, khí carbon dioxit được tích hợp vào các hợp chất carbon hữu cơ đã có sẵn, chẳng hạn như ribulose bisphosphate (RuBP).[5] Sử dụng ATP và NADPH được các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng tạo ra, kết quả là các hợp chất này sau đó được giảm và loại bỏ để hình thành carbohydrate cao hơn như glucose.

Trong các chuỗi thức ăn tự nhiên, các sinh vật quang dưỡng (sống nhờ nguồn năng lượng do quang hợp) thường là những mắt xích đầu tiên; nghĩa là các sinh vật còn lại đều sử dụng sản phẩm của quá trình quang hợp phục vụ nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Do vậy, quang hợp là chuỗi phản ứng hóa học quan trọng bậc nhất trên Trái Đất, vì nó tạo năng lượng cho sự sống trong sinh quyển. Quá trình quang hợp cũng sản sinh ra khí ôxy, tạo nên một bầu khí quyển chứa nhiều ôxy cho Trái Đất, một bầu khí quyển vốn dĩ chỉ chứa nitơcácbônic trước khi có sinh vật quang dưỡng.

Ở thực vật, quá trình quang hợp chủ yếu được thực hiện nhờ diệp lục (chlorophyll nghĩa là diệp lục; chloro- nghĩa là thứ có màu xanh lá|xanh lục). Sắc tố này thường chứa trong các bào quan gọi là lục lạp. Mặc dù, hầu hết các phần của nhiều loài thực vật đều có màu xanh, năng lượng của quá trình quang hợp chủ yếu được thu nhận từ . Quá trình quang hợp của thực vật, tảovi khuẩn lam (cyanobacteria) sử dụng chlorophyll và sản sinh ra ôxy. Một số loài vi khuẩn quang dưỡng không sử dụng chlorophyll mà dùng một sắc tố tương tự gọi là bacteriochlorophylls và quá trình quang hợp của các vi khuẩn này không sản sinh ôxy.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Các sinh vật đầu tiên trên Trái Đất xuất hiện từ cách đây khoảng 3,5 - 4 tỉ năm tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp (chemosynthesis), tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như H2, NH4, H2S. Ngày nay, các sinh vật này vẫn còn tồn tại trong những môi trường rất đặc biệt như trong các hố xí, suối nước nóng có lưu huỳnh và các miệng núi lửa trên các sàn đại dương, được gọi là các sinh vật yếm khí. Sau đó xuất hiện nhóm sinh vật có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, sự quang tổng hợp (photosynthesis), thường được gọi tắt là sự quang hợp, đây là một quá trình sinh học, chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Các sinh vật quang hợp đầu tiên này không tạo ra ôxy.

Về sau một số sinh vật có khả năng sử dụng nước cho sự quang hợp, tạo ra O2, dần dần tích tụ trong khí quyển, một số sinh vật tiến hóa khác có khả năng sử dụng O2 xúc tác trong các phản ứng để giải phóng năng lượng trong các phân tử thức ăn. Quá trình này được gọi là sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration). Sự quang hợp sử dụng CO2 và H2O tạo ra từ sự hô hấp hiếu khí và sự hô hấp hiếu khí thì sử dụng thức ăn và O2 sinh ra từ sự quang hợp.

Cả hai loại sinh vật này được gọi chung là sinh vật tự dưỡng-tự tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô cơ, phân biệt với sinh vật dị dưỡng phải lấy thức ăn hữu cơ từ môi trường chung quanh, chúng tiêu thụ các sinh vật tự dưỡng. Quang hợp là lá cây nhờ có chất diệp lục, ánh sáng, nước, khí cac bô nic để tạo ra tinh bột, đồng thới nhả khí ô-xi ra môi trường bên ngoài

Lục lạp[sửa | sửa mã nguồn]

Cấu tạo của một lục lạp trong tế bào thực vật trong đó (1) granum (2) màng lục lạp bao gồm (3) màng ngoài, (4) xoang gian màng và (5) màng trong. (6) Thylakoid bao gồm (7) xoang thylakoid và (8) màng thylakoid. (10) Chất nền stroma (11) DNA vòng, trần của lục lạp (12) Ribosome (14) Hạt tinh bột

Để hiểu chi tiết về lục lạp, hãy tham khảo bài viết Lục lạp.

Cấu tạo của lục lạp[sửa | sửa mã nguồn]

Lục lạp là một bào quan đặc biệt của tế bào (đặc biệt là thực vật), giúp chuyển hóa và dự trữ năng lượng photon ánh sáng dưới dạng các liên kết trong phân tử glucose. Giống ty thể, màng lục lạp được cấu tạo bởi hai lớp màng phospholipid kép nhưng màng trong không xẻ khúc mạnh thành các mào, mesosome... mà hai lớp màng khá bằng phẳng. Bên trong lục lạp được bao bọc bởi chất nền stroma, chứa hệ enzyme tham gia vào pha tối quá trình quang hợp.

Thylakoid cấu tạo bởi lớp phospholipid kép, màng thylakoid chứa các phức hệ quang hợp (sắc tố quang hợp), nơi thực hiện chuỗi truyền electron (thẳng hàng hoặc vòng) nhằm bơm proton H+ từ chất nền vào xoang thylakoid để bơm qua protein ATP synthase tổng hợp nên ATP cho nhằm phục vụ cho pha tối quá trình quang hợp. Thylakoid xếp chồng lên nhau tạo thành hạt grana (granum).

Bên cạnh đó, tương tự như ty thể, lục lạp có DNA vòng trần cho nên có khả năng nhân đôi độc lập với nhân tế bào. Ribosome của lục lạp cũng khá đặc biệt là ribosome 70S (giống như ribosome của vi khuẩn) trong đó ribosome của sinh vật nhân thực là 80S.

Ở động vật, do không có lục lạp nên cacbohydrate không được tổng hợp từ lục lạp. Tuy nhiên, ta cũng có bào quan khác tương tự thay thế đó chính là lưới nội chất (ER) trơn, là nơi tổng hợp nên lipid, cacbohydrate cho tế bào, dự trữ cation Ca2+ và khử độc cho tế bào.

Sắc tố quang hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Có khá nhiều loại sắc tố quang hợp như diệp lục, carotenoid, phycoblin, anthocyanine... Hầu hết chúng đều có bản chất là lipid (steroid) nên có tính kị nước do đó chúng hầu như không tan trong nước (ngoại trừ anthocyanine, có trong củ dền, tan mạnh trong nước do nó không có bản chất là lipid). Ở thực vật, sắc tố quang hợp chính là chlorophyll (mà cụ thể là chlorophyll a), các sắc tố phụ như chlorophyll b, caroteinoid, phycobilin... có vai trò hấp thụ năng lượng photon và truyền cho chlorophyll a trung tâm, bên cạnh đó sắc tố phụ cũng góp phần sưởi ấm cho tế bào.

Phổ hấp thụ của sắc tố[sửa | sửa mã nguồn]

Phổ hấp thụ của sắc tố là câu trả lời thích hợp nhất cho câu hỏi: "Tại sao lá cây có màu xanh?" và đáp án này đến từ chlorophyll của lục lạp trong tế bào lá cây (cụ thể là tế bào mô giậu). Ánh sáng lưỡng tính tức vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt (hạt photon ánh sáng), và mối quan hệ giữa bước sóng và năng lượng photon tỉ lệ nghịch với nhau. Nghĩa là ánh sáng có bước sóng càng nhỏ, năng lượng photon càng lớn như ánh sáng tím (có bước sóng ngắn trong các vùng ánh sáng nên năng lượng cao gấp đôi ánh sáng đỏ). Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều vùng màu xếp từ bước sóng dài đến ngắn là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Chlorophyll hấp thụ ánh sáng đỏ và tím mạnh nhất còn ánh sáng xanh hấp thụ kém nhất (gần như không hấp thụ). Do đó khi chiếu ánh sáng trắng vào chlorophyll thì chỉ có ánh sáng xanh lục không bị hấp thụ và phản xạ lại nên ta nhìn thấy lá cây có màu xanh. Nếu loại bỏ ánh sáng xanh lục thì quá trình quang hợp diễn ra vẫn bình thường, không ảnh hưởng

Pha sáng quá trình quang tổng hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Tìm hiểu thêm: Phản ứng oxy hóa - khử

Điều kiện xảy ra và bản chất của pha sáng quá trình quang hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Ảnh chụp hiển vi điện tử của một lục lạp: chồng grana được tạo bởi thylakoid - nơi xảy ra pha sáng quá trình quang hợp

Pha sáng quá trình quang hợp xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng. Ở tế bào thực vật, quá trình này diễn ra ở thylakoid trong lục lạp. Pha sáng thực chất là quá trình phosphoryl hóa (để tổng hợp ATP, adenosine triphosphate) và quá trình tổng hợp nên NADPH2 nhằm cung cấp năng lượng cho pha tối quá trình quang hợp. Vậy bản chất của pha sáng là chuyển năng lượng từ photon ánh sáng sang phân tử ATP, NADPH2 mà cụ thể là dưới dạng các liên kết hóa học trong ATP (liên kết cao năng của nhóm phosphate) và NADPH2.

Quang hệ PSI và PSII[sửa | sửa mã nguồn]

Quang hệ là phức hệ của protein với các sắc tố quang hợp. Mỗi quang hệ bao gồm các sắc tố phụ (như carotenoid, chlorophyll b...), đôi chlorophyll a trung tâm và một chất nhận electron sơ cấp. Có hai loại chlorophyll a trung tâm là P680 (tức chlorophyll a hoạt động hiệu quả nhất ở ánh sáng có bước sóng là 680) và P700 (tức chlorophyll a hoạt động tốt nhất ở ánh sáng có bước sóng là 700). Vậy quang hệ PSII thì đôi chlorophyll a trung tâm là P680, còn quang hệ PSI thì đôi chlorophyll a trung tâm là P700 (thứ tự I, II chỉ ra thời điểm phát hiện ra, nhưng quang hệ PSII hoạt động trước quang hệ PSI).

Pha sáng[sửa | sửa mã nguồn]

Có thể chia pha sáng thành tám giai đoạn:

Giai đoạn 1 (xảy ra ở quang hệ PSII). Photon ánh sáng va chạm vào sắc tố phụ 1, cung cấp năng lượng cho sắc tố phụ 1 nên electron của sắc tố phụ ấy bị bật lên mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích). Tuy nhiên, chỉ trong một thời gian ngắn sau, electron ấy rơi về vị trí cũ năng lượng tiếp tục truyền sang sắc tố phụ 2. Tiếp tục như ở sắc tố 1, electron bị bật lên và rơi về vị trí cũ. Quá trình tiếp diễn đến khi "lan truyền" tới đôi chlorophyll a trung tâm, khiến đôi chlorophyll a bị kích thích, làm electron bị bật lên nhưng không rơi vào vị trí ban đầu mà bị chất nhận electron sơ cấp hấp thụ. Lúc này, do mất electron nên đôi chlorophyll a P680 trở thành cation P680+, cation này là tác nhân oxy hóa vô cùng mạnh (mạnh nhất mà người ta tìm thấy trong các tác nhân oxy hóa sinh học).

Giai đoạn 2.

Ý nghĩa[sửa | sửa mã nguồn]

Là nguồn duy nhất để tạo ra năng lượng nuôi sống tất cả sinh vật trên Trái Đất; bù đắp lại những chất hữu cơ đã tiêu hao trong quá trình sống; cân bằng khí CO2 và O2 trong không khí; quang hợp liên quan đến mọi hoạt động sống kinh tế của con người.

Có thể phân chia vai trò của quang hợp ra làm ba mảng chính:

  • Làm cho không khí trong lành
  • Nhả khí ôxi ra môi trường ngoài cho con người,thực vật,động vật hô hấp
  • Chế tạo tinh bột làm thức ăn cho con người

Các giai đoạn chính của quá trình quang hợp:

  • Pha sáng: Pha sáng của quang hợp là pha chuyển hoá năng lượng của ánh sáng đã được diệp lục hấp thu thành năng lượng của các liên kết hoá học trong ATP và NADPH

Nơi diễn ra pha sáng là màng Tilacoid

  • Cách thức tiến hành: Trong pha sáng diễn ra quá trình quang phân ly nước (phân tử nước bị phân ly dưới tác động của năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ). Quá trình quang phân ly này diễn ra tại xoang của Tilacôit theo sơ đồ phản ứng sau:
2H2O ------> 4H + O2

Các electron xuất hiện trong quá trình quang phân ly nước đền bù lại các electron của diệp lục a bị mất khi diệp lục này tham gia truyền electron cho các chất khác. Các proton đến khử NADP+ (nicôtinamit ađênin đinuclêôtit phôtphat dạng ôxi hoá) thành dạng khử (NADPH) Phương trình tỏng quát pha sáng:

12H2O + 12NADP + 18ADP +18Pv ———————> 12O2 + 12NADPH + 18ATP

  • Sản phẩm của pha sáng gồm có: ATP, NADPH và ôxi
  • 2 pha tối: Pha tối (pha cố định CO2) diễn ra trong chất nền strôma của lục lạp

Chu trình Calvin[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Chu trình Calvin

Chu trình này do nhà bác học người Mĩ Calvin đưa ra vào 1951. Cơ sở của chu trình này là axit photphoglixeric(APG). Nhờ có ATP hình trong quá trình photphorin hóa quang hóa cung cấp năng lượng, axit photphoglixeric biến đổi thành axit diphotphoglixeric, sau đó lại bị khử bởi NADPH2 thành alđehyt photphoglixeric. Chu trình tiếp tục sẽ tạo thành các đường trioz, heo, heptoz để cuối cùng phục hồi chất nhận pentoz, nhận CO2 khép kín chu trình.

Chu trình Calvin gồm 3 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: CO2 bị khử để hình thành nên sản phẩm đầu tiên là axit photphoglixeric.

1.Ribulozodiphotphat(RiDP) được cacboxi hóa với xúc tác enzim RiDP-cacboxilaza để hình thành APG:

RiDP + CO2 ————————> cacboxi-ketopeltitol điphotphat
↓ phân hủy
2APG

2.APG nhờ có enzim photphoglixeratkianaza nên được photphorin hóa thành axit 1,3 diphotphoglixeric: APG + ATP —————> Axit diphotphoglixeric(ADPG) + ADP

  • Giai đoạn 2: ADPG bị khử tạo thành ALPG

3.Phản ứng xảy ra với sự tham gia của enzim glixeraldehitphotphatdehidrogenaza: ADPG + NADPH2 ————> ALPG + NADP

  • Giai đoạn 3: Phục hồi chất nhận RiDP

Bằng thí nghiệm ta có thể xác định được:

  • Lá chế tạo được tinh bột khi có ánh sáng.
  • Trong quá trình chế tạo tinh bột, lá nhả khí ôxi ra môi trường ngoài.

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă Bryant DA, Frigaard NU (tháng 11 năm 2006). “Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated”. Trends Microbiol. 14 (11): 488–96. PMID 16997562. doi:10.1016/j.tim.2006.09.001. 
  2. ^ “photosynthesis”. Online Etymology Dictionary. 
  3. ^ φῶς. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  4. ^ σύνθεσις. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  5. ^ Reece J, Urry L, Cain M, Wasserman S, Minorsky P, Jackson R. Biology . Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. tr. 235, 244. ISBN 0-321-73975-2. This initial incorporation of carbon into organic compounds is known as carbon fixation. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]