Quang hợp
0 Chẳng hạn, Sulfolobus brierleyi và một vài vi khuẩn khác có thể sinh trưởng hiếu khí nhờ oxy hoá sulfur với O 2 là chất nhận electron; khi vắng mặt Tính đa dạng của các cơ thể ...
Chẳng hạn, Sulfolobus brierleyi và một vài vi khuẩn khác có thể sinh trưởng hiếu khí nhờ oxy hoá sulfur với O2 là chất nhận electron; khi vắng mặt
| Cơ thể nhân thật | Cơ thể nhân nguyên thủy |
| Thực vật bậc cao | Vi khuẩn lam |
| Tảo đa bào màu lục, màu nâu và màu đỏ | Vi khuẩn sulfur màu lục, vi khuẩn không sulfur màu tía, Prochloron |
| Tảo đơn bào (tảo mắt, tảo giáp, tảo silic) |
Vi sinh vật thu được năng lượng không chỉ từ sự oxy hoá các hợp chất vô cơ và hữu cơ nhưng nhiều trong số chúng có thể thu nhận năng lượng ánh sáng (quang năng) và sử dụng năng lượng này để tổng hợp ATP và NADH hoặc NADPH (Hình 1). Quá trình trong đó quang năng được thu nhận và vận chuyển thành hoá năng gọi là quang hợp. Thường một cơ thể quang hợp khử và cố định CO2 và đây cũng là các phản ứng nằm trong quá trình trên. là một trong các quá trình trao đổi chất quan trọng nhất trên trái đất vì hầu hết năng lượng của chúng ta tựu trung đều bắt nguồn từ năng lượng mặt trời; năng lượng này cung cấp cho các sinh vật quang hợp ATP và NADPH dùng tổng hợp chất hữu cơ cần cho sinh trưởng. Các sinh vật quang hợp lại là cơ sở cho hầu hết các chuỗi thức ăn trong sinh quyển. cũng có chức năng bổ sung O2 cho con người, đây là quá trình quan trọng do nhiều cơ thể thực hiện, cả sinh vật nhân thật lẫn nhân nguyên thuỷ (bảng 6). Mặc dù con người thường gán quang hợp cho các thực vật bậc cao nhưng trên thực tế quá nửa quang hợp trên trái đất là do vi sinh vật góp phần.
Nhìn chung, có thể chia quang hợp thành hai phần. Trong các phản ứng sáng quang năng bị thu giữ và được chuyển thành hoá năng. Sau đó năng lượng này được dùng để khử hoặc cố định CO2 và tổng hợp các thành phần của tế bào trong các phản ứng tối.
Cấu trúc chlorophyll. Trong hình là cấu trúc của cholorophyll a, cholorophyll b và bacteriocholorophyll a. Chỉ 1 nhóm trong cholorophyll a bị thay đổi để sản ra cholorophyll b, trái lại để chuyển cholorophyll a thành bacteriocholorophyll a phải cần 2 sự cải biến trong hệ thống vòng. Chuỗi bên (R) của bacteriocholorophyll a có thể là phytil (1 chuỗi gồm 20C cũng gặp trong các cholorophyll a và b) hay geranilgeranil (1 chuỗi bên gồm 20C tương tự phytil nhưng nhièu hơn 3 nối đôi). (Theo: Prescott và cs, 2005)
Các sinh vật quang hợp đều có các sắc tố dùng hấp phụ ánh sáng trong đó sắc tố quan trọng nhất là cholorophyll (chất diệp lục). Đây là các vòng phẳng, lớn gồm 4 nhân pirol thay thế bởi 1 nguyên tử magiê phối hợp với 4 nguyên tử nitơ ở trung tâm (hình 26). Một số cholorophyll gặp ở sinh vật nhân thật mà quan trọng nhất là cholorophyll a và cholorophyll b (hình 26). Hai phân tử cholorophyll này hơi khác nhau về cấu trúc và các đặc tính quang phổ. Khi hoà tan trong axeton cholorophyll a có đỉnh hấp thụ ánh sáng ở 665 nm; còn cholorophyll b có đỉnh hấp thụ ở 645nm. Ngoài đặc tính hấp thu ánh sáng đỏ các cholorophyll cũng hấp thu mạnh ánh sáng xanh (đỉnh hấp thu thứ hai đối với cholorophyll a là ở 430nm). Vì các cholorophyll hấp thu chủ yếu trong vùng đỏ và xanh do đó ánh sáng lục được truyền qua. Hậu quả là các sinh vật quang hợp có màu lục. Đuôi dài kỵ nước gắn vào vòng cholorophyll giúp cho sắc tố này gắn vào màng là vị trí của các phản ứng quang.
Các sắc tố phụ tiêu biểu. Beta-caroten là 1 carotenoit gặp ở tảo và các thực vật cao cấp. Sắc tố này chứa 1 chuỗi dài của các nối đôi và nối đơn luân phiên gọi là các nối đôi tiếp hợp. Fucoxantin là 1 sắc tố phụ của carotenoit gặp trong một số ngành tảo (Dấu chấm trong cấu trúc biểu thị 1 nguyên tử C). Phycoxyanobilin là một ví dụ của tetrapirol đường thẳng liên kết với 1 protein để tạo thành phycobiliprotein. (Theo: Prescott và cs, 2005)
Các sắc tố quang hợp khác cũng thu giữ quang năng mà phổ biến nhất là carotenoit. Đây là các phân tử dài thường có màu vàng nhạt có một hệ thống liên kết kép tiếp hợp (hình 27). β-caroten gặp ở Prochloron và hầu hết các nhóm tảo; flucoxantin có mặt ở khuê tảo (diatoms), tảo giáp (Dinoflagellates) và tảo nâu (Phaeophyta). Tảo đỏ và vi khuẩn lam chứa các sắc tố quang hợp gọi là phycobiliprotein bao gồm một protein liên kết với một tetrapyrol (hình 27). Phycoerytrin là một sắc tố đỏ có đỉnh hấp thu cực đại ở 550nm và phycocyanin là sắc tố xanh (hấp thu cực đại ở 620-640nm).
Về vai trò trong quang hợp carotenoit và phycobiliprotein thường được coi là sắc tố phụ. Mặc dù các cholorophyll không thể hấp thu quang năng một cách có hiệu quả trong vùng xanh - lục đến vàng (khoảng 470-630nm) nhưng các sắc tố phụ hấp thu ánh sáng trong vùng này và truyền năng lượng thu được đến cholorophyll. Nhờ vậy chúng giúp cho quang hợp có hiệu quả hơn qua một vùng rộng hơn của chiều dài sáng. Các sắc tố phụ cũng bảo vệ vi sinh vật khỏi ánh sáng mặt trời gay gắt có thể oxy hoá và gây hư hại cho bộ máy quang hợp trong trường hợp thiếu chúng.
Các cholorophyll và sắc tố phụ được tập hợp thành từng dãy có tổ chức cao gọi là ăng-ten với chức năng tạo ra một diện tích bề mặt rộng dùng thu giữ các photon càng nhiều càng tốt. Mỗi ăngten chứa khoảng 300 phân tử cholorophyll. Quang năng được thu giữ trong một ăngten và được chuyền từ cholorophyll này sang sang cholorophyll khác cho đến khi đạt tới một cholorophyll đặc biệt ở trung tâm phản ứng; cholorophyll này trực tiếp tham gia vào việc vận chuyển electron quang hợp (hình 28).
Một chuỗi phản ứng quang hợp. Trung tâm phản ứng của vi khuẩn không sulfur màu tía Rhodopseudomonas viridis. Sơ đồ cận cảnh của các nhóm thêm ở trung tâm phản ứng. Trước hết 1 photon được hấp thu bởi 1 “cặp đặc biệt” của các phân tử bacteriocholorophyll a và kích hoạt chúng. Sau đó 1 electron được kích hoạt chuyển động tới phân tử bacteriopheophytin ở nhánh bên phải của hệ thống. (Theo: Prescott và cs, 2005)
Ở các tế bào nhân thật và vi khuẩn lam có hai loại ăngten liên két với hai hệ quang khác nhau. Hệ quang I hấp thu ánh sáng với bước sóng dài hơn (≥ 680nm) và chuyền năng lượng tới phân tử cholorophyll a đặc biệt gọi là P700. Thuật ngữ P700 có nghĩa rằng phân tử hấp thu ánh sáng hiệu quả nhất ở chiều dài sóng 700nm. Hệ quang II hấp thu ánh sáng ở các bước sóng ngắn hơn (≤680nm) và chuyền năng lượng tới cholorophyll đặc biệt P680.
Khi ăngten của hệ quang I chuyền quang năng tới cholorophyll P700 ở trung tâm phản ứng P700 sẽ hấp thu năng lượng và được kích hoạt khiến thế khử của nó trở nên rất âm. Sau đó P700 chuyền electron được kích hoạt hoặc electron cao năng cho một chất nhận đặc biệt có lẽ là một phân tử cholorophyll a đặc biệt (A) hoặc một protein sắt - sulfur (hình 29).
ở cây xanh. Dòng electron trong quang hợp ở thực vật bậc cao. Vi khuẩn lam và tảo nhân thật cũng tương tự như thực vật bậc cao ở chỗ đểu có 2 hệ quang mặc dù giữa chúng có những khác nhau về chi tiết. Các chất mang tham gia trong vận chuyển electron là ferredoxyn (Fd) và các protein FeS khác; các Cytochrome b 6 , b 563 và f; plastoquinon (PQ); plastoxyanin chứa đồng; pheophytin a (Pheo a); có thể cholorophyll a (A); và quinon Q chưa rõ có lẽ là plastoquinon. Cả hệ quang I (PS I) và hệ quang II (PS II) để tham gia vào quang phosphoryl hóa không vòng; chỉ PSI tham gia vào quang phosphoryl vòng. Phức hợp giải phóng oxy (OEC = oxygen evolving complex) lấy các electron từ nước chứa các ion mangan và chất Z có chức năng chuyển các electron tới trung tâm phản ứng của PSII. (Theo: Prescott và cs, 2005)
Cuối cùng electron được chuyền cho ferredoxyn, sau đó có thể được di chuyển theo một trong hai hướng. Theo con đường vòng electron di chuyển qua một dãy các chất mang electron và quay trở về P700 bị oxy hoá. Con đường được gọi là vòng vì electron từ P700 lại trở về P700 sau khi đã trải qua chuỗi vận chuyển electron quang hợp. Động lực proton (PMF) được hình thành trong việc vận chuyển electron vòng trong vùng của Cytochrome b6 và được sử dụng để tổng hợp ATP. Quá trình này được gọi là quang phosphoryl hoá vòng vì các electron di chuyển theo đường vòng và ATP được tạo thành. Chỉ hệ quang I tham gia vào quá trình này.
Các electron cũng có thể di chuyển theo đường không vòng với sự tham gia của cả hai hệ quang P700 được kích hoạt và chuyền các electron tới ferredoxyn như đã nói trên. Tuy nhiên trong con đường không vòng ferredoxyn bị khử sẽ khử NADP+ thành NADPH (Hình 29). Vì các electron cung cấp cho NADP+ không thể dùng để khử P700 bị oxy hoá nên sự tham gia của hệ quang II là cần thiết. Hệ này chuyền các electron cho P700 bị oxy hoá và sản ra ATP trong quá trình. Ăngten của hệ quang II hấp thu quang năng và kích hoạt P680, sau đó P680 khử pheophytin a. Pheophytin a chính là cholorophyll a nhưng ở đây hai nguyên tử hydro đã thay thế magiê ở trung tâm. Các electron chuyển tiếp cho Q (có lẽ là 1 plastoquinon) và xuôi theo chuỗi vận chuyển electon tới P700. Sau đó P680 bị oxy hoá nhận 1 electron từ sự oxy hoá của nước thành O2. Như vậy các electron di chuyển suốt từ nước đến NADP+ nhờ năng lượng từ hai hệ thống quang và ATP được tổng hợp nhờ quang phosphoryl hoá không vòng. Một ATP và 1 NADPH có thể được tạo thành khi 2 electron di chuyển qua con đường không vòng.
Cũng như sự vận chuyển electron ở ti thể, sự vận chuyển electron trong quang hợp diễn ra bên trong màng. Các màng dạng hạt của lục lạp chứa cả hai hệ thống và các ăngten. Màng tilacoit thực hiện quang phosphoryl hoá không vòng nhờ cơ chế hoá thẩm thấu. Các proton di chuyển vào bên trong tilacoit trong quá trình vận chuyển electron quang hợp và quay trở lại chất đệm (stroma) khi ATP được tạo thành. Các phiến của chất đệm có lẽ chỉ chứa hệ quang I và đơn độc tham gia vào quang phosphoryl hoá vòng. Ở vi khuẩn lam các phản ứng quang trong quang hợp cũng nằm bên trong các màng.
Các phản ứng tối cần 3ATP và 2NADPH để khử 1 CO2 và sử dụng CO2 để tổng hợp hidrat carbon (CH2O)
CO2 + 3ATP + 2NADPH + 2H+ + H2O → (CH2O) + 3ADP + 3Pi + 2NADP+
Hệ thống không vòng sản ra 1NADPH và 1ATP đối với mỗi cặp electron, do đó 4 electron đi qua hệ thống sẽ sản ra 2NADPH và 2ATP. Tổng cộng 8 lượng tử (quantum) của quang năng (4 lượng tử cho một hệ quang) là cần để đẩy 4 electron từ nước đến NADP+. Vì tỉ lệ của ATP đối với NADPH cần cho cố định CO2 là 3:2 nên ít nhất 1ATP nữa phải được cung cấp. Quang phosphoryl hoá vòng có lẽ hoạt động độc lập với việc sản ra ATP thêm này. Điều này đòi hỏi sự hấp thu 2-4 lượng tử nữa. Như vậy khoảng 10-12 lượng tử quang năng là cần để khử và cố định một phân tử CO2 trong quang hợp.
Cơ chế quang hợp. Trên đây là minh họa màng tilacoit của lục lạp chứng minh chức năng của chuỗi vận chuyển electron quang hợp và quang phosphoryl hóa không vòng. Chuỗi bao gồm 3 phức hợp: PSI, phức hợp Cytochrome bf và PSII. Dòng electron hướng dẫn bởi ánh sáng bơm các proton qua màng tilacoit và tạo ra 1 gradien điện hóa, sau đó gradien này có thể được dùng để tổng hợp ATP. Nước là nguồn electron và phức hợp giải phóng oxy (OEC) sản ra oxy (Theo Prescott và cs, 2005).
Vi khuẩn lục và vi khuẩn tía quang hợp khác với vi khuẩn lam và các cơ thể quang hợp nhân thật ở một số điểm quan trọng (Bảng 7). Đặc biệt, vi khuẩn lục và vi khuẩn tía không sử dụng nước là nguồn electron hoặc tạo thành O2 trong quang hợp nghĩa là chúng tiến hành quang hợp không thải O2. Trái lại, vi khuẩn lam và các sinh vật quang hợp nhân thật hầu như bao giờ cũng thải oxy (một số vi khuẩn lam có thể tiến hành quang hợp không thải oxy). Trong phản ứng sáng của quang hợp ở vi khuẩn tía NADPH không được tạo thành trực tiếp.
| Đặc tính | Sinh vật nhân thật | Vi khuẩn lam | Vi khuẩn màu lục và màu tía |
| Sắc tố quang hợp | Cholorophyll a | Cholorophyll a | Bacteriocholorophyll |
| Hệ quang II | Có mặt | Có mặt | Vắng mặt |
| Các chất cho electron quang hợp | H2O | H2O | H2, H2S, S, chất hữu cơ |
| Kiểu sản sinh O2 | Thải O2 | Thải O2* | Không thải O2 |
| Các sản phẩm sơ cấp của sự chuyển hóa năng luợng | ATP + NADPH | ATP + NADPH | ATP |
| Nguồn carbon | CO2 | CO2 | Carbon hữu cơ và/hoặc CO2 |
Tuy nhiên, vi khuẩn lục có thể khử NAD+ trực tiếp trong phản ứng sáng. Để tổng hợp NADH và NADPH vi khuẩn lục và vi khuẩn tía phải sử dụng các chất cho electron như hydro, sulfua hydro, sulfur nguyên tố và các hợp chất hữu cơ là các chất có thể khử âm hơn nước và vì vậy dễ oxy hoá hơn (nghĩa là các chất cho electron tốt hơn). Cuối cùng, vi khuẩn lục và vi khuẩn tía chứa các sắc tố quang hợp hơi khác nhau gọi là bacteriocholorophyll (Hình 26), nhiều trong số chúng có điểm cực đại hấp thu ở những bước sóng dài hơn. Các bacteriocholorophyll a và b có đỉnh cực đại trong ête lần lượt ở 775 và 790 nm. Đỉnh cực đại in vivo của bacteriocholorophyll a là khoảng 830-890 nm và của bacteriocholorophyll b là 1020-1040 nm. Sự chuyển dịch của cực đại hấp thu vào vùng hồng ngoại như vậy sẽ giúp cho vi khuẩn thích ứng tốt hơn với các ổ sinh thái.
Có 4 nhóm vi khuẩn quang hợp màu lục và màu tía, mỗi nhóm đều chứa một số chi: vi khuẩn sulfur (Chlorobium), vi khuẩn không-sulfur màu lục (Chloroflexus), vi khuẩn sulfur màu tía (Chromatium) và vi khuẩn không-sulfur màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas).
ở vi khuẩn không-sulfur màu tía. Hệ thống vận chuyển electron quang hợp ở vi khuẩn không sulfur màu tía, Rhodobacter sphaeroides. Sơ đồ trên là chưa hoàn toàn và mới là giả định. Ubiquinone (Q) rất giống với CoQ.BPh là bacteriopheophytin, NAD+ và succinat (nguồn electron) được đánh dấu. (Theo: Prescott và cs, 2005)
Do thiếu hệ quang II nhiều sự khác biệt gặp ở vi khuẩn màu lục và màu tía. Những vi khuẩn này không thể sử dụng nước làm chất cho electron trong sự vận chuyển electron không vòng. Thiếu hệ quang II chúng không thể tạo thành O2 từ H2O trong quá trình quang hợp và bị hạn chế ở quang phosphoryl hoá vòng. Trên thực tế hầu như tất cả vi khuẩn sulfur màu tía và vi khuẩn sulfur màu lục là bọn kỵ khí bắt buộc. Trên hình 31 là sơ đồ giả định đối với chuỗi vận chuyển electron quang hợp của một vi khuẩn không - sulfur màu tía.
Khi cholorophyll P870 đặc biệt của trung tâm phản ứng bị kích hoạt nó sẽ chuyền một electron cho bacteriopheophytin. Sau đó các electron di chuyển đến các quinon rồi qua một chuỗi vận chuyển electron lại trở về P870 đồng thời ATP được tổng hợp. Mặc dù cả vi khuẩn lục và vi khuẩn tía đều thiếu hai hệ quang nhưng vi khuẩn tía có một bộ máy quang hợp tương tự như hệ quang II, còn vi khuẩn sulfur màu lục có một hệ thống tương tự hệ quang I. Do cũng cần NADH và NADPH để cố định CO2 nên vi khuẩn lục và vi khuẩn tía còn phải đối mặt với một vấn đề nữa. Chúng có thể tổng hợp NADH theo ít nhất ba con đường. Nếu vi khuẩn đang sinh trưởng trong sự có mặt của H2 có thể khử âm hơn của NAD+, hydro có thể được sử dụng trực tiếp để sản ra NADH. Cũng như bọn hoá dưỡng vô cơ nhiều vi khuẩn tía quang hợp sử dụng PMF để đẩy ngược dòng electron trong chuỗi vận chuyển electron và chuyển các electron này từ các chất cho vô cơ hoặc hữu cơ tới NAD+ (Hình 31 và 32). Các vi khuẩn sulfur màu lục như Chlorobium có lẽ khử NAD+ nhờ một dạng đơn giản của dòng electron quang hợp không vòng (Hình 33).
Sự khử NAD ở vi khuẩn màu lục và vi khuẩn màu tía. Dòng electron ngược được sử dụng để khử NAD+. Mũi tên trong sơ đồ biểu thị 1 chuỗi vận chuyển electron chuyền ngược hướng nhờ động lực proton hoặc ATP, nghĩa là các electron di chuyển từ các chất cho với thế khử dương hơn tới 1 chất nhận (NAD+) với thế khử âm hơn. (Theo: Prescott và cs, 2005)
ở vi khuẩn sulfur màu lục. Hệ thống vận chuyển electron quang hợp ở vi khuẩn sulfur màu lục Chlorobium limicola. Quang năng được dùng để tổng hợp ATP nhờ quang phosphoryl hóa vòng và vận chuyển các electron từ chất cho S tới NAD+. Chuỗi vận chuyển electron chứa 1 quinon gọi là menaquinon (MK). (Theo: Prescott và cs, 2005)
