Bài giảng Hóa sinh thực vật - Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp

Tài liệu tham khảoLê Doãn Diên: Hoá sinh thực vật, NXB Nông Nghiệp, 1993.Phạm Thị Trân Châu, Cs: Hoá sinh học, NXB Giáo Dục, 1997.Nguyễn Tiến Thắng, Cs: Giáo trình sinh hóa hiện đại, NXB Giáo Dục, 1998.Ngô Xuân Mạnh, Cs: Giáo trình hóa sinh thực vật, NXB Nông nghiệp, 2006.P.M. Dey and J.B. Harborne: Plant biochemistry. 1997.David L. Nelson and Michael M. Cox: Lehninger principles of biochemistry-third edition -1999.HÓA SINH THỰC VẬTHóa sinh thực vậtMỞ ĐẦU- Đối tượng, nhiệm vụ của hoá sinh học.+ Hóa sinh học là một khoa học.+ Nghiên cứu thành phần hóa học và quá trình chuyển hóa trao đổi chất trong cơ thể thực vật.- Lược sử môn học:+ Hóa sinh học là một khoa học độc lập từ nủa sau thế kỷ XIX.+ Trong thế kỷ XX hóa sinh học đã phát triển mạnh mẽ và đạt được thành tựu cao trong nhiều lĩnh vực.Ý nghĩa của việc học tập và nghiên cứu về hóa sinh thực vật:+ Xác định các thành phần hóa học của thực vật.+ Nghiên cứu các giai đoạn của quá trình trao đổi chất.+ Mối quan hệ của trao đổi chất với các chức năng sinh lý trong cơ thể thực vật.+ Hóa sinh tực vật có ý nghĩa to lớn trong nông nghiệp, y học.Hóa sinh thực vậtNội dung Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương II: Carbonhydrate và trao đổi carbonhydrate trong cơ thể thực vật.Chương III: Protein và sự trao đổi protein trong cơ thể thực vật.Chương IV: Enzyme - các chất xúc tác sinh học.Chương V: VitamineChương VI: Lipid và sự trao đổi lipid trong cơ thể thực vật.Chương VII: Các chất có nguốn gốc thứ cấp Hóa sinh thực vậtCHƯƠNG I: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC VÀ SỰ QUANG HỢPMỤC TIÊU 1. Hiểu được bản chất của quá trình oxy hóa phosphoryl hóa và quang phosphoryl hóa2. Lý thuyết hóa thấm của Michell3. Quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ và quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ4. Chu trình Calvin (C3), Chu trình Hatch-Slack (C4), CAMChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp	1. Giới thiệu chung: - 	Quá trình oxy hóa phosphorylhóa là quá trình chuyển e- thông qua NADH và FAD để khử O2 thành H2O. - 	Quá trình quang phosphoryl hóa là quá trình vận chuyển e- tới NADP+ và phân ly H2O thành O2 nhờ quang năng. Ty thểMàng trong ty thể: chứa các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử.Màng ngoài ty thể: cho phép các phân tử nhỏ và các ion xuyên qua. Phức chất vận chuyển điện tử trên màng trong ty thể:+ Vận chuyển trực tiếp e-: thí dụ như hệ Fe+3/Fe+2.+ Vận chuyển nguyên tử hydrogen (H+ và e-).+ Vận chuyển 2e- ở dạng ion hydride (:H-).+ Gắn trực tiếp nguyên tử oxygen lên chất khử hữu cơ Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpSự thay đổi thể tích ty thể:+ Biến đổi thể tích bị động: do tính thấm của môi trường quyết định  khi trương phồng có thể làm kìm hãm oxy hóa phosphoryl hóa + Biến đổi thể tích chủ động: liên quan đến dòng vận chuyển điện tử và phosphoryl hóa Màng trong của ty thể có 5 hệ protein thâm nhập:+ NADH-ubiquinone oxydoreductase+ Succinate-ubiquinone oxydoreductase+ Ubiquinone-cytochrom c oxydoreductase+ Cytochrom c-O2 oxydoreductase+ ATP-aseChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp2. Tổng hợp ATP nhờ dòng vận chuyển điện tử trong chuỗi hô hấp:ATPase là phức protein màng rất phức tạp: + Phức F0: gồm 9 – 12 bản sao của 4 sợi polypeptide khác nhau.	+ Phức F1: có cấu tạo từ 6 tiểu đơn vị chứa tâm gắn ADP Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpLý thuyết hóa thấm: + Do Peter Michell đưa ra vào năm 1961.+ Hiệu số nồng độ proton H+ giữa hai phía của màng trong ty thể là động lực quan trọng cho quá trình tổng hợp ATP từ ADP và Pi. ADP + Pi + H+ ngoài  ATP + H2 + H+trong Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpLý thuyết hóa thấm.Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpOxy hóa phosphoryl hóaNăng lượng giải phóng trong các phản ứng oxy hóa NADH, FADH2 có thể được dùng để tổng hợp ATP. Vì vậy kiểu tổng hợp ATP này là Phosphoryl hóa oxy hóa trong chuỗi hô hấp. Năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử này sau đó được enzyme ATP-ase dùng để tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3. Quá trình quang hợpQuang hợp là quá trình mà sinh vật sử dụng năng lượng hoá học của ánh sáng mặt trời thành những dạng năng lượng có khả năng khử như NADPH hoặc NADH và ATP, đồng thời sử dụng nguồn năng lượng này để tổng hợp nên đường. - Quá trình quang hợp rất phức tạp nhưng phương trình tổng quát lại đơn giản:	CO2 + H2O 	O2 + (CH2O)Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpQuá trình quang hợp gồm hai phase:+ Pha sáng: chlorophyll và các sắc tố khác có mặt trong lục lạp hấp thu quang năng tạo ra các phân tử giàu năng lượng ATP, NADPH và O2.+ Pha tối: ATP, NADPH được sử dụng để cố định CO2 thành glucose. Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpCấu tạo của lục lạp:+ Màng ngoài cho phép các phân tử và các ion qua lại dễ dàng.+ Màng trong của bản diệp lục xếp nếp tạo thành nhiều ngăn nhỏ gọi là thylakoid. Các ngăn này xếp chồng lên nhau tạo thành khối gọi là grana. Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3.1. Sự sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp ATP và NADH:Sắc tố chính hấp thu ánh sáng nằm trong màng thylakoid là chl a và chl b.Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3.2. Sự hấp thu ánh sáng, vận chuyển năng lượng và quang hoá học 	Những phân tử chlorophyll và các sắc tố khác tạo thành các phức hợp anten có nhiệm vụ hấp thu và tập trung ánh sáng vào trung tâm hoạt động. Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpTrên cơ sở của dòng vận chuyển điện tử mà chia làm hai cơ chế quang hóa đó là:+ Quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ: liên quan đến hoạt động của dòng vận chuyển điện tử theo mạch kín và chỉ xảy ra ở quang hệ thống I.+ Quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ liên quan tới cả hai hệ thống quang hóa.Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpQuang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ:Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3.3. Chu trình Benson-Calvin: NADPH và ATP hình thành trong pha sáng của quang hợp được lục lạp sử dụng để tổng hợp glucid và các hợp chất hữu cơ khác.Sau nhiều năm nghiên cứu (1946-1961) Melvin Canvil đã nghiên cứu quá trình cố định CO2 trong pha tối của quang hợp đã phát hiện ra trật tự các phản ứng gọi là chu trình Calvin (chu trình C3) do sản phẩm đầu tiên hình thành là một hợp chất 3-C là 3-phosphoglycerate.Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpChương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3.4. Chu trình Hatch-Slack (Đường hướng C4):M.D. Hatck (người Úc) và Slack(người Anh) đã phát hiện một cơ chế sinh hoá ở cây mía và một số thực vật nhiệt đới khác, trong đó sản phẩm đầu tiên của quá trình khử CO2 là một hợp chất 4C đó là acid oxaloacetic. Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpSơ đồ chu trình C4:Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợp3.4. Con đường carbon của thực vật CAM:Chương I: Năng lượng sinh học và sự quang hợpNhư vậy ta có mối liên hệ giữa pha sáng và pha tối như sau:	 H2O	O2 Ánh sáng	 ATP	NADPH ADP NADP+	CO2	 glucosePhản ứng sángChuỗi phản ứng trong chu trình CalvinCâu hỏiBản chất của quá trình oxy hóa phosphoryl hóa và quang phosphoryl hóaGiải thích bản chất của lý thuyết hóa thấm.Trình bày quá trình quang phosphoryl hóa có tính chu kỳ và quang phosphoryl hóa không có tính chu kỳ.Những nét khác biệt trong quá trình quang hợp của thực vật C3 và C4