HOÁ HỌC
ĐƯỜNG & TINH BỘT
SỰ HÌNH THÀNH ĐƯỜNG &TINH BỘT TRONG TỰ
NHIÊN
1.Khái quát về quang hợp
Những hiểu biết đầu tiên về sự quang hợp
Joseph Priestley (Anh) vào năm 1772 đã làm thí nghiệm :
dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và
bên kia để một con chuột, sau một thời gian cả hai đều chết,
nhưng nếu để chúng ở chung với nhau thì chúng đều sống
⇒ Cây tạo ra oxy, mặc dù lúc đó người ta chưa biết được
các quá trình cũng như chưa biết được vai trò chính yếu của
ánh sáng trong sự quang hợp.
Trước đây, các nhà khoa học cho rằng oxy được tạo ra trong
quá trình quang hợp là từ CO
2
, nhưng ngày nay người ta
biết rằng O
2
là từ sự phân ly của những phân tử nước.

2H2O +sun 4 ion H+ + 4 đ i n t + O2ệ ử

Đồng thời người ta cũng biết rằng năng lượng để tách các
phân tử nước là từ ánh sáng mặt trời và được diệp lục tố
hấp thu. Ion H+ tự do và điện tử được tạo ra từ sự phân ly
của những phân tử nước được dùng để biến đổi CO2
thành carbohydrat và các phân tử nước mới:
CO2 + 4 ion H+ + 4 đi n t (CH2O) + H2Oệ ử

Tóm tắt hai phương trình trên:

CO2 + 2H2O (CH2O) + H2O + O2
Cây xanh
Cây xanh
Cây xanh

Một trong những sản phẩm của quang hợp là glucoz, một đường
6C nên có thể tóm tắt như sau:

6CO2 + 12 H2O + ánh sáng, di p l c tệ ụ ố

6O2 + C6H12O6 + 6H2O

Trong quang hợp, các phản ứng oxy hóa khử dùng năng lượng của
ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành
dạng đường giàu năng lượng. Có nghĩa là, ion H+ và điện tử do sự
phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO2 để tạo ra
hợp chất khử với đơn vị căn bản là CH2O, đồng thời năng lượng
từ ánh sáng mặt trời được dự trữ trong quá trình này. Trong sự
quang hợp, quan trọng nhất là cơ chế hấp thu và sử dụng năng
lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hydro và điện tử từ
nước đến CO2.
1. Tầng biểu bì trên; 2. Mô dậu; 3. Mô xôp; 4. Tầng biểu bì dưới; 5.
Cuticun; 6. Tế bào bảo vệ; 7. Lỗ khí; 8.Gân lá
Cấu tạo của
lá (cắt ngang)
a). Nhìn tổng thể;
b) Cắt dọc qua tâm
1. Tế bào biểu bì; 2. Vách trong
mỏng của tế bào bảo vệ; 3. Nhân
tế bào bảo vệ; 4. Lỗ khí; 5. Lục

lạp; 6. Tế bào bảo vệ
Cấu tạo lỗ khí
Lục lạp (a) và
Chlorophyll (b)
1. Phân tử chlorophyll
gắn trên màng
thylakoid;
2. Màng thylakoid;
3. Thylakoid;
4 Cột;
5. Đầu Porphyrin;
6. Đuôi hydratcarbon
1
2
3
4
5
6
Cấu tạo Chlorophyll. Chlorophyl gồm một đầu là phân tử porphyrin
và một đuôi hydratcabon, phân tử sắc tố có dạng mỏ neo hướng tới
vùng kỵ nước của phân tử protein gắn với màng của thylakoid. Chỉ
có sự sai khác của 2 phân tử chlorophyll là sự thay thế nhóm -CHO
(aldehyd) trong chlorophyll b bằng nhóm - CH3 (metyl) trong
chlorophyll a
Có hai màng bao bọc lục lạp, bên trong có chứa một hệ thống màng
làm thành các túidẹp thông với nhau được gọi là thylakoid. Một số
thylakoid có hình đĩa xếp chồng lên nhaunhư một chồng đồng xu gọi
là cột. Màng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoidvà
chất cơ bản của lục lạp.
Diệp lục tố và các sắc tố phụ cần thiết cho quá

trình quang hợp làm thành hai hệ thống quang I và
II, cả hai đều ở trên màng thylakoid. Mỗi hệ thống
quang chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, gồm từ 5
đến 10 LHC (light-harvesting complex), mỗi LHC
II gồm ba bán đơn vị, mỗi bán đơn vị gồm một
protein, 7 phân tử chlorophyll a, 5 chlorophyll b và
2 carotenoid. Mỗi hệ thống quang có một trung
tâm phản ứng gồm có 4 phân tử sắc tố, 4 phân tử
enzim tất cả được gắn với nhau nhờ một phân tử
protein.
Những phân tử sắc tố khác hoạt động như những anten, hai hệ
thống này hấp thu năng lượng của ánh sáng có độ dài sóng khác
nhau và truyền năng lượng về trung tâm phản ứng. Hệ thống
quang I chứa phức hợp trung tâm phản ứng P700 vì nó không thể
hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 700nm, hệ thống quang
II chứa phức hợp trung tâm phản ứng P680 vì nó không thể hấp
thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 680nm.
Hệ thống quang I Phức hệ b-f Hệ thống quang II Khử NADP
5
7
4
3
2
1
1
6

Trong hệ thống quang I, phân tử tiếp nhận điện tử đầu tiên là một
protein có chứa FeS.


P700 bị oxy hóa và chuyển điện tử cho protein - FeS nên protein này
bị khử. Sau đó điện tử từ FeS được một chất nhận điện tử kế tiếp tiếp
nhận. Trong mỗi chuỗi dẫn truyền điện tử chất nhận điện tử trở thành
chất khử và chất cho điện tử thành chất oxy hóa. Chất nhận điện tử thứ
hai là Fd. Chất nhận điện tử thứ ba trong chuỗi dẫn truyền điện tử là
phức hợp FAD sau đó nó chuyển điện tử cho NADP+ (nicotinamid
adenin dinucleotid phosphat), chất này ở trong cơ chất.

Mỗi phân tử NADP+ có thể nhận hai điện tử từ FAD và một ion
H+ từ cơ chất của lục lạp và bị khử thành NADPH. NADPH ở
trong cơ chất sẽ là chất cho điện tử trong sự khử CO2 thành
carbohydrat. Trong hệ thống quang II, trung tâm phản ứng sau
khi nhận năng lượng từ những phân tử sắc tố đưa tới trở thành
một chất có xu hướng cho điện tử mạnh. Chất nhận điện tử đầu
tiên là Q. Q chuyển điện tử vào một chuỗi dẫn truyền điện tử, đưa
điện tử từ hệ thống quang II đến hệ thống quang I, nơi đã mất
điện tử
Hệ thống vận chuyển điện tử trong quang hợp
1. Màng thylakoid; 2. Phức hệ anten; 3. Enzym phân ly nước; 4.
Gradient proton
1
2
3
4
2.ATP - nguồn năng lượng của tế bào

Phân tử ATP (adenosin triphosphat) gồm adenosin nối với ba gốc
phosphat là Adenosin_P ~ P ~ P.

Các nối giữa P thứ nhất và P thứ hai và nối giữa P thứ hai và P thứ ba

thường được gọi là nối phosphat giàu năng lượng.

Khi nối này bị thủy phân thành ADP và P sẽ phóng thích năng lượng
hữu dụng. ATP được thành lập và thủy phân trong tế bào.

Nếu nối phosphat cuối cùng bị thủy phân thì hợp chất còn lại là ADP
(adenosin diphosphat), nếu cả hai nối đều bị thủy phân thì chất còn lại
là AMP (adenosin monophosphat).

ATP + H2O enzm ADP + P + năng l ngượ

ADP + P + năng l ng enzim ATP + H2Oượ

Một ATP mới có thể được thành lập từ ADP và P vô cơ nếu đủ
năng lượng để thành lập cầu nối phosphat vào ADP.

Sự thêm gốc phosphat này được gọi là sự phosphoryl
hóa(phosphorylation).
ATP-3D ( Adenosin triphotphat)

Các phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp thường được gọi
là quang phosphoryl hóa, đó là sự sử dụng năng lượng ánh sáng để
gắn một P vô cơ vào một phân tử, thường là ADP. Người ta biết
rằng sự hấp thu năng lượng ánh sáng và sự phosphoryl hóa là
những phản ứng riêng biệt. Quá trình biến năng lượng ánh sang
thành năng lượng hóa học trong tổng hợp ATP được trình bày ở ví
dụ sau:
Phản ứng trung tâm chlorophyl đưa năng lượng hóaánh sáng điện tử cho đến
điện tử nhận và khử nó.Chlorophyl oxy hóa sau khi đa lấp đầy hố điện tử
bằng sự oxy hóa phân tử chất cho.

1. Điện tử cho; 2. Phân tử chlorophyll bị kích thích;3. Điện tử nhận;
4.Chlorophyll oxy hóa; 5. Chất nhận bị khử; 6.Chất cho oxy hóa;
7. Chất nhận bị khử
Sự biến đổi ánh sáng thành năng
lượng hóa học.
3.Chu trình Calvin -Benson
+Mclvin Calvin và cộng sự đa phát hiện ra bước đầu tiên, nên gọi là
chu trình Calvin.
+Họ nghiên cứu sự quang hợp của tảo và đã sử dụng carbon dioxyt
phóng xạ (
14
CO2).
+Họ đã phát hiện ra đầu tiên có sự gắn một phân tử đường có 5 carbon
là ribuloz 1,5-biphosphate (RuBP), ngay sau đó phân ly tạo thành 2
phân tử phosphoglycerate (PGA). Một trong 2 phân tử có nguyên tử
carbon phóng xạ
Bước cơ bản của chu trình Calvin
Người ta đa tóm tắt chu trình Calvin theo 3 bước sau:

1). Chu trình bắt đầu khi nguyên tử carbon từ phân tử
CO2 được gắn vào phân tử 5 carbon (nguyên liệu ban
đầu). Kết quả tạo thành phân tử có 6 carbon không bền
và ngay lập tức phân ly thành 2 phân tử có 3 carbon.

2). Sau đó trải qua một loạt phản ứng, năng lượng từ
ATP và hydro từ NADP (sản phẩm của phản ứng sáng =
pha sáng) đưa đến cho phân tử có 3 carbon. Tiếp theo là
sự khử phân tử có 3 carbon thành glucoz hoặc dùng để
tạo thành các phân tử khác.


3). Tất cả sự khử phân tử 3 carbon được dùng để tái tao
nguyên liệu ban đầu có 5 carbon nhằm hoàn thành chu
trình
Các bước thực hiện chu trình Calvin

Các phản ứng để tổng hợp carbohydrat từ CO2 sử dụng ATP và
NADP hay NADN (nicotiamit ađenin đinucleotit) được tạo ra
trong pha sáng thường được gọi là những phản ứng tối vì nó có thể
xảy ra trong tối, chỉ cần có đủ ATP và NADP Những phản ứng này
đòi hỏi những sản phẩm của pha sáng, nhưng nó không trực tiếp
sử dụng ánh sáng. Tuy nhiên, ở hầu hết thực vật, sự tổng hợp
carbohydrat chỉ xảy ra ban ngày, ngay sau khi ATP và NADP
được tạo ra.

Sự khử CO2 nghèo năng lượng để tạo ra đường giàu năng lượng
diễn ra qua nhiều bước, mỗi bước được một enzim xúc tác.

CO2 được đưa lên một gradient năng lượng cao hơn qua một
chuỗi hợp chất trung gian không bền để tạo ra sản phẩm cuối
cùng giàu năng lượng là carbohydrat.

Có thể giải thích tóm tắt các bước cơ bản là cố định CO2, chuyển
hóa CO2 và tái tạo chất nhận của chu trình Calvin -Benson như
sau