Điều kiện xảy ra và bản chất của 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

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).

Quang phân ly

Xét phương trình đơn giản của quang hợp như sau:

6 CO 2 + 12 H 2 O → c h l o r o p h y l l p h o t o n C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ↑ + 6 H 2 O {\displaystyle {\ce {6CO_2 + 12H_2O ->[{photon}][{chlorophyll}] C_6H_12O_6 + 6O_2 ^ + 6H2O}}}

Trước đây, người ta quan niệm rằng khí oxi sinh ra từ quá trình quang hợp do sự phân hủy của CO2 thành khí O2 và C. Sau đấy C liên kết với các phân tử nước H2O tạo thành đường glucose cần thiết cho sinh vật C6H12O6 và một số carbohydrate Cm(H2O)n như đường fructose C12H22O11. Tuy nhiên, một số nhà khoa học đã phản đối quan niệm truyền thống này. Họ tiến hành nhiều thí nghiệm để phản bác lí thuyết ấy và cuối cùng họ đã thành công. Dưới đây là hai thí nghiệm tiêu biểu khẳng định khí O2 không sinh ra từ CO2 mà từ H2O.

Thí nghiệm của van Niel

Trong những năm 30 của thế kỉ XX, giáo sư C. B van Niel từ trường đại học Stanford, Hoa Kỳ đã tiến hành thí nghiệm như sau: ông nuôi cấy vi khuẩn lưu huỳnh tía Chromatiales trong môi trường có CO2. Vi khuẩn này là vi khuẩn có kiểu dinh dưỡng quang tự dưỡng nhưng không giống thực vật hay vi khuẩn lam, chúng không sử dụng H2O mà thay vào đó là hydro sunfua H2S cho quá trình quang tự dưỡng của chúng như sau:

6 CO 2 + 12 H 2 S → c h l o r o p h y l l p h o t o n C 6 H 12 O 6 + 12 S ↓ + 6 H 2 O {\displaystyle {\ce {6CO2 + 12H2S ->[{photon}][{chlorophyll}] C_6H_12O_6 + 12S v + 6H_2O}}}

Bacteriachlorophyll (khuẩn diệp lục) là một chlorophyll được sử dụng trong quá trình quang hợp ở nhóm vi sinh vật này. Vậy theo quan niệm truyền thống nếu O2 sinh ra từ CO2 thì ở vi khuẩn lưu huỳnh tía người ta phải tìm thấy khí O2 sinh ra. Nhưng ở nhóm vi sinh vật này, CO2 không sinh ra khí O2 mà thay vào đó tạo ra các giọt màu vàng của lưu huỳnh S. Vậy lưu huỳnh được sinh ra do H2S phân li ra S.

Van Niel giải thích rằng vi khuẩn phân ly H2S và dùng các proton H+, electron e- để tạo ra đường và giải phóng O2 như một sản phẩm phụ.

Từ đấy, xét lại phương trình quang hợp của thực vật, tương tự có thể kết luận rằng O2 sinh ra do H2O phân li ra tạo thành hay H2O phân li ra O2 nhằm lấy hydro để tổng hợp nên carbonhydrate và thải khí O2 như sản phẩm phụ. Đồng thời, van Niel cũng rút ra được phương trình chung cho quá trình quang hợp ở sinh vật quang tự dưỡng:

CO 2 + 2 H 2 X ⟶ [ CH 2 O ] + H 2 O + 2 X {\displaystyle {\ce {CO_2 + 2H_2X -> [CH_2O] + H_2O + 2X}}}

Thí nghiệm đánh dấu phóng xạ

Gần hai mươi năm sau khi van Niel đưa ra giả thuyết, các nhà khoa học đã chứng minh giả thuyết ấy là đúng nhờ sử dụng oxy-18 O 8 18 {\displaystyle {\ce {^{18}_{8}O}}} , một đồng vị nặng để quan sát đường di chuyển của nguyên tử oxy trong quá trình quang hợp. Nếu đánh dấu đồng vị 18O vào nguyên tử oxi trong phân tử CO2 thì khí oxi sinh ra không có 18O mà thay vào đó lại thấy ở carbohydrate C6H12O6 sinh ra và nước H2O giải phóng ra. Nhưng nếu đánh dấu đồng vị 18O vào nguyên tử oxi trong phân tử H2O thì lại chỉ tìm thấy duy nhất 18O khí O2 sinh ra.

Vậy khí O2 sinh ra do H2O phân ly tạo thành.

Phương trình tổng quát của quang phân ly

H 2 O → q u a n g n ă n g 2 H + + 2 e − + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {H_2O ->[{quang năng}] 2H^+ + 2e^- + 1/2O_2}}}

Trong đó hai proton H+ tham gia vào chuỗi truyền electron còn 2 electron sẽ bổ sung cho đôi chlorophyll a P680 trung tâm của quang hệ II, còn khí O2 thải ra ngoài môi trường.

Chuỗi truyền electron thẳng hàng

Chuỗi truyền electron thẳng hàng là chuỗi truyền electron phổ biến ở thực vật. Quá trình ấy được tóm tắt bằng sơ đồ chữ Z như sau:

1. Photon ánh sáng va chạm vào phân tử sắc tố của quang hệ PSII khiến electron của phân tử ấy bị kích thích bật lên mức năng lượng cao hơn. Nhưng nhanh chóng electron lại bị sụt thế, "rơi" lại vị trí ban đầu và năng lượng tiếp tục chuyền cho phân tử khác. Phân tử khi nhận năng lượng, electron của phân tử ấy bị kích thích và tiếp tục bị bật lên mức năng lượng cao hơn rồi nhanh chóng sụt xuống ban đầu. Quá trình này tiếp diễn nhau tạo thành một chuỗi liên tục đến khi năng lượng được truyền tới cặp phân tử chlorophyll a trung tâm P680 của PSII.
2. Chuỗi truyền electron thẳng hàng ở màng thylakoids tổng hợp ATP cho pha tối (quang phosphoryl hóa)Đôi phân tử chlorophyll P680 bị kích thích khiến cặp electron bị bật lên mức năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, cặp electron này không quay trở về vị trí ban đầu mà bị chất nhận electron sơ cấp hút. Vậy cặp chlorophyll P680 bị mất electron trở thành cation P680+.
3. Cation P680+ là chất oxy hóa cực mạnh nên H2O phân ly thành hai proton H+, hai electron e- và phân tử O2. Hai electron này được bổ sung cho cation P680+ trở thành phân tử bình thường P680
4. Cùng lúc ấy, ánh sáng cũng kích thích các phân tử sắc tố của quang hệ PSI đến khi đôi phân tử chlorophyll a trung tâm của PSI là P700 bị kích thích khiến electron bị bật lên chất nhận electron sơ cấp của PSI. Đôi chlorophyll a P700 bị mất electron nên trở thành chất oxy hóa P700+.
5. Đôi electron từ chất nhận electron sơ cấp của PSII sẽ được chuyền tới đôi P700+ của PSI biến P700+ thành P700 thông qua các chất vận chuyển electron là pheophytin, plastoquinone, phức hợp cytochrome b6f, plastocyanin.
6. Sự sụt thế của electron thông qua chuỗi chuyền electron cung cấp năng lượng cho sự tổng hợp ATP. Khi electron di chuyển thông qua phức hệ cytochrome đã xác lập sự bơm proton đã xác lập gradient mà về sau được sử dụng cho cơ chế hóa thẩm.
7. Đôi electron từ chất nhận electron sơ cấp của PSI tiếp tục xuôi theo chuỗi truyền electron thứ hai thông qua protein ferredoxin. (Chuỗi chuyền này không tạo ra sự chênh lệch về nồng độ proton nên không tạo ra ATP).
8. Enzyme NADP+ reductase xúc tác NADP+ bị khử thành NADPH nhờ đôi electron và hai proton H+.