Mục lục bài họcĐang ở d10-b1
The Chloroplast and the Light-Dependent Stage
The chloroplast is built for two different jobs
A chloroplast is surrounded by a double membrane. Inside, a system of flattened sacs called thylakoids is stacked into grana, and the stacks are joined by intergranal lamellae. The thylakoid membranes carry the photosystems, the electron carriers and ATP synthase, so this is where the light-dependent reactions happen; stacking increases the surface area available for them. Surrounding the grana is the stroma, a fluid containing the enzymes of the Calvin cycle, together with circular DNA, $70$S ribosomes, starch grains and lipid droplets. The two reactions are therefore separated in space but linked by two products.
The light-dependent reactions
Light striking chlorophyll in photosystem II raises electrons to a higher energy level and they leave the molecule. They are replaced by electrons from the photolysis of water: $\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$. This is the only source of the oxygen released by a plant. The excited electrons pass along carriers in the thylakoid membrane, and the energy released pumps hydrogen ions into the thylakoid space, creating a gradient used by ATP synthase to make ATP. This is photophosphorylation, and it is chemiosmosis again. In non-cyclic photophosphorylation the electrons end up at photosystem I and are used with hydrogen ions to reduce NADP. In cyclic photophosphorylation only photosystem I is involved and the electrons return to it; this makes ATP but no reduced NADP and no oxygen.
Pigments
Chlorophyll $a$ and $b$ absorb strongly in the blue and red regions and reflect green, which is why leaves look green. An absorption spectrum shows how much light of each wavelength a pigment absorbs; an action spectrum shows the rate of photosynthesis at each wavelength. The close match between them is evidence that these pigments are the ones driving photosynthesis. Pigments are separated by chromatography and identified by their $R_f$ value, the distance moved by the pigment divided by the distance moved by the solvent front.
Lục lạp được dựng cho hai công việc khác nhau
Lục lạp có màng kép bao ngoài. Bên trong là hệ túi dẹt gọi là thylakoid, xếp chồng lên nhau thành grana, và các chồng được nối với nhau bằng phiến giữa các grana. Màng thylakoid mang hệ quang, các chất mang electron và ATP synthase, nên đây là nơi diễn ra pha sáng; việc xếp chồng làm tăng diện tích cho các cấu trúc đó. Bao quanh các grana là stroma, một khối dịch chứa enzyme của chu trình Calvin, cùng với DNA vòng, ribosome $70$S, hạt tinh bột và giọt lipid. Hai pha vì thế tách nhau về không gian nhưng nối với nhau bằng hai sản phẩm.
Pha sáng
Ánh sáng đập vào chlorophyll của hệ quang II đẩy electron lên mức năng lượng cao hơn và chúng rời khỏi phân tử. Chúng được thay thế bằng electron từ quang phân li nước: $\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$. Đây là nguồn duy nhất của oxygen mà cây thải ra. Các electron bị kích thích đi dọc chuỗi chất mang trên màng thylakoid, và năng lượng giải phóng dùng để bơm ion hydrogen vào lòng thylakoid, tạo chênh lệch cho ATP synthase tổng hợp ATP. Đó là photophosphorylation, và về cơ chế thì đúng là hoá thẩm một lần nữa. Trong non-cyclic photophosphorylation, electron kết thúc ở hệ quang I và cùng với ion hydrogen khử NADP. Trong cyclic photophosphorylation chỉ hệ quang I tham gia và electron quay về chính nó; con đường này tạo ATP nhưng không tạo NADP khử và không thải oxygen.
Sắc tố
Chlorophyll $a$ và $b$ hấp thụ mạnh ở vùng xanh lam và vùng đỏ, phản xạ ánh sáng lục — đó là lý do lá có màu xanh lục. Absorption spectrum cho biết sắc tố hấp thụ bao nhiêu ở mỗi bước sóng; action spectrum cho biết tốc độ quang hợp ở mỗi bước sóng. Việc hai đường khớp nhau là bằng chứng rằng chính các sắc tố đó điều khiển quang hợp. Sắc tố được tách bằng sắc ký và nhận diện bằng trị số $R_f$, tức quãng đường sắc tố đi được chia cho quãng đường dung môi đi được.
Giải thích vai trò của quang phân li nước trong pha sáng, nêu cả ba sản phẩm của nó và cho biết mỗi sản phẩm đi đâu.
Vì sao phải có bước này. Khi ánh sáng đập vào chlorophyll của hệ quang II, electron bị đẩy lên mức năng lượng cao và rời khỏi phân tử. Chlorophyll lúc đó thiếu electron và sẽ không hoạt động được nữa nếu không có nguồn bù. Quang phân li nước chính là nguồn bù đó.
Phương trình: $\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$.
Sản phẩm 1 — electron. Chúng thay chỗ những electron vừa rời khỏi chlorophyll ở hệ quang II, giữ cho hệ quang tiếp tục làm việc.
Sản phẩm 2 — ion hydrogen. Chúng tích lại trong lòng thylakoid và góp vào chênh lệch dùng cho ATP synthase; cuối cùng chúng cùng electron khử NADP thành NADP khử ở phía stroma.
Sản phẩm 3 — oxygen. Đây là sản phẩm phụ, và là nguồn duy nhất của oxygen mà cây thải ra. Thí nghiệm dùng đồng vị đánh dấu chứng minh rằng oxygen thải ra đến từ nước chứ không đến từ carbon dioxide — một câu hỏi kinh điển của phần này.
Hệ quả cần nhớ: vì chỉ con đường không vòng mới dùng tới hệ quang II, chỉ con đường đó mới có quang phân li nước, mới tạo NADP khử và mới thải oxygen.
Trên một sắc ký đồ sắc tố lá, dung môi đi được $12{,}0$ cm tính từ vạch xuất phát. Một vệt màu vàng có tâm nằm cách vạch xuất phát $4{,}2$ cm. Tính $R_f$, và nêu hai điều phải giữ giống nhau nếu muốn dùng $R_f$ để nhận diện sắc tố.
Bước 1 — công thức. $R_f = \dfrac{\text{quãng đường sắc tố đi được}}{\text{quãng đường dung môi đi được}}$. Cả hai đều đo từ vạch xuất phát, và đo tới tâm của vệt.
Bước 2 — thay số. $R_f = 4{,}2 \div 12{,}0 = 0{,}35$.
Bước 3 — kiểm tính hợp lý. $R_f$ luôn nằm giữa $0$ và $1$, vì sắc tố không bao giờ đi xa hơn dung môi. Ra một số lớn hơn $1$ nghĩa là đã đảo tử số với mẫu số.
Hai điều phải giữ giống nhau. Thứ nhất là dung môi: trị số $R_f$ phụ thuộc vào độ tan của sắc tố trong dung môi đó, nên đổi dung môi là mọi trị số đổi theo. Thứ hai là loại giấy hoặc bản mỏng, vì lực giữ sắc tố lại của pha tĩnh cũng quyết định quãng đường nó đi.
Chi tiết thực hành hay bị hỏi: vạch xuất phát phải nằm trên mực dung môi. Nếu nhúng ngập vạch, sắc tố tan thẳng vào dung môi trong bình và không chạy lên giấy, nên không tách được gì.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Photosynthesis gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.