Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
Photosynthesis and Cell Signalling
Photosynthesis: two sets of reactions in two places
The light-dependent reactions happen on the thylakoid membranes. Light excites electrons in photosystem II; the lost electrons are replaced by photolysis, the splitting of water: $\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$. Every oxygen atom released by a plant comes from water, never from $\ce{CO2}$. Electrons pass down a chain, pumping $\ce{H+}$ into the thylakoid space; the gradient drives ATP synthase (photophosphorylation), and photosystem I finally reduces $\ce{NADP+}$ to NADPH.
The light-independent reactions (Calvin cycle) happen in the stroma. Rubisco fixes $\ce{CO2}$ onto the 5-carbon RuBP, giving two 3-carbon molecules of glycerate 3-phosphate (GP). ATP and NADPH from the light reactions reduce GP to triose phosphate; most triose phosphate is used to regenerate RuBP, and the rest leaves as sugar.
Absorption spectrum against action spectrum
An absorption spectrum plots how much light a pigment absorbs at each wavelength; an action spectrum plots the rate of photosynthesis at each wavelength. Their close match is evidence that chlorophyll drives photosynthesis. They do not match exactly, because accessory pigments such as carotenoids absorb wavelengths chlorophyll misses.
Limiting factors
Light intensity, $\ce{CO2}$ concentration and temperature can each limit the rate. Only one factor is limiting at a time: the curve rises steeply, then plateaus when something else becomes the constraint.
Cell signalling
A ligand is any signalling molecule; it binds a receptor that is complementary in shape, so only cells with that receptor respond. At a synapse, an action potential triggers release of a neurotransmitter into the cleft; it binds receptors on the post-synaptic membrane and is then broken down, so the signal is brief and one-way.
A neuron at rest sits at a resting potential of about $-70$ mV, held by the $\ce{Na+}/\ce{K+}$ pump ($3$ $\ce{Na+}$ out for $2$ $\ce{K+}$ in) and by leaky $\ce{K+}$ channels. If depolarisation reaches the threshold near $-55$ mV, voltage-gated $\ce{Na+}$ channels open and an action potential fires, all-or-nothing, to about $+40$ mV. Hormones instead travel in the blood, reach every cell but act only on target cells; water-soluble hormones bind surface receptors and work through a second messenger such as cyclic AMP, while steroid hormones cross the membrane and act on transcription directly.
Quang hợp: hai nhóm phản ứng ở hai nơi khác nhau
Light-dependent reactions (phản ứng sáng) diễn ra trên màng thylakoid. Ánh sáng kích thích electron ở photosystem II; chỗ electron mất đi được bù bằng photolysis — quang phân nước: $\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$. Ghi nhớ một câu để không mất điểm: mọi nguyên tử oxi cây nhả ra đều đến từ nước, không phải từ $\ce{CO2}$. Electron chạy xuống chuỗi truyền, bơm $\ce{H+}$ vào khoang thylakoid; gradient đó quay ATP synthase (photophosphorylation), còn photosystem I cuối cùng khử $\ce{NADP+}$ thành NADPH.
Light-independent reactions hay Calvin cycle diễn ra ở stroma. Enzyme rubisco gắn $\ce{CO2}$ vào RuBP (5 cacbon), tạo hai phân tử glycerate 3-phosphate (GP, 3 cacbon). ATP và NADPH từ phản ứng sáng khử GP thành triose phosphate; phần lớn triose phosphate quay lại tái tạo RuBP, phần dư mới đi ra thành đường.
Absorption spectrum khác action spectrum ở chỗ nào
Absorption spectrum đo sắc tố hấp thụ bao nhiêu ánh sáng ở từng bước sóng. Action spectrum đo tốc độ quang hợp thực tế ở từng bước sóng. Hai đồ thị gần trùng nhau chính là bằng chứng chlorophyll là sắc tố chạy quang hợp. Nhưng chúng không trùng khít, vì các accessory pigment như carotenoid hấp thụ được những bước sóng chlorophyll bỏ sót rồi chuyển năng lượng sang.
Limiting factors
Cường độ ánh sáng, nồng độ $\ce{CO2}$ và nhiệt độ đều có thể là yếu tố hạn chế. Nguyên tắc: tại mỗi thời điểm chỉ có một yếu tố đang hạn chế — đồ thị dốc lên rồi nằm ngang đúng lúc một yếu tố khác trở thành nút thắt.
Cell signalling: ligand, receptor và tính đặc hiệu
Ligand là phân tử tín hiệu; nó gắn vào receptor có hình dạng bù trừ. Chính chỗ này quyết định tính đặc hiệu: tín hiệu đi khắp nơi nhưng chỉ tế bào có receptor mới đáp ứng. Ở synapse, action potential tới đầu tận cùng làm giải phóng neurotransmitter vào khe; chất này gắn receptor ở màng sau rồi bị phân huỷ ngay, nên tín hiệu vừa ngắn vừa đi một chiều.
Neuron lúc nghỉ giữ resting potential khoảng $-70$ mV, nhờ bơm $\ce{Na+}/\ce{K+}$ (đẩy $3$ $\ce{Na+}$ ra, kéo $2$ $\ce{K+}$ vào) cộng với kênh $\ce{K+}$ rò. Khi khử cực chạm threshold khoảng $-55$ mV thì kênh $\ce{Na+}$ cổng điện thế mở và action potential bùng lên tới khoảng $+40$ mV theo luật tất cả hoặc không. Hormone thì đi bằng máu, tới mọi tế bào nhưng chỉ tác động lên tế bào đích; hormone tan trong nước gắn receptor bề mặt và hoạt động qua second messenger như cyclic AMP, còn hormone steroid xuyên thẳng qua màng và tác động lên phiên mã.
So tín hiệu thần kinh với tín hiệu nội tiết
- Đường đi: neuron dẫn dọc sợi trục tới đúng một đích; hormone khuếch tán khắp cơ thể theo máu.
- Tốc độ: thần kinh tính bằng mili giây; nội tiết tính bằng giây tới giờ.
- Thời gian kéo dài: thần kinh tắt ngay khi neurotransmitter bị phân huỷ; nội tiết kéo dài tới khi hormone bị gan phân giải.
Dựa vào hình phổ ở bài này. Một học sinh chiếu ánh sáng lục $550$ nm vào cây rong đuôi chó và vẫn đếm được bọt khí thoát ra, dù có tài liệu nói "chlorophyll không hấp thụ ánh sáng lục". Giải thích kết quả này, và nói rõ đồ thị nào trong hai đồ thị cho biết điều đó.
Bước 1 — sửa lại phát biểu ban đầu. Đồ thị cho thấy ở $550$ nm chlorophyll a còn hấp thụ khoảng $6$ và chlorophyll b khoảng $8$ trên thang phần trăm của giá trị lớn nhất. Con số nhỏ, nhưng khác không. Câu "không hấp thụ ánh sáng lục" là cách nói tắt sai; đúng ra là "hấp thụ ánh sáng lục kém nhất, nên phản xạ phần lớn và lá trông màu lục".
Bước 2 — đọc đúng đồ thị cần đọc. Câu hỏi về tốc độ quang hợp thì phải đọc action spectrum, không đọc absorption spectrum. Ở $550$ nm, action spectrum vẫn ở mức khoảng $30$ — tức khoảng một phần ba tốc độ cực đại. Bọt khí thoát ra là chuyện hoàn toàn dự đoán được.
Bước 3 — giải thích khoảng chênh. Action spectrum ($30$) cao hơn hẳn hấp thụ của chlorophyll ($6$–$8$) ở cùng bước sóng. Chênh lệch này không thể do chlorophyll, nên phải có sắc tố khác: accessory pigment, chủ yếu là carotenoid và xanthophyll. Chúng hấp thụ ở vùng chlorophyll yếu rồi truyền năng lượng kích thích về trung tâm phản ứng của photosystem.
Bước 4 — kết luận đúng lối IB. Rong vẫn quang hợp ở $550$ nm nhưng chậm hơn so với chiếu $430$ nm hoặc $662$ nm. Muốn kiểm chứng, học sinh nên đếm bọt khí ở cả ba bước sóng với cùng cường độ và cùng nhiệt độ, rồi so ba tốc độ — kết quả phải theo đúng thứ tự đọc được từ action spectrum.
Dựa vào đồ thị action potential ở bài này. Một nhà nghiên cứu kích thích cùng một neuron bằng ba mức cường độ và đo được số liệu sau.
| Kích thích | Khử cực đạt tới (mV) | Biên độ đỉnh (mV) | Số xung trong $100$ ms |
|---|---|---|---|
| Yếu | $-60$ | không có xung | $0$ |
| Vừa | $-52$ | $+40$ | $14$ |
| Mạnh | $-40$ | $+40$ | $58$ |
Giải thích trọn bộ ba hàng số liệu này bằng cơ chế kênh ion.
Hàng "yếu" — vì sao không có xung nào. Khử cực chỉ tới $-60$ mV, chưa chạm threshold $-55$ mV đọc được trên đồ thị. Số kênh $\ce{Na+}$ cổng điện thế mở ra còn quá ít, dòng $\ce{Na+}$ vào chưa thắng nổi dòng $\ce{K+}$ rò ra, nên màng bị kéo tuột về $-70$ mV. Đây là kích thích dưới ngưỡng, và nó không cho ra một xung "nhỏ" nào cả — nó không cho ra gì hết.
Hàng "vừa" — vì sao vọt hẳn lên $+40$ mV. Vượt $-55$ mV là kích hoạt vòng phản hồi dương: $\ce{Na+}$ vào làm màng dương hơn, màng dương hơn lại mở thêm kênh $\ce{Na+}$. Vòng này chạy tới hết cỡ, độc lập hoàn toàn với việc kích thích ban đầu mạnh cỡ nào. Đó là luật tất cả hoặc không.
Hàng "mạnh" — điểm mấu chốt của bảng. Khử cực tới $-40$ mV, mạnh hơn hàng trên nhiều, nhưng biên độ đỉnh vẫn đúng $+40$ mV. Biên độ do nồng độ $\ce{Na+}$ hai bên màng quyết định, không do cường độ kích thích. Cái thay đổi là tần số: từ $14$ lên $58$ xung trong cùng $100$ ms, tức hơn gấp bốn lần.
Vì sao tần số có trần. Sau mỗi xung có refractory period: kênh $\ce{Na+}$ bị bất hoạt và chưa mở lại được, cộng thêm giai đoạn hyperpolarisation kéo màng xuống $-80$ mV nên phải khử cực nhiều hơn mới chạm ngưỡng. Chính khoảng trơ này đặt trần cho tần số, và cũng chính nó buộc xung chỉ đi được một chiều dọc sợi trục.
Kết luận cho bài thi: hệ thần kinh mã hoá cường độ kích thích bằng tần số xung chứ không bằng biên độ xung.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme C1–C2 — Enzymes, Metabolism and Cell Signalling gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.