Bài 17. Quang tổng hợp và hóa tổng hợp

I. QUANG TỔNG HỢP (QUANG HỢP)

1. Khái niệm
- Quang hợp là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ từ các nguyên liệu vô cơ. Trong sinh giới, chỉ có thực vật, tảo và một số vi khuẩn có khả năng quang hợp.
- Phương trình tổng quát:

CO2 + H2O + Năng lượng ánh sáng → (CH2O) + O2

2. Sắc tố quang hợp
- Là các phân tử hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng.
- Có 3 nhóm sắc tố: chlorophyll (diệp lục - sắc tố chính), carotenoit (sắc tố vàng, da cam, hay tím đỏ - sắc tố phụ) và phycobilin ở thực vật bậc thấp. Vi khuẩn quang hợp chỉ có chlorophyll.
- Đặc điểm: thực vật sống ở môi trường khác nhau có màu sắc khác nhau do tỉ lệ các chất sắc tố khác nhau.
- Sắc tố quang hợp hấp thụ ánh sáng mạnh nhất ở miền đỏ, xanh tím. Diệp lục có khả năng hấp thu ánh sáng co chon lọc, tham gia trực tiếp trong các phản ứng quang hóa. Các sắc tố phụ hấp thu khoảng 10-20% tổng năng lượng do lá cây hấp thu được. Khi cường độ ánh sáng quá cao, các sắc tố phụ có tác dụng bảo vệ diệp lục khỏi bị phân hủy.
3. Cơ chế quang hợp
Quá trình quang hợp được chia thành 2 pha: Pha sáng cần ánh sáng (chỉ diễn ra khi có ánh sáng) và Pha tối không cần ánh sáng (có thể diễn ra cả khi có ánh sáng và cả khi không có ánh sáng).

a. Pha sáng
- Nơi xảy ra : trên màng tilacôit
- Nguyên liệu : H2O, ADP, NADP+, ánh sáng.
- Sản phẩm tạo thành: O2, NADPH, ATP.
- Cơ chế : Gồm 2 giai đoạn
+ Biến đổi quang lí : diệp hấp thu năng lượng ánh sáng trở thành dạng kích động electron.
+ Biến đổi quang hóa : Diệp lục truyền năng lượng cho các chất nhận trung gian để sử dụng: tổng hợp ATP, quang phân li H2O tạo ra O2, hình thành NADPH.
Sơ đồ tóm tắt pha sáng:
                                                                      Sắc tố quang hợp
Ánh sáng + H₂O + NADP⁺ + ADP+ P_vc     NADPH + ATP + O₂
b. Pha tối
- Nơi xảy ra: Chất nền lục lạp (strôma).
- Nguyên liệu: CO₂, ATP, NADPH.
- Sản phẩm tạo thành: CH₂O
- Cơ chế: Xảy ra theo chu trình Canvin (con đường C₃) gồm 3 giai đoạn
+ Cố định CO₂: CO₂ + RiDP → Hợp chất 6C → APG (3C)
                                                                                                                Sắc tố quang hợp
+ Khử APG: APG (3C) → AlPG (3C)
+ Tái sinh chất nhận và tổng hợp cacbohidrat:
          AlPG (3C) → RiDP (5C)
           AlPG (3C) → C₆H₁₂O₆ (glucôzơ)
- Từ glucôzơ thông qua quá trình hô hấp sẽ tạo ra các axit hữu cơ, từ đó tổng hợp nên các chất khác như protein, lipit,..
- Ngoài con đường tổng hợp chất hữu cơ như đã nêu trên (nhóm thực vật C3), ở các thực vật vùng sa mạc hay vùng nhiệt đới còn có những con đường khác (gọi nhóm thực vật C4, thực vật CAM).

II. HÓA TỔNG HỢP

1. Khái niệm
- Hóa tổng hợp là cong đường tổng hợp chất hữu cơ (đồng hóa CO2) nhờ năng lượng của các phản ứng ôxi hóa khử do các vi sinh vật hóa tự dưỡng thực hiện.
- Phương trình tổng quát của hóa tổng hợp:
A (chất vô cơ) + O₂     AO₂ + Năng lượng
CO₂ + RH₂ (chất cho H⁺) + Năng lượng     Chất hữu cơ
2. Các nhóm vi sinh vật hoá tổng hợp

	Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa lưu huỳnh	Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa nitơ	Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa sắt
Đại diện	Vi khuẩn lưu huỳnh	- Vi khuẩn nitrit hoá (Nitrosomonas) - Vi khuẩn nitrat hóa (Nitrobacter)	Vi khuẩn sắt
Hoạt động	- Vi khuẩn ôxi hoá H2S tạo ra năng lượng: H2S+O2→ H2O+2S+Q 2S+2H2O+ 3O2 → 2H2SO4+Q - Năng lượng thu được từ phản ứng trên dùng để tổng hợp chất hữu cơ: 6CO2+ 12H2S + Q → C6H12O6 + 6H2O + 12S	* Vi khuẩn nitrit hoá: chuyển hoá NH3 thành HNO2 để lấy năng lượng: 2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+Q 6% năng lượng thu được từ phản ứng trên dùng để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2: CO2+4H+Q→1/6C6H12O6 +H2O * Vi khuẩn nitrat hóa: ôxi hóa HNO2 thành HNO3. 2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Q 7% năng lượng thu được từ phản ứng trên dùng để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2: CO2+4H+Q → 1/6 C6H12O6 + H2O	Vi khuẩn sắt chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+. 4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3↓ + 4CO2 + Q Năng lượng thu được từ phản ứng trên dùng để tổng hợp chất hữu cơ.
Vai trò	Làm sạch môi trường nước.	Đảm bảo chu trình tuần hoàn vật chất (chu trình Nitơ) trong tự nhiên.	Hình thành mỏ sắt.

III. MỐI LIÊN QUAN GIỮA HÔ HẤP VÀ QUANG HỢP

Đặc điểm	Hô hấp	Quang hợp
PTTQ	Enzim hô hấp C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + NL (ATP & nhiệt năng)	NLAS nCO2 + nH2O [CH2O]n + nO2    Diệp lục
Nơi thực hiện	Ti thể	Lục lạp
NL	Phân giải chất hữu cơ giải phóng NL	Tổng hợp chất hữu cơ, tích lũy NL
Sắc tố	Không có sắc tố	Có sắc tố
Đặc điểm khác	Thực hiện ở mọi tế bào, không cần ánh sáng.	Chỉ thực hiện ở tế bào quang hợp khi có đủ ánh sáng.
Mối liên quan	Quá trình này là tiền đề của quá trình kia. Hô hấp cung cấp năng lượng, CO2. Quang hợp sử dụng năng lượng, CO2 để tạo nên chất hữu cơ và O2 cung cấp nguyên liệu cho hô hấp.