Sự khác biệt giữa quá trình quang hóa tuần hoàn và không tuần hoàn
Share
Hầu hết các vật liệu hữu cơ theo yêu cầu của sinh vật được tạo ra từ các sản phẩm của quang hợp. Quang hợp liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng có thể được sử dụng bởi tế bào, đáng chú ý nhất là năng lượng hóa học. Ở thực vật và tảo, quá trình quang hợp xảy ra ở một cơ quan gọi là lục lạp, chứa màng ngoài, màng trong và màng thylakoid (https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroplast).
Quang hợp có thể được chia thành hai phần chính: (1) các phản ứng chuyển điện tử quang hợp (phản ứng ánh sáng của Hồi giáo) và (2) các phản ứng cố định carbon (phản ứng tối của Hồi giáo). Các phản ứng ánh sáng của người khác, liên quan đến ánh sáng mặt trời liên quan đến các electron năng lượng ánh sáng trong chất diệp lục quang hợp, sau đó di chuyển dọc theo chuỗi vận chuyển điện tử trong màng thylakoid, dẫn đến sự hình thành ATP và NADPH. Các phản ứng tối của người Viking liên quan đến việc sản xuất các hợp chất hữu cơ từ CO2 bằng cách sử dụng ATP và NADPH được tạo ra bởi các phản ứng ánh sáng của thành phố và sẽ không được thảo luận thêm trong bài viết này.
Quang hợp liên quan đến việc sử dụng hai hệ thống ảnh (hệ thống ảnh I và hệ thống ảnh II) để khai thác năng lượng của ánh sáng bằng cách sử dụng các điện tử để tạo ra ATP và NADPH, sau này được tế bào sử dụng làm năng lượng hóa học để tạo ra các hợp chất hữu cơ. Hệ thống ảnh là các phức hợp protein lớn chuyên thu thập năng lượng ánh sáng và chuyển đổi nó thành năng lượng hóa học. Hệ thống ảnh bao gồm hai phần: phức hợp ăng ten và trung tâm phản ứng quang hóa. Tổ hợp ăng ten rất quan trọng trong việc thu năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng đó đến trung tâm phản ứng quang hóa, sau đó chuyển đổi năng lượng thành các dạng có thể sử dụng được cho tế bào.
Đầu tiên, ánh sáng kích thích một electron trong phân tử diệp lục trong phức hợp ăng ten. Điều này liên quan đến một photon ánh sáng làm cho một electron chuyển sang quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Khi một electron trong phân tử chất diệp lục bị kích thích, nó không ổn định trong quỹ đạo năng lượng cao hơn và năng lượng nhanh chóng được truyền từ phân tử diệp lục này sang phân tử khác bằng cách truyền năng lượng cộng hưởng cho đến khi nó đạt tới các phân tử diệp lục trong một khu vực được gọi là trung tâm phản ứng quang hóa. Từ đây, các electron bị kích thích được truyền cho một chuỗi các chất nhận điện tử. Năng lượng ánh sáng gây ra sự chuyển điện tử từ một nhà tài trợ điện tử yếu (có ái lực mạnh với các điện tử) sang một nhà tài trợ điện tử mạnh ở dạng khử (mang điện tử năng lượng cao). Các nhà tài trợ điện tử cụ thể được sử dụng bởi một sinh vật hoặc hệ thống ảnh nhất định có thể khác nhau và sẽ được thảo luận thêm dưới đây cho các hệ thống ảnh I và II trong thực vật.
Ở thực vật, quá trình quang hợp dẫn đến việc sản xuất ATP và NADPH theo quy trình hai bước được gọi là photphosphoryl hóa không tuần hoàn. Bước đầu tiên của quá trình photpho hóa không tuần hoàn liên quan đến hệ thống quang điện tử II. Các electron năng lượng cao (gây ra bởi năng lượng ánh sáng) từ các phân tử diệp lục trong trung tâm phản ứng của hệ thống quang điện tử II được chuyển đến các phân tử quinone (các nhà tài trợ điện tử mạnh). Photosystem II sử dụng nước như một nhà tài trợ điện tử yếu để thay thế sự thiếu hụt điện tử gây ra bởi việc chuyển các electron năng lượng cao từ các phân tử diệp lục sang các phân tử quinone. Điều này được thực hiện bằng một enzyme phân tách nước cho phép loại bỏ các electron khỏi các phân tử nước để thay thế các electron được chuyển từ phân tử diệp lục. Khi 4 electron được loại bỏ khỏi hai phân tử H2O (tương ứng với 4 photon), O2 được giải phóng. Các phân tử quinone bị khử sau đó chuyển các electron năng lượng cao sang bơm proton (H +) được gọi là cytochrom b6-f phức tạp. Các cytochrom b6-f bơm phức hợp H + vào không gian thylakoid, tạo ra một dải nồng độ trên màng thylakoid.
Độ dốc proton này sau đó điều khiển tổng hợp ATP bởi enzyme ATP synthase (còn được gọi là F0F1 ATPase). ATP synthase cung cấp phương tiện cho các ion H + di chuyển qua màng thylakoid, giảm độ dốc nồng độ của chúng. Sự di chuyển của các ion H + xuống gradient nồng độ của chúng thúc đẩy sự hình thành ATP từ ADP và Pi (phosphate vô cơ) bởi ATP synthase. ATP synthase được tìm thấy trong vi khuẩn, archea, thực vật, tảo và tế bào động vật và có vai trò trong cả hô hấp và quang hợp (https://en.wikipedia.org/wiki/ATP_synthase).
Sự chuyển electron cuối cùng của hệ thống quang điện II là sự chuyển electron sang phân tử diệp lục bị thiếu electron trong trung tâm phản ứng của hệ thống quang điện tử I. Một electron bị kích thích (gây ra bởi năng lượng ánh sáng) từ phân tử diệp lục trong trung tâm phản ứng của hệ thống quang điện tử I được chuyển đến một phân tử gọi là ferredoxin. Từ đó, electron được chuyển sang NADP + để tạo NADPH.
Phosphoryl hóa không tuần hoàn tạo ra 1 phân tử ATP và 1 phân tử NADPH trên mỗi cặp electron; tuy nhiên, quá trình cố định carbon đòi hỏi 1,5 phân tử ATP trên mỗi phân tử NADPH. Để giải quyết vấn đề này và tạo ra nhiều phân tử ATP hơn, một số loài thực vật sử dụng một quá trình được gọi là photphosphoryl hóa tuần hoàn. Phosphoryl hóa tuần hoàn chỉ liên quan đến hệ thống quang điện I, không phải hệ thống quang điện tử II và không tạo thành NADPH hoặc O2. Trong quá trình phosphoryl hóa theo chu kỳ, các electron năng lượng cao từ hệ thống quang điện I được chuyển sang cytochrom b6-f phức tạp thay vì được chuyển sang NADP +. Các electron bị mất năng lượng khi chúng được truyền qua cytochrom b6-f phức tạp trở lại chất diệp lục của hệ thống quang học I và H + được bơm qua màng thylakoid. Điều này làm tăng nồng độ H + trong không gian thylakoid, điều này thúc đẩy sản xuất ATP bởi ATP synthase.
Mức độ photpho hóa không tuần hoàn so với chu kỳ xảy ra trong một tế bào quang hợp nhất định được điều chỉnh dựa trên nhu cầu của tế bào. Theo cách này, tế bào có thể kiểm soát lượng năng lượng ánh sáng mà nó chuyển đổi thành năng lượng giảm (được cung cấp bởi NADPH) và mức độ được chuyển đổi thành liên kết phốt phát năng lượng cao (ATP).
