Lịch sự phát triển quang hợp

Lịch sử và giai đoạn đầu của sự phát triển quang hợp Van Helmont và cây liễu 1640, một bác sĩ người Flanders (Flemish bắt nguồn từ tên của hạt (tỉnh) Flanders. Hạt Flanders (tiếng Hà lan: Graafschap Vlaanderen) là một trong những lãnh thổ cấu thành “những vùng đất thấp”. Lãnh địa tồn tại từ 862 đến 1795. Nó đã là một trong những thái ấp trường kỳ nguyên bản (của) Nước Pháp và trong những thế kỷ là những một trong số nhiều vùng quan trọng nhất trong Châu Âu) Jan Baptista van Helmont (1577 – 1644) có thí nghiệm: 5 năm chậu đất, nặng 200 lbs Chậu đất mất 2 ounces, nhưng cây và lá cây, nặng 169 lbs. Ông kết luận rằng cây tăng trọng lượng từ nước mà ông đã đưa cho cây, hơn là từ “mùn” của đất, mà quan điểm xưa bắt nguồn từ Aristotle. Kết luận của Van Helmont chỉ đúng một phần, vì đa số cây bắt nguồn từ cả nước và carbon dioxide. Tuy nhiên, sự nhấn mạnh của Van Helmont trên việc phân tích trọng lượng là bước tiến đáng kể trong thời kỳ đó Joseph Priestley và sự khám phá khí oxy. Joseph Priestley (1733 – 1804) tạo nên nhiều khám phá quan trọng, đặc biệt trong mối liên hệ đến tính chất và sự vận chuyển của chất khí. Một trong những kết quả đầu tiên là sự phát minh của nước khoáng seltzer, mà Hội Hoàng gia Anh (Hội Hoàng gia (Royal Society) một hội được Charles II  thành lập vào năm 1907 với mục đích theo đuổi và phát triển lĩnh vực khoa học vật lý) tặng huy chương vàng. Chúng ta nhớ đến Priestley đặc biệt về khám phá của ông về khí oxy, đầu tiên trong một cách gián tiếp, bởi việc theo dõi hoạt động của cây trong 1771, và rồi trong dạng nguyên chất trong 1774 bằng cách nung nóng thủy ngân oxide và thu thập khí tạo ra. Ông miêu tả thí nghiệm năm 1771 theo cách này: Việc tìm ra rằng nến có thể cháy tốt trong khí mà cây đã trồng trong một khoảng thời gian dài… Tôi nghĩ có khả năng là cây cối có thể hồi lại khí mà bị tổn thương do sự cháy của nến. Do vậy, vào ngày 17 tháng 8, 1771, tôi đặt một cành bạc hà non vào trong một lượng không khí mà cây nến sáp đã cháy hết và tìm ra rằng vào ngày 27 cùng tháng một cây nến khác cháy hoàn hảo trong nó. Sự giải thích của Priestley về việc này và những thí nghiệm liên quan (hình 3.1) rằng cây nến (hoặc chuột) sản xuất một lượng lớn nhiên liệu, mà là nền tảng cho việc giải thích tất cả các quá trình hóa học lúc bấy giờ. Người ta nói nhiên liệu (yếu tố cháy), mà bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “tạo ra lửa” (khích lửa), là một chất có thể cháy được mà được có bởi tất cả các vật chất mà có thể đốt cháy. Nhờ vào sự cháy, hay sự hô hấp, nhiên liệu được thả và trong không khí và làm bẩn nó. Thực vật có khả năng độc nhất để bắt lại nhiên liệu mà đã được thả bởi sự đốt cháy. Trong những thí nghiệm sau này, Priestley có thể chuẩn bị và phân tích trong vài chi tiết số lượng đáng kể khí oxi nguyên chất, mà ông gọi là “khí sống”. Tuy nhiên ông đã giải thích tất cả các sự quan sát của mình trong giới hạn của thuyết nhiên tố (Học thuyết cho rằng tất cả những vật chất có thể cháy được đều chứa phlogiston, một dạng vật chất không có màu, mùi, vị, hay khối lượng, và được giải phóng trong sự cháy. Một khi được đốt, những vật chất đã mất hết chất phlogiston sẽ thể hiện dạng nguyên thuỷ của nó, gọi là calx. Vì bất cứ vật chất nào cũng có thể được quan sát là cháy với khoảng thời gian ngắn hơn trong điều kiện hạn chế về không khí (ví dụ trong một cái lọ kín chẳng hạn), không khí đã được cho là đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phóng thích phlogiston. Daniel Rutherford, môn đệ của Joseph Black, đã phát hiện ra khí nitơ vào năm 1772 và cả hai đã dùng học thuyết này để giải thích cho những kết quả của họ. Phần còn lại của không khí sau khi đốt, thực ra là một hỗn hợp của khí nitơ và cácboníc, đôi khi được đề cập đến dưới cái tên "khí phlogiston", vì họ cho rằng lượng khí này đã chiếm nhiều phlogiston. Ngược lại, khi khí ôxy được phát hiện, người ta nghĩ nó là "khí thiếu phlogiston", có nhiều khả năng kết hợp với phlogiston hơn và vì vậy giúp duy trì sự cháy lâu hơn các khí thường khác) Ingenhousz và vai trò của ánh sáng trong quang hợp : Jan Ingenhousz (1730-1799) là một bác sĩ người Hà Lan. Ông ta từng là bác sỹ chính của nữ hoàng Austria, Maria Theresa. Năm 1779, ông thuê một căn nhà tại vùng nông thôn nước Anh và trong ba tháng, thực hiện hơn năm trăm thử nghiệm trên các thuộc tính của thực vật và tác động của chúng trên không khí. Đến hè, ông đã khám phá ra vai trò quan trọng của ánh sáng trong quá trình quang hợp. Ngoài việc khám phá ra vai trò của ánh sáng mặt trời, Ingenhousz còn phát hiện ra sự hô hấp của thực vật, mặc dù ông đã nhấn mạnh quá mức vai trò của nó. Senebier và vai trò của carbon dioxide Jean Senebier (1742-1809) là một bộ trưởng Thụy Sỹ, đồng nghiệp và là đối thủ quyết liệt của Ingenhousz. Đóng góp to lớn nhất của ông cho việc phát triển sự hiểu biết về quá trình quang hợp là việc tìm ra, vào năm 1783, về vai trò cần thiết rằng carbon dioxide, hay “khí cố định De Saussure và sự tham gia của nướcSự đóng góp cuối cùng để các phương trình tổng thể của quang hợp đã được thực hiện bởi Nicolas de Saussure (1767 - 1845), một nhà khoa học Thụy Sĩ. Ông đã xác nhận các quan sát của Ingenhousz và Senebier và đo lường cẩn thận số lượng tương đối của khí carbon dioxide và oxygen của thực vật. Ông đã chứng minh bằng các thí nghiệm định lượng cẩn thận, được xuất bản năm 1804, rằng sự gia tăng trong khối lượng khô của cây là lớn hơn nhiều hơn cân nặng của cacbon trong khí carbon dioxide mất. Ông đúng khi phỏng đoán rằng sự cân bằng của trọng lượng đến từ nước, mặc dù ông đã nhầm tưởng rằng đồng hóa của nước là một quá trình riêng biệt từ sự hợp nhất của khí carbon dioxide. Phương trình của quang hợp Thời kỳ giữa 1771 và 1804 là một thời kỳ thú vị trong lịch sử quang hợp. Trong khoảng thời gian ngắn này, phương trình hóa học cơ bản của quang hợp được chứng minh, mà năm 1804 có thể được viết là:carbon dioxide + nước + ánh sáng → chất hữu cơ + khí oxyĐây chưa là một phương trình được cân bằng, vì bản chất của các chất hữu cơ đã không được chứng minh Phương trình cân bằng quang hợp Thương số quang hợp, tỷ lệ giữa carbon dioxide bị đồng hóa và oxy được sản xuất. Các phép đo chính xác đầu tiên của thương số quang hợp đã được thực hiện bởi một người Pháp, T.B. Boussingault, vào năm 1864. Boussingault thấy rằng các thương quang gần 1 cho nhiều loài cây. Điều này chứng minh rằng cacbon được cố định là ở mức độ sự oxy hóa khử của carbohydrate (nơi mà tỷ lệ của H với O là 2:1). Ủng hộ quan điểm này, Julius von Sachs, một nhà sinh lý học thực vật người Đức, tìm thấy trong cùng một năm rằng tinh bột carbohydrate tích lũy trong lá chỉ khi chúng được chiếu sáng, và chỉ có ở những bộ phận của lá được chiếu sáng trực tiếp. Hiệu ứng này có thể được minh họa đáng kể bởi các bức ảnh in thực tế trên lá! Quá trình này được thực hiện bởi việc đánh dấu âm bản trên một chiếc lá, soi sáng nó để tạo tinh bột, chiết xuất các sắc tố, và sau đó phát triển hình ảnh bằng cách xử lý nó với iốt, mà hình thành một phức hệ màu tối với tinh bột. Hình ảnh chất lượng cao đáng chú ý có thể được lấy theo cách này (Waller, 1992) Phương trình cân bằng tối thiểu cho quang hợp:CO2 + H2O → (CH2O) + O2(CH2O) đại diện của một carbohydrate. Một ví dụ của một carbohydrate là glucose, C6H12O6, mà làm cho phương trình cân bằng quang hợp nói chung:6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2Như chúng ta sẽ thấy trong chương 9, glucose không phải là carbohydrate hình thành trực tiếp trong quang hợp. Quan niệm thuyết cơ giới ban đầu của quang hợp: (Thuyết cơ giới là quan điểm triết học quy tất cả các hình thức vận động phức tạp khác nhau về chất của thế giới vào một hình thức vận động đơn giản nhất - vận động cơ học - từ đó, giải thích sự phát triển của tự nhiên và xã hội bằng những quy luật của hình thức vận động cơ học.) Khi các phản ứng chung của quang hợp đã được chứng minh, sự chú ý quay sang việc làm sáng tỏ các chi tiết của cơ chế của quá trình. Những ý tưởng đầu trong lĩnh vực này đã có sai sót và nhiều quá đơn giản. Willstatter và Stoll đề xuất vào năm 1918 rằng sản phẩm này thực sự được hình thành trực tiếp như là một loại phân tử, formaldehyde (CH2O), phối hợp quá trình liên quan đến chất diệp lục, cacbonic và nước. Những quan niệm thuyết cơ giới này, được chắc chắn hợp lý vào thời điểm đó, là không có chính xác, vì có hàng tá, theo nghĩa đen, trạng thái trung gian đã được xác định, và sự khử cacbonic có thể được tách ra từ việc sản xuất khí oxy, và ngược lại. Van Niel và bản chất sự oxi hóa khử của quang hợp : Quang hợp là (rằng) nó là một quá trình oxy hóa khử) cảm hóa ánh sáng. Nguyên tắc này lần đầu tiên được quy định rõ ràng trong những năm 1930 bởi nhà vi sinh vật học người Hà Lan Cornelis van Niel, làm việc tại Đại học Stanford. Van Niel tiến hành một loạt các thí nghiệm trên những đặc điểm chuyển hóa vi khuẩn quang hợp kỵ khí (van Niel, 1914). Những sinh vật chứa bacteriochlorophylls đồng hóa cacbonic thành chất hữu cơ, nhưng không sản xuất ra oxy phân tử. Để các vi khuẩn có thể hấp thụ cacbonic, chúng phải được cung cấp một hợp chất khử. Rất nhiều hợp chất khác nhau sẽ thỏa mãn, đáng chú ý nhất H2S, mà là lần đầu tiên bị ôxi hóa thành nguyên tố lưu huỳnh và sau đó tiếp tục bị ôxi hóa. Thay cho H2S, một loạt các hợp chất hữu cơ cũng có thể được sử dụng, hoặc thậm chí phân tử hydro. Phương trình tổng thể của quang hợp có thể được công thức lại một cách tổng quát hơn như: CO2 + 2H2A Ž (CH2O) + 2A + H2O (3.4) Dạng hiếu khí của quang hợp sau đó có thể được xem như là một trường hợp đặc biệt của công thức tổng quát hơn, mà H2O là H2A và O2 là 2A. Khi trình bày theo cách này, bản chất sự oxy hóa khử của quang hợp rõ ràng hơn nhiều. Trong thực tế, nó là một bước đơn giản hơn để tách các quá trình oxy hóa và quá trình khử thành hai phương trình hóa học, một cho các quá trình oxy hóa và cái còn lại cho sự khử:  2H2A Ž 2A + 4e- + 4H+ (3.5a) CO2 + 4e- + 4H+ Ž (CH2O) + H2O (3.5b) Sự phân chia này thành phản ứng oxy hóa và phản ứng khử dẫn đến nhiều dự đoán quan trọng. Đầu tiên, nó cho thấy rằng hai quá trình có thể có khả năng chia ra một cách vật lý hoặc tạm thời. Thật vậy, điều này được tìm thấy là trường hợp của Hill ở thí nghiệm cổ điển của mình về sử dụng chất nhận điện tử nhân tạo, mà sẽ được thảo luận trong đoạn tiếp theo. Một dự báo thứ hai là các ôxy được sản xuất bởi quang hợp hiếu khí đến từ nước và không phải từ cacbonic. Điều này thực sự là như vậy, mặc dù đã mất nhiều năm cho thực tế này được chứng minh một cách dứt khoát, vì việc trao đổi liên tục của oxy giữa cacbonic và nước thông qua axit cacbonic, H2CO3, hình thành và phá bỏ không ngừng. Van Niel tưởng tượng đúng rằng các phản ứng oxy hóa và khử ở Eqs.3.5a và 3.5b không phải là quy trình chủ yếu được thực hiện bởi ánh sáng. Tuy nhiên, một số quan niệm chi tiết của van Niel về bản chất của chất oxy hóa khử cơ bản không chính xác và khó hiểu. Phản ứng Hill: Sự phân chia phản ứng oxy hóa và phản ứng khử Trong thập niên 1930, Robert (Robin) Hill, làm việc tại đại học Cambrige, chứng minh rằng có thể phục hồi tỷ lệ cao của oxi tiến hóa (phát triển) cho lục lạp huyền phù nếu những cái sau được cung cấp với bất cứ một số lượng chất nhận electron nhân tạo (Hill, 1939). Phản ứng Hill: 2H2O + 4Fe3+ à O2 + 4Fe2+ + 4H+ Hill thu tòan bộ máu từ một lò sát sinh, mà có màu xanh đậm khi bị deoxy hóa và màu đỏ tươi khi bị oxy hóa. Ông kết hợp thứ này với lục lạp và chiếu sáng hỗn hợp, giám sát mức độ của sự oxy hóa của máu bằng việc sử dụng kính quang phổ cầm tay. Đầu tiên, kết quả thật thất vọng, vì mẫu thử sản xuất rất ít oxy. Điều này được hiểu rõ ràng hơn vào ngày nay, vì màng bao ngòai của lục lạp bị vỡ trong quá trình chuẩn bị, và enzyme cần thiết cho sự đồng hóa CO2 đã bị mất. Trong quá trình tìm kiếm nhân tố cần cho sự hồi phục hoạt động bị mất, Hill làm nên một khám phá cơ bản: đó là có thể thay thế sự khử CO2 với sự khử của chất nhận electron nhân tạo, bằng cách này hồi phục tỉ lệ cao của sự sản xuất O2. Hợp chất sinh lý mà đóng vai trò như chất nhận electron có nguồn gốc từ ánh sáng làm dễ dàng cho sự sản xuất CO2 là NADP+. Dạng khử của hợp chất này, NADPH, rồi hoạt động như chất khử của sự đồng hóa CO2. Thí nghiệm của Emerson và Arnold Vào năm 1932, Robert Emerson và sinh viên nghiên cứu chưa tốt nghiệp của mình tại học viện kỹ thuật California, William Arnold, là những nhà khoa học đầu tiên khai thác tác dụng của tia sáng rất ngắn để chứng minh quang hợp. Emerson và Arnold sử dụng tảo lục Chlorella pyrenoidosa như là sinh vật thí nghiệm Trong loạt thí nghiệm đầu tiên (Emerson và Arnold, 1932a), họ thay đổi thời gian giữa các tia sáng và nhận thấy rằng nếu có một khỏang thời gian dài giữa các tia sáng, thì hiệu suất của O2 mỗi tia sáng không phụ thuộc vào thời gian giữa các tia sáng và không phụ thuộc vào nhiệt độ giữa 1 và 25oC (hình 3.2). Với khỏang thời gian ngắn hơn giữa các tia sáng, hiệu suất giảm đột ngột, ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng không đổi ở nhiệt độ cao hơn. Kết quả này làm sáng tỏ dần bằng chứng rằng quang hợp bao gồm cả pha sáng và pha tối. Trong loạt thí nghiệm thứ hai, Emerson và Arnold (1932b) thay đổi cường độ ánh sáng của các tia sáng, bằng cách sử dụng việc gián cách tia sáng mà họ biết từ loạt thí nghiệm đầu tiên là đủ lâu để các phản ứng enzyme ở pha tối có thể tiến hành hòan chỉnh. Thủ tục của thí nghiệm này cho phép họ cô lập phản ứng quang hóa và nghiên cứu nó mà không làm ảnh hưởng tới các bước sau. Ở cường độ rất thấp, hiệu suất của O2 mỗi tia sáng là thấp và phụ thuộc năng lượng tia sáng. Tuy nhiên, ở cường độ cao hơn, đường cong bão hòa, vì vậy năng lượng tia sáng thêm vào không tạo ra thêm O2. (hình 3.3). Vẻ đẹp của thí nghiệm nằm ở chỗ Emerson và Arnold đã bỏ những công sức lớn cho việc thu được tính tóan định lượng của bao nhiêu O2 đã được sản xuất mỗi chlorophyll trong mẫu thử. Kết quả cuối cùng là một ngạc nhiên lớn. Chỉ một O2 được sản xuất cho mỗi 2500 phân tử chlorophyll, ít hơn rất nhiều so với dự kiến! 1932 Emerson và Arnold chỉ có thể đề nghị rằng một lượng lớn phân tử chlorophyll hoạt động như là một nhóm thực hiện quang hợp, mặc dù không rõ ràng sự kết hợp này xảy ra như thế nào. Việc thu thập các phân tử chlorophyll và enzyme kết hợp trở thành được biết như một đơn vị quang hợp Cuộc tranh luận về điều kiện lượng tử của quang hợp Trong thập niên 1940 và 1950, một cuộc tranh cãi dữ dội trong lĩnh vực quang hợp qua điều kiện lượng tử tối thiểu cho nó. Điều kiện lượng tử là số photon cần được hấp thu cho một quá trình quang hóa để diễn ra. Otto Warburg, nhà hóa sinh học người Đức đoạt giải Nobel, đã xác nhận vững chắc rằng các yêu cầu tối thiểu cho quang học lượng tử là 3-4 photon mỗi O2 được tiến hóa. Về cơ bản mọi người khác thu được giá trị cao hơn nhiều, khoảng 8-10 photon cho mỗi O2 được sản xuất. Đầu tiên, trong số các nhà nghiên cứu này là các cựu sinh viên của Warburg, Emerson. Quan niệm của Emerson thực tế hơn, và hàng ngàn các phép đo tiếp theo trong phòng thí nghiệm cũng có hỗ trợ các kết quả cao hơn. Thả (rơi, giảm, sụt) màu đỏ và hiệu ứng nâng cao Emerson. Khi bước sóng ánh sáng sử dụng cho thử nghiệm tiếp cận rìa đỏ của hấp thu các chất diệp lục, những yêu cầu lượng tử đi lên đáng kể. Quang phổ hoạt động giảm khi đến gần rìa đỏ. Ở bước sóng dài hơn, giảm hiệu suất quang hợp à red drop Tuy nhiên, kết quả của một thử nghiệm khác của Emerson và đồng nghiệp đã được thậm chí còn kỳ quái hơn (Emerson et al, 1957.). Một mẫu tảo đã được chiếu sáng với ánh sáng đỏ, và cường độ của điều chỉnh để cung cấp cho một tỷ lệ cụ thể của sản xuất O2. Bật đèn đỏ xa à hiệu suất quang hợp tăng à tắt đèn đỏ xa à hiệu suất giảm à bật đèn đỏ à hiệu suất tăng không nhiều như đèn đỏ xa à tắt à hiệu suất giảm à bật 2 đèn à hiệu suất tăng lên đáng kể Kết quả này đã đến được biết đến như là nâng cao hiệu lực, vì tác dụng nâng cao của ánh sáng bước sóng ngắn. Hiệu ứng tương phảnMột thử nghiệm cuối cùng mà chỉ đường đến sự tồn tại của quang hóa riêng biệt hai Hệ thống làm việc trong các sinh vật quang được thực hiện bởi Louis Duysens và đồng nghiệp từ Hà Lan (Duysens et al, 1961.). Đo lường các quá trình oxy hóa – khử của cytochrome f trong mẫu sau khi chiếu sáng bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau của ánh sáng. Khi cytochrome giảm, quang phổ hấp thu thay đổi, cho phép đo định lượng của trạng thái oxy hóa khử của nó (Fig.3.6). Duysens thấy rằng ánh sáng đỏ gây ra các cytochrome để trở thành ôxi hóa, trong khi ánh sáng bước sóng ngắn hơn khiến nó giảm. Hai màu sắc của ánh sáng làm đảo ngược các hiệu ứng. Giản đồ Z cho quang hợp Robin Hill và Fay Bendall vào năm 1960 phác thảo các khái niệm về hai hệ thống quang hóa sắp xếp theo thứ tự trước sau, vì vậy mà các sản phẩm của một hệ thống đã trở thành nền của hệ thống khác (Hill và Bendall, 1960). Xây dựng của họ là dựa chủ yếu vào các quan sát rằng tiềm năng sự oxy hóa khử cho hai cytochromes tại lục lạp Sự hình thành ATP và sự cố định cacbon Việc phát hiện ra rằng lục lạp có thể tạo ATP nhờ ánh sáng đã được thực hiện vào năm 1954 bởi Daniel Arnon và đồng nghiệp tại Đại học California, Berkeley. Trong khi đó, Melvin Calvin và đồng nghiệp làm rõ các phản ứng enzym chuyển đổi năng lượng CO2 và đồng hóa vào Carbonhydrate. Các phản ứng này đã bắt đầu được biết đến, được gọi là chu trình Calvin, Calvin đã được trao giải thưởng Nobel Hóa học năm 1961, công nhận những chứng minh rực rỡ của ông về sự phức tạp của các phản ứng. Ông và đồng nghiệp của ông đã sử dụng phương pháp vừa được phát triển của đánh dấu phóng xạ, tiêm tảo với 14CO2 và sau đó theo con đường của phóng xạ trong các sản phẩm.