4.4. Hoá sinh quang hợp
4.4.3 Hô hấp sáng- Chu trình Glycolate
Cây xanh khi có ánh sáng còn tiếp nhận O2 và giải phóng CO2. Hô hấp phụ này được gọi là hô hấp sáng. Sự tiếp nhận O2 có thể do nhiều quá trình ví dụ ferredoxin tham gia vào quang hợp chuyển e- của nó trực tiếp đến O2, như vậy H2O xuất hiện (hình 4.7).
Warburg đã chỉ ra rằng O2 ức chế sự đồng hoá CO2. Enzyme xúc tác cho đồng hoá CO2 là ribulosediphosphate-carboxylase thể hiện không những hoạt tính carboxylase mà còn hoạt tính oxygenase. Sự thể hiện hoạt tính nào là phụ thuộc vào nồng độ CO2 và nồng độ O2. CO2 ức chế oxygenase, O2 ức chế carboxylase. Carboxyl hoá và oxy hoá có cùng trung tâm hoạt hoá, là gốc lysine. Những điều kiện như là Mg2+ kích thích carboxyl hoá và giá trị pH cao kích thích sự oxy hoá.
NADP++ Pi NADPH + H+
CO2 + H2O
Diphospho
glyceric acid Triose- phosphate APG
AlPG
AlPG
AlPG
PDOA
ATP
PDOA
ADP
H2O H2O
FMN
Pi Pi
RuDP
1,6 FDP Ribulose-
monophosphate
Sedoheptulose- diphosphate
Erythroso- phosphate
Xilulosophosphate Sedoheptulose- monophosphate
Xilulosephosphate Ribosephosphate
1
2 3
4 5
Hình 4.9 Sự cạnh tranh giữa CO2 và O2 vào cùng một vị trí của enzyme ribulosephosphate-carboxylase-oxygenase
Cuối cùng thì cả hai phản ứng có cùng cơ chất, đó là ribulosediphosphate. Sự cạnh tranh giữa O2 và CO2 với phân tử enzyme được minh họa ở hình 4.9.
Sự cạnh tranh của CO2 và O2 ở cùng một vị trí của enzyme tạo ra sự liên quan với quá trình quang hợp. Khi cường độ quang hợp cao thì nồng độ O2 ở trong tế bào mesophyll tăng lên do quá trình quang phân ly nước, trong khi đó sự đồng hoá CO2 thì nồng độ CO2 giảm. Những điều kiện này thuận lợi cho phản ứng oxy hoá. Như vậy những điều kiện thuận lợi cho quang hợp như nhiệt độ thích hợp, cường độ ánh sáng mạnh kích thích sự oxy hoá ribulosediphosphate. Phản ứng được biểu diễn như sau:
Ở đây phân tử O2 được tách ra làm 2 nguyên tử: một nguyên tử gắn với gốc 2C (phosphoglycolate), nguyên tử oxy khác gắn với gốc có 3C.
Phosphoglycolic acid là dẫn xuất của acetic acid. Bằng phản ứng phosphatase từ phosphoglycolic acid, glycolic acid sẽ được tạo thành.
CO2
RuDP O2
RuDP Carboxylase Oxygenase
H2C– O P
C=O
H C - OH
HC - OH
H2C - O P
RuDP
COOH
HC - OH
H2C - O P
H2C - O P
COOH
H2C - OH
COOH
O2
Oxygenase
Phosphoglycolate
H2O P OH
Glycolate
Phosphoglycerate
Sự oxy hoá ribulosediphosphate tạo nên chu trình glyoxylate, đây là những phản ứng quan trọng của quang hô hấp. Phản ứng tạo thành phosphoglycolate và phản ứng khử phosphoryl hoá của nó được xúc tác bởi enzyme phosphatase xảy ra ở trong cơ chất của lục lạp. Hoạt tính của glycolate-phosphatase được kích thích bởi nồng độ Mg2+ và độ pH cao và đây là những điều kiện thuận lợi cho quang hợp.
Glycolate từ lục lạp đi đến peroxisome là vi cơ quan tử nằm sát cạnh lục lạp, được bao bọc bởi màng và chứa các enzyme khác nhau như transaminase, oxidase và catalase.
Trong peroxisome glycolate bị oxy hoá để tạo thành glyoxilic acid nhờ một oxidase. H2O2 xuất hiện được phân giải thành H2O + 1/2 O2 và glyoxilic acid bị biến đổi thành một amino acid, là glycine nhờ một transaminase. Transaminase sẽ được đề cập kỹ hơn ở chương proteine, ở đây chỉ nêu lên nguyên lý của nó là nhóm amin của một amino acid được chuyển lên một nhóm ceto hoặc nhóm aldehyd. Amino acid trở thành cetoacid.
H2C - OH
COOH
CHO
COOH
Glycolic acid
O2
H2O2
Glyoxylic acid
CHO
COOH
Aminoacid Glyoxylic acid
COOH H2C NH2
COOH C=O R
COOH H2N -C H R
Cetoacid Glycine
Glycine đi từ peroxisome vào ty thể, là cơ quan tử mà trong đó hô hấp xảy ra. Glycine bị oxy hoá dưới tác dụng của NAD+ và sau đó bị khử amin hoá (giải phóng NH3), xuất hiện lại glyoxylic acid.
NADH tạo ra ở phản ứng khử và là cơ chất cho chuỗi enzyme hô hấp. Glyoxilic acid bị khử cacboxyl hoá và phản ứng với gốc CH-OH tự do.
Tetrahydrofolic acid (THFA) kết hợp với một gốc hydroxylmethyl, gốc này được chuyển đến một glycine, tạo nên aminoacid là serin và THFA lại trở về trạng thái ban đầu của nó.
CHO
COOH
Glyoxylic acid
COOH HC = NH
Iminoacid
COOH H2C - NH2
Glycine
NAD+ NADH + H+
H2O NH3
Hydroxymethyl
COO H
CHO = CH - OH
CO2
THFA H
THFA H2C - OH
COOH HC – NH2
H
Glycine
THFA H2C - OH
THFA H
COOH HC – NH2
H2C - OH
Serine
+ +
Serine bị khử amin hoá để tạo nên hydroxylpyruvate và chất này có thể được biến đổi thành phosphoglyceric acid bằng phản ứng khử và phản ứng phosphoryl hóa.
Phản ứng cần 1 NADH. Phosphoglyceric acid là một chất trao đổi của chu trình Calvin. Chất này lại đi vào lục lạp và ở đó nó được sử dụng để tạo nên triosephosphat. Như hình 4.10 chỉ ra, chu trình glyoxylate xảy ra trong các cơ quan tử khác nhau. Tổng quát là cứ hai phân tử glycolate được sử dụng để tổng hợp nên một phân tử phosphoglyceric acid.
COOH HC – NH2
H2C - OH
Serine
COOH
C = O
H2C - OH
Pyruvic acid COOH
HC - OH
H2C - O P Phosphoglyceric acid
COOH
HC - OH
H2C - OH Cetoacid Aminoacid
ADP ATP
Kinase
NADH + H+
NAD+ Hydroxypyruvic acid
Lục lạp
Ty thể
2x Glycolate
P-Glycerate
2x Glyoxylate 2x Glycine Peroxisome O2
O2
CO2
NH3
Hình 4.10 Những chất trao đổi quan trọng của chu trình glycolate ở các cơ quan tử khác nhau
Chu trình glycolate có mối liên hệ chặt chẽ với chu trình Calvin qua ribulosediphosphate-carboxylase-oxygenase. Tổng quát của chu trình glyolate là ở 2 vị trí O2 được tiếp nhận (phản ứng oxygenase và phản ứng oxidase) và CO2 và NH3 được giải phóng ra. Như vậy chu trình glycolate phân giải C và N hữu cơ. Ý nghĩa sinh lý của sự phân giải này vẫn chưa được giải thích rõ ràng.
Quang hô hấp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ngoại cảnh. Những yếu tố kích thích quang hợp như cường độ chiếu sáng cao, nhiệt độ thích hợp làm tiêu hao nhiều CO2 trong mô lá và sản sinh nhiều O2 do quang phân ly nước làm cho hô hấp sáng xảy ra mạnh mẽ. CO2 và NH3 giải phóng ra trong hô hấp sáng lại được đồng hoá. Đặc biệt là NH3.
Chất kìm hãm tự nhiên của chu trình glyolate là glutamate, aspactate và glycolate. Ở những thực vật C4 hô hấp sáng không có ý nghĩa. Ở đây có thể do cơ chế đồng hoá CO2 đặc biệt mà nồng độ CO2 tương đối cao ở trong lục lạp, vì vậy mà hoạt tính oxygenase của ribulosediphosphat- carboxylase-oxygenase không thể hiện.