Đề tài Qúa trình quang hợp ở vi khuẩn

ĐỀ TÀI: QUÁ TRÌNH QUANG HỢP Ở VI KHUẨN CẤU TRÚC ĐỀ TÀI. A.PHẦN MỞ ĐẦU………………………………............................................2 1. Lý do chọn đề tài………………………………………………..…….….…2 2. Mục đích nghiên cứu …………………………………………………....….2 3.Đối tượng nghiên cứu……………………………………………………......2 4. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………….......2 B.PHẨN NỘI DUNG.....………………………………………..........….....….3 I.Nguyên lý chung…………………………………..................……………....3 II.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria)..............................................................................................................5 III.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria).........7 IV.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn Heliobacteria………………….…...……9 V. Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria)……………………………………………………………….11 C.KẾT LUẬN………………....……………………….…………………….12 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………...…….12 A.MỞ ĐẦU : 1. Lý do chọn đề tài : - Quang hợp là phương thức dinh dưỡng của các sinh vật có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng tích trong các chất hữu cơ. Quang hợp không chỉ là phương thức dinh dưỡng đặc trưng cho tảo và thực vật mà còn có ở các vi khuẩn quang hợp như : vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) - Tuy nhiên trong chương trình ta chỉ học quá trình quang hợp ở thực vật vì vậy tôi chọn đề tài “ Quá Trình Quang Hợp Ở Vi Khuẩn “ làm đề tài nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu : Tìm hiểu được quá trình quang hợp của vi khuẩn 3. Đối tượng nghiên cứu : Nghiên cứu về quá trình quang hợp của vi khuẩn 4. Phạm vi nghiên cứu : Một số loài vi khuẩn quang hợp tiêu biểu 5. Phương pháp nghiên cứu : * Phương pháp phân tích và tổng hợp lí thuyết : Thu thập thông tin thông qua internet, giáo trình, sách…….. * Phương pháp thực nghiệm : Thông qua việc thực hành quan sát ở phòng thí nghiệm. B.NỘI DUNG : I.Nguyên lý chung : - Đối với tảo và thực vật, sắc tố quang hợp chủ yếu là clorophyl, carotenoit và xantophyl ở tảo và tv bậc thấp. ` Hình 1. Quang phổ hấp thụ của clorophyl - Ở vi khuẩn lưu quang hợp thì sắc tố là bacteriorodopxin, bacterioclorophyl và bacteriopheophitin + Chúng thuộc loại tự dưỡng quang năng, có thể sử dụng CO2 làm nguồn cacbon tổng hợp nên chất hữu cơ của cơ thể, dưới tác động của năng lượng ánh sáng mặt trời. Phương trình có thể biểu diễn như sau: 2CO2 + H2S + 2H2O ... (CH2O) + H2SO4 - Trong quá trình oxi hóa H2S, lưu huỳnh được tích lũy. Sau đó S được chuyển hóa thành SO4 và dần dần ra ngoài. Vi khuẩn cũng có thể dùng đồng thời H2S như chất cho H trong cả quá trình quang hợp. - Tất cả các vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp. Sắc tố quang hợp ở vi khuẩn được gọi là bacteriochlorophyll. Chlorophyll vàbacteriochlorophyll còn được gọi là chất diệp lục và chất khuẩn lục. + Chất diệp lục, chất khuẩn lục và huyết sắc tố có cấu trúc tương tự như nhau. Đó là một vòng pocphiril do 4 nhân pirol liên kết với nhau. Lơi của chất diệp lục và chất khuẩn lục là Mg, còn lơi của huyết sắc tố là Fe, chất diệp lục a khác với chất khuẩn lục a,b,c,d,e ở 7 gốc R (từ R1 đến R7) + Ngoài các loại chlorophyll vi khuẩn tự dưỡng quang nãng còn có chứa một số các sắc tố thuộc loại carotenoit. Carotenoit ở vi khuẩn không giống với carotenoit ở tảo hoặc thực vật. - Ở vi khuẩn tự dưỡng quang nãng có hai loại phosphoryl hóa quang hợp: + Phosphoryl hóa quang hợp tuần hoàn + Phosphoryl hóa quang hợp không tuần hoàn. - Quá trình quang hợp ở vi khuẩn lưu huỳnh màu lục có những nét khác biệt so với thực vật bậc cao: + Chất cho điện tử là H hay các hợp chất S ở dạng khử đều là những chất khử mạnh hơn H2O và các hợp chất hữu cơ. CO2 + 2H2S (ánh sáng) CH2O + 2S + H2O + Trung tâm phản ứng là P840 + Quá trình phosphoryl hóa quang hợp liên quan tới NAD chứ không phải NADP như ở thực vật bậc cao. + Được tiến hành trong điều kiện yếm khí, quá trình khử CO2 được gắn liền với quá trình oxy hóa của thực thể vô cơ hoặc hữu cơ. Quá trình này không thải khí O2 mà cũng không hút CO2. Vai trò của ánh sáng chỉ là để tạo ATP II.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria) : - Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) kỵ Hình 2. Sơ đồ quang hợp vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) khí bắt buộc, có khả năng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a cùng với b , c hoặc e, chứa caroten nhóm 5 - Hệ thống quang hợp liên quan đến các lục thể (chlorosom) và độc lập đối với màng sinh chất. Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S . Hạt lưu huỳnh tích luỹ bên ngoài tế bào không có khả năng di động , một số loài có túi khí; tỷ lệ G+C là 48-58%. - Đặc trưng của quang hợp ở vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) là quá trình quang hợp bắt đầu từ trung tâm phản ứng P840 dưới tác động của ánh sáng electron được vận chuyển ngược chiều điện trường (từ +0,25V đến >-1V ), electron được chuyển đi theo chuỗi chuyển vận electron bắt đầu từ P840(Eo= -1.5V) → Chla(Eo= -1V) → Fes(Eo= -0,75V) → Fd (Eo= -O,4V) → Q(Eo= 0V) → Cytbc1 (Eo= 0.10V) → Cytc553(Eo= 0.20V) → P840(Eo= 0.25V) → P840(Eo= -1.5V). - Trong điều kiện kỵ khí vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) quang hợp có thể sử dụng năng lượng của ánh sáng để thực hiện phản ứng phosphoryl hóa sản sinh ra ATP. Electron từ bacteriochlorophyll được tách ra dưới tác dộng của ánh sáng, sau đó tham gia vào chuỗi hô hấp tuần hoàn và quay trở lại Bchl. Trên đường đi đã sản sinh ra ATP. Việc sinh ra ATP được thực hiện riêng rẽ với việc sinh ra [H] có năng lực khử. [H] có năng lực khử được sinh ra từ các chất vô cơ cho hydrogen (như H2S...).Quá trình quang hợp này không sản sinh ra oxi. - Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục(Green sulfure bacteria) có thể sử dụng các hợp chất lưu huỳnh như là nhà tài trợ điện tử cũng như các nhà tài trợ hydro hữu cơ.Trung tâm phản ứng của vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây tương tự như các quang tôi phản ứng trung tâm của các sinh vật oxy. Các trung tâm FeS ở trung tâm phản ứng có thể làm giảm NAD + (hoặc NADP +) bởi ferredoxin và ferredoxin-NAD (P) + oxidoreductase enzyme, do đó vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh không nhất thiết phải phụ thuộc vào dòng điện tử ngược lại để giảm carbon. Hệ thống ăng ten của vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây là bao gồm các bacteriochlorophyll và carotenoids và được chứa trong khu phức hợp được biết đến như một chlorosomes được gắn vào bề mặt của màng tế bào quang hợp. Sự sắp xếp này ăng-ten tương tự như các phycobilisomes của vi khuẩn. Green vi khuẩn lưu huỳnh có thể sửa chữa CO2 mà không RuBisCO. Nó đã được đề xuất rằng họ thực hiện điều này bằng cách sử dụng các chuỗi hô hấp thường bị ôxi hóa carbon (gọi là chu kỳ Krebs), dẫn đến việc phát hành CO2. Với năng lượng đầu vào của quá trình này có thể được chạy theo hướng ngược lại, dẫn đến sự hấp thu, giảm khí CO2. Hình 3. Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria) Hình 4. Sơ đồ quang hợp ở vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria) III.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria) - Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả nãng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a hoặc b , hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất. - Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S . Có khả nãng di động với tiên mao mọc ở cực, có loài chu mao, tỷ lệ G+C là 45-70%. - Đặc trưng của quang hợp ở vi khuần lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria) là quá trình quang hợp bắt đầu từ trung tâm phản ứng P870 dưới tác động của ánh sáng electron được vận chuyển ngược chiều điện trường từ +0.5V đến -0.9V . - Chuỗi vận chuyển điện tử bắt đầu từ trung tâm phản ứng P870 ở điện thế Eo = +0.5V dưới tác động của ánh sáng electron được chuyển đến P870 ở điện thế Eo = - 0.9V → BChlBPh (Eo= -0.75V) → QCytbc1+ NADH (Eo= 0.10V) → Cytc2 (Eo= 0.40V)→ trung tâm phản ứng P870 (Eo= 0.5V). - Điện tử đang vận chuyển từ quinone thông qua một loạt các protein sắt-lưu huỳnh (FeS) và cytochromes (Cyt) trở lại trung tâm phản ứng (P870). Đây là bC1 cytochrome phức tạp tương tác với các hồ bơi quinone trong dòng điện tử quang như là một động lực proton (PMF) được sử dụng để lấy được tổng hợp ATP. Bên cạnh ATP, NADP hoặc NADPH cũng được sản xuất bởi vi khuẩn màu tím sử dụng H2S (cũng S2032-, S0 và thậm chí Fe2 +) như các nhà tài trợ điện tử bên ngoài. Khi H2S là nhà tài trợ điện tử, các giọt lưu huỳnh được lưu trữ bên trong các tế bào của vi khuẩn tím. Hình 5. Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria) - Một dòng điện tử đảo ngược hoạt động trong vi khuẩn tím để giảm NAD + để NADH. Các H2S giảm hoặc H2SO32-(thiosulphate) được oxy hóa bởi cytochromes và electron từ họ cuối cùng đã kết thúc trong hồ bơi quinone. Tuy nhiên, tiềm năng năng lượng của quinone là không đủ tiêu cực để giảm NAD + trực tiếp. Do đó, các điện tử từ các hồ bơi quinone buộc lạc hậu để giảm NAD + để NADH. Quá trình này đòi hỏi năng lượng điện tử được gọi là đảo ngược dòng chảy. IV.Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn Heliobacteria : Hình 6. Sơ đồ quang hợp ở vi khuẩn heliobacteria The heliobacteria are phototrophic , that is to say, they convert light energy into chemical energy by photosynthesis ; they use a PSI type reaction center. - Các heliobacteria được phototrophic , đó là họ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học bằng quang ,sử dụng một loại hình trung tâm phản ứng PSI. The primary pigment involved is bacteriochlorophyll g , which is unique to the group and has a unique absorption spectrum; this gives the heliobacteria their own environmental niche. Các sắc tố chính tham gia là bacteriochlorophyll g, mà là duy nhất cho nhóm và có phổ hấp thụ đặc biệt, điều này cho phép các heliobacteria thích hợp của môi trường. Phototrophy takes place at the cell membrane, which does not form folds or compartments as it does in purple phototrophic bacteria. - Đặc trưng của quang hợp ở vi khuần heliobacteria là quá trình quang hợp bắt đầu từ trung tâm phản ứng P798 dưới tác động của ánh sáng electron được vận chuyển ngược chiều điện trường từ +0.25V đến -1.3V. - Chuỗi vận chuyển điện tử bắt đầu từ trung tâm phản ứng P798 ở điện thế Eo = +0.25V dưới tác động của ánh sáng electron được chuyển đến P870 ở điện thế Eo = - 1.3V → Chla-OH (Eo= -1.06V) → FeS(Eo= -0.75V) + Fd(Eo=-0.15V) → Q(Eo= -0.06V)→ Cytbc1(Eo=-0.04V) → Cytc553(Eo=0.20V) → trung tâm phản ứng P789 (Eo= 0.25V). Phototrophy diễn ra tại màng tế bào, mà không hình thành nếp gấp hoặc ngăn giống như trong vi khuẩn tím phototrophic. Even though heliobacteria are phototrophic, they can grow without light by fermentation of pyruvate. Mặc dù heliobacteria được phototrophic, có thể phát triển mà không có ánh sáng bằng cách lên men của pyruvate. Heliobacteria are photoheterotrophic , requiring organic carbon sources, and they are exclusively anaerobic . Heliobacteria được photoheterotrophic , đòi hỏi nguồn carbon hữu cơ, và được độc quyền kỵ khí . So far heliobacteria have only been found in soils, and are apparently widespread in the waterlogged soils of paddy fields. Cho đến nay heliobacte ria chỉ được tìm thấy trong đất, và có vẻ phổ biến ở các vùng đất ngập nước của ruộng lúa. They are avid nitrogen fixers and are therefore probably important in the fertility of paddy fields. Họ là avid fixers nitơ và do đó có lẽ quan trọng trong khả năng sinh sản của cánh đồng lúa. V. Quá trình quang hợp ở Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria) : - Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía là nhóm vi khuẩn quang dị dưỡng hữu cơ (photoorganoheterotrophs) thường kỵ khí bắt buộc, một số loài là quang tự dưỡng vô cơ không bắt buộc (trong tối là hoá dị dưỡng hữu cơ (chemoorganoheterotrophs). - Không vi khuẩn lưu huỳnh màu tía thường sử dụng một nhà tài trợ điện tử hữu cơ, chẳng hạn như succinat hoặc malat, nhưng cũng có thể sử dụng khí hydro. Vi khuẩn lưu huỳnh sử dụng một hợp chất lưu huỳnh vô cơ, như là hydrogen sulfide là nhà tài trợ điện tử. Con đường duy nhất để định hình carbon của vi khuẩn màu tím là chu trình Calvin. Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía phải sửa chữa CO2 để sinh sống, trong khi vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía có thể phát triển aerobically trong bóng tối bằng cách hô hấp trên một nguồn carbon hữu cơ. Hình 7. Sơ đồ quang hợp ở vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple bacteria) - Tế bào chứa chlorophyl a hoặc b, hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất. Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng chất hữu cơ, đôi khi sử dụng hợp chất lưu huỳnh dạng khử hoặc H2. Có khả nãng di động với tiên mao mọc ở cực, hoặc không di động, một số loài có túi khí (gas vesicles), tỷ lệ G+C là 61-72%. - Đặc trưng của quang hợp ở vi khuần không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria) là quá trình quang hợp bắt đầu từ trung tâm phản ứng P870 dưới tác động của ánh sáng electron được vận chuyển ngược chiều điện trường từ +0.65V đến -0.90V. - Chuỗi vận chuyển điện tử bắt đầu từ trung tâm phản ứng P870 ở điện thế Eo = +0.65V dưới tác động của ánh sáng electron được chuyển đến P870* ở điện thế Eo = - 0.90V → BPheo (-e) (Eo= -0.5V) → QA(Eo= 0V) → Q-pool(NADP+)(Eo= 0V)→ Cytbc1(Eo= -0.04V) → Cytc2(Eo= 0.25V) → P870+(Eo= 0.65) → trung tâm phản ứng P870 (Eo= 0.65V). - Việc xác định cấu trúc ba chiều của Trung tâm phản ứng của vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía, Rhodopseudomonas viridis và Rhodobacter sphaeroides, đã cung cấp một cơ hội chưa từng có để hiểu được cấu trúc và chức năng của trung tâm phản ứng quang hợp. Trung tâm phản ứng có bốn bacteriochlorophyll và hai phân tử bacteriopheophytin. Hai trong số các mẫu phân tử bacteriochlorophyll nhà tài trợ chính (P870). Hiện nay, có tranh cãi về việc liệu một phân tử bacteriochlorophyll là một trung gian trong chuyển electron từ P870 để bacteriopheophytin. Tuy nhiên, có thỏa thuận rằng các bước còn lại bao gồm hai phân tử quinone (QA và QB) và hai doanh thu của các kết quả trung tâm phản ứng trong bản phát hành của quinone giảm (QH2) vào trong màng tế bào quang hợp. Mặc dù có một Fe không phải heme giữa hai phân tử quinone, có bằng chứng thuyết phục rằng Fe này không tham gia trực tiếp trong việc chuyển một electron từ QA để QB. Bởi vì các nhà tài trợ chính (P870), bacteriopheophytin và chất nhận quinone của Trung tâm phản ứng màu tím vi khuẩn tương tự như trung tâm phản ứng quang II, trung tâm phản ứng vi khuẩn được sử dụng như hướng dẫn để hiểu được cấu trúc và chức năng của quang II. - Chuyển hướng ánh sáng điện tử hiện tuần hoàn trong Rhodobacter sphaeroides và vi khuẩn tím khác (hình trên). Trung tâm phản ứng sản xuất giảm quinone, được oxy hóa bởi các phức tạp bc cytochrome. Điện tử từ phức tạp bc cytochrome được chuyển giao cho hãng điện tử hòa tan, cytochrome c2, làm giảm oxy hóa P870 nhà tài trợ chính. Các sản phẩm của các phản ứng chuyển hướng ánh sáng điện tử là ATP. Các điện tử cho việc giảm carbon được chiết xuất từ một nhà tài trợ hữu cơ, chẳng hạn như succinat hoặc malat hoặc từ khí hydro, nhưng không phải bởi trung tâm phản ứng. Năng lượng cần thiết để giảm NAD + được cung cấp bởi ánh sáng giao thông dùng điện tử theo chu kỳ trong các hình thức của ATP. Con đường năng lượng chuyển đổi rất phức tạp. Succinat bị oxy hóa bởi một enzyme giới hạn màng (succinate dehydrogenase) để chuyển các electron để quinone, đó là nguồn gốc của các điện tử cho việc giảm NAD +. Tuy nhiên, electron chuyển từ quinone giảm NAD + là hăng hái lên trên. Bằng một cơ chế mà chưa được hiểu rõ, một enzyme màng ràng buộc có thể sử dụng năng lượng được lưu trữ trong điện proton tiềm năng để lái xe điện tử từ quinone giảm NAD +. C.KẾT LUẬN : Vậy quá trình quang hợp ở vi khuẩn khác biệt với quá trình quang hợp ở thực vật chủ yếu ở trung tâm phản ứng, chất tham gia và chất tạo thành trong điều kiện khác nhau nhưng đều đáp ứng được nhu cầu cần thiết cho mỗi loài. TÀI LIỆU THAM KHẢO. Hoàng Minh Tấn. Sinh lí học thực vật . Nhà xuất bản Đại Học Sư Phạm, năm 2006,trang 113,114.