IV – HOÁ TỔNG HỢP VÀ QUANG TỔNG HỢP

Trong các hình thức tự dưỡng của sinh vật có hoá tổng hợp và quang tổng hợp.

1. Hoá tổng hợp

a) Khái niệm

Khi xuất hiện các loại vi sinh vật hoá tự dưỡng đầu tiên, chúng đã đồng hoá $CO_{2}$ nhờ năng lượng của các phản ứng ôxi hoá để tổng hợp thành các chất hữu cơ khác nhau của cơ thể. Đó là con đường hoá tổng hợp. Phương trình tổng quát của hoá tổng hợp:

A (chất vô cơ) + $O_{2}$ → $AO_{2}$ + năng lượng

$CO_{2}$ + $RH_{2}$ + năng lượng → Chất hữu cơ

(trong đó: năng lượng do các phản ứng oxi hoá khử tạo ra; $RH_{2}$ là chất cho hiđrô).

b) Các nhóm vi khuẩn hoá tổng hợp

Phương thức dinh dưỡng bằng hoá tổng hợp đặc trưng cho vi khuẩn và rất đa dạng. Người ta thường phân biệt các nhóm sau:

* Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa lưu huỳnh

Đây là nhóm vi khuẩn có khả năng ôxi hoá $H_{2}S$ tạo ra năng lượng rồi sử dụng một phần năng lượng đó để tổng hợp chất hữu cơ:

$2H_{2}S+O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+2S+Q$

$2S+2H_{2}O+3O_{2}\rightarrow 2H_{2}SO_{4}+Q$

$CO_{2}+2H_{2}S+Q\rightarrow \frac{1}{6}C_{6}H_{12}O_{6}+H_{2}O+2S$

(Q là năng lượng do phản ứng ôxi hoá khử tạo ra).

Hoạt động của nhóm vi khuẩn này đã góp phần làm sạch môi trường nước.

* Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa nitơ

Nhóm vi khuẩn tự dưỡng này đông nhất và gồm 2 nhóm nhỏ :

- Các vi khuẩn nitrit hoá như Nitrosomonas. Chúng ôxi hoá $NH_{3}$ thành axit nitơ để lấy năng lượng:

$2NH_{3}+3O_{2}\rightarrow 2HNO_{2}+2H_{2}O+Q$

6% năng lượng giải phóng được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp glucôzơ từ $CO_{2}$.

- Các vi khuẩn nitrat hoá như Nitrobacter. Chúng ôxi hoá $HNO_{2}$ thành $HNO_{3}$:

$2HNO_{2}+O_{2}\rightarrow 2HNO_{3}+Q$

7% năng lượng giải phóng được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp glucôzơ từ $CO_{2}$

Đây là nhóm vi khuẩn có vai trò to lớn trong tự nhiên (Chúng đảm nhiệm một khâu quan trọng trong chu trình vật chất của tự nhiên).

* Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa sắt

Vi khuẩn sắt lấy năng lượng từ phản ứng oxi hoá sắt hoá trị II thành sắt hoá trị III:

$4FeCO_{3}+O_{2}+6H_{2}O\rightarrow 4Fe(OH)_{3}+4CO_{2}+Q$

Một phần năng lượng được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp chất hữu cơ. Nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn này mà $Fe(OH)_{3}$ kết tủa dần dần tạo ra các mỏ sắt.

Ngoài ra, nhóm vi khuẩn hiđrô cũng có khả năng ôxi hoá hiđrô phân tử ($H_{2}$) và sử dụng một phần năng lượng được giải phóng để tổng hợp chất hữu cơ.

2. Quang tổng hợp (quang hợp)

a) Khái niệm

Quang hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ ($CO_{2}$ và $H_{2}O$) nhờ năng lượng ánh sáng do các sắc tố quang hợp hấp thu được chuyển hoá và tích lũy ở dạng năng lượng hoá học tiềm tàng trong các hợp chất hữu cơ của tế bào.

b) Sắc tố quang hợp

Trong thực vật và tảo thường có ba loại sắc tố: clorophyl (chất diệp lục), carotenoit (sắc tố vàng, da cam hay tím đỏ) và phicôbilin ở thực vật bậc thấp. Vi khuẩn quang hợp chỉ có clorophyl.

Cây xanh quang hợp được là nhờ có các sắc tố quang hợp mà chủ yếu là clorophyl (chất diệp lục) chứa trong các lục lạp của tế bào. Vai trò của diệp lục là hấp thu quang năng. Nhờ năng lượng đó mà các phản ứng quang hợp diễn ra. Chất diệp lục có khả năng hấp thu ánh sáng có chọn lọc, có khả năng cảm quang và tham gia trực tiếp trong các phản ứng quang hoá. Các sắc tố phụ hấp thu được 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 chất diệp lục khỏi bị phân hủy.

Thí nghiệm : Từ năm 1883 nhà khoa học người Đức Enghemann đã thấy loại vi khuẩn hiếu khí Pseudomonas tập trung nhiều ở miền ánh sáng đỏ và xanh tím của quang phổ là vùng thoát nhiều ôxi lúc chiếu sáng qua lăng kính vào tảo Cladophora và tảo Spirogyra.

c) Các pha của quang hợp

Quá trình quang hợp là một chuỗi dài các phản ứng phức tạp gồm hai pha: pha sáng và pha tối.

* Pha sáng của quang hợp

Trong pha sáng, chất diệp lục hấp thụ các quang tử (phôtôn), một số electron bị giải phóng khỏi quỹ đạo, được chuyển qua chuỗi chuyền electron khu trú trong màng tilacoit của lục lạp. Sự chuyền electron đã tạo nên một thế năng dẫn đến sự tổng hợp ATP nhờ phức hệ ATP - xintetaza có trong màng tilacoit.

Trong pha sáng dưới tác động của ánh sáng, nước được phân li để cung cấp êlectrọn bù đắp cho số electron bị giải phóng khỏi chất diệp lục. Sản phẩm của quang phân nước là $O_{2}$ và các prôtôn ($H^{+}$). Các electron được chuyền cho $NADP^{+}$ và $NADP^{+}$ biến thành NADPH; ATP và NADPH là nguồn năng lượng và lực khử cần cho giai đoạn tối.

* Pha tối của quang hợp

Các phản ứng tối (không cần ánh sáng) được xúc tác bởi một chuỗi các enzim có trong chất nền (stroma) của lục lạp ở cây xanh và tảo hoặc trong tế bào của vi khuẩn quang hợp. Các cơ thể quang hợp sử dụng ATP và NADPH (hay NADH) do pha sáng tạo ra để tổng hợp cacbohidrat từ khí $CO_{2}$ của khí quyển (hình 10).

Ngoài con đường tổng hợp chất hữu cơ như đã nêu trên, ở các thực vật vùng sa mạc hay vùng nhiệt đới còn có những con đường khác. Diễn biến của các con đường tổng hợp các chất hữu cơ trong pha tối phụ thuộc vào nhiều điều kiện môi trường. Con người cũng có thể điều khiển sự tạo thành các sản phẩm ở thực vật theo ý muốn.