CHƯƠNG I: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH TÍCH
LŨY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Qu ang hợp là gì?
• Các sinh vật đầu tiên trên Trái đất xuất hiện cách đây khoảng 3,5 - 4 tỉ năm
tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp
(chemosynthesis), tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như
H2, NH4, H2S.
• Các sinh vật này tồn tại môi trường rất đặc biệt như trong các nước thải, suối
nước nóng có lưu huỳnh và các miệng núi lửa trên các sàn đại dương, được gọi là các
sinh vật yếm khí, có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các
hợp chất hữu cơ phức tạp, sự quang tổng hợp (photosynthesis), thường gọi là sự quang
hợp. Các sinh vật quang hợp đầu tiên này không tạo ra ôxy.
• Về sau một số sinh vật có khả năng sử dụng nước cho sự quang hợp, tạo ra
O2, dần dần tích tụ trong khí quyển, một số sinh vật tiến hóa khác có khả năng sử dụng
O2 xúc tác trong các phản ứng để giải phóng năng lượng trong các phân tử thức ăn.
Quá trình này được gọi là sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration).
• Sự quang hợp sử dụng CO
2
và H
2
O tạo ra từ sự hô hấp hiếu khí và sự hô hấp
kỵ khí thì sử dụng thức ăn và O
2
sinh ra từ sự quang hợp.
• Cả 2 loại sinh vật này được gọi chung là sinh vật tự dưỡng- tự tổng hợp chất
hữu cơ từ vật chất vô cơ, sinh vật dị dưỡng phải lấy thức ăn hữu cơ từ môi trường
chung quanh, chúng tiêu thụ các sinh vật tự dưỡng.
• Quang hợp là quá trình thu nhận năng lượng ánh sáng Mặt trời của thực vật,
tảo và một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn
thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái đất.
• Trong các chuỗi thức ăn tự nhiên, các sinh vật quang dưỡng (sống nhờ nguồn

- Bằng mắt thường, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy những bức xạ điện từ có bước sóng
nằm trong vùng quang phổ từ 400nm đến 700nm.
- Toàn bộ ánh sáng có bức xạ khả kiến và bức xạ hồng ngoại đều hoạt động tích cực
trong quá trình quang hợp của một số sinh vật nhất định, mặc dù những sinh vật có
chứa chlorophyll a quen thuộc lại không thể sử dụng được ánh sáng cso bước sóng dài
hơn 700nm. Miền bức xạ khả kiến thường được gọi là bức xạ quang hợp, thực sự chúng
chỉ đúng cho những sinh vật mang chlorophyll a.
- Ánh sáng Mặt Trời đến được bề mặt Trái Đất đã bị tiêu hao bởi sự phân tán và sự hấp
thụ của các phân tử trong khí quyển. Hơi nước và các phân tử khác như CO
2
hấp thụ
mạnh mẽ bức xạ hồng ngoại, trong khi bức xạ tử ngoại bị hấp thụ ở tầng ozone. Ánh
sáng tử ngoại chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ quang phổ Mặt Trời, nhưng chúng
lại gây thương tổn cho các sinh vật do mức năng lượng mạnh có trong photon. Nhưng
hầu hết ánh sáng gây hại này bị tầng ozone chặn lại nên không tới được bề mặt Trái
Đất. Vùng ánh sáng hồng ngoại lại mang một lượng năng lượng lớn, và dường như đó
là nguồn photon dồi dào cung cấp cho quá trình quang hợp. Không một sinh vật đã biết
nào có khả năng sử dụng ánh sáng có bước sóng lớn hơn 1000nm, do vậy những photon
2
mang mức năng lượng thấp ở bức xạ hồng ngoại phải tham gia vào các phản ứng hóa
học của quá trình quanh hợp. Vì ánh sáng hồng ngoại chỉ bị nước hấp thụ nên những
sinh vật thủy sinh không thể lấy được năng lượng từ miền quang phổ này.
- Ở nước, cường độ ánh sáng giảm mạnh nên chỉ những bức xạ có bước sóng dài mới
có thể đi xuyên xuống tầng nước sâu hơn. Nước có tác dụng phân tán ánh sáng, thường
gặp ở miền ánh sáng lam của quang phổ. Ở mực sâu trên 10m, hầu hết sinh vật chỉ sử
dụng được ánh sáng lục bởi vì ánh đỏ bị hấp thụ và ánh sáng lam bị phân tán. Mặc dù
không một chất diệp lục nào hấp thụ được ánh sáng lục nhưng các sắc tố quang hợp
khác, cụ thể là một vài carotenoid lại hấp thụ mạnh mẽ miền quang phổ này. Điều này
có trong phần lớn các sinh vật quang dưỡng thủy sinh.
Nơi diễn ra quang hợp

là:
1. Ánh sáng hấp thụ năng lượng và vận chuyển bởi hệ thống ăng ten.
3
2. Hạt điện tử cơ bản vận chuyển đến trung tâm phản ứng.
3. Năng lượng ổn định bởi quá trình chuyển hóa.
4. Tổng hợp và giải phóng các sản phẩm ổn định.
- Các điều kiện phản ứng sáng và tối có truyền thống được sử dụng để mô tả các giai
đoạn khác nhau của năng lượng tích trữ của quang hợp. Ba giai đoạn đầu tiên mà chúng
tôi đã xác định làm tăng các phản ứng ánh sáng, và thứ tư bao gồm các phản ứng tối.
Tuy nhiên, tên gọi này là hơi gây hiểu lầm, trong đó tất cả các phản ứng cuối cùng là
vận chuyển ánh sáng, nhưng ánh sáng chỉ phụ thuộc vào photon hấp thụ. Ngoài ra, một
số enzyme tham gia vào sự trao đổi chất cacbon được quy định bởi các hợp chất sản
xuất bởi ánh sáng.
Ăng ten và chuyển giao quy trình năng lượng:
- Năng lượng ánh sáng sẽ được dự trữ bởi quang hợp, trước tiên nó được hấp thụ bởi
một trong những sắc tố liên kết với một bộ máy quang hợp. Khi hấp thụ năng lượng từ
photon ánh sáng sẽ tạo ra một trạng thái bị kích thích và dẫn đến phân ly nước tại trung
tâm phản ứng.
- Các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng gọi là các phức hợp
antenna và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng – nơi xảy ra các phản ứng oxy
hóa khử chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.
- Hệ thống ăng ten không tham gia bất cứ phản ứng hóa học nào, nó hoạt động bằng
một quá trình chuyển giao năng lượng mà liên quan đến sự di chuyển điện tử bị kích
thích từ một phân tử khác. Đây là một quá trình hoàn toàn tự nhiên, mà phụ thuộc vào
một liên kết yếu của sắc tố anten. Trong hầu hết trường hợp, các sắc tố được gắn với
protein trong các liên kết rất cụ thể. Ngoài chlorophylls, sắc tố phổ biến bao gồm ăng
ten carotenoids và sắc tố chuỗi mở tetrapyrrole bilin có ở phức hợp ăng ten
phycobilisome.
- Phức hệ ăng ten làm tăng đáng kể số lượng năng lượng có thể được hấp thụ so với
một sắc tố duy nhất. Dưới đa số các điều kiện, đây là một lợi thế, bởi vì ánh sáng mặt

- Hệ thống này tránh được thiệt hại của tái kết hợp của việc có một loạt các phản ứng
phụ cực kỳ nhanh chóng mà cạnh tranh với tái kết hợp thành công. Những phản ứng,
mà là hiệu quả nhất ở bên chất nhận của các cặp ion. Điều này thể tách làm giảm tỷ lệ
tái kết hợp theo nhu cầu của cường độ.
- Kết quả cuối cùng là trong một thời gian rất ngắn các loài bị ôxi hóa và giảm được
ngăn cách bởi bề dày gần của màng sinh học. Chậm quá trình sau đó có thể lấy lên và
tiếp tục ổn định lưu trữ năng lượng và chuyển đổi nó thành các dạng dễ dàng sử dụng.
Hệ thống được điều chỉnh nên mịn rằng trong nhiều trường hợp, sản lượng lượng tử của
các sản phẩm được hình thành cho mỗi photon hấp thu được gần 1,0. Tất nhiên, một số
là hy sinh năng lượng từ mỗi photon để thực hiện việc này, nhưng kết quả là không ít
ấn tượng.
Ổn định của các phản ứng phụ:
- Bản chất của lưu trữ năng lượng quang là chuyển giao một điện tử từ một loại chất
diệp lục sắc tố kích thích (một phân tử sắc tố chất nhận trong một protein phức tạp gọi
là trung tâm phản ứng). Việc đầu tiên, điện tử chuyển giao sự kiện tiếp theo là tách các
chi phí tích cực và tiêu cực bởi một loạt rất nhanh chóng của các phản ứng hóa học
trung học. Nguyên tắc cơ bản này áp dụng cho tất cả các trung tâm phản ứng quang,
mặc dù các chi tiết của quá trình thay đổi từ một hệ thống kế tiếp.
- Trong một số các sinh vật, một ánh sáng hướng chuyển giao điện tử và ổn định là đủ
5
để hoàn thành một chuỗi chuyển điện tử vòng.
Ôxy quen thuộc hơn, phát triển các sinh vật quang có một mô hình khác nhau của
chuyển giao điện tử. Họ có hai trung tâm phản ứng quang hóa phức mà làm việc cùng
nhau trong một chuỗi chuyển noncyclic điện tử, như trong hình. Hai phản ứng phức
hợp trung tâm được gọi là photosystems 1 và 2. Electron được loại ra khỏi nước bằng
6