Sáng kiến kinh nghiệm Thiết kế Chuyên đề quang hợp ở thực vật trong bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia

 MẪU 5
 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
 Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
 THUYẾT MINH MÔ TẢ GIẢI PHÁP 
 VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN SÁNG KIẾN
 1. Tên sáng kiến: Thiết kế chuyên đề quang hợp ở thực vật trong bồi dưỡng học 
 sinh giỏi quốc gia.
 2. Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử: tháng 9/2023
 3. Các thông tin cần bảo mật (nếu có): không.
 4. Mô tả giải pháp cũ thường làm
 Sinh học là khoa học về sự sống (bắt nguồn từ Hy Lạp bios là sự sống, và logos là 
 môn học). Nó là một nhánh của khoa học tự nhiên, tập trung nghiên cứu các cá thể 
 sống, mối quan hệ giữa chúng với nhau và với môi trường. Nó miêu tả những đặc điểm 
 và tập tính của sinh vật, cách thức các cá thể và loài tồn tại vì vậy được nhiều học sinh 
 yêu thích vì khi học môn Sinh, học sinh phát triển nhiều năng lực tư duy gắn với thực 
 tiễn cuộc sống, qua đó góp phần phát triển con người hoàn thiện.
 Tuy nhiên, chuyên đề Quang hợp ở thực vật dành cho HS chuyên còn nghèo nàn, 
 HS khó tiếp cận và chưa hiểu hết bản chất.
 Nhằm mục đích giúp các em học sinh có kiến thức chuyên sâu hơn về quang hợp ở 
 thực vật qua đó để các em có nền tảng tốt theo học đội tuyển HSGQG, chúng tôi biên 
 soạn chuyên đề theo cấu trúc mới một cách chi tiết, cơ bản, tổng hợp và chuyên sâu, 
 cùng một số dạng bài tập và câu hỏi mà các em sẽ gặp phải khi làm đề thi HSG QG với 
 hy vọng làm tài liệu đọc và ôn tập cho các em học sinh trong đội tuyển học sinh giỏi.
5. Sự cần thiết phải áp dụng giải pháp sáng kiến
 Chúng tôi có mong muốn biên soạn chuyên đề phục vụ công việc của mình và cũng 
 là góp phần để có thêm tài liệu tham khảo cho các em học sinh khối chuyên sinh tự 
 học, tự luyện, nắm vững thêm kiến thức cơ bản và có kĩ năng tư duy khoa học nhằm 
 đạt được kết quả cao nhất trong học tập.
 Chuyên đề này thiết kế phù hợp với yêu cầu về nội dung kiến thức của Tài liệu 
 Giáo khoa chuyên sâu đáp ứng đòi hỏi về kiến thức cũng như kỹ năng tư duy của các 
 kỳ thi chọn Học sinh giỏi Quốc gia và thi đại học hàng năm.
 2 KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA CHUYÊN ĐỀ: QUANG HỢP Ở THỰC VẬT
I. Lá- Cơ quan quang hợp.
I.1. Hình thái bên ngoài
- Lá có dạng bản và mang đặc tính hướng quang rõ rệt, có khả năng vận động sao cho 
mặt phẳng của lá vuông góc với tia sáng mặt trời để nhận được nhiều nhất năng lượng 
ánh sáng.
- Một số thực vật chịu nhiệt khi gặp cường độ ánh sáng mạnh thì có khả năng vận động 
bản lá theo hướng song song với tia sáng để giảm sự đốt nóng...
I.2. Giải phẫu của lá
- Mô dậu nằm dưới lớp biểu bì trên của lá và chứa nhiều hạt lục lạp. Mô dậu gồm một 
số lớp tế bào xếp sít nhau theo từng lớp gần như song song với nhau, nhằm hấp thu 
được nhiều năng lượng ánh sáng. Các tế bào mô dậu chứa rất nhiều hạt lục lạp, là cơ 
quan chính thực hiện quang hợp.
- Mô khuyết(Mô xốp): nằm sát ngay dưới các lớp tế bào mô dậu, giữa các tế bào có rất 
nhiều các khoảng trống gọi là gian bào. Gian bào thường thông với không khí bằng các 
lỗ khí khổng. Các khoảng gian bào của lá chứa CO 2 và hơi nước để cung cấp cho quá 
trình quang hợp. Trong các tế bào mô khuyết cũng có chứa lục lạp nhưng số lượng ít 
hơn của mô dậu và cũng có khả năng thực hiện quang hợp cùng với mô dậu.
 - Hệ thống mạch dẫn trong lá: trong lá có mạng lưới mạch dẫn dày đặc làm nhiệm vụ 
dẫn nước và muối khoáng phục vụ cho các hoạt động quang hợp cũng như dẫn các sản 
phẩm quang hợp ra khỏi lá đến các cơ quan khác trong cây.
- Biểu bì trên và biểu bì dưới của lá gồm một lớp tế bào. Biểu bì trên thường phủ một 
lớp cutin và sáp có nhiệm vụ bảo vệ lá và giảm sự thoát hơi nước.
 Biểu bì mặt dưới và cả mặt trên của lá có rất nhiều khí khổng qua đó, CO 2 xâm nhập 
từ ngoài vào lá còn hơi nước thoát từ lá ra ngoài.
 Hình 1. Sơ đồ giải phẫu của lá
 4 I.3.4. Các loại lục lạp
 Ở thực vật bậc cao, người ta thấy có hai loại lục lạp có cấu trúc và chức năng khác 
nhau. Đó là lục lạp của tế bào thịt lá và lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch.
- Trong các thực vật C4 như ngô, mía, cao lương..., tồn tại đồng thời hai loại lục lạp là 
lục lạp của tế bào thịt lá (mesophil) và lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch.
Lục lạp của tế bào thịt lá chứa trong các tế bào mô dậu và mô khuyết của lá và có cấu 
trúc grana (màng thilacoit) rất phát triển. Chúng có nhiệm vụ thực hiện chu trình C4 
(cố định CO2 ) của quang hợp. Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch chỉ ở trong các 
tế bào nằm cạnh bó mạch dẫn. Chúng có cấu trúc thylakoid kém phát triển, nhưng lại 
chứa rất nhiều hạt tinh bột. Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch thực hiện chu trình 
C3 (khử CO2 ) của quang hợp.
- Thực vật C3 gồm đa số cây trồng như lúa, đậu đỗ, cam chanh, khoai tây... chỉ có một 
loại lục lạp chứa trong mô dậu và mô khuyết tương tự như lục lạp của tế bào thịt lá của 
thực vật C4 . Lục lạp này thực hiện chu trình C3 của quang hợp.
I.3.5. Chức năng của lục lạp
- Thực hiện quá trình quang hợp tức là biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng 
hoá học tích luỹ trong các chất hữu cơ. Pha sáng được thực hiện trong thilacoit còn pha 
tối được thực hiện trong cơ chất của lục lạp. Đây là chức năng quan trọng nhất có ý 
nghĩa quyết định đến mọi hoạt động của sinh vật.
- Thực hiện di truyền tế bào chất, di truyền một số tính trạng ngoài nhân vì nó có ADN 
và ARN riêng cho lục lạp.
 6 đạo cơ bản của mình và chuyển từ liên kết đôi sang liên kết đơn. Đấy là trạng thái kích 
thích của phân tử diệp lục khi nhận năng lượng ánh sáng và là bước đầu tiên của quang 
hợp.
+ Đuôi phân tử diệp lục : Diệp lục có đuôi rất dài gồm gốc rượu phytol có 20 nguyên 
tử cacbon. Đuôi diệp lục có tính kị nước nhưng ưa lipit nên nó có vai trò định vị phân 
tử diệp lục trên màng thylakoid vì màng quang hợp có tính lipit.
- Diệp lục (a) và (b) chỉ khác nhau nhóm định chức. Diệp lục a thực hiện quang phân 
ly nước
 Hình 4. Công thức cấu tạo của diệp lục a, b
II.1.2. Đặc tính hoá học của chlorophill
- Chlorophill ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Khi muốn chiết 
xuất diệp lục ra khỏi lá xanh, ta phải dùng các dung môi hữu cơ như este, axeton, rượu, 
benzen không phải là 100%...
- Diệp lục a là este của axit chlorophillic với hai rượu phytol (C 20 H 39 OH) và metanol 
(CH3 OH), nên nó có phản ứng đặc trưng của một este là phản ứng xà phòng hoá khi 
tác dụng với kiềm để tạo nên muối chlorophillat. Chlorophyllat kali có màu xanh nhạt 
hoặc xanh cỏ úa:
 8 - Trong quang phổ hấp thu của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thu 
mạnh nhất tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại. Đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662 
nm và vùng ánh sáng xanh tím với cực đại là 430 nm. ánh sáng xanh lá cây không 
được diệp lục hấp thu mà phản xạ toàn bộ nên ta thấy cây có màu xanh lá cây.
- Trong lá cây, do phân tử diệp lục liên kết với các phân tử protein khác nhau nên 
chúng có cực đại hấp thu sai khác nhau ít nhiều tạo nên các phân tử diệp lục có cực đại 
hấp thu khác nhau và được ký hiệu bằng P700 , P 680, P 685 ... mặc dù chúng đều là 
diệp lục a
 Hình 5. Máy đo quang phổ
 Hình 6. Quang phổ hấp thu của diệp lục a
- Diệp lục được tổng hợp từ axit sucxinic và glyxin qua nhiều giai đoạn rất phức tạp. 
Điều kiện ngoại cảnh quan trọng cho quá trình tổng hợp diệp lục là ánh sáng, nhiệt độ 
và các nguyên tố khoáng như N, Mg, P, Fe Do đó, diệp lục không được hình thành
 10 Hình 7. Cấu tạo Carotenoids và bước sóng hấp thu của Carotenoids
II.3. Vai trò của Carotenoids
 ✓ Lọc ánh sáng và bảo vệ cho diệp lục. Diệp lục dễ bị phá huỷ khi có cường độ 
 ánh sáng cao. Carotenoids có khả năng ngăn cản phản ứng quang oxi hoá diệp 
 lục để bảo vệ cho diệp lục khỏi bị phân hủy. Vì vậy, chúng bao giờ cũng nằm 
 cạnh diệp lục.
 ✓ Vai trò quan trọng nhất của Carotenoids là tham gia vào quá trình quang hợp. 
 Carotenoit không có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng hấp thu mà chúng 
 chỉ hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời rồi truyền năng lượng ánh sáng này 
 cho diệp lục để phân tử diệp lục biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng 
 hoá học. Trong lục lạp, Carotenoids nằm sát cạnh diệp lục nên hiệu suất truyền 
 năng lượng là rất cao, có thể đạt gần 100%.
 Caroten + hγ→ Caroten *
 Caroten * + hγ → Diệp lục * + Caroten
 Diệp lục ở trạng thái kích thích (*) sẽ tham gia vào quang hợp.
III. Phức hệ sắc tố ăngten
- Phức hệ ăng ten là các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng 
 và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng nơi mà xảy ra các phản ứng oxi hóa 
 khử để chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.
 12 Hình 8. Hai pha của quá trình quang hợp
IV.1.1. Giai đoạn quang vật lý
Giai đoạn này mang bản chất vật lý thuần tuý. Kết thúc giai đoạn quang vật lý là năng 
lượng ánh sáng dưới dạng các dao động điện từ của các hạt photon đã chuyển thành 
năng lượng kích thích điện tử của phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng (P700).
 Diệp lục + hγ → Diệp lục*
Giai đoạn quang lý bao gồm quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng của phân tử diệp 
lục và quá trình vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng.
IV.1.1.1. Quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng
- Phân tử diệp lục có hệ thống nối đôi cách đều nên nó có khả năng hấp thu ánh sáng 
rất mạnh. Khi hấp thu năng lượng của lượng tử ánh sáng thì phân tử diệp lục chuyển 
sang trạng thái kích thích điện tử. Có hai trạng thái kích thích điện tử của phân tử diệp 
lục là trạng thái kích thích sơ cấp (trạng thái singlet) và trạng thái kích thích thứ cấp 
(trạng thái triplet)
- Trạng thái kích thích sơ cấp (trạng thái singlet) với thời gian tồn tại của điện tử trên 
quỹ đạo đó rất ngắn (10 -9 giây khi hấp thu ánh sáng đỏ – Trạng thái singlet 2, và 10 -12 
giây khi hấp thu ánh sáng xanh – Trạng thái singlet 1). Sau thời gian ngắn ngủi đó, 
điện tử quay trở về quỹ đạo cơ bản ban đầu. Năng lượng dư thừa khi điện tử quay về 
quỹ đạo xuất phát sẽ chuyển thành các dạng sau: toả nhiệt, phát ra ánh sáng huỳnh 
quang hoặc kích thích phân tử diệp lục khác bên cạnh. Với thời gian sống quá ngắn 
ngủi như vậy thì khả năng sử dụng năng lượng vào quang hợp là rất khó khăn.
 14 - Trên màng thylakoid, diệp lục và các sắc tố được tổ chức thành 2 hệ thống quang hoá 
I và II. Mỗi hệ thống quang hoá chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, chlorophylle a đóng 
vai trò trung tâm (trung tâm phản ứng). Những phân tử sắc tố khác hoạt động như 
những anten: hấp thu NL của AS có độ dài sóng khác nhau truyền NL về trung tâm 
pứ. Hệ thống quang hoá I (max khi λ = 700 nm – P 700). Hệ thống quang hoá II (max 
khi λ = 680 nm – P680)
 IV.1.2.1. Chuỗi truyền e và quá trình phosphoryl hoá vòng
- Xảy ra ở hệ thống quang hoá I:
 AS → ptử diệp lục → kích động điện tử → e nhảy lên quỹ đạo cao 
 hơn → tạo ra NL (ATP) → trở về diệp lục
 Diệp lục
 ADP + Pi ATP
 Ánh sáng
 - Cây tiến hành khi thiếu nước, dư NADPH (điện tử), có vai trò phụ, Hiệu quả năng 
 lượng thấp
IV.1.2.2. Chuỗi truyền e và quá trình phosphoryl hoá không vòng
- Hệ thống quang hoá I và II cùng hoạt động
AS → ptử diệp lục → kích động e → e nhảy lên quỹ đạo cao hơn → tạo ra NL (ATP)
→ e của nước không trở về diệp lục
- Có vai trò chủ yếu, hấp thu năng lượng AS hiệu quảhơn 
 + -
 2H2O→ 4H + O2 + 4e
 (hệ thống quang hoá II)
 + 
 2H2O + NADP + H3PO4+ ADP→ ATP+ NADPH 2 + ½O2 +H2O
 - 
 (e đi không quay trở lại H2O)
- Giai đoạn này gồm hàng loạt các phản ứng quang hoá học. Phân tử diệp lục P700 
trong trung tâm phản ứng ở trạng thái kích thích thứ cấp sẽ tham gia vào các phản ứng 
quang hoá để chuyển năng lượng của điện tử kích thích vào liên kết cao năng của phân 
tử ATP và một phần năng lượng được sử dụng tạo nên chất khử NADPH.
 16 Thực ra thì đây là hệ quả của hai quá trình diễn ra song song với nhau là quá trình 
chuyển vận điện tử và quá trình tổng hợp ATP diễn ra trên màng thilacoit của lục lạp.
- Quá trình chuyển vận điện tử
 +
 Điện tử sẽ được chuyển vận từ H2O (có thế oxy hoá khử là + 0,8V) đến NADP 
(-0,32V). Điện tử chuyển vận ngược chiều điện trường (từ + đến -) nên quá trình này 
không tự diễn ra được mà cần được hoạt hoá bởi năng lượng ánh sáng do diệp lục hấp 
thu. Diệp lục phải hấp thu 2 quang tử ánh sáng để cho 2 điện tử đi ngược gradient điện 
 +
trường. Để hướng dẫn đường đi của điện tử đúng hướng (từ H 2O đến NADP ), một 
loạt các chất đặc hiệu sắp xếp một cách có trật tự trong màng thilacoit tạo nên chuỗi 
chuyển vận điện tử (CCVĐT). Chuỗi CVĐT có nhiệm vụ chuyền điện tử từ phân tử 
 + +
H2O đến chất nhận cuối cùng là NADP để khử nó thành NADPH (cùng với H ). Các 
thành viên chủ yếu của chuỗi chuyển vận điện tử quang hợp gồm: Plastoquinon (PQ), 
xytocrom f, plastocyanin (PC), feredoxin, NADP + . CCVĐT còn có hai trung tâm 
phản ứng của hai hệ thống sắc tố là P680 và P700 . Chúng sắp xếp trong màng 
thilacoit lần lượt theo thứ tự giảm dần của thế oxi hoá khử. Qua các thành viên của 
 +
CCVĐT, điện tử có thể vận chuyển từ H 2O (+0,81V) đến NADP (-0,32V). Tất nhiên 
vì điện tử đi ngược chiều điện trường nên diệp lục P680 và P 700 phải nhận thêm năng 
lượng ánh sáng để CCVĐT này hoạt động được.
- Quá trình quang phosphoryl hoá tổng hợp ATP
 Trên đường đi của điện tử qua nhiều thành viên của CCVĐT có mức năng lượng
khác nhau, năng lượng thừa được giải phóng ra lập tức liên kết vào liên kết cao năng 
photphat của phân tử ATP nhờ phản ứng:
 ADP + H 3PO 4 + Năng lượng → ATP + H2O
Tất nhiên, quá trình phosphoryl hoá quang hoá có sự tham gia của NADP + và có giải 
phóng oxi, nên phản ứng phosphoryl hoá đầy đủ có phương trình sau:
 2NADP + + 2ADP + 2H2O + 2H3PO4 → 2NADPH + 2ATP + O 2
 Như vậy, hai quá trình chuyển vận điện tử và phosphoryl hoá xảy ra song song với 
nhau. Nếu như hai quá trình đó liên kết với nhau thì ATP được hình thành, còn nếu 
không tiếp hợp nhau thì năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt vô ích. Ví dụ 
trong trường hợp gặp điều kiện "stress", màng thylakoid bị thương tổn thì hai quá trình 
đó bị tách rời và ATP không được hình thành.
 18