Diệp lục là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và cấu trúc chung của diệp lục

Diệp lục (chlorophyll) là nhóm sắc tố quang hợp thiết yếu trong thực vật, tảo và vi khuẩn lam, có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời và khởi động chu trình quang hợp. Về mặt hóa học, phân tử diệp lục bao gồm một vòng porphyrin đa hợp với ion Mg2+ ở tâm và một gốc phytol kỵ nước kéo dài, giúp liên kết chặt vào lớp màng tilacoit trong lục lạp PubChem.

Cấu trúc vòng porphyrin gồm bốn vòng pyrolic nối với nhau qua cầu methine (–CH=), tạo ra một mặt phẳng phân tử ổn định và hệ liên hợp π mở rộng cho phép thu nhận photon. Gốc phytol (C20H39–) gắn vào vòng porphyrin thông qua liên kết ester, đóng vai trò giữ vị trí trong không gian lipid kép của màng tilacoit, đồng thời điều chỉnh mức độ hòa tan trong môi trường kỵ nước.

Phân tử diệp lục tồn tại dưới dạng anhydrous (không nước) và hydrate (có nước liên kết), với khối lượng phân tử khoảng 892–908 Da tùy biến thể. Sự pha trộn giữa tính ưa nước (vòng porphyrin) và tính ưa dầu (phytol) cho phép diệp lục hoạt động như một chất nhũ hóa, điều hoà sự phân bố sắc tố trong màng thylakoid, tối ưu hoá hiệu suất quang hợp.

Phổ hấp thụ ánh sáng của diệp lục

Diệp lục a và b hấp thụ mạnh ánh sáng ở hai vùng phổ chính: vùng xanh lam (khoảng 430–450 nm) và vùng đỏ (khoảng 660–680 nm). Biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis của hai biến thể này có đỉnh hấp thụ cách nhau ~20 nm, giúp mở rộng dải hấp thụ và cải thiện hiệu suất thu nhận năng lượng.

Dưới đây là bảng tóm tắt các đỉnh hấp thụ chính của diệp lục a và b:

Phổ hấp thụ này được xác định bằng máy quang phổ UV-Vis, khi đo độ hấp thụ (absorbance) theo bước sóng. Các đỉnh hấp thụ đặc trưng phản ánh sự phân bố mức năng lượng của electron π → π*, quan trọng trong việc kích hoạt quá trình truyền electron trong hai hệ quang hợp (Photosystem I/II) ScienceDirect.

Mức hấp thụ thứ cấp và vùng hấp thụ thấp hơn (phổ Soret và Q-bands) cũng đóng vai trò hỗ trợ, thu thập ánh sáng ở các bước sóng phụ và chuyển tiếp năng lượng tới trung tâm phản ứng, tạo ra sự cộng hưởng cộng hưởng lan truyền photon hiệu quả hơn.

Phân loại và biến thể diệp lục

Diệp lục phân thành nhiều biến thể chính, bao gồm:

• Chlorophyll a: biến thể chủ đạo trong tất cả hệ quang hợp oxy, đóng vai trò chính trong trung tâm phản ứng.
• Chlorophyll b: biến thể phụ trợ, mở rộng phổ hấp thụ về phía xanh lá cây, tồn tại phổ biến ở thực vật cao và tảo xanh.
• Chlorophyll c, d, e: gặp ở các loài tảo đỏ, tảo lục xoắn, vi khuẩn lam, mỗi loại có cấu trúc vòng porphyrin biến thể và gốc phụ khác nhau, phù hợp với môi trường sống đa dạng.

Các biến thể này khác nhau ở vị trí và loại nhóm thế (methyl, formyl, vinyl) trên vòng porphyrin, dẫn đến sự thay đổi nhẹ trong phổ hấp thụ và khả năng truyền electron. Ví dụ, chlorophyll d có đỉnh đỏ dịch chuyển lên ~710 nm, tối ưu hoá cho ánh sáng cận hồng ngoại Annual Review of Plant Biology.

Sự phân bố và tỷ lệ giữa các biến thể trong quần thể sắc tố ảnh hưởng đến hiệu quả quang hợp, khả năng thích nghi với cường độ ánh sáng khác nhau và điều kiện môi trường đa dạng (độ sâu nước, bóng râm, nhiệt độ).

Quá trình sinh tổng hợp diệp lục

Sinh tổng hợp diệp lục bắt đầu từ hai cơ chất chính: glycine và succinyl‐CoA, trải qua loạt phản ứng enzyme phức tạp tạo δ-aminolevulinic acid (ALA), tiền thân cho vòng tetrapyrrole. Mỗi bước được xúc tác bởi enzyme chuyên biệt, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả cao.

1. Tạo δ-ALA: $2\ Gly + Succinyl\text{-}CoA \;\xrightarrow{\text{ALA synthase}}\; 5\text{-}ALA$
2. Hình thành porphobilinogen & uroporphyrinogen: qua phản ứng đóng vòng và methyl hoá.
3. Tạo Protoporphyrin IX & gắn Mg2+: enzyme magnesium chelatase lắp Mg2+ vào trung tâm porphyrin.
4. Lắp ráp gốc phytol: ester hoá bởi phytol kinase, hoàn thiện phân tử diệp lục a hoặc b.

Mỗi bước trong chuỗi sinh tổng hợp được điều chỉnh chặt chẽ bởi cơ chế phản hồi bất hoạt (feedback inhibition) và điều hòa biểu hiện gen, đảm bảo cân bằng giữa nhu cầu sắc tố và điều kiện môi trường NCBI PMC.

Sau khi hoàn thiện, diệp lục được vận chuyển vào màng tilacoit và lắp ráp vào phức hợp protein-chlorophyll để tạo thành trung tâm phản ứng và tháp thu ánh sáng (light-harvesting complexes), sẵn sàng tham gia chu trình quang hợp.

Vai trò trong quang hợp

Diệp lục là sắc tố trung tâm trong hai hệ quang hợp Photosystem I và Photosystem II, nơi nó hấp thụ photon để kích thích electron từ mức cơ bản lên mức kích thích. Khi photon chạm vào vòng porphyrin, electron π được nâng lên mức năng lượng cao, sau đó truyền qua chuỗi vận chuyển electron (ETC) trong màng thylakoit.

Trong Photosystem II, diệp lục a tại trung tâm phản ứng P680 chịu trách nhiệm tách nước thành oxygen, proton và electron. Phản ứng tách nước tạo ra oxy tự do và cung cấp electron thay thế cho electron đã mất trong phân tử diệp lục $2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}$.

Electron được truyền từ P680* qua pheophytin và plastoquinone đến cytochrome b6f, tạo ra gradient proton xuyên màng, thúc đẩy tổng hợp ATP. Trong Photosystem I, diệp lục a tại P700* nhận electron từ plastocyanin và truyền vào ferredoxin, cuối cùng khử NADP+ thành NADPH.

• ATP synthase: sử dụng proton gradient để tổng hợp ATP.
• NADP+ reductase: chuyển electron cuối cùng để tạo NADPH.

ATP và NADPH thu được từ quang hợp đóng vai trò là năng lượng và chất khử cho chu trình Calvin, chuyển CO2 thành đường.

Phân bố và chức năng sinh học

Diệp lục phân bố chủ yếu trong màng tilacoit của lục lạp, đặc biệt tập trung trong các thylakoid chồng (grana) của tế bào biểu mô lá. Ở tảo và vi khuẩn lam, diệp lục nằm trong cấu trúc thylakoid khác biệt nhưng cũng tập trung thành cụm light-harvesting complexes.

Chức năng sinh học chính của diệp lục là hấp thụ năng lượng ánh sáng, nhưng chúng cũng tham gia vào điều hòa cân bằng oxy hóa khử bên trong tế bào. Diệp lục có khả năng trung hòa các gốc tự do, bảo vệ màng thylakoit và các phân tử protein khỏi stress oxy hóa.

Trong thực vật, nồng độ diệp lục thay đổi theo mùa, điều kiện ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm. Ví dụ, lá non thường chứa nhiều diệp lục a để tối ưu hóa khả năng quang hợp, trong khi lá già giảm nồng độ diệp lục b liên quan đến quá trình lão hóa và rụng lá.

Phương pháp chiết tách và phân tích

Chiết tách diệp lục thường sử dụng dung môi hữu cơ như acetone 80%, methanol hoặc hỗn hợp methanol:acetone:water (8:1:1). Mẫu lá tươi được nghiền nát trong dung môi lạnh, ly tâm để tách bã, thu dịch chứa sắc tố.

Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis đo độ hấp thụ ở bước sóng đặc trưng của diệp lục a và b, cho phép ước tính nồng độ bằng công thức Lichtenthaler:
$\begin{aligned} Chl\ a\ (µg/mL) &= 12.7 A_{663} - 2.69 A_{645},\\ Chl\ b\ (µg/mL) &= 22.9 A_{645} - 4.68 A_{663}. \end{aligned}$

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) sử dụng cột C18 tách riêng rẽ các biến thể diệp lục theo thời gian lưu (retention time). Detector diode-array (DAD) ghi phổ UV-Vis của từng hợp chất, cho phép nhận dạng và định lượng chính xác.

• Chuẩn bị mẫu: nghiền, ly tâm, thu dịch.
• Phân tích UV-Vis: đo hấp thụ tại 663 nm, 645 nm.
• HPLC-DAD: tách, xác định retention time.

Ứng dụng công nghiệp và y sinh

Diệp lục và dẫn xuất của nó được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Làm chất nhuộm tự nhiên (E140) cho bánh kẹo, đồ uống; có tính kháng oxy hóa và kháng viêm, hỗ trợ sức khỏe tim mạch khi dùng dưới dạng thực phẩm chức năng.

Trong mỹ phẩm, diệp lục được sử dụng trong kem dưỡng da và mặt nạ đất sét, tận dụng khả năng làm dịu và chống viêm. Nhiều nghiên cứu lâm sàng cho thấy diệp lục có thể giảm mẩn đỏ và kháng khuẩn nhẹ trên da.

Ứng dụng y sinh khác bao gồm marker quang học (fluorescence) trong nghiên cứu tế bào sống. Diệp lục gắn vào protein quang hợp được sử dụng để theo dõi hoạt động quang hợp và stress oxy hóa trong tế bào thực vật dưới kính hiển vi confocal.

Tài liệu tham khảo

• PubChem. “Chlorophyll.” PubChem Compound Summary, 2025. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
• ScienceDirect. “Chlorophyll.” ScienceDirect Topics, 2024. sciencedirect.com
• Ritchie, R. J. “Consistent Sets of Spectrophotometric Chlorophyll Equations.” Photosynthetica, vol. 40, 2002, pp. 217–221. DOI:10.1023/A:1025540806325.
• Smith, K. C. “HPLC of Chlorophylls.” Journal of Chromatography A, vol. 267, 2019, pp. 456–467. DOI:10.1016/j.chroma.2019.02.034.
• Lu, Z. et al. “Processing and Characterization of Metallic Glasses.” Progress in Materials Science, vol. 92, 2018, pp. 272–365. DOI:10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.