Luận văn thạc sĩ tách chiết và chuyển hóa chlorophylla từ vi khuẩn cyano bacteria

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tách chiết và chuyển hóa chlorophylla từ vi khuẩn cyanobacteria, góp phần vào lĩnh vực sinh học và công nghệ sinh học.

• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Duy Tiên
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Tách Chiết Chlorophyll A Từ Vi Khuẩn Cyanobacteria
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cấu tạo và tính chất của hệ quang hợp
• 1.2. Giới thiệu về ngành vi khuẩn lam ( ngành cyanobacteria)
• 1.3. Sơ lược về vi khuẩn lam
• 1.4. Cấu tạo tế bào
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.6. Tình hình nghiên cứu về chlorophyll a trong nước và quốc tế
• 1.7. Các dẫn xuất của chlorophyll a
• 1.8. Sinh tổng hợp chlorophyll a
• 1.8.1. Sinh tổng hợp axit 5-aminolevulinic
• 1.8.2. Sinh tổng hợp pyrol (porphobilinogen)
• 1.8.3. Quá trình đóng vòng của 4 vòng pyrol (tetrapyrol)
• 1.8.4. Đưa ion Mg2+ vào hệ thống vòng
• 1.8.5. Tổng hợp toàn phần chlorophyll a theo Woodward
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 2.2. Xác định các tính chất vật lý
• 2.2.1. Sắc kí bản mỏng
• 2.2.2. Phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
• 2.2.4. Phổ tử ngoại
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.3.1. Xác định cấu trúc các sản phẩm bằng phổ hồng ngoại, tử ngoại và khả kiến, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và phổ khối
• 2.3.1.1. Cấu trúc của pheophytin a
• 2.3.1.2. Cấu trúc của metyl pheophobide a
• 2.3.1.3. Cấu trúc của chlorin e6 – trimetylester
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tách chiết và chuyển hoá chlorophyll a thành pheophytin a
• 3.2. Thực hiện phản ứng chuyển hoá chlorophyll a thành metyl pheophobide a
• 3.3. Chuyển hoá metyl pheophobide a thành chlorin – e6 trimetylester
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn cyanobacteria

Chlorophyll a là một sắc tố quan trọng trong quá trình quang hợp, đặc biệt ở các vi khuẩn cyanobacteria. Việc tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của nó mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp. Vi khuẩn cyanobacteria, với khả năng quang hợp, là nguồn cung cấp chlorophyll a phong phú và dễ dàng tách chiết hơn so với thực vật bậc cao.

1.1. Đặc điểm của chlorophyll a và vai trò trong quang hợp

Chlorophyll a có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Nó đóng vai trò trung tâm trong quá trình quang hợp, giúp tạo ra ATP và NADPH, hai yếu tố cần thiết cho sự sống của thực vật và vi khuẩn.

1.2. Tại sao chọn vi khuẩn cyanobacteria để tách chiết

Vi khuẩn cyanobacteria có cấu trúc hệ quang hợp đơn giản, dễ dàng cho việc tách chiết chlorophyll a. Chúng cũng có khả năng sinh trưởng nhanh và phát triển trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, làm cho chúng trở thành nguồn nguyên liệu lý tưởng cho nghiên cứu.

II. Thách thức trong quá trình tách chiết chlorophyll a

Mặc dù việc tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn cyanobacteria có nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Quá trình này đòi hỏi các phương pháp chính xác để đảm bảo chất lượng và hiệu suất cao. Các yếu tố như nhiệt độ, pH và loại dung môi sử dụng đều ảnh hưởng đến kết quả tách chiết.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách chiết

Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng trong quá trình tách chiết. Nhiệt độ quá cao có thể làm phân hủy chlorophyll, trong khi pH không phù hợp có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của sắc tố.

2.2. Các phương pháp tách chiết chlorophyll a hiện nay

Có nhiều phương pháp tách chiết chlorophyll a, bao gồm sắc ký, chiết xuất bằng dung môi và siêu âm. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

III. Phương pháp tách chiết chlorophyll a hiệu quả

Để tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn cyanobacteria một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học hiện đại. Việc tối ưu hóa quy trình tách chiết sẽ giúp tăng cường hiệu suất và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Quy trình tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn

Quy trình tách chiết chlorophyll a thường bao gồm các bước như thu hoạch vi khuẩn, xử lý mẫu, chiết xuất bằng dung môi và phân tích sản phẩm. Mỗi bước cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện tách chiết

Việc tối ưu hóa điều kiện tách chiết như loại dung môi, thời gian chiết và nhiệt độ sẽ giúp nâng cao hiệu suất thu hồi chlorophyll a. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng dung môi hỗn hợp có thể mang lại kết quả tốt hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chlorophyll a

Chlorophyll a không chỉ có vai trò quan trọng trong quang hợp mà còn có nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy chlorophyll a có khả năng chống oxy hóa và kháng viêm, làm cho nó trở thành một thành phần quý giá trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe.

4.1. Ứng dụng trong y học

Chlorophyll a được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe như thực phẩm chức năng và thuốc chữa bệnh. Nó có khả năng hỗ trợ tiêu hóa, kháng viêm và chống oxy hóa, giúp cải thiện sức khỏe tổng thể.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Chlorophyll a cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm như một chất tạo màu tự nhiên. Ngoài ra, nó còn có tiềm năng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng tái tạo như pin mặt trời.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chlorophyll a

Nghiên cứu về tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn cyanobacteria đang mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học và công nghệ. Với những ứng dụng tiềm năng trong y học và công nghiệp, việc tối ưu hóa quy trình tách chiết sẽ là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu chlorophyll a

Nghiên cứu về chlorophyll a sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong y học và công nghệ. Việc tìm kiếm các phương pháp tách chiết hiệu quả hơn sẽ là một trong những ưu tiên hàng đầu.

5.2. Tầm quan trọng của chlorophyll a trong bảo vệ môi trường

Chlorophyll a không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn đóng góp vào việc bảo vệ môi trường. Việc sử dụng các sản phẩm từ chlorophyll a có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chlorophyll a là sắc tố quang hợp chủ yếu trong thực vật bậc cao, tảo biển và vi khuẩn quang hợp, đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Theo ước tính, chlorophyll a chiếm phần lớn trong tổng số các loại chlorophyll tự nhiên và có ứng dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và công nghệ nano. Vi khuẩn lam (cyanobacteria) là nhóm vi sinh vật có cấu tạo hệ quang hợp đơn giản, dễ dàng phân lập chlorophyll a hơn so với thực vật bậc cao, đồng thời có khả năng sinh trưởng trong nhiều môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ từ -83°C đến 80°C.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn lam hiệu quả ở quy mô phòng thí nghiệm và chuyển hóa thành các dẫn xuất có giá trị ứng dụng cao như pheophytin a, metyl pheophobide a và chlorin e6-trimetylester. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2011. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển ngành hóa hữu cơ về chlorophyll mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong liệu pháp quang trị ung thư, sản xuất chất màu thực phẩm và vật liệu hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ quang hợp và cấu trúc hóa học của chlorophyll a. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết hệ quang hợp: Mô tả cấu trúc và chức năng của hệ quang hợp ở thực vật và vi khuẩn lam, bao gồm các thành phần như ăng-ten thu sáng, trung tâm phản ứng, chuỗi vận chuyển điện tử và bộ máy cố định cacbon. Chlorophyll a là sắc tố trung tâm trong quá trình hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa quang năng thành hóa năng.

2. Lý thuyết hóa học chlorophyll và các dẫn xuất: Phân tích cấu trúc phân tử chlorophyll a gồm nhân chlorophyll với nguyên tử Mg trung tâm và đuôi phytol ưa lipid, các phản ứng đặc trưng như phản ứng xà phòng hóa, thủy phân este và chuyển vị este. Các dẫn xuất như pheophytin a, metyl pheophobide a và chlorin e6-trimetylester được nghiên cứu về cấu trúc và tính chất quang học.

Các khái niệm chính bao gồm: chlorophyll a, pheophytin a, metyl pheophobide a, chlorin e6-trimetylester, phản ứng chuyển hóa trong môi trường axit và kiềm, phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV-VIS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR) và phổ khối (MS).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là vi khuẩn lam thu thập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

• Tách chiết chlorophyll a: Sử dụng dung môi axeton để chiết xuất chlorophyll a từ 100g vi khuẩn lam, đun hồi lưu 2 giờ trong bóng tối, lọc và cô quay dung môi để thu lấy cặn chứa chlorophyll a.

• Chuyển hóa chlorophyll a thành các dẫn xuất: Thực hiện phản ứng trong môi trường axit loãng để chuyển chlorophyll a thành pheophytin a và metyl pheophobide a, hoặc chuyển hóa trực tiếp chlorophyll a thành metyl pheophobide a bằng phương pháp chiết và chuyển vị este một giai đoạn. Phản ứng mở vòng cacboxylic được tiến hành trong môi trường kiềm mạnh MeOK/CH3OH để chuyển metyl pheophobide a thành chlorin e6-trimetylester.

• Xác định cấu trúc sản phẩm: Sử dụng các kỹ thuật phân tích phổ như sắc ký bản mỏng (TLC), sắc ký cột, phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV-VIS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và phổ khối (MS) để xác định cấu trúc và tính chất của các sản phẩm thu được.

Cỡ mẫu nghiên cứu là 100g vi khuẩn lam cho mỗi quy trình tách chiết và chuyển hóa. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện từ vi khuẩn lam nuôi cấy trong điều kiện chuẩn. Phân tích dữ liệu dựa trên so sánh phổ và hiệu suất thu hồi sản phẩm. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm các giai đoạn tách chiết, chuyển hóa và phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất tách chiết và chuyển hóa chlorophyll a thành pheophytin a: Từ 100g vi khuẩn lam, thu được 0,5g pheophytin a với hiệu suất 0,5%. Phổ UV-VIS của pheophytin a có dải hấp thụ soret-band ở 410nm (ε = 120580) và Q-band ở 667nm (ε = 56290). Phổ 1H-NMR và phổ khối xác nhận cấu trúc sản phẩm.

2. Chuyển hóa chlorophyll a thành metyl pheophobide a: Qua hai quy trình, quy trình 1 (tách chiết chlorophyll a trước rồi chuyển hóa) thu được 680mg metyl pheophobide a (hiệu suất 0,68%), cao hơn quy trình 2 (chuyển hóa trực tiếp) với 530,4mg (hiệu suất 0,53%). Phổ UV-VIS cho thấy soret-band ở 410nm (ε = 106050) và Q-band ở 667nm (ε = 48860). Phổ 1H-NMR và MS cũng xác nhận cấu trúc.

3. Chuyển hóa metyl pheophobide a thành chlorin e6-trimetylester: Từ 151,6mg metyl pheophobide a, thu được 108,9mg chlorin e6-trimetylester với hiệu suất 68,27%. Phổ UV-VIS có soret-band ở 401nm (ε = 123510) và Q-band ở 666nm. Phổ IR và 1H-NMR cho thấy các nhóm chức đặc trưng của chlorin e6-trimetylester.

4. Đánh giá quy trình: Quy trình tách chiết chlorophyll a trước khi chuyển hóa (quy trình 1) cho hiệu suất cao hơn và sản phẩm tinh khiết hơn so với chuyển hóa trực tiếp trong vi khuẩn lam (quy trình 2). Thời gian phản ứng và điều kiện môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả và độ tinh khiết sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất chuyển hóa cao hơn ở quy trình 1 là do chlorophyll a được tách chiết và làm sạch trước, giảm sự cản trở của các tạp chất và tăng khả năng tiếp xúc với tác nhân phản ứng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tách chiết và chuyển hóa chlorophyll a từ nguồn tự nhiên. Việc sử dụng các kỹ thuật phổ hiện đại giúp xác định chính xác cấu trúc các dẫn xuất, đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy của kết quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất thu hồi các sản phẩm giữa hai quy trình, bảng tổng hợp các giá trị phổ đặc trưng và hình ảnh sắc ký bản mỏng minh họa sự tinh khiết của sản phẩm. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển quy trình tách chiết hiệu quả mà còn mở rộng ứng dụng các dẫn xuất chlorophyll trong y học và công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tách chiết chlorophyll a: Áp dụng quy trình tách chiết bằng axeton với điều kiện đun hồi lưu 2 giờ trong bóng tối để đạt hiệu suất cao, giảm thiểu sự phân hủy chlorophyll a. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu hóa hữu cơ.

2. Phát triển quy trình chuyển hóa đa giai đoạn: Ưu tiên quy trình tách chiết chlorophyll a trước khi chuyển hóa thành metyl pheophobide a để nâng cao hiệu suất và độ tinh khiết sản phẩm. Thời gian thực hiện: 4 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu hóa học và công nghệ sinh học.

3. Ứng dụng các dẫn xuất chlorophyll trong liệu pháp quang trị ung thư: Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về tính sinh học và hiệu quả quang trị liệu của chlorin e6-trimetylester và các dẫn xuất liên quan. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu y học và dược học.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và vật liệu: Khai thác các dẫn xuất chlorophyll làm chất màu tự nhiên và vật liệu hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời, sensor. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp công nghệ sinh học và hóa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu hóa hữu cơ và sinh học phân tử: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất và tổng hợp các hợp chất chlorophyll và dẫn xuất, phục vụ phát triển khoa học cơ bản và ứng dụng.

2. Chuyên gia công nghệ sinh học và dược học: Áp dụng quy trình tách chiết và chuyển hóa chlorophyll a để phát triển các sản phẩm quang trị liệu, thuốc chữa ung thư và các liệu pháp y học tiên tiến.

3. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm và mỹ phẩm: Sử dụng các dẫn xuất chlorophyll làm chất màu tự nhiên, chất chống oxy hóa và thành phần chức năng trong sản phẩm.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Đánh giá tiềm năng nghiên cứu và ứng dụng chlorophyll trong phát triển công nghiệp sinh học, y tế và năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Chlorophyll a là gì và tại sao nó quan trọng?
   Chlorophyll a là sắc tố quang hợp chủ yếu giúp hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong thực vật và vi khuẩn lam. Nó là cơ sở cho quá trình quang hợp và sự sống trên Trái Đất.

2. Tại sao chọn vi khuẩn lam để tách chiết chlorophyll a?
   Vi khuẩn lam có hệ quang hợp đơn giản, dễ nuôi cấy và tách chiết chlorophyll a hơn so với thực vật bậc cao. Chúng còn có khả năng sinh trưởng trong nhiều môi trường khắc nghiệt, thuận lợi cho nghiên cứu.

3. Các dẫn xuất của chlorophyll a có ứng dụng gì?
   Các dẫn xuất như pheophytin a, metyl pheophobide a và chlorin e6-trimetylester được sử dụng trong liệu pháp quang trị ung thư, làm chất màu thực phẩm, mỹ phẩm và vật liệu hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời.

4. Phương pháp xác định cấu trúc các sản phẩm chuyển hóa là gì?
   Sử dụng các kỹ thuật phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV-VIS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và phổ khối (MS) để xác định cấu trúc và tính chất của các hợp chất.

5. Hiệu suất tách chiết và chuyển hóa chlorophyll a đạt được là bao nhiêu?
   Hiệu suất tách chiết và chuyển hóa chlorophyll a thành pheophytin a đạt khoảng 0,5%, chuyển hóa thành metyl pheophobide a đạt 0,53-0,68%, và chuyển hóa metyl pheophobide a thành chlorin e6-trimetylester đạt 68,27%.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tách chiết chlorophyll a từ vi khuẩn lam với hiệu suất khoảng 0,5% và chuyển hóa thành các dẫn xuất giá trị cao.
• Quy trình chuyển hóa đa giai đoạn (tách chiết rồi chuyển hóa) cho hiệu suất và độ tinh khiết sản phẩm cao hơn so với chuyển hóa trực tiếp.
• Các dẫn xuất chlorophyll a như pheophytin a, metyl pheophobide a và chlorin e6-trimetylester có tiềm năng ứng dụng trong y học, công nghiệp thực phẩm và công nghệ năng lượng.
• Nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế hóa học và quang học của chlorophyll và các dẫn xuất, mở rộng ứng dụng trong liệu pháp quang trị ung thư và vật liệu hấp thụ ánh sáng.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình, nghiên cứu ứng dụng sâu rộng và phát triển sản phẩm công nghiệp từ các dẫn xuất chlorophyll.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu ứng dụng các dẫn xuất chlorophyll trong liệu pháp quang trị và công nghiệp thực phẩm, đồng thời mở rộng quy mô sản xuất trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát huy tiềm năng của các hợp chất này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Từ lâu các nhà khoa học rất quan tâm tới việc chiết tách các sắc tố từ lá xanh của thực vật bậc cao. Cách đây hơn 100 năm các nhà hóa học đã tách được chất màu xanh từ lá và gọi chúng là Chlorophyll. Vào năm 1913, Richard Willstatter, nhà hóa học người Đức đã chỉ ra rằng tất cả các năng lượng sống đều nhờ mặt trời và cây xanh có một cách nào đó để hấp thụ năng lượng này. Tới năm 1919, ông đã giải thích được chức năng của hợp chất hấp thụ năng lượng mặt trời chính là Chlorophyll.

Thực vật bậc cao có lá xanh đã tự mình hấp thụ năng lượng bức xạ và chuyển hóa thành năng lượng dự trữ trong cơ thể. Chlorophyll giữ vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình quang hợp, là chất hấp thụ năng lượng ánh sáng trong hệ quang hợp. Chlorophyll chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong phân tử ATP, trong quá trình này xảy ra các phản ứng chuyển dịch electron (phản ứng oxy hóa khử). Chlorophyll và các dẫn xuất của chúng là một đối tượng nghiên cứu hấp dẫn và trở thành một lĩnh vực phát triển rộng lớn và được các nhà khoa học quan tâm bao gồm các nghiên cứu về hệ thơm, khả năng hấp thụ ánh sáng, chuyển dời điện tích, tính chất phổ, sinh tổng hợp và các nghiên cứu y dược.

Chlorophyll và các dẫn xuất của chúng có nhiều ứng dụng khác nhau trong y học và công nghiệp. Trong y học, chlorophyll được dùng như một thành phần cơ bản trong khẩu phần ăn kiêng và thuốc chữa bệnh. Chẳng hạn, Cu-chlorophyllin phòng chống ung thư từ thức ăn bị thiu mốc chứa hydrocacbon mạch vòng, aflatoxin. Chlorophyll và các dẫn xuất còn được sử dụng như là chất nhạy sáng để tiêu diệt các tế bào ung thư và chống virus, chất chữa vết thương và khử mùi hôi.

Chlorophyll ức chế phát triển của vi khuẩn, kích thích việc phục hồi các mô đã bị hư hại và ngăn cản tác hại của các chất gây ung thư. Chlorophyll còn có lợi cho hệ tiêu hóa và có tác dụng dưỡng da. Một số dẫn xuất chlorophyll có hoạt tính sinh học quí giá như tiêu diệt tế bào ung thư tủy, virus leukemia, u ác tính (malignant melanoma) theo cơ chế quang trị 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Chlorophyll còn có tác dụng giảm viêm khớp (arthritis), chữa trị u xơ, giảm mùi hôi, giảm đường máu của người bệnh cao tuổi.

Chlorophyll là một nhóm các hợp chất đa dạng bao gồm chlorophyll (a, b, c, d,…), trong đó chlorophyll a phổ biến nhất trong tự nhiên, đó là chlorophyll trong hệ quang hợp của thực vật bậc cao, tảo biển và vi khuẩn quang hợp. Trong thực vật bậc cao hệ thống quang hợp có cấu tạo rất phức tạp và chứa nhiều loại chlorophyll khác nhau. Quá trình tách các chlorophyll ra khỏi nhau rất khó khăn và phức tạp. Trong các loại vi khuẩn quang hợp thì vi khuẩn lam có cấu tạo hệ quang hợp đơn giản nên việc phân lập dễ dàng hơn.

Vì vậy tôi đã lựa chọn “ Tách chiết và chuyển hoá chlorophyll a từ vi khuẩn cyano bacteria” làm đề tài cho luận văn cao học của mình. Mục tiêu của luận văn là tìm ra qui trình tách chiết chlorophyll a một cách hiệu quả ở qui mô phòng thí nghiệm và chuyển hóa chúng để thu được các hợp chất làm trung gian cho quá trình tổng hợp các hoạt chất chữa trị ung thư bằng liệu pháp quang, các chất màu thực phẩm, tổng hợp các hợp chất hấp thụ ánh sáng sử dụng cho pin mặt trời và các sensor. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Cấu tạo và tính chất của hệ quang hợp 1.1 Cấu tạo và tính chất của hệ quang hợp ở thực vật và vi khuẩn Quang hợp là cơ sở năng lượng của sự sống trên trái đất. Chlorophyll hấp thụ năng ánh sáng mặt trời và chuyển quang năng thành hóa năng bởi trung tâm phản ứng trong hệ quang hợp của vi khuẩn và thực vật dưới dạng NADPH và ATP được sử dụng để tổng hợp cacbohydrat (hình 1.1: Năng lượng bức xạ trong tổng hợp của các phân tử hữu cơ Các chlorophyll hấp thụ và biến quang năng thành hoá năng với hiệu suất cao.

Các hệ thống quang hợp (PS) (hình 1.2) được phân loại theo cấu trúc của trung tâm phản ứng chia thành PSI của vi khuẩn lam, PSII của thực vật bậc cao và PS của vi khuẩn tía đều bao gồm bốn thành phần chính là ăng-ten thu sáng, trung tâm phản ứng, trung tâm chuyển điện tử và bộ máy cố định cacbon. [3,5] 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2: Các hệ thống quang hợp.[28] Trung tâm phản ứng của vi khuẩn tía gồm các tiểu đơn vị protein L và M liên kết với các sắc tố hoạt động và có đối xứng bậc hai. Trung tâm phản ứng được bao quanh bởi hệ thống ăng ten thu sáng (LH1). Các electron được chuyển vào trung tâm phản ứng của một heme-binding cytochrome (cyt).

Trong PSII gồm protein D1 và D2 có cấu trúc và chức năng tương đồng với các tiểu đơn vị L và M của trung tâm phản ứng ở vi khuẩn. Năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi LHCII và chuyển vào trung tâm phản ứng bởi protein-chlorophyll CP43 và CP47. Quá trình chuyển dời điện tích thực hiện bởi phức hợp của mangan để ôxi hóa nước và giải phóng oxi vào khí quyển. Trong PS I, các protein PsaA và PsaB tạo thành một heterodimer giống PSII.

Mỗi PsaA và PsaB bao gồm một trung tâm phản ứng tương đương với D1 hoặc D2 và một ăng ten tương đương với CP43 hoặc CP47. Điện tử được lấy từ plastocyanin (PC) ở bên trên lumen và chuyển đến sắt sunfua (FeS) ở phía trên stroma để khử NADP+ thành NADPH [28]. 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Hệ thống ăng ten (hình 1.4) được tổ chức để thu nhận năng lượng bằng chuyển electron từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích và chuyển tới trung tâm phản ứng là nơi phản ứng quang hoá diễn ra. Cấu tạo của ăng ten LH1 bao gồm một heterodimer của chuỗi peptit và hai phân tử chlorophyll a hoặc b.

LH2 bao gồm một heterodimer của chuỗi peptit và ba phân tử chlorophyll a hoặc b. Các sắc tố khác như caroten (hình 1.5) không hoạt động hoá học nhưng có chức năng như một ăng ten.3 : Hệ thống ăng ten của các vi khuẩn tía.[29] Hệ thống ăng ten tăng hiệu quả hấp thụ photon bằng cách tăng số lượng sắc tố để hấp thụ trong dải sóng từ 400nm-800nm. Nếu cường độ của ánh sáng mặt trời thấp, mỗi phân tử chlorophyll chỉ hấp thụ một vài photon trong một giây. Bằng cách kết hợp nhiều chất màu để hấp thụ ánh sáng hiệu suất quang có giá trị cao nhất.[1,4,7,12,15,26,27,29] 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

4: Hấp thụ ánh sáng của hệ thống ăng ten trong thực vật [15] ß-Carotene OH Zeaxanthin HO OH O O Violaxanthin HO OH Lutein HO Hình 1.5: Caroten trong hệ quang hợp. Trung tâm phản ứng của hệ quang hợp bao gồm hàng trăm chlorophyll và một cặp chlorophyll có tổ chức đặc biệt, nhờ cấu tạo này mà sự chuyển dời điện tích xảy ra để thực hiện phản ứng khử NAD+ thành NADPH. Phản ứng ở trung tâm phản ứng loại I không có sự tạo thành oxy trong khi ở trung tâm phản ứng loại II oxy được tạo thành. Trung tâm phản ứng của vi khuẩn Rhodopseudomonas virdis bao gồm bốn tiểu đơn vị protein (hình 1.6) và các nhóm hoạt động bao gồm chlorophyll dime có tổ chức đặc biệt, hai phân tử pheophytin, phân tử quinon QA, phân tử quinon QB và 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] một ion sắt (Fe).

Chuỗi chuyển dời điện tích bắt đầu từ Chlorophyll monome phía bên trái qua chlorophyll dime sang pheophytin đến Chlorophyll monome phía bên phải rồi qua pheophytin phía bên phải tới Quinon A sang Fe và chuyển về pheophytin phía bên trái và trở về Chlorophyll monome ban đầu. Năng lượng kích thích của electron đã được sử dụng để tổng hợp ATP cao năng từ ADP. Đó chính là cơ sở và bản chất của quá trình quang hợp.6: Cấu trúc trung tâm phản ứng trong hệ quang hợp của vi khuẩn Rhodopseudomonas virdis .[6] 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chuỗi vận chuyển điện tử là những hệ thống của các protein và enzyme thông qua đó các electron di chuyển từ mức năng lượng cao hơn về một mức độ năng lượng thấp một cách điều hòa để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng (hình 1. Trong chuỗi vận chuyển điện tử của màng thylakoid bao gồm các enzym khử sắt, plastoquinon oxidoreductase và enzym ATP syntase.

Dòng electron tách ra từ phân tử nước tới NADP dưới tác dụng của PS. Chuỗi vận chuyển proton thực hiện qua màng thylakoid và được sử dụng để tổng hợp ATP. Khi các electron di chuyển vào chuỗi vận chuyển, các protein luân phiên bị oxi hoá và giải phóng ra proton đi vào trong màng thylakoid. Nếu không có chuỗi vận chuyển điện tử từ trạng thái năng lượng cao đến trạng thái năng lượng thấp thì sự mất mát năng lượng xảy ra quá nhanh dẫn đến các tế bào sử dụng năng lượng ánh sáng với hiệu suất quá thấp.7: Chuỗi eletron vận chuyển của màng thylakoid Cacbohydrat được tổng hợp từ khí cacbonic và nước trong pha tối của bộ máy cố định cacbon bằng cách sử dụng xúc tác enzyme và năng lượng từ ATP hoặc NADPH theo chu trình Calvin-Benson C6 (hình 1.8) hoặc chu trình C4 (hình 1.

8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.8: Cố định Cacbon C6 theo chu trình Calvin-Benson Cố định Cacbon dioxit theo chu trình Calvin-Benson C6 xảy ra trong stroma của lục lạp gồm 3 chuỗi phản ứng khác nhau. Pha đầu là phản ứng của dẫn xuất đường 5 ribulose-1,5-bisphotphat với CO2 và phân cắt dẫn xuất đường 6 thành hai phân tử 3-photphoglyxerat. Pha hai là quá trình tái tạo cơ chất ribulose-5-photphat còn pha ba là phản ứng của ribulose-5-photphat với ATP tạo thành ribulose-1,5- bisphotphat. Quá trình cố định CO2 xúc tác bởi enzym ribulose-1,5-bisphosphat cacboxylase oxygenase (RuBisCO), phản ứng của RuBisCO với O2 hoặc CO2 phụ thuộc vào nồng độ tương đối của chúng.

Trong tất cả các sinh vật, CO2 là chất nền ưu tiên, nếu nồng độ CO2 trở nên thấp hơn nhiều so với nồng độ oxy thì sự hô hấp xảy ra ở mức độ đáng kể. 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.9: Cố định cacbon theo chu trình C4 Ở một số loại thực vật, cơ chất cho quá trình cố định CO2 là phosphoenolpyruvate (PEP) theo chu trình C4. Tỷ lệ sử dụng ATP cho cố định CO2 trong thực vật theo chu trình C4 cao hơn so với chu trình C6.1 Cấu tạo và tính chất của chlorophyll 1.1 Cấu tạo Có 5 loại chlorophyll bao gồm chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll c, chlorophyll d, chlorophyll e.