Hô hấp ánh sáng là một quá trình sinh hóa phức tạp xảy ra ở thực vật C3 trong điều kiện ánh sáng cao, nồng độ CO2 thấp và nồng độ O2 cao. Quá trình này diễn ra trong ba bào quan chính: lục lạp, peroxisome và ty thể.
Hô Hấp ánh Sáng Xảy Ra khi enzyme RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) xúc tác phản ứng của O2 thay vì CO2 với RuBP (ribulose-1,5-bisphosphate). Điều này dẫn đến việc tạo ra một phân tử 3-PGA (3-phosphoglycerate) và một phân tử 2-phosphoglycolate. 3-PGA tiếp tục chu trình Calvin, trong khi 2-phosphoglycolate phải trải qua một loạt các phản ứng trong peroxisome và ty thể để chuyển đổi thành 3-PGA, rồi quay trở lại lục lạp.
Hô hấp ánh sáng diễn ra trong ba bào quan: lục lạp, peroxisome, và ty thể, bắt đầu với việc RuBisCO oxy hóa RuBP.
Quá trình chuyển hóa 2-phosphoglycolate bao gồm các bước chính sau:
- Trong lục lạp: 2-phosphoglycolate được chuyển đổi thành glycolate.
- Trong peroxisome: Glycolate được oxy hóa thành glyoxylate, sau đó được chuyển amin thành glycine.
- Trong ty thể: Hai phân tử glycine kết hợp thành serine, giải phóng CO2 và NH3.
- Serine sau đó được chuyển trở lại peroxisome và lục lạp để tiếp tục chuyển hóa thành glycerate, rồi thành 3-PGA.
Hô hấp ánh sáng tiêu tốn năng lượng (ATP và NADPH) và giải phóng CO2, làm giảm hiệu quả quang hợp. Đây là một quá trình lãng phí năng lượng và carbon, làm giảm năng suất cây trồng.
Giai đoạn đầu của hô hấp ánh sáng: RuBP bị oxy hóa tạo thành phosphoglycolate trong lục lạp.
Tuy nhiên, hô hấp ánh sáng có thể có một vai trò bảo vệ trong điều kiện stress. Nó giúp tiêu thụ năng lượng dư thừa khi nồng độ CO2 thấp, ngăn chặn sự tích tụ các sản phẩm trung gian có hại và bảo vệ bộ máy quang hợp khỏi bị tổn thương do ánh sáng quá mức.
Ở thực vật C4 và CAM, các cơ chế đặc biệt đã phát triển để giảm thiểu hoặc loại bỏ hô hấp ánh sáng. Thực vật C4 có cấu trúc lá đặc biệt (Kranz anatomy) cho phép cố định CO2 hiệu quả hơn, trong khi thực vật CAM mở khí khổng vào ban đêm để hấp thụ CO2 và giảm thiểu mất nước vào ban ngày.
So sánh hiệu quả sử dụng CO2 và nước giữa các loại thực vật C3, C4 và CAM trong điều kiện môi trường khác nhau.
Nghiên cứu về hô hấp ánh sáng có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện năng suất cây trồng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và tăng nồng độ CO2 trong khí quyển. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm cách giảm thiểu hô hấp ánh sáng thông qua kỹ thuật di truyền và chọn giống để tạo ra các giống cây trồng có năng suất cao hơn và khả năng chịu hạn tốt hơn.
