Quá trình quang hợp gồm hai giai đoạn chính: pha sáng và pha tối. Sự khác biệt giữa quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM chủ yếu nằm ở pha tối. Bài viết này tập trung vào chu trình Calvin, đặc biệt là sản phẩm đầu tiên được tạo ra.
I. Thực Vật C3
Thực vật C3 bao gồm nhiều loài, từ rêu đến các cây gỗ lớn, phân bố rộng rãi trên khắp Trái Đất.
-
Pha Sáng
Pha sáng là giai đoạn chuyển đổi năng lượng ánh sáng mà diệp lục hấp thụ thành năng lượng hóa học dự trữ trong ATP và NADPH. Quá trình này diễn ra trong lục lạp, cụ thể là ở màng tilacoid.
Trong pha sáng, năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân ly nước, giải phóng oxy, bù electron cho diệp lục a và proton H+ khử NADP+ thành NADPH. ATP và NADPH tạo ra trong pha sáng sẽ được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
-
Pha Tối
Pha tối, còn được gọi là pha cố định CO2, diễn ra trong chất nền (stroma) của lục lạp. Chu trình Calvin là trung tâm của pha tối và bao gồm ba giai đoạn chính:
a) Giai đoạn cố định CO2:
- Chất nhận CO2 đầu tiên và duy nhất là hợp chất 5C Ribulozo-1,5-điphotphat (RiDP).
- Sản phẩm đầu tiên được tạo ra là hợp chất 3C Axit photphoglyxeric (APG). Đây chính là Sản Phẩm đầu Tiên Của Chu Trình Calvin mà chúng ta cần nhấn mạnh.
b) Giai đoạn khử:
- APG (axit phosphoglixeric) được khử thành AlPG (aldehit phosphoglixeric) nhờ ATP và NADPH.
- Một phần AlPG tách khỏi chu trình và kết hợp với một phân tử triozo khác để tạo thành C6H12O6 (glucose), từ đó tổng hợp nên tinh bột, axit amin và các hợp chất hữu cơ khác.
c) Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu Rib-1,5-điphotphat:
- Phần lớn AlPG trải qua nhiều phản ứng, cần ATP, để tái tạo RiDP, khép kín chu trình Calvin.
II. Thực Vật C4
Thực vật C4 bao gồm một số loài sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, ví dụ như mía, ngô, cao lương,… Chúng thường sinh trưởng trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, nhiệt độ và ánh sáng cao.
Chu trình quang hợp ở thực vật C4 diễn ra tại hai loại tế bào: tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch.
-
Tại tế bào mô giậu:
- Diễn ra giai đoạn cố định CO2 đầu tiên.
- Chất nhận CO2 đầu tiên là hợp chất 3C phosphoenol pyruvate (PEP).
- Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C axit oxaloaxetic (AOA). Sau đó, AOA chuyển hóa thành một hợp chất 4C khác là axit malic (AM) trước khi được vận chuyển vào tế bào bao bó mạch.
-
Tại tế bào bao bó mạch:
- Diễn ra giai đoạn cố định CO2 lần 2.
- AM bị phân hủy để giải phóng CO2, cung cấp cho chu trình Calvin. Sản phẩm còn lại là hợp chất 3C axit piruvic.
- Axit piruvic quay trở lại tế bào mô giậu để tái tạo chất nhận CO2 đầu tiên là PEP.
- Chu trình Calvin diễn ra tương tự như ở thực vật C3.
Thực vật C4 có nhiều ưu điểm hơn so với thực vật C3:
- Cường độ quang hợp cao hơn.
- Điểm bù CO2 thấp hơn.
- Điểm bão hòa ánh sáng cao hơn.
- Nhu cầu nước thấp hơn.
Do đó, thực vật C4 thường có năng suất cao hơn so với thực vật C3.
III. Thực Vật CAM
Thực vật CAM bao gồm các loài mọng nước, sinh sống ở vùng hoang mạc khô hạn, ví dụ như xương rồng, dứa, thanh long.
Chu trình quang hợp ở thực vật CAM có những đặc điểm riêng biệt:
- Để tránh mất nước, khí khổng của các loài này đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm, thực hiện quá trình cố định CO2 theo con đường CAM.
- Vào ban đêm, khi nhiệt độ môi trường giảm xuống, tế bào khí khổng mở ra, CO2 khuếch tán vào lá.
- Chất nhận CO2 đầu tiên là PEP và sản phẩm ổn định đầu tiên là AOA.
- AOA chuyển hóa thành AM và được vận chuyển vào các tế bào dự trữ.
- Ban ngày, khi tế bào khí khổng đóng lại:
- AM bị phân hủy, giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình Calvin và axit piruvic để tái sinh chất nhận ban đầu PEP.
Chu trình CAM có nhiều điểm tương đồng với chu trình C4, nhưng điểm khác biệt chính là thời gian diễn ra các giai đoạn. Cả hai giai đoạn của chu trình C4 đều diễn ra vào ban ngày, trong khi chu trình CAM chia thành hai giai đoạn, thực hiện vào ban đêm và ban ngày.
