Quá trình quang hợp, nền tảng của sự sống trên Trái Đất, được chia thành hai giai đoạn chính: pha sáng và pha tối. Ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM, sự khác biệt chủ yếu nằm ở pha tối, hay còn gọi là chu trình Calvin. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào thực vật C3 và vai trò của sản phẩm ổn định đầu tiên trong chu trình Calvin.
I. Thực Vật C3
Thực vật C3 là nhóm thực vật phổ biến nhất, bao gồm từ rêu nhỏ bé đến những cây gỗ khổng lồ, phân bố rộng khắp trên hành tinh.
-
Pha Sáng: Pha sáng diễn ra tại màng tilacoit của lục lạp. Tại đây, năng lượng ánh sáng được diệp lục hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng hóa học dưới dạng ATP và NADPH. Quá trình quang phân li nước diễn ra, giải phóng oxy vào khí quyển, cung cấp electron cho diệp lục, đồng thời các proton H+ khử NADP+ thành NADPH. ATP và NADPH này sẽ cung cấp năng lượng cho pha tối.
-
Pha Tối (Chu Trình Calvin): Pha tối diễn ra trong chất nền của lục lạp, còn được gọi là stroma. Đây là nơi diễn ra quá trình cố định CO2 và tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Chu trình Calvin gồm ba giai đoạn chính:
a) Giai Đoạn Cố Định CO2: CO2 từ không khí được kết hợp với chất nhận CO2 đầu tiên, Ribulozo-1,5-điphotphat (RiDP), một hợp chất 5 carbon. Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase). Sản Phẩm ổn định đầu Tiên Của Thực Vật C3 trong giai đoạn này là axit photphoglyxeric (APG), một hợp chất 3 carbon.
b) Giai Đoạn Khử: Axit photphoglyxeric (APG) sau đó được khử thành aldehit phosphoglixeric (AlPG) nhờ năng lượng từ ATP và NADPH được tạo ra trong pha sáng. Một phần AlPG được tách ra khỏi chu trình và kết hợp với một phân tử triose khác để tạo thành glucose (C6H12O6), từ đó hình thành tinh bột, axit amin và các hợp chất hữu cơ khác.
c) Giai Đoạn Tái Sinh Chất Nhận Ban Đầu: Phần lớn AlPG còn lại trải qua một loạt các phản ứng phức tạp, tiêu tốn ATP, để tái tạo Ribulozo-1,5-điphotphat (RiDP), chất nhận CO2 ban đầu, khép kín chu trình Calvin.
II. Thực Vật C4
Thực vật C4, bao gồm mía, ngô, cao lương và một số loài khác, thích nghi với môi trường nhiệt đới và cận nhiệt đới nóng ẩm.
Ở thực vật C4, chu trình quang hợp diễn ra trong hai loại tế bào: tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch. Trong tế bào mô giậu, CO2 được cố định lần đầu tiên bởi phosphoenol pyruvate (PEP), một hợp chất 3 carbon, tạo ra axit oxaloaxetic (AOA), một hợp chất 4 carbon. AOA sau đó được chuyển hóa thành axit malic (AM) trước khi di chuyển vào tế bào bao bó mạch. Trong tế bào bao bó mạch, AM bị phân hủy, giải phóng CO2 cho chu trình Calvin, và axit pyruvic, chất này quay trở lại tế bào mô giậu để tái tạo PEP. Chu trình Calvin ở thực vật C4 diễn ra tương tự như ở thực vật C3.
Thực vật C4 có cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn và nhu cầu nước thấp hơn so với thực vật C3, giúp chúng có năng suất cao hơn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
III. Thực Vật CAM
Thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism) bao gồm các loài mọng nước như xương rồng, dứa, thanh long, thích nghi với môi trường hoang mạc khô hạn.
Để giảm thiểu mất nước, khí khổng của thực vật CAM đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm. Vào ban đêm, CO2 được cố định bởi PEP tạo ra AOA, sau đó chuyển hóa thành AM và lưu trữ trong tế bào dự trữ. Ban ngày, AM bị phân hủy, giải phóng CO2 cho chu trình Calvin và axit pyruvic, chất này tái sinh PEP. Chu trình CAM tương tự như chu trình C4, nhưng khác biệt về thời gian: chu trình C4 diễn ra đồng thời vào ban ngày, trong khi chu trình CAM diễn ra vào ban đêm và ban ngày.
