Quang hợp là gì? Quá trình quang hợp ở thực vật, Ý nghĩa – https://thevesta.vn
Mục lục
Định nghĩa về quang hợp
Quang hợp là quy trình tổng hợp chất hữu cơ từ những chất vô cơ đơn thuần là CO2 và H2O dưới công dụng của nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời và sự tham gia của sắc tố diệp lục .
Đây là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tích lũy trong các chất hữu cơ để hình thành nên năng suất cây trồng.
– Chất tham gia phản ứng là CO2, H2O, ánh sáng mặt trời và diệp lục
– Sản phẩm quan trọng nhất của quang hợp là đường glucose .
Toàn bộ quy trình này hoàn toàn có thể minh họa theo sơ đồ tổng quát sau :
Phương trình tổng quát của quang hợp :
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
Năng lượng sử dụng trong quy trình quang hợp là quang năng ( nguồn năng lượng từ bức xạ ánh sáng mặt trời nhìn thấy được trong khoảng chừng 380 – 750 nm )
Về thực chất hóa học : quang hợp là quy trình oxy hóa-khử, khi quang hợp xảy ra thì đồng thời cũng xảy ra quy trình khử CO2 và quy trình oxy hóa nước. Trong những phản ứng oxy hóa khử của sự quang hợp, nguồn năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu nguồn năng lượng. Nói một cách khác, ion H + và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được phân phối cho CO2 để tạo ra hợp chất khử với đơn vị chức năng cơ bản là ( CH2O ), và nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trử trong quy trình này. Trong sự quang hợp, cần chú ý quan tâm chính sách hấp thu và sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời và chính sách chuyển hydro và điện tử từ nước đến CO2 .
Ý nghĩa của quang hợp
* Quang hợp của cây xanh có vai trò vô cùng quan trọng so với hoạt động giải trí sống của mọi sinh vật trên Trái Đất, trong đó có con người .
- Quang hợp cung cấp nguồn vật chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú cho nhu cầu dinh dưỡng của mọi sinh vật trên trái đất.
- Quang hợp có vai trò quyết định trong việc đảm bảo sự cân bằng tỷ lệ O2/CO2 trong khí quyển, duy trì hoạt động sống cho mọi sinh vật trên trái đất.
Quang hợp có vai trò quan trọng so với con người. Hoạt động quang hợp :
- Cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho con người, khoảng 80% nhu cầu dinh dưỡng của con người có nguồn gốc từ thực vật
- Cung cấp nguồn nhiên liệu rất phong phú cho mọi hoạt động sản xuất của con người trên trái đất (than đá, dầu mỏ, củi, than bùn, khí đốt ).
- Cung cấp nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho công nghiệp như công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá, công nghiệp đường….
- Quang hợp cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ để cấu trúc nên cơ thể sinh vật.
Như vậy, thực vật có một sứ mạng vô cùng to lớn so với sự sống của sinh vật trên toàn cầu nhờ vào hoạt động giải trí quang hợp của mình. Nói cách khác quang hợp là một quy trình độc nhất mà tổng thể hoạt động giải trí sống đều phụ thuộc vào vào nó .
Mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp
Quang hợp và hô hấp là hai tính năng sinh lý quan trọng nhất quyết định hành động hiệu suất cây cối. Hai quy trình này vừa xích míc vừa thống nhất nhau. Có thể tưởng tượng mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp theo sơ đồ :
Cơ quan triển khai quang hợp
Lá – cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp
Mặc dù sự quang hợp hoàn toàn có thể xảy ra ở toàn bộ những phần xanh, có chứa diệp lục tố, của cây, nhưng cơ quan chính có chứa nhiều diệp lục tố là lá, nên lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp. Trong lá còn có mạng lưới mạch dẫn xum xê làm trách nhiệm dẫn nước và muối khóang cho quy trình quang hợp và luân chuyển những sản phẩm quang hợp đến những cơ quan khác .
Lục lạp (chloroplast) – bào quan thực hiện chức năng quang hợp
Lục lạp là bào quan chuyên hóa cho công dụng quang hợp. Nhìn lục lạp dưới kính hiển vi điện tử, tất cả chúng ta thấy lục lạp có 3 bộ phận cấu trúc nên :
Ngoài cùng là lớp màng kép bảo phủ gồm 2 màng cơ sở tạo thành, mỗi màng được cấu trúc bởi hai lớp protein tách biệt nhau bằng lớp đúp lipid ở giữa. Chức năng của màng ngoài : bảo phủ, bảo vệ những cấu phần bên trong và kiểm tra tính thấm của những chất đi vào hoặc đi ra của lục lạp .
Lục lạp chứa một mạng lưới hệ thống màng bên trong làm thành những túi dẹp thông thương với nhau được gọi là thylakoid. Màng thylykoid có cấu trúc gồm protein và phospholipid sắp xếp tương tự như như màng cơ sở, có tính năng ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoid và chất nền của lục lạp ( stroma ). Các màng này tập hợp nên những cấu trúc như những túi tròn hay những đĩa ( gọi là thylacoid ) chồng lên nhau tạo thành cấu trúc dạng hạt ( grana ) giống như chồng đĩa hay còn gọi là thylacoid hạt. Mỗi lục lạp có từ 40 đến 50 grana với đường kính 4-6 mm. Mỗi grana có từ 5 hoặc 6 đến vài chục cái thylacoid, dày chừng 0,13 mm có màng riêng phủ bọc. Cây có chồng hạt càng cao thì năng lực quang hợp càng tốt .
Màng thylakoid chứa những thành phần :
- Sắc tố quang hợp
- Các chất hữu cơ khác nhau
- Các thành phần chuyền điện tử trong quang hợp
- Các enzyme xúc tác cho các phản ứng sáng của quang hợp
- Các nguyên tố khóang đa lượng, vi lượng…
Chức năng của màng thylacoid là thực thi quy trình đổi khác quang năng thành hóa năng, tức là triển khai pha sáng của quang hợp .
– Trong màng lục lạp, phủ bọc quanh những hạt ( grana ) là cơ chất ( stroma ) lỏng nhầy, không màu. Thành phần hầu hết của cơ chất là protein, nhiều loại enzyme tham gia vào quy trình khử CO2 và nhiều sản phẩm quang hợp. Đây là nơi thực thi pha tối của quang hợp .
Các pha trong quang hợp
Quá trình quang hợp được thực thi ở bào quan lục lạp, gồm có 2 pha : pha sáng và pha tối
Pha sáng : là quy trình tiến độ có sự tham gia của ánh sáng gồm có những quy trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố, cùng với sự biến hóa nguồn năng lượng lượng tử thành những dạng nguồn năng lượng hóa học dưới dạng những hợp chất dự trữ nguồn năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH2 .
Pha tối: là giai đoạn không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng, gồm quá trình sử dụng ATP và NADPH2 để tổng hợp các chất hữu cơ trong chu trình Calvin.
6CO2 + 12 [ H2 ] → C6H12O6 + 6H2 O
1. Pha sáng và sự tham gia của diệp lục trong quang hợp
Pha sáng xảy ra trong mạng lưới hệ thống thilacoid, nơi chứa những sắc tố quang hợp, pha này gồm có hai tiến trình sau đó nhau là quang vật lí và quang hóa học. Trong pha này xảy ra những quy trình :
- Hấp thụ năng lượng ánh sáng bởi diệp lục
- Dự trử năng lượng trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng điện tử (e-) được kích thích
- Vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng
- Biến năng lượng ở trung tâm thành năng lượng hoá học (trong ATP, NADPH2).
a. Giai đoạn quang vật lí
Diệp lục có năng lực hấp thụ ánh sáng rất mạnh. Khi lượng tử ánh sáng ( photon ) chạm vào diệp lục, nó được hấp thụ, nguồn năng lượng được chuyển đến điện tử của phân tử diệp lục và chuyển chúng lên trạng thái kích thích ở mức nguồn năng lượng cao hơn nhưng không bền. Điện tử đã được kích thích không bền, lập tức quay trở lại trạng thái gốc bắt đầu, đồng thời phóng thích nguồn năng lượng vừa hấp thu được. Ở những diệp lục tách rời khỏi tế bào, khi được chiếu sáng, diệp lục hấp thu nguồn năng lượng rồi phóng thích ra ngay ở dạng ánh sáng huỳnh quang, hoặc nhiệt, nhưng nếu diệp lục trong lục lạp nguyên vẹn của tế bào, năng lương từ phân tử diệp lục ở trạng thái kích thích sẽ được truyền từ phân tử này sang phân tử khác, đến TT phản ứng rồi được chuyển đến chất nhận điện tử và tham gia vào chuỗi phản ứng để biến thành nguồn năng lượng đễ sử dụng cho tế bào
b. Giai đoạn quang hóa học
Có 2 qúa trình thu giữ lại nguồn năng lượng từ những điện tử được kích thích : quang phosphoryl hoá vòng và quang phosphoryl hoá không vòng .
b1. Quang phosphoryl hoá vòng:
Trung tâm phản ứng là P700
- Diệp lục hấp thụ quang tử ánh sáng và chuyển điện tử lên trạng thái kích thích.
- Điện tử này sẽ được tập trung vào tâm phản ứng P700 và được chuyển đến chất nhận điện tử sơ cấp.
- Điện tử tiếp tục chuyền sang feredoxin (Fd) đến phức hợp cytochrome, qua plastocyanin rồi trở về lại diệp lục. Quá trình này giải phóng ra 1 ATP
- Quá trình này vòng vì điện tử quay trở về diệp lục và 1 phần năng lượng dùng phosphoryl hoá ADP thành ATP
Phosphoryl hoá vòng là dạng tiên phong của quang hợp, đây là dạng duy nhất ở hầu hết vi trùng quang hợp, hiệu suất cao nguồn năng lượng của quy trình này ít ( khoảng chừng 25 kcal / M ) .
b2. Quang phosphoryl hoá không vòng: bao gồm: hệ thống quang I, hệ thống quang
II và quang phân ly nước. Đây là chính sách thu năng lượng hiệu suất cao hơn .
Hệ thống quang I có TT phản ứng là P700 ( phân tử diệp lục có cực lớn hấp thu ở bước tuy nhiên là 700 nm ), còn mạng lưới hệ thống quang II có TT phản ứng là P680 ( phân tử diệp lục có cực lớn hấp thu ở bước tuy nhiên là 680 nm ). Chúng hấp thu hai quang tử để chuyển sang trạng thái kích thích. Năng lượng hấp thu này sẽ sử dụng cho quy trình phosphoryl hóa để tạo nên ATP và NADPH2
Quang phân ly nước là quy trình khởi nguồn cho quy trình phosphoryl hóa này. Quá trình quang phân ly nước xảy ra như sau :
Khi kết thúc pha sáng, có 3 sản phẩm tạo thành là ATP, NADPH2 và oxy. Oxy sẽ bay vào không khí còn năng lựong ATP và chất khử NADPH2 sẽ được sử dụng để khử CO2 trong pha tối của quang hợp để tạo nên chất hữu cơ cho cây .
2. Pha tối và sự đồng nhất CO2 trong quang hợp
Pha tối xảy ra trong phần cơ chất ( phần nền-stroma ) của lục lạp. Tùy vào từng nhóm thực vật C3, C4 và CAM, mà quy trình đồng điệu CO2 xảy ra theo những con đường khác nhau. Trong đó sự đồng nhất CO2 ở thực vật C3 xảy ra theo quy trình Canvil ( Hình 12 ), ở thực vật C4 quy trình cố định và thắt chặt CO2 xảy ra theo quy trình Hatch-Slack ở trong lục lạp của tế bào thịt lá ( mesophyll ) và quy trình khử CO2 xảy ra theo quy trình Canvil ở trong lục lạp của tế bào bao mạch ( Hình 13 ), còn ở thực vật CAM quy trình cố định và thắt chặt CO2 ( quy trình Hatch-Slack ) xảy ra vào đêm hôm và quy trình khử CO2 ( quy trình Canvil ) xảy ra vào ban ngày ( Hình 14 ) .
a. Chu trình Calvin:
Chu trình này có 3 quá trình : cố định và thắt chặt CO2, khử CO2 và tái sinh chất nhận CO2 .
Giai đoạn cố định CO2: Dưới tác dụng của enzyme ribuloso1,5 biphosphatcarboxylase, CO2 được kết hợp với phân tử ribuloso1,5 biphosphate (Rubisco) để hình thành hợp chất 6C. Chất này không bền nên nhanh chóng phân chia thành 2 hợp chất 3C là 3 phosphoglycerate, sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình Canvil.
Giai đọan khử CO2 : Sản phẩm đầu tiên là 3 phosphoglycerate sẽ bị khử ngay để thành glyceraldehyde-3P (G3P) với sự tham gia của NADPH. Giai đoạn này cần ATP và NADPH2 từ pha sáng.
Giai đoạn tái sinh chất nhận CO2 : G3P có thể xem là sản phẩm cuối cùng của quang hợp vì chất này là thức ăn tế bào có thể dùng được, nhưng khó vận chuyển và dự trử nên một bộ phận chất này tách ra khỏi chu trình để đi theo hướng tổng hợp glucose, rồi từ glucose có thể tổng hợp các chất hữu cơ khác như hydrat carbon, mở, axit béo, amino axit…Đại bộ phận G3P trải qua hàng loạt phản ứng phức tạp để cuối cùng tái tạo lại chất nhận CO2 là rubisco để khép kín chu trình. Giai đoạn này cần 6ATP để tạo đủ chất nhận CO2 cho việc hình thành nên 1 phân tử glucose. Như vậy để thực hiện quá trình tổng hợp một phân tử hexose theo chu trình Calvin, pha sáng cần cung cấp 18ATP và 12 phân tử NADPH2 (tỷ lệ 3/2). Đây là một năng lượng lớn mà pha sáng phải bảo đảm đủ. Nếu vì lý do nào đó mà thiếu năng lượng thì quá trình khử CO2 sẽ bị ức chế.
Ý nghĩa của quy trình Calvin
- Chu trình C3 là chu trình cơ bản nhất của thế giới thực vật xảy ra trong tất cả thực vật, dù là thực vật bậc cao hay bậc thấp, dù thực vật C3, C4 hay thực vật
- Trong chu trình tạo ra nhiều sản phẩm sơ cấp của quang hợp. Đó là các hợp chất C3, C4, C5, C6…Các chất này là nguyên liệu để tổng hợp nên các sản phẩm quang hợp thứ cấp như đường, tinh bột, acid amin, protein, .. Tuỳ theo bản chất của sản phẩm thu hoạch mà con đường đi ra của các sản phẩm thứ cấp khác nhau, nhưng chúng đều xuất phát từ những sản phẩm sơ cấp của quang hợp.
b. Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4):
Chất nhận CO2 tiên phong là phosphoenolpyruvate ( PEP ) và sản phẩm quang hợp tiên phong là acid oxaloacetic ( AOA ), một thành phần có 4 Tiếp theo, AOA hoàn toàn có thể bị khử để tạo thành acid malic hay hoàn toàn có thể được amine hoá thành acid aspartic. Acid malic được chuyển từ tế bào thịt lá sang tế bào bao bó mạch .
Quang hợp chịu tác động ảnh hưởng rõ ràng của những điều kiện kèm theo ngoại cảnh như ánh sáng, nhiệt độ, CO2, nước, chất khoáng … Hoạt động quang hợp quyết định hành động 90-95 % hiệu suất cây cối nên cần có những giải pháp kiểm soát và điều chỉnh quang hợp tương thích với điều kiện kèm theo ngoại cảnh để nâng cao hiệu suất cây cối, Giao hàng đời sống của con người .
(Tài liệu tham khảo: Sinh học Đại cương, Nguyễn Như Hiền)
Xem thêm: Thực phẩm ăn liền
Source: https://thevesta.vn
Category: Sản Phẩm
