Quang hợp

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Lá cây: nơi thực hiện quá trình quang hợp ở thực vật.

Quang hợp là quá trình thu nhận năng lượng ánh sáng Mặt trời của thực vật, tảo và một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.[1]

Năng lượng hóa học này được lưu trữ trong các phân tử carbohydrate như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxidenước. Do đó quá trình này có tên quang hợp, gồm hai từ Hán Việt quang-"ánh sáng", và hợp-"đặt lại với nhau". Tiếng Hy lạp cũng tương tự, từ φῶς Hy Lạp, Phos, "ánh sáng", và σύνθεσις, "tổng hợp lại".[2][3][4] Trong hầu hết các trường hợp, oxy cũng được tạo ra như là một sản phẩm phụ. Hầu hết các thực vật, tảovi khuẩn cyanobacteria thực hiện quang hợp, và các sinh vật như vậy được gọi là photoautotrophs. Quang hợp giúp duy trì nồng độ oxy trong không khí và cung cấp tất cả các hợp chất hữu cơ và hầu hết các năng lượng cần thiết cho sự sống trên Trái Đất.[1]

Mặc dù quá trình quang hợp được thực hiện khác nhau với các loài thực vật khác nhau, quá trình này luôn luôn bắt đầu khi năng lượng từ ánh sáng được hấp thụ bởi các protein được gọi là trung tâm phản ứng có chứa sắc tố diệp lục màu xanh lá cây. Ở thực vật, các protein này được tổ chức bên trong các bào quan gọi là lục lạp, vốn là chất chiếm nhiều nhất trong các tế bào lá, trong khi ở vi khuẩn các protein này được nhúng vào trong màng bào tương. Trong các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng trên, một số năng lượng được sử dụng để tách các điện tử từ các chất thích hợp như nước, sản xuất khí oxy. Thêm vào đó, hai hợp chất tiếp tục được tạo ra: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) và adenosine triphosphate (ATP), các "đơn vị tiền tệ năng lượng" của các tế bào.

thực vật, tảovi khuẩn lam, đường được sản xuất bởi một chuỗi các phản ứng tiếp theo không phụ thuộc ánh sáng, được gọi là chu trình Calvin, nhưng một số vi khuẩn sử dụng các cơ chế khác nhau, chẳng hạn như chu trình Krebs ngược. Trong chu trình Calvin, khí carbon dioxide được tích hợp vào các hợp chất carbon hữu cơ đã có sẵn, chẳng hạn như ribulose bisphosphate(RuBP).[5] Sử dụng ATP và NADPH được các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng tạo ra, kết quả là các hợp chất này sau đó được giảm và loại bỏ để hình thành carbohydrate cao hơn như glucose.

Trong các chuỗi thức ăn tự nhiên, các sinh vật quang dưỡng (sống nhờ nguồn năng lượng do quang hợp) thường là những mắt xích đầu tiên; nghĩa là các sinh vật còn lại đều sử dụng sản phẩm của quá trình quang hợp phục vụ nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Do vậy, quang hợp là chuỗi phản ứng hóa học quan trọng bậc nhất trên Trái Đất, vì nó tạo năng lượng cho sự sống trong sinh quyển. Quá trình quang hợp cũng sản sinh ra khí ôxy, tạo nên một bầu khí quyển chứa nhiều ôxy cho Trái Đất, một bầu khí quyển vốn dĩ chỉ chứa nitơcácbônic trước khi có sinh vật quang dưỡng.

Ở thực vật, quá trình quang hợp chủ yếu được thực hiện nhờ diệp lục (chlorophyll nghĩa là màu xanh lục). Sắc tố này thường chứa trong các bào quan gọi là lục lạp. Mặc dù, hầu hết các phần của nhiều loài thực vật đều có màu xanh, năng lượng của quá trình quang hợp chủ yếu được thu nhận từ . Quá trình quang hợp của thực vật, tảovi khuẩn lam (cyanobacteria) sử dụng chlorophyll và sản sinh ra ôxy. Một số loài vi khuẩn quang dưỡng không sử dụng chlorophyll mà dùng một sắc tố tương tự gọi là bacteriochlorophylls và quá trình quang hợp của các vi khuẩn này không sản sinh ôxy.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Các sinh vật đầu tiên trên Trái Đất xuất hiện từ cách đây khoảng 3,5 - 4 tỉ năm tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp (chemosynthesis), tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như H2, NH4, H2S. Ngày nay, các sinh vật này vẫn còn tồn tại trong những môi trường rất đặc biệt như trong các hố xí, suối nước nóng có lưu huỳnh và các miệng núi lửa trên các sàn đại dương, được gọi là các sinh vật yếm khí. Sau đó xuất hiện nhóm sinh vật có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, sự quang tổng hợp (photosynthesis), thường được gọi tắt là sự quang hợp, đây là một quá trình sinh học, chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Các sinh vật quang hợp đầu tiên này không tạo ra ôxy.

Về sau một số sinh vật có khả năng sử dụng nước cho sự quang hợp, tạo ra O2, dần dần tích tụ trong khí quyển, một số sinh vật tiến hóa khác có khả năng sử dụng O2 xúc tác trong các phản ứng để giải phóng năng lượng trong các phân tử thức ăn. Quá trình này được gọi là sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration). Sự quang hợp sử dụng CO2 và H2O tạo ra từ sự hô hấp hiếu khí và sự hô hấp hiếu khí thì sử dụng thức ăn và O2 sinh ra từ sự quang hợp.

Cả hai loại sinh vật này được gọi chung là sinh vật tự dưỡng-tự tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô cơ, phân biệt với sinh vật dị dưỡng phải lấy thức ăn hữu cơ từ môi trường chung quanh, chúng tiêu thụ các sinh vật tự dưỡng. Quang hợp là lá cây nhờ có chất diệp lục, ánh sáng, nước, khí cac bô nic để tạo ra tinh bột, đồng thới nhả khí ô-xi ra môi trường bên ngoài

Ý nghĩa[sửa | sửa mã nguồn]

Là nguồn duy nhất để tạo ra năng lượng nuôi sống tất cả sinh vật trên Trái Đất; bù đắp lại những chất hữu cơ đã tiêu hao trong quá trình sống; cân bằng khí CO2 và O2 trong không khí; quang hợp liên quan đến mọi hoạt động sống kinh tế của con người.

Có thể phân chia vai trò của quang hợp ra làm ba mảng chính:

  • Tổng hợp chất hữu cơ: thông qua quang hợp, cây xanh tạo ra nguồn chất hữu cơ là tinh bột là đường glucozo.
  • Tích luỹ năng lượng: mỗi năm, cây xanh tích lũy một nguồn năng lượng khổng lồ.
  • Điều hoà không khí: cây xanh khi quang hợp giúp điều hoà lượng hơi nước, CO2 và O2 trong không khí, góp phần điều hoà nhiệt độ không khí.

Các giai đoạn chính của quá trình quang hợp:

  • Pha sáng: Pha sáng của quang hợp là pha chuyển hoá năng lượng của ánh sáng đã được diệp lục hấp thu thành năng lượng của các liên kết hoá học trong ATP và NADPH

Nơi diễn ra pha sáng là màng Tilacoid

  • Cách thức tiến hành: Trong pha sáng diễn ra quá trình quang phân ly nước (phân tử nước bị phân ly dưới tác động của năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ). Quá trình quang phân ly này diễn ra tại xoang của Tilacôit theo sơ đồ phản ứng sau:
2H2O ------> 4H + O2

Các electron xuất hiện trong quá trình quang phân ly nước đền bù lại các electron của diệp lục a bị mất khi diệp lục này tham gia truyền electron cho các chất khác. Các proton đến khử NADP+ (nicôtinamit ađênin đinuclêôtit phôtphat dạng ôxi hoá) thành dạng khử (NADPH) Phương trình tỏng quát pha sáng:

12H2O + 12NADP + 18ADP +18Pv ———————> 12O2 + 12NADPH + 18ATP

  • Sản phẩm của pha sáng gồm có: ATP, NADPH và ôxi
  • 2Pha tối: Pha tối(pha cố định CO2) diễn ra trong chất nền strôma của lục lạp

Chu trình Calvin[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Chu trình Calvin

Chu trình này do nhà bác học người Mĩ Calvin đưa ra vào 1951. Cơ sở của chu trình này là axit photphoglixeric(APG). Nhờ có ATP hình trong quá trình photphorin hóa quang hóa cung cấp năng lượng, axit photphoglixeric biến đổi thành axit diphotphoglixeric, sau đó lại bị khử bởi NADPH2 thành alđehyt photphoglixeric. Chu trình tiếp tục sẽ tạo thành các đường trioz, heo, heptoz để cuối cùng phục hồi chất nhận pentoz, nhận CO2 khép kín chu trình.

Chu trình Calvin gồm 3 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: CO2 bị khử để hình thành nên sản phẩm đầu tiên là axit photphoglixeric.

1.Ribulozodiphotphat(RiDP) được cacboxi hóa với xúc tác enzim RiDP-cacboxilaza để hình thành APG:

 RiDP + CO2 ————————> cacboxi-ketopeltitol điphotphat
          ↓ phân hủy
         2APG

2.APG nhờ có enzim photphoglixeratkianaza nên được photphorin hóa thành axit 1,3 diphotphoglixeric: APG + ATP —————> Axit diphotphoglixeric(ADPG) + ADP

  • Giai đoạn 2: ADPG bị khử tạo thành ALPG

3.Phản ứng xảy ra vói sự tham gia của enzim glixeraldehitphotphatdehidrogenaza: ADPG + NADPH2 ————> ALPG + NADP

  • Giai đoạn 3: Phục hồi chất nhận RiDP

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă Bryant DA, Frigaard NU (November năm 2006). “Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated”. Trends Microbiol. 14 (11): 488–96. doi:10.1016/j.tim.2006.09.001. PMID 16997562. 
  2. ^ “photosynthesis”. Online Etymology Dictionary. 
  3. ^ φῶς. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  4. ^ σύνθεσις. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  5. ^ Reece J, Urry L, Cain M, Wasserman S, Minorsky P, Jackson R. Biology . Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. tr. 235, 244. ISBN 0-321-73975-2. “This initial incorporation of carbon into organic compounds is known as carbon fixation.” 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]