Quang hợp và cố định carbon

Quang hợp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và sử dụng nó để cố định carbon dioxide trong khí quyển thành đường, một quá trình mà hầu hết sự sống và bầu khí quyển có thể thở được phụ thuộc vào.

Definition

Quang hợp là quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước được thúc đẩy bởi ánh sáng, và cố định carbon là sự kết hợp carbon dioxide vô cơ vào các phân tử hữu cơ, chủ yếu thông qua chu trình Calvin–Benson.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phản ứng sáng của màng thylakoid (hệ thống quang hợp, vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP), chu trình Calvin–Benson cố định carbon bởi Rubisco, quang hô hấp, và các thích nghi C4 và CAM giúp tập trung carbon dioxide.

Core questions

• Các phản ứng sáng chuyển đổi ánh sáng thành ATP và NADPH đồng thời giải phóng oxy như thế nào?
• Chu trình Calvin–Benson cố định carbon dioxide thành carbohydrate như thế nào?
• Tại sao các cơ chế C4 và CAM lại tiến hóa để khắc phục những hạn chế của Rubisco?

Key theories

Sơ đồ Z của vận chuyển điện tử quang hợp

Ánh sáng cung cấp năng lượng cho các điện tử thông qua hệ thống quang hợp II và I nối tiếp, phân tách nước để giải phóng oxy và tạo ra NADPH cùng gradient proton cung cấp năng lượng cho tổng hợp ATP.

Cơ chế tập trung carbon

Vì Rubisco cũng phản ứng với oxy, gây ra quang hô hấp lãng phí, thực vật C4 và CAM tập trung carbon dioxide theo không gian hoặc thời gian xung quanh Rubisco để cải thiện hiệu quả trong điều kiện nóng hoặc khô.

Mechanisms

Trong màng thylakoid, hệ thống quang hợp II oxy hóa nước thành oxy và cung cấp điện tử qua phức hợp cytochrome b6f đến hệ thống quang hợp I, hệ thống này khử NADP+ thành NADPH; gradient proton liên kết thúc đẩy tổng hợp ATP. Trong chất nền (stroma), Rubisco cố định carbon dioxide vào ribulose-1,5-bisphosphate, và chu trình Calvin–Benson khử sản phẩm thành triose phosphate bằng cách sử dụng ATP và NADPH trong khi tái tạo chất nhận. Thực vật C4 cố định carbon dioxide thành các axit bốn carbon trong tế bào mô mềm và giải phóng nó xung quanh Rubisco trong tế bào bao bó mạch, trong khi thực vật CAM cố định carbon dioxide vào ban đêm, cả hai đều ức chế quang hô hấp. Huỳnh quang diệp lục cung cấp một phương pháp thăm dò không xâm lấn các phản ứng này.

Clinical relevance

Hiệu quả quang hợp đặt ra giới hạn trên năng suất cây trồng và sinh khối, biến nó thành mục tiêu trung tâm để cải thiện an ninh lương thực; quá trình này cũng điều chỉnh lượng carbon dioxide mà thảm thực vật loại bỏ khỏi khí quyển, liên kết nó với khí hậu.

History

Hill đã chỉ ra rằng lục lạp cô lập có thể giải phóng oxy, Calvin và Benson đã lập bản đồ chu trình cố định carbon bằng carbon-14, và Hatch và Slack đã mô tả con đường C4 vào những năm 1960, hoàn thiện bức tranh hiện đại về quang hợp.

Key figures

• Melvin Calvin
• Andrew Benson
• Robert Hill
• Marshall Hatch

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

Oxy được thực vật giải phóng đến từ đâu?

Oxy đến từ nước, mà hệ thống quang hợp II phân tách trong các phản ứng sáng; oxy được giải phóng là một sản phẩm phụ, trong khi hydro và điện tử được sử dụng để xây dựng NADPH.

Tại sao thực vật C4 hiệu quả hơn trong khí hậu nóng?

Thực vật C4 tập trung carbon dioxide xung quanh Rubisco, ức chế phản ứng cố định oxy (quang hô hấp) trở nên tốn kém ở nhiệt độ cao, vì vậy chúng quang hợp hiệu quả hơn trong điều kiện nóng, sáng.