BÀI 9: QUANG HỢP Ở NHÓM THỰC VẬT C3, C4 VÀ CAM
PHẦN I. KIẾN THỨC
- Quá trình quang hợp được chia thành 2 pha: pha sáng và pha tối. Quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM chỉ khác nhau ở pha tối.
I. THỰC VẬT C3
1. Khái quát về quang họp ở thực vật C3
| Đặc điểm so sánh | Pha sáng | Pha tối |
| Nơi thực hiện | - Trên màng tilacoit | - Chất nền Stroma |
| Nguyên liệu | - Nước, ADP, NADP+ | - CO2, ATP, NADPH |
| Sản phẩm | - ATP, NADPH, O2 | - ADP, NADP+, C6H12O6 và các chất hữu cơ trung gian khác |
2. Các pha của quang hợp ở thực vật C3
a. Pha sáng
- Khái niệm: Pha sáng là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH.
- Pha sáng diễn ra ở tilacoit khi có chiếu sáng.
- Trong pha sáng, năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước:
- PT:
- Sản phẩm:
- Oxi: O2 được giải phóng là oxi của nước.
- ATP: Năng lượng ATP được giải phóng đồng thời bù lại điện tử electron cho diệp lục a
- NADPH: Các proton H+ đến khử NADP+ thành NADPH
- ATP và NADPH của pha sáng được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
b. Pha tối
- Diễn ra trong chất nền [stroma] của lục lạp.
- Cần CO2 và sản phẩm của pha sáng là ATP và NADPH.
- Pha tối ở thực vật C3 chỉ có chu trình Canvin:
- Thực vật C3 phân bố mọi nơi trên trái đất [gồm các loài rêu đến cây gỗ trong rừng].
- Chu trình Canvin gồm 3 giai đoạn:
* 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 ổn định của chu trình là hợp chất 3C [Axit photphoglyxeric APG]
- Enzim xúc tác cho phản ứng là RiDP- cacboxylaza
* Giai đoạn khử APG[axit phosphoglixeric] thành AlPG [aldehit phosphoglixeric]:
- APG [axit phosphoglixeric] → AlPG [aldehit phosphoglixeric], ATP, NADPH
- Một phần AlPG tách ra khỏi chu trình và kết hợp với 1 phân tử triozo khác để hình thành C6H12O6 từ đó hình thành tinh bột, axit amin…
* Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là Rib – 1,5 diP [ribulozo- 1,5 diphosphat]:
- Phần lớn AlPG qua nhiều phản ứng cần cung cấp ATP tái tạo nên RiDP để khép kín chu trình
- Sản phẩm: Cacbohidrat.
II. THỰC VẬT C4
1. Các đối tượng thực vật C4
- Gồm 1 số loài sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: mía, ngô, cao lương …
- Thực vật C4 sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, nhiệt độ, ánh sáng cao => tiến hành quang hợp theo chu trình C4.
2. Chu trình quang hợp ở thực vật C4
- Diễn ra tại 2 loại tế bào là tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch
- Tại tế bào mô giậu diễn ra giai đoạn cố dịnh CO2 đầu tiên
- Chất nhận CO2 đầu tiên là 1 hợp chất 3C [phosphoenl piruvic - PEP]
- Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C [axit oxaloaxetic - AOA], sau đó AOA chuyển hóa thành 1 hợp chất 4C khác là axit malic [AM] trước khi 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 Canvin và hình thành nên hợp chất 3C là axit piruvic
- Axit piruvic quay lại tế bào mô giậu để tái tạo lại chất nhận CO2 đầu tiên là PEP
- Chu trình C3 diễn ra như ở thực vật C3
- Thực vật C4 ưu việt hơn thực vật C3:
- Cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bảo hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp → thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3
- Chu trình C4 gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu theo chu trình C4 diễn ra ở lục lạp của tế bào nhu mô lá, giai đoạn 2 theo chu trình Canvin diễn ra trong lục lạp của tế bào bao bó mạch.
III. THỰC VẬT CAM
1. Các đối tượng thực vật CAM
- Gồm những loài mọng nước, sống ở vùng hoang mạc khô hạn như: xương rồng, dứa, thanh long …
2. Chu trình quang hợp ở thực vật CAM
- Để tránh mất nước, khí khổng các loài này đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm => cố định CO2 theo con đường CAM.
- Vào ban đêm, nhiệt độ môi trường xuống thấp, tế bào khí khổng mở ra, CO2 khuếch tán qua lá vào
- Chất nhận CO2 đầu tiên là PEP và sản phẩm ổn định đầu tiên là AOA.
- AOA chuyển hóa thành AM 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 Canvin và axit piruvic tái sinh chất nhận ban đầu PEP.
- Chu trình CAM gần giống với chu trình C4, điểm khác biệt là về thời gian: cả 2 giai đoạn của chu trình C4 đều diễn ra ban ngày; còn chu trình CAM thì giai đoạn đầu cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm khi khí khổng mở và còn giai đoạn tái cố định CO2 theo chu trình Canvin thực hiện vào ban ngày khi khí khổng đóng.
PHẦN II - HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu 1. Nêu khái niệm và điều kiện cần có của pha sáng trong quang hợp.
Hướng dẫn:
- Pha ánh sáng của quang hợp là pha chuyển hoá năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH.
- Pha sáng chỉ xảy ra ở tilacôit khi có ánh sáng chiếu vào diệp lục.
Câu 2. Ôxi trong quang hợp có nguồn gốc từ đâu?
Hướng dẫn:
- Ôxi trong quang hợp có nguồn gốc từ nước.
Câu 3. Nêu vai trò và sản phẩm của pha sáng trong quang hợp? Vì sao pha này xảy ra cần ánh sáng?
Hướng dẫn:
- Sản phẩm của pha sáng là: ATP, NADPH, O2
Câu 4. Những hợp chất nào mang năng lượng ánh sáng vào pha tối để đồng hóa CO2 thành cacbohiđrat?
Hướng dẫn:
- Những hợp chất mang năng lượng ánh sáng vào pha tối để đồng hóa CO2 thành cacbohiđrat là: ATP và NADPH.
Câu 5. Nêu sự giống và khác nhau giữa các con đường C3, C4 và CAM?
Hướng dẫn:
Câu 6. Pha sáng quang hợp cung cấp cho pha tối:
A. CO2 và ATP
B. Năng lượng ánh sáng
C. Nước và CK
D. ATP và NADPH
Câu 7: Giai đoạn quang hợp thật sự tạo nên C6H12O6 ở cây mía là:
A. Quang phân li nước
B. Chu trình Canvin
C. Pha sáng
D. Pha tối
PHẦN III - HỆ THỐNG CÂU HỎI MỞ RỘNG [TỰ GIẢI]
Câu 1. Cho biết sự khác nhau giữa hai pha của quá trình quang hợp.
Câu 2. Nêu những đặc điểm về cấu trúc của hạt lục lạp phù hợp với chức năng thực hiện pha sáng, pha tối quang hợp?
Câu 3. Giải thích sự xuất hiện các con đường cố định CO2 ở thực vật C4 và CAM.
Câu 4. So sánh 3 con đường C3, C4 và CAM trong quá trình quang hợp của các nhóm thực vật khác nhau
Câu 5. Trình bày mối liên hệ giữa pha sáng và pha tối trong quá trình quang hợp. Pha tối ở các nhóm thực vật khác nhau diễn ra vào thời điểm nào?
Câu 6. Vì sao nói quang hợp là quá trinh oxi hóa khử?
Câu 7. Oxi được sinh ra từ pha nào của quá trình quang hợp? Hãy biểu diễn đường đi của oxi qua các lớp màng để ra khỏi tế bào từ nơi được sinh ra.
Câu 8. So sánh đặc điểm quang hợp ở 3 nhóm thực vật?
Câu hỏi: So sánh thực vật C3, C4 và CAM.
Trả lời:
*Giống nhau ở pha sáng gồm:
+ Quang lí: Diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời => dạng kích thích
+ Quang phân li nước: Sử dụng năng lượng mà diệp lục nhận được để phân li nước theo phương trình
2H2O→ 4H+ + 4e- + O2
+ Quang hoá: hình thành ATP, NADPH
*Khác nhau
Đặc điểm |
Thực vật C3 |
Thực vật C4 |
Thực vật CAM |
| Môi trường sống | Khí hậu ôn hòa, cường độ ánh sáng bình thường | 1 số TV nhiệt đới, cận nhiệt đới, cường độ AS mạnh | TV thân mọng nước vùng khô hạn hoang mạc |
| Đại diện | Lúa, đậu.. | Ngô, mía | Xương rồng, dứa |
| Giải phẫu Kranz [có 2 loại lục lạp] |
Không - Có 1 loại lục lạp ở tế bào mô giậu - Lá bình thường |
Có - Có 2 loại lục lạp ở tế bào mô giậu, tế bào bao bó mạch - Lá bình thường |
Không - Có 1 loại lục lạp ở tế bào mô giậu - Lá mọng nước |
| Chất nhận CO2đầu tiên | RDP | PEP | PEP |
| Sản phẩm đầu tiên | APG [C3] | AOA [C4] | AOA [C4] |
| Enzym cacboxyl hoá | RDP-cacboxylase | PEP - cacboxylase RDP-cacboxylase |
PEP-cacboxylase RDP-cacboxylase |
| Thời gian cố địnhCO2 | Ngoài sáng | Ngoài sáng | Trong tối |
| Quang hô hấp | Cao | Rất thấp | Rất thấp |
| Nhiệt độ thích hợp | 20 - 30oC | 25 - 35oC | 30 - 40oC |
| Ức chế quang hợp bởi O2 | Có | Không | Có |
| Hiệu ứng nhiệt độ cao lên quang hợp [30-40oC] |
Kìm hãm | Kích thích | Kích thích |
| Điểm bù CO2 | Cao[25 -100 ppm] | Thấp [0-10 ppm] | Thấp [0-5 ppm] |
| Điểm bão hoà ánh sáng | Thấp: 1/3 ánh sáng mặt trời toàn phần | Cao, khó xác định | Cao, khó xác định |
| Năng suất sinh vật học | Trung bình đến cao | Cao | Thấp |
| Sự thoát hơi nước [Nhu cầu nước] | Cao | Thấp | Rất thấp |
Cùng Top lời giải tìm hiểu kĩ hơn về từng loại thực vật để hiểu rõ hơn về câu hỏi trên nhé.
I. Thực vậtC3
- Thực vậtC3phân bố mọi nơi trên trái đất, gồm các loài rêu cho đến các loài cây gỗ trong rừng.
1. Pha sáng
- Là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH.
- Pha sáng diễn ra ở tilacôit khi có chiếu sáng.
- Trong pha sáng, năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước,O2được giải phóng làO2của nước.
2H2O→ 4H+ + 4e- + O2
- ATP và NADPH của pha sáng được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
2. Pha tối
- Pha tối ở thực vậtC3diễn ra trong chất nền [strôma] của lục lạp.
- Pha tối ở thực vậtC3chỉ có một chu trình Canvin, được chia thành 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn cố địnhCO2.
+ Giai đoạn khử APG [axit phôtphoglixêric]→AllPG [aldehit phosphoglixeric]→tổng hợp nênC6H12O6→tinh bột, axit amin…
+ Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là Rib – 1,5 điP [ribulôzơ – 1,5 điphôtphat].
II. Thực vật C4
1. Đại diện
Gồm một số loài thực vật sống ở vùng nhiệt đới như : mía, rau dền, ngô, cao lương, kê…
2. Chu trình quang hợp ở thực vật C4
Pha tối gồm chu trình quang hợp ở thực vật C4bao gồm: cố định CO2tạm thời [chu trình C4] và tái cố định CO2theo chu trình Canvin. Cả hai chu trình đều diễn ra vào ban ngày, nhưng ở 2 loại tế bào khác nhau trên lá.
- Giai đoạn cố định CO2tạm thời diễn ra ở tế bào mô giậu
+ Chất nhận CO2đầu tiên là 1 hợp chất 3C [photphoenol pyruvic – PEP]
+ Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C [axit oxaloaxetic – AOA], sau đó chuyển hóa thành một hợp chất 4C khác là axit malic [AM] trước khi chuyển vào tế bào bao bó mạch
- Giai đoạn tái cố định CO2diễn ra ở tế bào bao bó mạch
+ AM bị phân hủy để giải phóng CO2cung cấp cho chu trình Canvin và hình thành nên hợp chất 3C là axit pyruvic
+ Axit pyruvic quay lại tế bào mô giậu để tái tạo chất nhận CO2đầu tiên là PEP
+ Chu trình C3diễn ra như ở thực vật C3
- Thực vật C4ưu việt hơn thực vật C3: cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn, thoát hơi nước thấp hơn. Nhờ vậy, thực vật C4có năng suất cao hơn thực vật C3.
III. Thực vật CAM
1. Một số đặc điểm nhận biết thực vật CAM
+ Loài thực vật chịu hạn có các lá dày với tỷ số diện tích bề mặt nhỏ hơn so với thể tích.
Chúng thường có lớp cutin dày để bảo vệ không bị khô héo trước ánh nắng mặt trời gay gắt.
Các khí khổng [lỗ thở] có thể đóng và ban ngày hoặc bị chìm xuống thành các hốc lõm ngăn thoát hơi nước.
Mộtsố loại sẽrụng lá vào mùa khô [không phải mùa lạnh].
Thích hợp sống tại vùng có nhiệt độ cao [trên 30 độ] và ít CO2 [sa mạc, núi đá]
Cây rất dễ bị thối rễ hoặc úng lá nếu tưới nhiều và đất không kịp thoát nước.
Một số loại khác có thể lưu giữ nước trong các không bào [xương rồng, lan và dứa, sen đá].
2. Cơ chế quang hợp CAM
Thực vật CAM đóng kín các khí khổng trong thời gian ban ngàynhằm giữ gìn nước bằng cách ngăn cản quá trình thoát-bốc hơi nước. Các khí khổng sẽ đượcmở ra vào thời gian ban đêmlạnh và ẩm hơn, cho phép chúng hấp thụCO2 để sử dụng trong quá trình cố định cacbon [chuyển hóa chất dinh dưỡng].Cơ chế CAMcho phép các loài thực vật này có thể phát triển bình thường trong các điều kiện môi trường mà nếu khác đi thì là quá khô hạn đối với sự phát triển của chúng, hay ít nhất ra là làm cho chúng có thể chịu đựng được các điều kiện cực kỳ khô hạn.
-Pha tối ở thực vật CAMgần giống với pha tối ở thực vật C4, điểm khác biệt là về thời gian:
+ Ở thực vật C4, cả 2 chu trình của pha tối đều diễn ra vào ban ngày.
+ Ở thực vật CAM thì chu trình đầu cố định CO2 tạm thời được thực hiện vào ban đêm khi khí khổng mở và chu trình Canvin tái cố định CO2 thực hiện vào ban ngày khi khí khổng đóng.
Quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật CAM được bắt đầu khihợp chất 3 - cacbon là Photphoenolpyruvat được Cacboxylathóa thànhOxaloaxetatvà nó sau đó bị khử để tạo ra Malat.Thực vật CAM lưu trữ các trung gian 4- cacbonnày cùng các hợp chất hữu cơ đơn giản khác trong các không bào của chúng. Muối malat dễ dàng bị phá vỡ thànhPyruvatvàCO2, sau đó pyruvat đượcPhotphorylat hóađể tái sinhPhotphoenolpyruvat[PEP]. Trong thời gian ban ngày, axít malic bị chuyển ra khỏi các không bào và bị phân tách ra để tạo thành CO2 sao cho nó có thể đượcenzym RuBisCOsử dụng trong chu trìnhCalvin-Bensontrong chất nền đệm của lục lạp. Bằng cách này nó làm giảm tốc độ thoát - bốc hơi nước trong quá trình trao đổi khí.
Thực vật CAM có khả năng giữ nước rất tốt, cũng như rất hiệu quả trong việc sử dụng nitơ. Tuy nhiên, chúng là không hiệu quả trong việc hấp thụ CO2, do vậy chúng là các loại cây phát triển chậm khi so sánh với các loài thực vật khác. Ngoài ra, thực vật CAM cũng tránh quang hô hấp. Enzym chịu trách nhiệm cố định cacbon trong chu trình Calvin, Rubisco, không thể phân biệt CO2 với ôxy. Kết quả là thực vật sử dụng năng lượng để phá vỡ các hợp chất cacbon.