Cùng THPT Ngô Thì Nhậm tìm hiểu Quang hợp là gì? Quá trình quang hợp diễn ra ở thực vật như thế nào?
Quá trình quang hợp cung cấp O2 cho con người và sinh vật tồn tại trên Trái Đất. Không những thế, các sinh vật sử dụng sản phẩm của quá trình quang hợp phục vụ cho quá trình sinh dưỡng của chúng… Trong bài viết này, THPT Ngô Thì Nhậm sẽ giúp các bạn học sinh tìm hiểu đầy đủ quang hợp là gì? cùng với những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của thực vật; đặc điểm, vai trò, ý nghĩa của quang hợp đối với sự sống trên trái đất.
Quang hợp là gì?
Quang hợp còn được gọi với tên là quá trình quang tổng hợp. Quang hợp là quá trình thu nhận và chuyển hóa năng lượng mặt trời của thực vật, tảo và một số vi khuẩn. Trong quá trình quang hợp, năng lượng ánh sáng mặt trời đã được diệp lục hấp thụ để tổng hợp cacbonhidrat và giải phóng oxy từ khí cacbonic và nước.
Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp:
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Vai trò của quang hợp
Quá trình quang hợp đóng vai trò quan trọng đối với sự sống của các sinh vật trên Trái Đất. Toàn bộ sự sống trên hành tình chúng ta đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp. Dưới đây là 3 vai trò quan trọng nhất của quá trình quang hợp ở các nhóm thực vật.
Tổng hợp chất hữu cơ. Sản phẩm của quang hợp tạo ra nguồn chất hữu cơ làm thức ăn cho mọi sinh vật, là nguyên liệu cho công nghiệp và làm ra thuốc chữa bệnh cho con người.
Cung cấp năng lượng. Năng lượng trong ánh sáng mặt trời được hấp thụ và chuyển thành hóa năng trong các liên kết hóa học. Đây là nguồn cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của các sinh vật.
Cung cấp O2. Quá trình quang hợp ở cây xanh hấp thụ khí CO2 và giải phóng khí O2 giúp điều không khí, giảm hiệu ứng nhà kính đem lại không khí trong lành cho Trái Đất và cung cấp dưỡng khí cho các sinh vật khác.
Đặc điểm của lá cây thích nghi với chức năng quang hợp
Đặc điểm bên ngoài của lá cây
– Diện tích bề mặt lớn giúp lá hấp thụ nhiều tia sáng
– Phiến lá mỏng thuận lợi cho khí khuếch tán vào và ra được dễ dàng.
– Trong lớp biểu bì của lá có chứa tế bào khí khổng để khí CO2 khuếch tán vào bên trong lá đến lục lạp.
Đặc điểm bên trong của lá cây
– Tế bào có hình mô giậu chứa nhiều diệp lục phân bố ngay dưới lớp biểu bì ở mặt trên của lá để trực tiếp hấp thụ ánh sáng chiếu lên mặt trên của lá.
– Tế bào mô xốp chứa ít chất diệp lục hơn các tế bào mô giậu, nằm ở mặt dưới của lá. Trong mô xốp có nhiều khoảng trống rỗng để khí oxy dễ dàng khuếch tán đến các tế bào chứa sắc tố quang hợp.
– Hệ gân lá có mạch dẫn, gồm mạch gỗ và mạch rây, xuất phát từ bó mạch ở cuống lá đến tận từng tế bào như mô của lá, giúp cho nước và ion khoáng đến từng tế bào để thực hiện chức năng quang hợp và vận chuyển sản phẩm của quang hợp.
– Trong lá có nhiều tế bào chứa diệp lục, đó là bào quan quang hợp.
Chức năng và thành phần hệ sắc tố quang hợp của lá
Thực vật quang hợp như thế nào? Đó là nhờ vào chất diệp lục có trong hệ sắc tố quang hợp ở lá cây cùng với Carotenoit. Bề mặt lá hấp thụ ánh sáng mặt trời giúp các sắc tố diệp lục hấp thụ được năng lượng và thực hiện quá trình quang hợp ở cây xanh. Hệ sắc tố quang hợp của lá gồm có 2 thành phần chính là diệp lục và carotenoit.
Ở nhóm tảo và thực vật thủy sinh thì có thêm sắc tố phụ phycobilin. Phicobilin là nhóm sắc tố quan trọng đối với tảo và thực vật thủy sinh. Phicobilin hấp thụ ánh sáng trong vùng lục (550 nm) và vàng (612 nm).
Chất diệp lục
Chất diệp lục là một sắc tố hấp thụ ánh sáng xanh lam (430 nm) và đỏ (662 nm). Diệp lục rất quan trọng trong quá trình quang hợp để hấp thụ được các ánh sáng có màu xanh lam và đỏ. Chất diệp lục gồm 2 nhóm:
Diệp lục a. Đây vốn là những phân tử P700 và P680 có trong chất diệp lục a. Những phân tử này sẽ tham gia trực tiếp vào quá trình hấp thụ năng lượng ánh sáng chuyển thành năng lượng trong ATP và NADPH.
Diệp lục b. Chất diệp lục b sẽ kết hợp với chất diệp lục a còn lại hỗ trợ các phân tử P700 và P680 tại trung tâm qua cách truyền năng lượng của ánh sáng và hấp thụ cho chúng.
Carotenoit
Carotenoit được biết đến là một chất có tác dụng truyền các năng lượng cho chất diệp lục a và diệp lục b. Carotenoid gồm có xantophin và caroten (đây chính là các sắc tố phụ của quá trình quang hợp). Caroten hấp thụ ánh sáng có bước sóng từ 446 – 476 nm, xantophin hấp thụ ánh sáng có bước sóng từ 451 -1 481 nm. Trong trường hợp ánh nắng có cường độ cao thì carotenoid còn có công dụng bảo vệ các hệ thống quang hợp không bị cháy nắng
Sơ đồ truyền năng lượng:
Carotenoit ? Diệp lục b ? diệp lục a ? diệp lục a tại trung tâm phản ứng.
| Diệp lục | Carotenoit | |
| Cấu tạo | – diệp lục a: C55H72O5N4Mg
– diệp lục b: C55H72O6N4Mg |
– Carotin C40H56
– Xantophyl C40H56On |
| Vai trò | – Làm cho lá cây có màu xanh
– Hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời – Vận chuyển năng lượng ánh sáng đến trung tâm phản ứng – Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng hấp thụ được thành năng lượng trong các liên kết hóa học ATP, NADPH |
– làm cho lá cây, củ, quả có màu vàng, cam, đỏ
– Chỉ hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng đó tới trung tâm phản ứng – Tham gia lọc ánh sáng và bảo vệ diệp lục. |
Ý nghĩa của quá trình quang hợp ở thực vật
Trong chuỗi thức ăn tự nhiên, các sinh vật sống bằng nguồn năng lượng do quang hợp thường là nhân tố đầu tiên. Các sinh vật còn lại sẽ sử dụng sản phẩm của quá trình quang hợp để phục vụ cho nhu cầu tồn tại của chúng.
Có thể nói, quang hợp chính là chuỗi phản ứng hóa học quan trọng không thể thiếu. Nó tạo ra năng lượng cho sự sống. Bù đắp lại những chất hữu cơ đã bị sử dụng trong quá trình sống. Giúp cân bằng khí O2 và CO2 trong không khí.
Quá trình quang hợp ở thực vật chủ yếu được thực hiện nhờ diệp lục. Sắc tố này thường chứa trong các bào quan gọi là lục lạp. 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 lá. Quá trình quang hợp của thực vật, tảo và vi khuẩn lam sử dụng chlorophyll và sản sinh ra oxy.
Các pha trong quang hợp
Quá trình quang hợp được thực hiện ở bào quan lục lạp, bao gồm 2 pha: pha sáng và pha tối
Pha sáng: là giai đoạn có sự tham gia của ánh sáng bao gồm các quá trình hấp thụ ánh sáng và kích thích sắc tố, cùng với sự biến đổi năng lượng lượng tử thành các dạng năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất dự trữ 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 + 6H2O
Pha sáng và sự tham gia của diệp lục trong quang hợp
Pha sáng xảy ra trong hệ thống thilacoid, nơi chứa các sắc tố quang hợp, pha này bao gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau là quang vật lí và quang hóa học. Trong pha này xảy ra các quá 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).
Giai đoạn quang vật lí
Diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng rất mạnh. Khi lượng tử ánh sáng (photon) chạm vào diệp lục, nó được hấp thụ, năng lượng được chuyển đến điện tử của phân tử diệp lục và chuyển chúng lên trạng thái kích thích ở mức năng lượng cao hơn nhưng không bền. Điện tử đã được kích thích không bền, lập tức quay trở lại trạng thái gốc ban đầu, đồng thời phóng thích năng lượng vừa hấp thu được. Ở các diệp lục tách rời khỏi tế bào, khi được chiếu sáng, diệp lục hấp thu 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 trung tâm phản ứng rồi được chuyển đến chất nhận điện tử và tham gia vào chuỗi phản ứng để biến thành năng lượng đễ sử dụng cho tế bào
Giai đoạn quang hóa học
Có 2 qúa trình thu giữ lại năng lượng từ các điện tử được kích thích: quang phosphoryl hoá vòng và quang phosphoryl hoá không vòng.
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 đầu tiên của quang hợp, đây là dạng duy nhất ở phần lớn vi khuẩn quang hợp, hiệu quả năng lượng của quá trình này ít (khoảng 25 kcal/M).
Quang phosphoryl hoá không vòng:
Bao gồm: hệ thống quang I, hệ thống quang II và quang phân ly nước. Đây là cơ chế thu năng lượng hiệu quả hơn.
Hệ thống quang I có trung tâm phản ứng là P700 (phân tử diệp lục có cực đại hấp thu ở bước song là 700 nm), còn hệ thống quang II có trung tâm phản ứng là P680 (phân tử diệp lục có cực đại hấp thu ở bước song 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 quá trình phosphoryl hóa để tạo nên ATP và NADPH2
Quang phân ly nước là quá trình khởi nguồn cho quá 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.
Pha tối và sự đồng hóa 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 quá trình đồng hóa CO2 xảy ra theo các con đường khác nhau. Trong đó sự đồng hóa CO2 ở thực vật C3 xảy ra theo chu trình Canvil (Hình 12), ở thực vật C4 quá trình cố định CO2 xảy ra theo chu trình Hatch-Slack ở trong lục lạp của tế bào thịt lá (mesophyll) và quá trình khử CO2 xảy ra theo chu trình Canvil ở trong lục lạp của tế bào bao mạch (Hình 13), còn ở thực vật CAM quá trình cố định CO2 (chu trình Hatch-Slack ) xảy ra vào ban đêm và quá trình khử CO2 (chu trình Canvil) xảy ra vào ban ngày (Hình 14).
Chu trình Calvin:
Chu trình này có 3 giai đoạn: cố định 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 chu 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.
Chu trình Hatch-Slack (chu trình C4):
Chất nhận CO2 đầu tiên là phosphoenolpyruvate (PEP) và sản phẩm quang hợp đầu tiên là acid oxaloacetic (AOA), một phần tử có 4 Tiếp theo, AOA có thể bị khử để tạo thành acid malic hay 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 ảnh hưởng rõ rệt của các điều kiện ngoại cảnh như ánh sáng, nhiệt độ, CO2, nước, chất khoáng…Hoạt động quang hợp quyết định 90-95% năng suất cây trồng nên cần có các biện pháp điều chỉnh quang hợp phù hợp với điều kiện ngoại cảnh để nâng cao năng suất cây trồng, phục vụ đời sống của con người.
So sánh quang hợp và hô hấp
Quang hợp và hô hấp là hai khái niệm thường đi cùng với nhau. Đôi khi có sự nhầm lẫn giữa hai khái niệm này, vậy thông qua bảng dưới đây để chúng ta làm rõ từng khái niệm.
| Quang hợp | Hô hấp | |
| Khái niệm | – Là quá trình sử dụng chất diệp lục để hấp thụ ánh sáng. Sử dụng các năng lượng này để tạo ra các chất hữu cơ. | – Là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ thành khí cacbonic và nước. Giải phóng năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của cây. |
| Phương trình | 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O | C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 6H2O + Năng lượng |
| Sản phẩm tạo ra | Đường và O2 | CO2 và năng lượng |
| Nơi thực hiện | Lục lạp | Các tế bào và ti thể của mọi tế bào sống |
| Cơ chế | – Diễn ra ở pha sáng và pha tối | – Quá trình phân giải đường
– Hô hấp yếm khí – Chu kỳ Crep – Chuỗi truyền điện tử |
Quang hợp và năng suất cây trồng
– Phân tích thành phần hoá học các sản phẩm cây trồng có: C chiếm 45%, O chiếm 42%, H chiếm 6,5%. Tổng 3 nguyên tố này chiếm 90 – 95% (lấy từ CO2 và H2O thông qua quá trình quang hợp), phần còn lại 5 – 10% là các nguyên tố khoáng. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng.
+ Năng suất sinh học là tổng lượng chất khô tích luỹ được mỗi ngày trên 1 ha gieo trồng trong suốt thời gian sinh trưởng của cây.
+ Năng suất sinh học là tổng lượng chất khô tích luỹ được mỗi ngày trên 1 ha gieo trồng trong suốt thời gian sinh trưởng của cây.
– Cách tăng năng suất cây trồng thông qua điều khiển quang hợp:
a) Tăng diện tích lá
– Tăng diện tích lá hấp thụ ánh sáng là tăng diện tích quang hợp dẫn đến tăng tích lũy chất hữu cơ trong cây và tăng năng suất cây trồng.
– Các biện pháp để tăng diện tích lá: áp dụng các biện pháp nông sinh như bón phân, tưới nước hợp lí, thực hiện kĩ thuật chăm sóc phù hợp với giống và loài cây trồng.
b) Tăng cường độ quang hợp
– Cường độ quang hợp là chỉ số thể hiện hiệu suất hoạt động của bộ máy quang hợp (lá).
– Điều khiển hoạt động quang hợp của lá bằng cách áp dụng các biện pháp kĩ thuật nông sinh như cung cấp nước, bón phân, chăm sóc hợp lí…. có thể tăng quang hợp
– Tuyển chọn và tạo mới các giống cây trồng có cường độ quang hợp cao.
c) Tăng hệ số kinh tế
– Tuyển chọn các giống cây có sự phân bố sản phẩm quang hợp vào các bộ phận có giá trị kinh tế (hạt, củ, quả, lá… ) với tỉ lệ cao.
– Các biện pháp nông sinh (như bón phân hợp lí).
Có vai trò quan trọng đối với sinh vật trên Trái Đất, quang hợp tạo ra oxy là năng lượng thông qua quá trình quang hợp và nhờ đến chất diệp lục. Nói tóm lại, nếu không có quang hợp của thực vật thì khó có thể có sự tồn tại của sinh vật như hiện nay. Với thông tin trên, bạn đã hiểu được khái niệm quang hợp là gì và vai trò của nó. THPT Ngô Thì Nhậm hy vọng bạn có thể chung tay đóng góp thêm mảng xanh thực vật để giúp cho sự sống ngày tồn tại và phát triển.
Qua bài viết ở trên, THPT Ngô Thì Nhậm đã giúp các em học sinh hiểu rõ hơn về quang hợp là gì, quá trình quang trình ở thực vật, so sánh quang hợp và hô hấp,… Các em học sinh có thể truy cập website THPT Ngô Thì Nhậm để tìm hiểu những bài viết hữu ích, phục vụ cho quá trình học tập và thi cử.
Đăng bởi: THPT Ngô Thì Nhậm
Chuyên mục: Giáo Dục
