Cây xanh sử dụng carbon dioxide (CO2) từ không khí và nước (H2O) từ đất.
- Cơ chế: Với sự xúc tác của ánh sáng mặt trời và chất diệp lục (chlorophyll) có trong lá, cây chuyển hóa các nguyên liệu này thành đường và giải phóng oxy (O2) vào khí quyển.
- Phương trình tổng quát: 6CO2+6H2O+Ánh sáng→C6H12O6 (glucose)+6O2.
Chúng ta gọi đây là chu trình Calvin. Cùng Seiko đi sâu tìm hiểu về chu trình này nhé.
Chu trình Calvin diễn ra trong chất nền lục lạp, vùng nằm giữa màng thylakoid và màng trong của bào quan ngay sau khi hoàn thành phản ứng sáng của quang hợp. Phản ứng sáng hỗ trợ chu trình Calvin bằng cách cung cấp ATP, nguồn năng lượng của nó, và NADPH để khử.
Các bước
Ba pha cơ bản của chu trình Calvin được mô tả dưới đây:
Giai đoạn 1: Cố định Cacbon
Chu trình bắt đầu khi cacbon dưới dạng cacbon dioxit đi qua các lỗ khí nhỏ trên lá, nơi chúng khuếch tán vào chất nền lục lạp. Tiếp theo, chúng kết hợp với một phân tử ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) năm cacbon để tạo thành một chất trung gian sáu cacbon không ổn định, phân hủy thành hai phân tử axit 3-phosphoglyceric (3-PGA). Bước này của chu trình Calvin được xúc tác bởi enzyme RuBP carboxylase/oxygenase, còn được gọi là rubisco.
Giai đoạn 2: Khử
Sử dụng năng lượng từ ATP, hợp chất ba cacbon, phân tử 3-PGA, được tạo ra trong giai đoạn cố định cacbon, được chuyển hóa thành đường ba cacbon glyceraldehyde-3-phosphate (G3P). Bước này liên quan đến enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, trong đó NADPH từ phản ứng sáng đóng vai trò là chất cho electron.
Giai đoạn 3: Tái sinh
Đây là giai đoạn cuối cùng của chu trình Calvin, bắt đầu với G3P, sản phẩm cuối cùng của toàn bộ con đường. Một phần G3P được sử dụng để tạo ra glucose, trong khi một số khác được tái chế để tiếp tục chu trình bằng cách kết hợp với chất nhận cacbon, chất này chuyển thành RuBP. Năng lượng cần thiết để tái sinh G3P có nguồn gốc từ ATP.
Các chất phản ứng tham gia chu trình Calvin
CO2
NADPH
H2O
ATP
Sản phẩm của nó
Glyceraldehyde-3-phosphate (sản phẩm cuối cùng chính)
NADP+
ADP + Pi
ADP
Các enzyme tham gia vào chu trình này
RuBP carboxylase/oxygenase hoặc rubisco (chuyển ribulose-1,5-bisphosphate thành axit 3-phosphoglyceric)
Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (chuyển axit 3-phosphoglyceric thành glyceraldehyde-3-phosphate)
Phương trình hóa học
3 CO2 + 6 NADPH + 5 H2O + 9 ATP → Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) + 6 NADP+ + 2 H++ 9 ADP + 8 Pi
Tóm tắt chu trình Calvin
Vì sáu nguyên tử cacbon tạo nên một phân tử glucose, nên cần sáu vòng của chu trình Calvin để tạo ra một phân tử glucose và ba vòng để tạo thành một phân tử G3P. Một phân tử G3P chứa ba nguyên tử cacbon cố định, do đó cần hai phân tử G3P để tạo thành một phân tử glucose. Trong số sáu phân tử G3P, năm phân tử được sử dụng để tái tạo RuBP, trong khi phân tử thứ sáu thoát khỏi chu trình để tạo ra một nửa lượng glucose.
Tổng lượng đầu vào và đầu ra trong ba vòng của chu trình Calvin
Cacbon cố định: Sáu phân tử glyceraldehyde-3-phosphate được hình thành từ ba phân tử carbon dioxide và ba phân tử RUBP.
Chất mang năng lượng được sử dụng: Chín phân tử ATP được sử dụng và chuyển đổi thành chín phân tử ADP (sáu phân tử trong bước cố định và ba phân tử trong bước tái tạo), trong khi sáu phân tử NADPH được sử dụng để tạo ra sáu phân tử NADP+ trong bước khử.
Tại sao chu trình Calvin còn được gọi là chu trình C3?
Thực vật theo con đường cố định cacbon trên được gọi là thực vật C3, bao gồm việc thêm carbon dioxide vào RUBP để tạo thành hợp chất ba cacbon G3P. Ví dụ, lúa, lúa mì, lúa mạch, bông và thuốc lá đều là thực vật C3.
Mục đích của chu trình Calvin
Chức năng chính
Chuyển hóa dạng cacbon không sẵn có trong khí quyển dưới dạng cacbon dioxit thành dạng glucose có thể sử dụng được, đóng vai trò là nguồn thức ăn và năng lượng cho thực vật. Tất cả các sinh vật khác đều phụ thuộc gián tiếp vào thực vật để lấy thức ăn và sự sống.
Hình thành cấu trúc trong thực vật bằng cách tổng hợp đường ba cacbon, được sử dụng để tạo ra các loại đường khác như glucose, cellulose và tinh bột.
Các mạch cacbon hình thành trong chu trình Calvin tạo ra axit nucleic, lipid, protein và tất cả các thành phần cấu tạo khác của tế bào ở thực vật và động vật.
Chức năng khác
Duy trì nồng độ cacbon dioxit, một loại khí nhà kính, trong khí quyển và do đó kiểm soát nhiệt độ Trái Đất.
Cung cấp nguồn năng lượng cho quá trình hô hấp tế bào ở thực vật.
Giúp duy trì chu trình cacbon trong tự nhiên.
Sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc nhiên liệu trung hòa cacbon thân thiện với môi trường.
