Hãy giải thích quá trình quang hợp ở thực vật, nêu vai trò của các sắc tố quang hợp, cơ chế hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng và sản xuất đường, đồng thời mô tả cách mà nước và CO₂ được sử dụng t...

Quá trình quang hợp ở thực vật gồm hai pha chính—pha sáng (phụ thuộc ánh sáng) và pha tối (không phụ thuộc ánh sáng hay chu trình Calvin)—diễn ra chủ yếu trong lục lạp của tế bào mô giậu lá. Dưới đây là mô tả chi tiết về vai trò của sắc tố, cơ chế hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng, sản xuất đường, cùng cách thức nước và CO₂ được sử dụng. 1. Các sắc tố quang hợp và cơ chế hấp thụ ánh sáng - Chủ yếu là chlorophyll a và chlorophyll b, ngoài ra còn có carotenoid (β-carotene, xanthophyll…). - Chlorophyll hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng đỏ (~660 nm) và xanh lam (~430 nm); carotenoid mở rộng phổ hấp thụ sang vùng xanh lá và tím. - Khi photon (tia sáng) chiếu vào, sắc tố ở phức hợp thu ánh sáng (light-harvesting complex) hấp thụ năng lượng, kích thích electron lên trạng thái năng lượng cao. - Năng lượng này được chuyển dần về trung tâm phản ứng (reaction center) của PSII (Photosystem II) và PSI (Photosystem I) qua cơ chế cộng hưởng (resonance energy transfer). 2. Pha sáng (phụ thuộc ánh sáng) Địa điểm: màng tilacôit của lục lạp Các bước chính: a. Phân li nước (photolysis) tại PSII - PSII nhận photon, electron ở trung tâm P680 bị kích thích, gắn vào chuỗi vận chuyển electron. - Để bù lại electron mất đi, nước được tách thành ½ O₂ + 2H⁺ + 2e⁻. O₂ được thải ra không khí, H⁺ tích tụ trong khoang tilacôit. b. Chuỗi vận chuyển electron và bơm proton - Electron di chuyển từ PSII → plastoquinone → cytochrome b₆f → plastocyanin → PSI, đồng thời bơm thêm H⁺ vào trong khoang tilacôit. c. Tạo ATP (phosphoryl hóa quang hợp) - Gradient proton (H⁺) hình thành giữa khoang tilacôit (độ pH thấp) và stroma (độ pH cao) → ATP synthase dùng dòng proton chảy ra để tổng hợp ATP từ ADP + Pi. d. Tạo NADPH tại PSI - PSI (P700) thu photon thứ hai, electron được kích thích tiếp, truyền qua ferredoxin rồi reductase để khử NADP⁺ thành NADPH. Kết quả pha sáng: ATP, NADPH (năng lượng và chất khử cho pha tối) và O₂ thải ra môi trường. 3. Pha tối (chu trình Calvin – không phụ thuộc ánh sáng) Địa điểm: chất nền stroma trong lục lạp Dùng ATP và NADPH tạo ra đơn vị đường (G3P), qua đó tổng hợp sucrose, tinh bột… Chu trình Calvin gồm ba giai đoạn: a. Cố định CO₂ - Enzyme Rubisco gắn CO₂ vào ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP, 5C) → hai phân tử 3-phosphoglycerate (3-PGA, mỗi phân tử 3C). b. Khử 3-PGA thành G3P (glyceraldehyde-3-phosphate) - 3-PGA + ATP → 1,3-bisphosphoglycerate - 1,3-bisphosphoglycerate + NADPH → G3P + NADP⁺ + Pi c. Tái tạo RuBP - Một phần G3P được dùng để tái tạo RuBP bằng ATP, phần còn lại chuyển thành đường (sucrose) hay polymer hóa thành tinh bột dự trữ. 4. Sử dụng nước và CO₂ trong hai pha - Nước (H₂O): Nguồn electron đầu tiên trong pha sáng, bị phân li cung cấp electron cho PSII và giải phóng O₂, đồng thời cung cấp H⁺ để hình thành gradient proton. - CO₂: Được hấp thu qua khí khổng, khuếch tán vào tế bào chất và lục lạp, tham gia chu trình Calvin ở pha tối để tổng hợp phân tử hữu cơ (G3P → đường). Tóm lại, quang hợp là chuỗi chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học (ATP, NADPH), rồi dùng chúng để cố định CO₂ thành đường. Các sắc tố quang hợp giúp mở rộng và tập trung năng lượng ánh sáng, nước cung cấp electron và H⁺ cho pha sáng, CO₂ là nguồn cacbon cho pha tối.