ความแตกต่างระหว่างทางเดิน C3, C4 และ CAM

• 2020

การดูด ซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จากแสงแดดสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงแล้วแปลงเป็น กลูโคส (พลังงาน) การสังเคราะห์ ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน คือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทั้งสาม ดังนั้นในระหว่างการตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อพืชสังเคราะห์แสงผลิตกรด 3 ฟอสโฟกริสเซอรี (PGA) หรือกรดคาร์บอน 3- เนื่องจากผลิตภัณฑ์แรกเรียกว่า เส้นทางเดิน C3

แต่เมื่อพืชสังเคราะห์ด้วยแสงก่อนที่จะไปยังทางเดิน C3 จะผลิตกรดออกซาอะเซติก (OAA) หรือสารประกอบ 4 คาร์บอนเป็นผลิตภัณฑ์ที่เสถียรครั้งแรกของพวกเขาเรียกว่าเป็น เส้นทาง C4 หรือ Hatch และ Slack แต่เมื่อพืชดูดซับพลังงานของแสงแดดในเวลากลางวันและใช้พลังงานนี้ในการดูดซับหรือตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในเวลากลางคืนเรียกว่าการ เผาผลาญกรด crassulacean หรือ CAM

ขั้นตอนเหล่านี้ตามมาด้วยพืชแบคทีเรียและสาหร่ายบางชนิดเพื่อผลิตพลังงานโดยไม่ขึ้นอยู่กับที่อยู่อาศัย การสังเคราะห์พลังงานโดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นแหล่งหลักในการได้รับสารอาหารจากอากาศและน้ำเรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง นี่เป็นกระบวนการสำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารด้วยตัวเอง

ในเนื้อหานี้เราจะพิจารณาถึงความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเส้นทางทั้งสามประเภทตามด้วยพืชและจุลินทรีย์น้อยและคำอธิบายเล็กน้อยเกี่ยวกับพวกเขา

แผนภูมิเปรียบเทียบ

คำจำกัดความของทางเดิน C3 หรือวัลคาลวิน

พืช C3 เป็นที่รู้จักกันใน ฤดูหนาวหรือพืชเมืองหนาว พวกเขาเติบโตที่ดีที่สุดที่อุณหภูมิที่เหมาะสมระหว่าง 65 ถึง 75 ° F กับอุณหภูมิของดินที่เหมาะสมที่ 40-45 ° F พืชประเภทนี้จะแสดง ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง

ผลิตภัณฑ์หลักของพืช C3 คือ กรด 3-carbon หรือ 3-phosphoglyceric acid (PGA) นี่ถือเป็นผลิตภัณฑ์แรกในระหว่างการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ เส้นทางเดิน C3 เสร็จสมบูรณ์ในสามขั้นตอน: carboxylation การลดและการสร้างใหม่

พืช C3 ลดลงใน CO2 โดยตรงในคลอโรพลาสต์ ด้วยความช่วยเหลือของ ribulose biphosphate carboxylase (RuBPcase) ทำให้โมเลกุลทั้งสองของกรด 3-carbon หรือ 3-phosphoglyceric acid ถูกสร้างขึ้น 3 ฟอสโฟ - กลีเซอรีนนี้พิสูจน์ชื่อของทางเดินในฐานะ C3

ในขั้นตอนอื่น NADPH และ ATP phosphorylate ให้ 3-PGA และกลูโคส จากนั้นวงจรจะเริ่มต้นอีกครั้งโดยสร้าง RuBP ใหม่

ทางเดิน C3 เป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวที่เกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ organelle นี้ทำหน้าที่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ จากพืชทั้งหมดที่มีอยู่บนโลก ร้อยละ 85 ใช้เส้นทางนี้เพื่อผลิตพลังงาน

พืช C3 สามารถยืนต้นหรือประจำปี พวกมันมีโปรตีนสูงกว่าพืช C4 ตัวอย่างของพืช C3 ประจำปี ได้แก่ ข้าวสาลีข้าวโอ๊ตและข้าวไรย์และ พืชไม้ยืนต้น ได้แก่ fescues, ryegrass และ orchardgrass พืช C3 ให้ปริมาณโปรตีนสูงกว่าพืช C4

คำจำกัดความของเส้นทาง C4 หรือเส้นทางแฮทช์และสแลค

พืชโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตร้อนตามเส้นทางนี้ ก่อนรอบคาลวินหรือ C3 วงจร บางต้นตาม C4 หรือ Hatch และ Slack pathway มันเป็นกระบวนการสองขั้นตอนที่กรดออกซาโลเซติก (OAA) ซึ่งเป็น สารประกอบ 4 คาร์บอน ถูกผลิตขึ้น มันเกิดขึ้นในเซลล์ mesophyll และห่อหุ้มอยู่ในคลอโรพลาสต์

เมื่อมีการผลิตสารประกอบ 4 คาร์บอนมันจะถูกส่งไปยังเซลล์ห่อหุ้มซึ่งโมเลกุล 4 คาร์บอนจะแยกออกเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และสารประกอบ 3 cabon ในที่สุดทางเดิน C3 เริ่มผลิตพลังงานโดยที่สารประกอบ 3 คาร์บอนทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้น

พืช C4 เป็นที่รู้จักกันว่า พืชฤดูร้อนหรือฤดูร้อน เหล่านี้สามารถยืนต้นหรือรายปีอุณหภูมิที่สมบูรณ์แบบที่จะเติบโตสำหรับพืชเหล่านี้คือ 90-95 ° F พืช C4 มี ประสิทธิภาพมากขึ้น ในการใช้ไนโตรเจนและรวบรวมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากดินและชั้นบรรยากาศ ปริมาณโปรตีนอยู่ในระดับต่ำเมื่อเทียบกับพืช C3

พืชเหล่านี้ได้ชื่อมาจากผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่า oxaloacetate ซึ่งเป็นกรด 4 คาร์บอน ตัวอย่างของพืช C4 ยืนต้น ได้แก่ หญ้าอินเดีย Bermudagrass, switchgrass, bluestem ขนาดใหญ่และพืช C4 ประจำปี ได้แก่ sudangrasses, ข้าวโพด, ลูกเดือยมุก

ความหมายของพืช CAM

ข้อสังเกตที่น่าสังเกต ซึ่งแยกความแตกต่างของกระบวนการนี้จากสองสิ่งข้างต้นคือในการสังเคราะห์แสงประเภทนี้สิ่งมีชีวิตดูดซับพลังงานจากแสงอาทิตย์ใน เวลากลางวัน และใช้พลังงานนี้ใน เวลากลางคืน เพื่อดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

เป็นการ ปรับตัว ในช่วงฤดูแล้งเป็นระยะ กระบวนการนี้อนุญาตให้มีการแลกเปลี่ยนก๊าซในเวลากลางคืนเมื่ออุณหภูมิอากาศเย็นลงและมีการสูญเสียไอน้ำ

ประมาณ 10% ของพืชในหลอดเลือด ได้ปรับการสังเคราะห์ด้วยแสง CAM แต่ส่วนใหญ่พบในพืชที่ปลูกในพื้นที่แห้งแล้ง พืชเช่นกระบองเพชรและ euphorbias เป็นตัวอย่าง แม้แต่กล้วยไม้และ bromeliads ก็ปรับเปลี่ยนเส้นทางนี้เนื่องจากน้ำประปาไม่สม่ำเสมอ

ในเวลากลางวัน malate ได้รับ decarboxylated เพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์สำหรับการตรึงวัฏจักร Benson-Calvin ในปากใบปิด คุณสมบัติหลักของพืช CAM คือการดูดซับของ CO2 ในเวลากลางคืนเป็น กรด malic ที่ เก็บไว้ใน vacuole PEP carboxylase มีบทบาทสำคัญในการผลิต malate

ความแตกต่างที่สำคัญของพืช C3, C4 และ CAM

ด้านบนเราจะหารือเกี่ยวกับขั้นตอนการรับพลังงานประเภทต่าง ๆ เหล่านี้ด้านล่างเราจะหารือเกี่ยวกับความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสาม:

1. ทางเดิน C3 หรือพืช C3 สามารถนิยามได้ว่าเป็นพืชชนิดที่มีผลิตภัณฑ์แรกหลังจากการดูดซับคาร์บอนจากแสงแดดคือโมเลกุล 3 คาร์บอนหรือกรด 3-phosphoglyceric สำหรับการผลิตพลังงาน มันถูกใช้มากที่สุดโดยพืช ในขณะที่ พืชในพื้นที่เขตร้อน แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็น โมเลกุลคาร์บอน C4 หรือ กรดออกซาโลเซติควัฏจักรนี้เกิดขึ้นก่อนวัฏจักร C3 และด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ที่ช่วยให้กระบวนการรับสารอาหารเพิ่มเติมเรียกว่าพืช C4 และทางเดินนี้เรียกว่า เป็นเส้นทาง C4 ทางเดินนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าทางเดิน C3 ในทางตรงกันข้ามพืชที่เก็บพลังงานจากดวงอาทิตย์ในเวลากลางวันแล้วแปลงเป็นพลังงานในเวลากลางคืนตาม CAM หรือการเผาผลาญกรด crassulacean
2. เซลล์ที่เกี่ยวข้อง ในเส้นทาง C3 คือเซลล์ mesophyll และเซลล์ C4 คือเซลล์ mesophyll เซลล์แบบห่อหุ้มเซลล์ แต่ CAM จะติดตามทั้ง C3 และ C4 ในเซลล์ mesophyll เดียวกัน
3. ตัวอย่าง ของ C3 ได้แก่ ดอกทานตะวัน, ผักขม, ถั่ว, ข้าว, ฝ้ายในขณะที่ตัวอย่างของพืช C4 ได้แก่ Sugarcane, Sorghum และ Maize และ Cacti กล้วยไม้เป็นตัวอย่างของพืช CAM
4. สามารถ มองเห็น C3 ในพืชสังเคราะห์แสงทั้งหมดในขณะที่ C4 ตามด้วยพืชเมืองร้อนและ CAM โดยพืชกึ่งสภาพแห้งแล้ง
5. ชนิดของพืชที่ ใช้วงจร C3 คือ mesophytic, hydrophytic, xerophytic แต่ C4 นั้นตามมาในพืช mesophytic และ Xerophytic ดังนี้ CAM
6. การตอบสนองของแสง มีอยู่ในอัตราที่สูงกว่าในขณะที่ไม่สามารถตรวจจับได้ง่ายใน C4 และ CAM
7. 12 NADPH และ 18 ATP ในรอบ C3; 12 NADPH และ 30 ATP ใน C4 และ 12 NADPH และ 39 ATPs เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการ ผลิตกลูโคส
8. 3-phosphoglycerate (3-PGA) เป็น ผลิตภัณฑ์ที่มีเสถียรภาพ ครั้งแรกของทางเดิน C3; Oxaloacetate (OAA) สำหรับทางเดิน C4 และ Oxaloacetate (OAA) ในเวลากลางคืน 3 PGA ในเวลากลางวันใน CAM
9. อุณหภูมิที่เหมาะสม สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงใน C3 คือ 15-25 ° C; 30-40 ° C ในพืช C4 และ> 40 ° C ใน CAM
10. Carboxylating Enzyme คือ RuBP carboxylase ในพืช C3 แต่ในพืช C4 คือ PEP carboxylase (ใน mesophyll) และ RuBP carboxylase (ในปลอกมัด) ในขณะที่ CAM มันคือ PEP carboxylase (ในที่มืด) และ RuBP carboxylase (ในที่มืด)
11. CO2: ATP: NADPH2 อัตราส่วน 1: 3: 2 ใน C3, 1: 5: 2 ใน C4 และ 1: 6.5: 2 ใน CAM
12. ตัวรับ CO2 เริ่มต้น คือ Ribulose-1, 5-biphophate (RuBP) ในเส้นทาง C3 และ Phosphoenolpyruvate (PEP) ใน C4 และ CAM
13. Kranz Anatomy มีอยู่ในเส้นทาง C4 เท่านั้นและขาดในพืช C3 และ CAM
14. จุดชดเชย CO2 (ppm) คือ 30-70 ในโรงงาน C3; 6-10 ในพืช C4 และ 0-5 ในที่มืดใน CAM

ข้อสรุป

เราทุกคนตระหนักถึงความจริงที่ว่าพืชเตรียมอาหารของพวกเขาโดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง พวกมันเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศให้เป็นอาหารหรือพลังงานจากพืช (กลูโคส) แต่เมื่อพืชเจริญเติบโตในที่อยู่อาศัยที่แตกต่างกันพวกเขามีสภาพอากาศและภูมิอากาศที่แตกต่างกัน พวกเขาต่างกันในกระบวนการรับพลังงาน

เช่นเดียวกับในกรณีที่วิถีทาง C4 และ CAM เป็นสองการปรับตัวที่เกิดขึ้นโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติเพื่อความอยู่รอดของพืชที่มีอุณหภูมิสูงและพื้นที่แห้งแล้ง ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่านี่เป็นวิธีการทางชีวเคมีสามแบบที่แตกต่างกันของพืชเพื่อให้ได้พลังงานและ C3 เป็นวิธีที่พบได้บ่อย