Kluczowa różnica między roślinami C3 i C4 polega na tym, że rośliny C3 tworzą związek trójwęglowy jako pierwszy stabilny produkt ciemnej reakcji, podczas gdy rośliny C4 tworzą związek czterowęglowy jako pierwszy stabilny produkt ciemna reakcja.
Fotosynteza to proces oparty na świetle, który przekształca dwutlenek węgla i wodę w bogate w energię cukry w roślinach, algach i sinicach. Podczas lekkiej reakcji fotosyntezy zachodzi fotoliza cząsteczek wody. W wyniku fotolizy wody jako produkt uboczny uwalnia się tlen. Po jasnej reakcji rozpoczyna się ciemna reakcja, która syntetyzuje węglowodany poprzez wiązanie dwutlenku węgla. Jednak tlen powstały w wyniku reakcji jasnej może wiązać się z głównym enzymem reakcji ciemnej, czyli oksydazą-karboksylazą RuBP (Rubisco) i prowadzić fotooddychanie. Fotooddychanie to proces, który marnuje energię i zmniejsza syntezę węglowodanów. Dlatego, aby zapobiec fotooddychaniu, istnieją trzy różne sposoby, w jakie zachodzi ciemna reakcja u roślin, aby zapobiec spotkaniu tlenu z Rubisco. Stąd, w zależności od sposobu, w jaki zachodzi ciemna reakcja, istnieją 3 rodzaje roślin; mianowicie rośliny C3, rośliny C4 i rośliny CAM.
Co to są rośliny C3?
Około 95% roślin na ziemi to rośliny C3. Jak sama nazwa wskazuje, realizują mechanizm fotosyntezy C3, czyli cykl Calvina. Uważa się, że fotosynteza C3 powstała prawie 3,5 miliarda lat temu. Rośliny te są głównie roślinami drzewiastymi i okrągłymi liśćmi. W tych roślinach wiązanie węgla odbywa się w komórkach mezofilu, które znajdują się tuż pod naskórkiem.
Dwutlenek węgla przedostaje się z atmosfery do komórek mezofilu przez aparaty szparkowe. Wtedy zaczyna się ciemna reakcja. Pierwszą reakcją jest wiązanie dwutlenku węgla z bisfosforanem rybulozy w fosfoglicerynian, który jest związkiem trójwęglowym. W rzeczywistości jest to pierwszy stabilny produkt z roślin C3. Karboksylaza bisfosforanu rybulozy (Rubisco) jest enzymem, który katalizuje tę reakcję karboksylacji w roślinach. Podobnie cykl Calvina występuje cyklicznie podczas produkcji węglowodanów.
Rysunek 01: Rośliny C3
W porównaniu do roślin C4, rośliny C3 są nieefektywne pod względem mechanizmu fotosyntezy. Wynika to z występowania fotooddychania w roślinach C3. Fotooddychanie zachodzi dzięki aktywności oksygenazy enzymu Rubisco. Natlenianie Rubisco działa w kierunku przeciwnym do karboksylacji, skutecznie cofa fotosyntezę poprzez marnowanie dużych ilości węgla pierwotnie utrwalonego przez cykl Calvina z dużym kosztem i powoduje utratę dwutlenku węgla z komórek, które wiążą dwutlenek węgla. Podobnie interakcja z tlenem i dwutlenkiem węgla zachodzi w tym samym miejscu na Rubisco. Te konkurencyjne reakcje zwykle przebiegają w stosunku 3:1 (węgiel:tlen). Jasne jest zatem, że fotooddychanie jest procesem stymulowanym światłem, który zużywa tlen i wydziela dwutlenek węgla.
Czym są rośliny C4?
C4 rośliny są obecne na obszarach suchych i o wysokiej temperaturze. Około 1% gatunków roślin ma biochemię C4. Niektóre przykłady roślin C4 to kukurydza i trzcina cukrowa. Jak sama nazwa wskazuje, rośliny te realizują mechanizm fotosyntezy C4. Uważa się, że fotosynteza C4 powstała prawie 12 milionów lat temu; długo po ewolucji mechanizmu C3. Elektrownie C4 mogą być teraz lepiej przystosowane, ponieważ obecny poziom dwutlenku węgla jest znacznie niższy niż 100 milionów lat temu.
Zakłady C4 są znacznie bardziej wydajne w wychwytywaniu dwutlenku węgla. Ponadto fotosynteza C4 występuje zarówno w gatunkach jednoliściennych, jak i dwuliściennych. W przeciwieństwie do roślin C3, pierwszym stabilnym produktem powstającym podczas fotosyntezy jest kwas szczawiooctowy, który jest związkiem czterowęglowym. Co najważniejsze, liście tych roślin wykazują szczególny rodzaj anatomii zwany „Anatomią Kranza”. Wokół wiązek naczyniowych znajduje się krąg komórek osłonek wiązek z chloroplastami, dzięki którym można zidentyfikować rośliny C4.
Rysunek 02: Rośliny C4
W tej ścieżce wiązanie dwutlenku węgla zachodzi dwukrotnie. W cytoplazmie komórek mezofilu CO2 najpierw wiąże się z fosfoenolopirogronianem (PEP), który działa jako główny akceptor. Reakcja jest katalizowana przez enzym karboksylazę PEP. Następnie PEP przekształca się w jabłczan, a następnie w pirogronian, uwalniając CO2 I ten CO2ponownie wiąże się po raz drugi z bisfosforanem rybulozy, tworząc 2 fosfoglicerynian do przeprowadzenia cyklu Calvina.
Jakie są podobieństwa między roślinami C3 i C4?
- Zarówno rośliny C3, jak i C4 wiążą dwutlenek węgla i produkują węglowodany.
- Przeprowadzają ciemną reakcję.
- Ponadto oba rodzaje roślin przeprowadzają tę samą reakcję świetlną.
- Ponadto mają chloroplasty do przeprowadzania fotosyntezy.
- Ich równanie fotosyntezy jest podobne.
- Ponadto, RuBP angażuje się w ciemne reakcje obu rodzajów roślin.
- Obie rośliny produkują fosfoglicerynian.
Jaka jest różnica między roślinami C3 i C4?
C3 rośliny wytwarzają kwas fosfoglicerynowy jako pierwszy stabilny produkt ciemnej reakcji. Jest to związek trójwęglowy. Z drugiej strony rośliny C4 wytwarzają kwas szczawiooctowy jako pierwszy stabilny produkt ciemnej reakcji. Jest to związek czterowęglowy. Dlatego jest to kluczowa różnica między roślinami C3 i C4.
Co więcej, wydajność fotosyntezy roślin C3 jest mniejsza niż wydajność fotosyntezy roślin C4. Wynika to z fotooddychania obserwowanego u roślin C3, które jest pomijalne u roślin C4. Jest to więc kolejna różnica między roślinami C3 i C4. Biorąc pod uwagę różnice strukturalne, rośliny C3 nie mają w liściach dwóch typów chloroplastów i anatomii Kranza. Z drugiej strony rośliny C4 mają dwa rodzaje chloroplastów i wykazują anatomię Kranza w liściach. Stąd też jest to różnica między roślinami C3 i C4.
Ponadto, kolejna różnica między elektrowniami C3 i C4 polega na tym, że rośliny C3 wiążą dwutlenek węgla tylko raz, a rośliny C4 dwa razy. Z tego powodu asymilacja C jest mniejsza w roślinach C3, podczas gdy asymilacja C jest wysoka w roślinach C4. Co więcej, rośliny C4 mogą przeprowadzać fotosyntezę, gdy aparaty szparkowe są zamknięte i przy bardzo wysokim stężeniu światła i niskim stężeniu CO2. Jednak rośliny C3 nie są w stanie przeprowadzić fotosyntezy, gdy aparaty szparkowe są zamknięte i przy bardzo wysokim stężeniu światła i niskim stężeniu CO2. Dlatego jest to również znacząca różnica między roślinami C3 i C4. Ponadto rośliny C3 i C4 różnią się od pierwszego akceptora dwutlenku węgla. RuBP jest akceptorem CO2 w zakładach C3, podczas gdy PEP jest pierwszym akceptorem CO2 w zakładach C4.
Podsumowanie – rośliny C3 kontra C4
C3 i C4 to dwa rodzaje roślin. Rośliny C3 są bardzo powszechne, podczas gdy rośliny C4 są bardzo rzadkie. Kluczowa różnica między roślinami C3 i C4 zależy od pierwszego produktu węglowego, który wytwarzają podczas ciemnej reakcji. Rośliny C3 realizują cykl Calvina i produkują związek trójwęglowy jako pierwszy stabilny produkt, podczas gdy rośliny C4 realizują mechanizm C4 i wytwarzają związek czterowęglowy jako pierwszy stabilny produkt. Ponadto rośliny C3 wykazują mniejszą wydajność fotosyntezy, podczas gdy rośliny C4 wykazują wysoką wydajność fotosyntezy. Co więcej, rośliny C3 nie mają anatomii Kranza w liściach, a także nie mają dwóch rodzajów chloroplastów. Z drugiej strony rośliny C4 mają anatomię Kranza w swoich liściach, a także mają dwa rodzaje chloroplastów. Tak więc jest to podsumowanie roślin C3 i C4.
