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1、,有收无收在于水 收多收少在于肥?万物生长靠太阳,第三章 植物的光合作用,本章重点:1.光合作用的机理 2.C3和C4植物的异同 3.影响光合作用的因素,3-1 光合作用及生理意义,化能合成作用:不含色素的好气性细菌，利用氨等物质氧化放出的化学能同化CO2,CO+HO 光 绿色植物(CHO)O,绿色植物:,CO+2HS 光 红硫细菌(CHO)+2S+HO,细菌光合作用:利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，把CO合成有机物的过程。,2NH3+3O2亚硝酸细菌 2HNO2+2H2O+158千卡,一、光合作用的定义,指绿色植物吸收光能把CO和水合成有机物，同时释放氧气的过程。CO+HO 光 绿色
2、植物(CHO)O,二、光合作用的意义 1.把无机物变为有机物 2.把太阳能转变为可贮存的化学能 3.维持大气中O2和CO2的相对平衡 4.光合作用的碳循环过程，带动了自然界其他元素的循环,叶绿体随光照的方向和强度而运动,侧视图,3-2 叶绿体及光合色素,一、叶绿体,叶绿体的基本结构,二、光合色素光合色素：指植物体内含有的具有吸收光能并将其用于光合作用的色素。三大类,叶绿素,类胡萝卜素,藻胆素,卟啉环,叶绿醇,（一）叶绿素结构,（二）叶绿素的性质,研磨法提取光合色素,1、理化性质,问题：为什么不用100%丙酮提取？,1）叶绿素是一种酯，因此不溶于水，而溶于有机溶剂。通常用80%的丙酮或丙酮与乙醇
3、的混合液来提取叶绿素。,向叶绿素溶液中放入两滴5盐酸摇匀，溶液颜色的变为褐色,当溶液变褐色后，投入醋酸铜粉末，微微加热，形成铜代叶绿素,2）皂化反应3）取代反应 卟啉环中的镁离子可被H、Cu2、Zn所置换。用酸处理叶片，H易进入叶绿体,置换其中的镁离子，形成褐色的去镁叶绿素，使叶片呈现褐色。去镁叶绿素容易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色比原来更鲜艳稳定。根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。,吸收光谱：由于叶绿素有很明显的吸收能力，使有些波长的光被叶绿素溶液吸收而出现暗带，这种光谱称吸收光谱。,2.光学性质,分光仪,光源,叶绿体色素,三角棱镜,（1）具有吸收光谱,叶绿素的吸收波谱,（
4、2）荧光现象和磷光现象,荧光(fluorescence)现象：叶绿素的提取液，在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色的现象。事实上红色并不是叶绿素溶液放射出来的光而是受光激发发射出的荧光。,磷光(phosphorescence)现象：从第三线态回到基态时所发出的光。,荧光现象与磷光现象产生的原因,叶绿素分子受光后激发，由基态跃迁到激发态，激发态的色素分子不稳定，回到基态时,以光子的形式释放能量。,（三）叶绿素的生物合成,（四）影响叶绿素形成的条件,1、光 光是影响叶绿素形成的主要条件。从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光，而光过强，叶绿素又会受光氧化而破坏。黑暗中生长的幼苗呈黄白色，遮光或埋在土中
5、的茎叶也呈黄白色。这种因缺乏某些条件而影响叶绿素形成，使叶子发黄的现象，称为黄化现象。,2、温度,叶绿素的生物合成是一系列酶促反应，受温度影响。叶绿素形成的最低温度约2，最适温度约30,最高温度约40。,受冻的油菜,3、营养元素 氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、锰、铜、锌等则在叶绿素的生物合成过程中有催化功能或其它间接作用。,缺N老叶发黄枯死，新叶色淡,生长矮小，根系细长，分枝（蘖）减少。,缺N,CK,萝卜缺N的植株老叶发黄,缺N,棉花缺Mg网状脉,苹果缺Fe新叶脉间失绿,黄瓜缺锰叶脉间失绿,柑桔缺Zn小叶症 伴脉间失绿,4、水分,缺水影响叶绿素的合成速率，并促进叶绿素的分解，故缺水会导致叶黄。
6、,5、遗传,叶绿素的形成受遗传因素控制，如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。有些病毒也能引起斑叶。,吊兰,海棠,问题：指出植物有哪些黄化现象，并分析产生的原因。,花叶,（五）类胡萝卜素(carotenoid),是由8个异戊二烯形成的四萜，含有一系列的共轭双键，分子的两端各有一个不饱和的取代的环己烯，也即紫罗兰酮环，类胡萝卜素包括胡萝卜素(C40H56)和叶黄素(C40H56O2)两种。,3,(紫罗兰酮环),环己烯,橙黄色,黄色,类胡萝卜素的功能:1.收集光能的作用2进行光保护,3.3 光合作用的机理,一、原初反应,原初反应 是指从光合色素分子被光激发，到引起的起始反应。它包括：
7、光能的吸收、传递和光化学反应,原初反应特点 速度非常快，可在皮秒(ps，1012s)与纳秒(ns，109s)内完成；与温度无关，可在196(77K，液氮温度)或271(2K，液氦温度)下进行；量子效率接近1 由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1。,反应中心色素：少数特殊状态的chl a分子，它具有光化学活性，接受光能,进行电荷分离,直接参与光化学反应的色素.反应中心色素分子有2种：P680和P700。680和700分别为其吸收光能的峰值波长 聚光色素（天线色素）：没有光化学活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla 和全部chlb、全部类胡萝卜素。,激子通常是指非金属晶体中由电子激
8、发的量子，它能转移能量但不能转移电荷。在由相同分子组成的聚光色素系统中，其中一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被另一色素分子吸收，这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。,激子传递,（一）光能的吸收与传递,共振传递,在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为
9、激发态，第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。,共振传递示意图,在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递。,（二）光化学反应,(一)反应中心与光化学反应1.反应中心 原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心进行的。,反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子供体等电子传递体.,2.光化学反应,原初反应的光化学反应是指由反应中心色素分子吸收光能所引起的一类氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程：PA h P*A P+
10、A 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 DP+AA1 D+PAA1 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。,红降现象 用波长大于685nm(远红光)照射材料时,虽然仍被叶绿体大量吸收,但量子产额急剧下降,这种现象被称为红降现象(red drop)。双光增益效应或爱墨生效应 在远红光(波长大于685nm)条件下,如补充红光(波长650nm),则量子产额大增,比这两种波长的光单独照射的总和还要大。这样两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱墨生效应(Emerson effect)。光系统 完成光能发吸收、传递和转换成电能的所有的色素分子及其蛋白
11、结构合称为一个光系统。包括反应中心和捕光色素复合体,PS和PS的光化学反应PS的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PS的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子PS的原初反应：P700A0 h P700*0 P700A0 PS的原初反应：P680Pheo h P680*Pheo P680+Pheo-在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。,PS和PS的电子供体和受体组成,二、电子传递和光合磷酸化,原初反应的结果:使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子
12、传递。电子传递的结果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。,（一）电子和质子的传递,1.光合链 指定位在光合膜上的，由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充的“Z”方案。,即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈横写的“Z”形。,根据电子在Fd分岔口后传递的途径,将光合电子传递分为三种类型:(1)非环式电子传递 指水中的电子经PS和PS一直传到NADP的电子传递。H2OPSPQCytb/fPCPSFdF
13、NRNADP+NADPH按非环式电子传递，每传递4个电子，分解2分子H2O，释放1个O2，还原2个NADP，需要吸收8个光量子，量子产额为1/8。同时运转8个H进入类囊体腔。,3.电子传递的类型,(2)环式电子传递 指PS中电子传给Fd,再到Cytb6/f复合体,然后经PC返回PS的电子传递。PS Fd PQ Cyt b/f PC PS(3)假环式电子传递 指水中的电子经PS和PS传给Fd后不交给NADP而传给O2的电子传递。氧作为电子受体的反应叫做Mehler反应。H2OPSPQCytb/fPCPSFd O,二.光合磷酸化,光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光
14、合磷酸化。,(一)光合磷酸化的类型,.非环式光合磷酸化 与非环式电子传递偶联产生ATP的反应。非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。2NADP+3ADP3Pi 8h叶绿体 2NADPH3ATPO2+2H+H2O在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。,.环式光合磷酸化 与环式电子传递偶联产生ATP的反应。ADP Pi 光 叶绿体 ATP HO环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用。,.假环式光合磷酸化 与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。H2O+ADPPi 光 叶绿体 ATP+O2-.4H+,电子传递与光合磷酸化的结果 ATP和NADPH是光合作用中重要的中间产物。一方面两者都能暂时将能量（活跃的化学能）贮存,并向下传递;另一方面NADPH的H又能进一步还原CO2,这样就把光反应和暗反应联系起来了。由于ATP和NADPH在暗反应用于CO2的同化,故合称为同化力。,产生ATP和NADPH。,
