植物光合作用课件

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1、第三章植物的光合作用,第四章植物的光合作用,生物,自养生物：利用外界的无机物作为原料合成有机物质。自己制造食物。包括植物和光合细菌。,异养生物：从已经存在的有机物中获得营养，从食物中获得能量。,第一节光合作用概述,一、定义及公式 1定义：绿色植物吸收阳光的能量，同化二氧化碳和水，制造有机物并释放氧气的过程。 2公式：,光,叶绿体,CO2 + H2O,（CH2O）+ O2,二、光合作用的意义,宇宙大爆炸,H2和He,火山爆发,太轻，逃逸到太空,火山气体:CO2,N2,CH4,NH3,H2O,H2S,米勒实验：CH4+H2+NH3+H2O,电击,氨基酸,原始汤,植物,放出O2,大气层：CO2,H2

2、O,N2,1 环境保护：空气净化器，保持CO2和O2的平衡。植物减少，CO2增加，产生温室效应。,干旱沙漠化,冰川融解,2把无机物变成有机物：是合成有机物的绿色工厂。 3蓄积太阳能：能量转换站 利用率极低，如石油、煤碳。 秸秆等则付之一炬，应还田或发酵成沼气。,三、光合作用的研究历史,实验一：,1771年，英国科学家普利斯特利把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分 别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭 了，小白鼠很快也死去了。,他把两盆植物分别放 到两个密闭的玻璃罩里。他发现植物能够长 时间地活着，蜡烛没有熄灭，小鼠活动正常。,植物可以在光下净化“坏了”的空气,光合作用,1782年，瑞士人有化学分析的

3、方法弄清了光合的反应物是CO2和H2O，产物是糖和O2。但认为糖是CO2的简单聚合：,实验二：,实验三：,1905年，Blackman研究光合效率与光强和温度的关系时，对光合过程是否一直需要光产生了疑问。也使人们对CO2的同化方式有了全新的认识。,n(CO2),C,C,C,C,1低光时，温度再高光合效率也不增加。说明光是必须的。 2强光下，温度升高，光合加快，说明在高光强下，温度是光合的限制因素，也说明光合作用涉及酶促反应（暗反应）； 3温度相同时，随光照增强，光合加快，特别是在低温时，光照增强，光合加快，说明光合作用中存在与温度无关的反应，也就是非酶促反应。（光反应）,实验四：,光合有两个反

4、应阶段：光反应和暗反应,光能吸收,CO2同化,1937年，希尔用体外的叶绿体和水反应得到了O2，为光反应的研究打开了大门。,实验五：,4Fe3+2H2O,4Fe2+4H+O2,光,叶绿体,说明叶绿体在光下可分解H2O，产生电子，产生还原能力，使物质还原，即光反应可产生电子将物质还原。,？,1951年，发现体内物质NADP可被光合作用还原为NADPH。,实验六：,NADP+H2O,NADPH+H+1/2O2,光,叶绿体,这是一个振奋人心的消息，因为科学家们早已知道，NADPH是生物体内的重要的还原剂。,1954年，发现ADP在光合作用下可形成ATP。,实验七：,ADP+Pi,ATP,光,叶绿体,

5、在光下叶绿体合成的NADPH和ATP，是用来同化CO2的。,光合作用的总过程,NADPH,NADP+,光,CO2,糖类,光反应,暗反应:,ATP,ADP+Pi,第二节叶绿体及光合色素,一、叶绿体的结构和成分 （一）叶绿体的结构 1双层膜：内膜为选择性屏障。 2基质：CO2同化；淀粉形成 3基粒：由类囊体垛叠而成的绿色颗粒。,3基粒 类囊体：压扁了的囊状体 基质类囊体：（基质片层）连接两个基粒的类囊体。 类囊体膜：（光合膜）四大颗粒 PS、Cytb6-f复合体、 PS和ATP合成酶,（二）叶绿体的成分,（1）脂类（Lipids）：含较多糖脂 和硫脂，高比例不饱和脂肪酸。 （2）蛋白质（Prote

6、in）：色素蛋白、 含金属蛋白复合体和多种酶等。 （3）色素（Pigments）：叶绿体色素。,二、光合色素（叶绿素和类胡萝卜素）,1叶绿素：Chlorophyll，Chl,a.分类,Chla:蓝绿色，大部分用于捕光，少部分用于转化光能,Chlb:黄绿色，全部用于捕光,b.结构：四个吡咯环围绕镁形成卟啉环的头部，亲水，位于光合膜的外表面 还有一个叶绿醇形成的尾部，亲脂，插入光合膜内部（见书61页）,2 类胡萝卜素：,a.分类,胡萝卜素:橙黄色,叶黄素:黄色,聚光作用，消耗多余光能,b.结构：（见书61页）,思考一：,植物体内有绿色和黄色两种色素，为什么叶子是绿色的而不是黄色的？,因为植物中Ch

7、l:类胡萝卜素3：1，Chl含量更高，绿色强于黄色，所以叶子是绿色的。,为什么秋天或植物受害时，叶子是黄色的而不是绿色的？,思考二：,因为衰老和受害时，Chl更为敏感，首先受损，绿色消失，呈现出黄色。,1光自身的特性：波粒二相性 E L/，即波长越小，能量越大 蓝光能量大，红光能量小 从太阳辐射到地球的光波长范围为：300-2600nm 植物光合能吸收的光波长范围为：400-700nm,三、光合色素的光学特性（对光的反应）,2 光合色素的吸收光谱,两个吸收峰430-450nm蓝紫光区 640-660nm红光区,连续双峰400-500nm,叶绿素是绿色？,类胡萝卜素是黄色？,3荧光现象和磷光现象

8、 叶绿素吸光后光能的去向：,热能,光能散失：荧光、磷光,光能,电能,化学能（贮藏）,3荧光现象和磷光现象,从第一单线态以红光的形式回到基态所发出的光,第一,从第一三单线态回到基态所发出的光,（四）光合色素在光合作用中的作用,在叶绿体中，光合色素分布在类囊体膜上，光合色素总的作用就是吸收、传递和转换光能。 根据光合色素在光合中的作用（功能），光合色素可分为两类，反应中心色素和聚光色素。,（五）叶绿素的生物合成及影响因素,1叶绿素的生物合成 叶绿素的生物合成过程非常复杂 2影响叶绿素生物合成的因素 （1）光照 （2）温度 （3）矿质元素 （4）水分,第三节光合作用的机制,分三步,原初反应,电子传递

9、与光合磷酸化（ATP和NADPH）,CO2的同化,光反应,暗反应,光能,电能,电能,不稳定化学能,不稳定化学能,稳定化学能,一、原初反应,1定义：指从光合色素分子被激发到引发第一个电子传递为止的过程。,光能,电能,2过程：吸收、传递、转换 a.吸收：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、全部Chlb和全部类胡萝卜素,2过程: b.传递：方式是诱导共振 方向从高能向低能，从短波色素向长波色素。,类胡萝卜素,Chlb,Chla,2过程: c.转换：反应中心色素,具有光化学活性，既是光能的捕捉器，又是光能的转换器。由少数特殊状态的Chla组成。,反应中心：D-

10、原初电子供体P反应中心色素A原初电子受体,DPA,DP*A,DP+A-,D+PA-,光,e,e,光能,电能,？,1两个光系统：,二、电子传递与光合磷酸化,人物：爱默生 事件：测定不同波长光的光合效率实验 结果：1） 大于685nm的远红光照射，光合速率下降。红降 2）远红光与650nm的红光同时照射，光合速率增加，大于两者单独照射的和。双光增益效应（爱默生效应）,A.PS：反应中心色素P680、聚光复合体和放氧复合体 B.PS:反应中心色素P700、聚光复合体和电子受体,1两个光系统：,光合电子传递链：（光合链）是指在类囊体膜上，由PS，PS和其它电子传递体相互衔接，所构成的电子传递体系。,2

11、电子传递：（电能转化为不稳定的化学能）,1）PS的电子传递,H2O,Mn聚合体,Z(Tyr),2e,P680,光,P680,OEC（放氧复合体）,Pheo(去镁叶绿素),原初反应,QA,QB,2）PQ：质体醌，利用光能将PQ还原成PQH2，将H+(质子)带进囊内腔，2个e传递给Cytb6-f。 特点：有亲脂性，能在膜内自由移动，又称为PQ穿梭。 PQ + 2H+ PQH2,2e,3） Cytb6-f复合体 Cytb6-f复合体包括三种电子传递体，Cytb6，Cytf，Fe-S蛋白。 4）PC：质体蓝素，含铜蛋白质。 特点：可在类囊体腔一侧移动，通过Cu的氧化还原传递电子。,5）PS的电子传递,

12、PC,P700,P700,A0(叶绿素a分子),原初反应,光,A1,Fe-S蛋白,Fd(铁氧还原蛋白),HNADP,Fp,NADPH,+5,+3,2e,主要传递体,H2O PSII PQ Cytb/f PC PSI Fd NADP+,P680,P680,锰串,H2O,激子,Pheo PQA PQB,P700,P700,A0 A1 Fe-Sx Fe-SA Fe-SB,质子释放在腔内,*,*,3光合磷酸化,利用贮存在跨类囊体膜的质子梯度的光能把ADP和无机磷合成为ATP的过程。与电子传递相偶联。,Peter Mitchell (1920 - 1992),1）光合磷酸化机理 普遍被接受的是米切尔（M

13、itchell）的化学渗透学说。根据化学渗透学说，光合电子传递的作用是建立一个跨类囊体膜的质子动力势，在质子动力势的作用下，类囊体膜上的ATP合成酶合成ATP。 根据化学渗透学说，光合磷酸化过程可分为两个阶段，一是质子动力势的建立，二是ATP的合成。,The 1978 Nobel Prize laureate in Chemistry,ADPPi,ATP,PMF（质子动力势）,ATP合成酶,3光合磷酸化,2）光合磷酸化的形式 A.非环式光合磷酸化：电子从H2O传递给NADP，这一开放通路式的传递过程。 产物：NADPH、O2和ATP B.环式光合磷酸化： PSI的激发态电子经 Fd PQ Cy

14、tb6/f PC PSI的环式传递过程。 产物：ATP 作用：补充ATP的不足,2）光合磷酸化的形式 C.假环式光合磷酸化： 假环式电子传递的过程与非环式电子传递过程相同，唯一的区别是电子的最终受体是O2，而不是NADP+ 产物： O2.（超氧阴离子自由基）、ATP和O2 作用：当细胞中NADP+供应不足或光强过强时，接受多余电子，用SOD可清除。,三、碳同化（暗反应）,场所：叶绿体基质,同化途径：,C3途径（卡尔文循环）,基本途径，所有植物必经之路,C4途径（四碳二羧酸途径）,CO2固定的分支，C4植物特有,CAM途径（景天科酸代谢途径）,CO2固定的分支，CAM植物特有,C3途径,C4途径

15、,CAM途径,固定CO2,CO2,CO2,糖,1C3途径,1）研究历史： Calvin领导的研究小组给小球藻提供14CO2（同位素示踪），光照不同时间后杀死细胞，观察14C在哪种化合物中，以确定CO2固定的最初产物。,CO2被固定的最初产物是三碳化合物的途径。,Melvin Calvin, (1911-1997) Nobel Laureate, chemistry, 1961,照光60秒：14C分布于许多化合物中，有C3、C4，C5，C6，C7化合物。,缩短到7秒时：几乎所有的14C集中在一种化合物上,PGA(3-磷酸甘油酸),确定了CO2固定后的最初产物是3磷酸甘油酸（PGA）。由于PGA是

16、三碳化合物，所以这一途径被称为C3途径。,CO2,PGA,？,COOH HCOH CH2O（P）,假设1三个CO2聚合而成,假设2一个CO2与另一个二碳化合物聚合而成。,PGA的结构：,14COOH HCOH CH2O（P）,只有羧基上有14C，说明不是完全由外界的CO2组成。,几年时间过去了，也没找到这个二碳化合物的最初受体。,后来他们设想，在光合作用中，最初受体是源源不断的产生的，在CO2供应充足时，CO2与受体结合，受体含量下降。 当突然停止供应CO2时，受体不能与CO2结合，受体的浓度就会增大。 为此，他们设计了一个试验。首先，他们让小球藻在高浓度的CO2下进行光合，然后实然转入低浓度的CO2下，再来检测各种化合物的含量变化。结果发现，突然降低CO2浓度，体内的一个五碳化合物含量升高,核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）,CO2+RuBP,6碳糖（不稳定）,两分