植物生理学光合作用.ppt

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1、第一节第一节 光合作用的重要性光合作用的重要性v一、光合作用的概念：一、光合作用的概念：绿色植物绿色植物 利用光能把利用光能把CO和水合成有机物，同和水合成有机物，同时释放氧气的过程。时释放氧气的过程。第二节第二节 叶绿体及叶绿体色素叶绿体及叶绿体色素 chloroplast chloroplast and chloroplast pigmentsand chloroplast pigmentsv一、叶绿体的结构和成分一、叶绿体的结构和成分叶绿体的化学成分：叶绿体的化学成分：75%75%的水、蛋白质、脂类、色素的水、蛋白质、脂类、色素和无机盐。和无机盐。叶绿体叶绿体(chloroplast)(

2、chloroplast)是光合作用最重要的细胞器。是光合作用最重要的细胞器。它分布在叶肉细胞的细胞质中。数量多，它分布在叶肉细胞的细胞质中。数量多，1 1平方毫平方毫米蓖麻叶片含米蓖麻叶片含3 3千万千万-5-5千万个叶绿体。千万个叶绿体。叶绿体随原生质环流运动，随光照的方向和强度而叶绿体随原生质环流运动，随光照的方向和强度而运动运动叶绿体结构：叶绿体结构：被膜、基质、基粒、类囊体被膜、基质、基粒、类囊体（基粒类囊体、基质类囊体）（基粒类囊体、基质类囊体）复习巩固v镁、锰、氯的生理作用？缺素症？v哪些是参与循环的元素？那些不是？v临界浓度v叶绿体的结构怎样？叶绿素叶绿素类胡萝卜素类胡萝卜素藻胆

3、素藻胆素 高等高等植物植物藻类藻类分子内具有许多分子内具有许多共轭双共轭双键键，能捕获光能，捕获，能捕获光能，捕获光能能在分子间传递。光能能在分子间传递。叶绿素：叶绿素a（蓝绿色）3：叶绿素b（黄绿色）1类胡萝卜素：胡萝卜素（橙黄色）2:叶黄素（黄色）1藻胆素：藻红素、藻兰素二 光和色素的化学特性1 叶绿素叶绿素 叶绿素是双羧酸的酯，一个羧基被甲醇所酯化，另一个羧基被叶叶绿素是双羧酸的酯，一个羧基被甲醇所酯化，另一个羧基被叶绿醇所酯化。绿醇所酯化。 不溶于水，溶于有机溶剂，容易被光分解不溶于水，溶于有机溶剂，容易被光分解卟啉环中的镁可被卟啉环中的镁可被H+或或Cu2+所置换，铜代反应所置换，铜

4、代反应天线色素：大多数叶绿素天线色素：大多数叶绿素a和全部叶绿素和全部叶绿素b分子和类胡萝卜素具有分子和类胡萝卜素具有收集光能和传递光能的作用。收集光能和传递光能的作用。作用中心色素：少部分叶绿素作用中心色素：少部分叶绿素a分子有将光能转换为电能的作用。分子有将光能转换为电能的作用。叶绿素是一种酯，因此不叶绿素是一种酯，因此不溶于水。溶于水。通常用含有少量水的通常用含有少量水的有机溶剂如有机溶剂如，或者，或者，或，或的混合液来提的混合液来提取叶片中的叶绿素，用于测定取叶片中的叶绿素，用于测定叶绿素含量叶绿素含量。 之所以要用含之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素，有水的有机溶剂提取叶绿素，这是

5、因为叶绿素与蛋白质结合这是因为叶绿素与蛋白质结合牢，需要经过水解作用才能被牢，需要经过水解作用才能被提取出来。提取出来。研磨法研磨法浸提法浸提法0.1g0.1g叶叶+10ml+10ml混合液浸提混合液浸提 卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基( (CHCH) )连接而成。连接而成。 卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁偏向带正电荷，与其相联的氮原子带偏向带正电荷，与其相联的氮原子带负电荷，因而负电荷，因而“头部头部”有极性。有极性。 环环上有一叶绿醇链有亲脂性。色素上有一叶绿醇链有亲脂性。色素靠他固定在类囊体膜上。靠他固定在类囊体膜上。 卟啉

6、环上的共轭双键和中央镁原子容卟啉环上的共轭双键和中央镁原子容易被光激发而引起电子的得失。捕获易被光激发而引起电子的得失。捕获光能。光能。v卟啉环中的镁可被卟啉环中的镁可被H H+ +所所置换。当为置换。当为H H所置换后，即所置换后，即形成形成褐色的去镁叶绿素褐色的去镁叶绿素。 v去镁叶绿素中的去镁叶绿素中的H H再被再被CuCu2+2+取代，就形成取代，就形成铜代叶绿铜代叶绿素素，颜色比原来的叶绿素更，颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。鲜艳稳定。 v根据这一原理可用醋酸根据这一原理可用醋酸铜处理来保存绿色标本。铜处理来保存绿色标本。 用用50%50%醋酸溶液配制的饱醋酸溶液配制的饱和醋酸铜溶液浸

7、渍植物标和醋酸铜溶液浸渍植物标本本( (处理时可加热处理时可加热) )2 类胡萝卜素类胡萝卜素 三、光合色素的光学特性三、光合色素的光学特性1. 辐射能量辐射能量v光量子（quantum）:光子具有的能量。vq =h （h 普朗克衡量， 频率）v引起一摩尔物质分子反应所需的光量子叫1EinsteinvE=Nh =Nhc/(N 阿伏加德罗常数，c光速）光子的能量与波长成反比，含能低的红外线对光合作用无效，可见光中，相同能量的电磁辐射，红光效率最高。2. 吸收光谱吸收光谱可见光波长390-770nm3.荧光现象和磷光现象荧光现象和磷光现象v叶绿素溶液在透射光下呈绿色叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在

8、反射光下而在反射光下呈红色的现象称为呈红色的现象称为荧光现象荧光现象。v为什么叶绿素溶液有荧光现象而叶片则看不为什么叶绿素溶液有荧光现象而叶片则看不到？到？荧光（寿命短）磷光（寿命长，去掉光源仍能发出弱磷光）Chl + hvChl*基态激发态光子能量第二单线态第一单线态分子内能量传递转向反应中心能量第一三线态热能热能基态430nm吸收670nm吸收680nm 荧光热能磷光热能四、叶绿素的形成四、叶绿素的形成1 叶绿素的生物合成（图叶绿素的生物合成（图3-9）2.影响叶绿素形成的条件影响叶绿素形成的条件v光：原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯需要光照；光：原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯需要光照；v温：最低温温：

9、最低温2 、最适温、最适温30 、最高温、最高温40 ，高高 温下叶绿素分解大于合成。温下叶绿素分解大于合成。v营养物：（营养物：（N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等）。等）。v氧：原卟啉氧：原卟啉v水：水：图图3-9 3-9 叶绿素生物合成过程叶绿素生物合成过程v受冻的油菜受冻的油菜受冻的油菜受冻的油菜缺N萝卜叶绿素的形成受遗传因素控制，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如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。卉中的斑叶不能合成叶绿素。有些病毒也能引起斑叶。有些病毒也能引起斑叶。3.植物的叶色植物的叶色v叶绿色已被破坏降解，类胡萝卜素稳定v秋天，糖分积累多，可

10、溶性糖增多促进花色素合成，花色素显红色。v景天科植物很耐旱，干旱时，可溶性糖分积累多，促进花色素合成。知识回顾v叶绿体中有那几种色素？v天线色素、作用中心色素、荧光现象、类囊体v叶绿素主要吸收什么光？v叶绿素的大体结构怎样？v叶绿体的结构怎样？光反应在哪进行？暗反应在那里进行？光合作用分为三个阶段光合作用分为三个阶段:1.原初反应原初反应:光能的吸收、传递和转换成电能；光能的吸收、传递和转换成电能； 2.电子传递和光合磷酸化电子传递和光合磷酸化:电能转变为活跃化学电能转变为活跃化学能能:ATP,NADPH23.碳同化碳同化:活跃的化学能转变为稳定的化学能。活跃的化学能转变为稳定的化学能。1,2

11、步属光反应，需光，在类囊体膜上进行，光反应的结果步属光反应，需光，在类囊体膜上进行，光反应的结果导致水的光解和氧的释放，产物是：导致水的光解和氧的释放，产物是：ATP,NADPH2，它们，它们是暗反应的能量来源，暗反应在基质中进行。是暗反应的能量来源，暗反应在基质中进行。光合作用的过程光合作用的过程光能光能CO2色素分子色素分子C52C3ADP+PiATPH2OO2H多种酶多种酶酶酶吸收吸收光解光解光反应阶段暗反应阶段暗反应阶段水的光解水的光解：H2O 2H+1/2 O2 光解CO2的固定的固定: CO2+C5 2C3酶还还 原原酶酶固固 定定供能供能（CH2O）酶酶 C3化合物还原化合物还原

12、：2 C3 （CH2O）6 ATP酶H,ADP+Pi光合磷酸化光合磷酸化：ADP+Pi能量 ATP酶原初反应v指叶绿体色素收集光能，传递给作用中心，把光能转换为电能的过程。指叶绿体色素收集光能，传递给作用中心，把光能转换为电能的过程。它靠光合作用单位来完成。它靠光合作用单位来完成。v光合单位光合单位=聚光色素系统聚光色素系统+反应中心反应中心v天线色素：吸收，并以诱导共振方式传递光能，类似于透镜。天线色素：吸收，并以诱导共振方式传递光能，类似于透镜。v作用中心：原初电子供体（作用中心：原初电子供体（D），作用中心色素），作用中心色素(P), 原初电子受体原初电子受体(A)作用中心色素分子吸收光

13、能后所引起的氧化还原反应，也就是电荷分离，作用中心色素分子吸收光能后所引起的氧化还原反应，也就是电荷分离，将光能转换为电能。最初电子供体是水，最终电子受体是将光能转换为电能。最初电子供体是水，最终电子受体是NADP。光化。光化学反应过程：学反应过程：D.P.A光光D.P*.AD.P+.A-D+.P.A-v希尔反应（希尔反应（Hill reaction）：）：离体叶绿体在光下进行的离体叶绿体在光下进行的分解水，放出氧气的反应。分解水，放出氧气的反应。需需Mn, cl。v放氧复合体又称锰聚合体，放氧复合体又称锰聚合体，在在PS靠近类囊体腔的一靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的侧，参与水的裂解和

14、氧的释放。释放。一光系统一光系统v量子产额量子产额（量子效率）：指每吸收一个光量子所释放的氧气（量子效率）：指每吸收一个光量子所释放的氧气的分子数。的分子数。v红降红降（red drop）：在远红光（大于）：在远红光（大于680nm）照射下，光）照射下，光合作用的量子产额急剧下降，这种现象称为红降。合作用的量子产额急剧下降，这种现象称为红降。v双光增益效应或爱默生效应双光增益效应或爱默生效应（Emerson effect）在远红光）在远红光照射下，如补充红光，则量子产额大增。比两种波长的光单照射下，如补充红光，则量子产额大增。比两种波长的光单独照射的总和还要多。独照射的总和还要多。红降和双光增

15、益效应证明：光合作用存在两个光系统；并且可红降和双光增益效应证明：光合作用存在两个光系统；并且可以独立或者接力完成光反应过程。以独立或者接力完成光反应过程。v光系统光系统I（photosystemI，简称，简称PSI）：在类囊体膜的外侧，）：在类囊体膜的外侧， PSI的作用中心色素分子是的作用中心色素分子是P700。是长波光反应，其主要特。是长波光反应，其主要特征是征是NADP的还原。电子供体质体兰素的还原。电子供体质体兰素PC，电子受体，电子受体X。v光系统光系统II（photosystemII，简称，简称PSII）：在类囊体膜内侧。）：在类囊体膜内侧。 PSII的作用中心色素分子是的作用中

16、心色素分子是P680。是短波光反应，其主要。是短波光反应，其主要特征是特征是H2O的光解和放氧。的光解和放氧。D:Tyr（骆氨酸）（骆氨酸）A:去镁叶绿素。去镁叶绿素。v敌草隆能抑制光系统敌草隆能抑制光系统II光化学反应，而不能抑制光系统光化学反应，而不能抑制光系统I光化光化学反应。学反应。光系统光系统I光系统光系统II二二 光合电子传递链光合电子传递链v连接两个光系统以及连接两个光系统以及H2O和和NADP之间的传递电子的物质。之间的传递电子的物质。叫光合电子传递链，简称光合叫光合电子传递链，简称光合Z链。有质体醌，链。有质体醌，cytbf复合体。复合体。v最初电子供体：水，最终电子受体：最初电子供体：水，最终电子受体： NADPv 希尔反应（希尔反应（Hill reaction）：离体叶绿体在光下进行的分）：离体叶绿体在光下进行的分解水，放出氧气的反应。需解水，放出氧气的反应。需Mn, cl。H三、光合磷酸化三、光合磷酸化概念：叶绿体在光下把无机磷和概念：叶绿体在光下把无机磷和ADP转化成转化成ATP。光合作用中磷酸化与电子传递是偶联的，偶联因子又称光合作用中磷酸化与电子传递是偶联