植物光合作用

1、關(guān)于植物的光合作用課件第一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 光合作用的重要性一、概念 光能nCO2+2nH2O* (CH2O)n+nO2*+nH2O 綠色細胞第二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、意義將無機物轉(zhuǎn)變成有機物（約合成5千億噸/年 有機物） 最大的有機物質(zhì)制造廠將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能（將3.21021J/y的日光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 ） 最大的能量轉(zhuǎn)換站保護環(huán)境和維持生態(tài)平衡（釋放出5.35千億噸氧氣/年） 最大的氧氣發(fā)生器第三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 葉綠體及葉綠體色素 chloroplast and chloroplast pigment

2、s （一）葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 被膜、間質(zhì)、類囊體（光合膜）（二）葉綠體的成分 葉綠體的化學(xué)成分：75%的水、蛋白質(zhì)、脂類、色素和無機鹽。一、葉綠體的結(jié)構(gòu)和成分第四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠體的結(jié)構(gòu)外膜類囊體基質(zhì)內(nèi)膜類囊體腔基粒第五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）葉綠素1.葉綠素（chlorophyll）的化學(xué)組成 COOCH3葉綠素a C32H30ON4Mg COOC20H39 COOCH3葉綠素b C32H28O2N4Mg COOC20H39二、光合色素的化學(xué)特性第六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素是雙羧酸的酯，一個羧基被甲醇所酯化，另一個羧

3、基被葉綠醇所酯化。 葉綠素a與b的不同之處是葉綠素a比b多兩個氫少一個氧。兩者結(jié)構(gòu)上的差別僅在于葉綠素a的第吡咯環(huán)上一個甲基(CH3)被醛基(CHO)所取代。葉綠素結(jié)構(gòu)含有由中心原子Mg連接四個吡咯環(huán)的卟林環(huán)結(jié)構(gòu)和一個使分子具有疏性長的碳氫鏈。葉綠素的結(jié)構(gòu)式葉綠素a 葉綠素b 葉綠素c 葉綠素d高等植物藻類中細菌葉綠素葉綠素光合細菌第七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素分子含有一個卟啉環(huán)的“頭部”和一個葉綠醇(植醇)的“尾巴”。 卟啉環(huán)由四個吡咯環(huán)與四個甲烯基(CH)連接而成。 卟啉環(huán)的中央絡(luò)合著一個鎂原子，鎂偏向帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子帶負電荷，因而“頭部”有極性。 另外還有

4、一個含羰基的同素環(huán)（環(huán)上含相同元素），其上一個羧基以酯鍵與甲醇相結(jié)合。 環(huán)上有一個丙酸側(cè)鏈以酯鍵與葉綠醇相結(jié)合，葉綠醇是由四個異戊二烯單位所組成的雙萜，具有親脂性。 卟啉環(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發(fā)而引起電子的得失，這決定了葉綠素具有特殊的光化學(xué)性質(zhì)。葉綠醇第八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月類胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)-胡蘿卜素葉黃素-胡蘿卜素和葉黃素的結(jié)構(gòu)式第九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）輻射能量q=h v v=c/ q：每個光量子所含能量 h：普朗克常數(shù)（6.61410-34J.S-1) c:光速(31010厘米/秒) :波長(nm) E=N h v =

5、Nhc/ E:每摩爾量子具有的能量(愛因斯坦) N:亞伏加德羅常數(shù)(6.021023)三、光合色素的光學(xué)特性第十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）吸收光譜 葉綠素吸收光譜的兩個最強區(qū)： 紅光區(qū)640-660nm藍紫光區(qū)430-450nm。 類胡蘿卜素的最大吸收帶在藍紫光部分。（三）熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象第十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素在乙醇溶液中的吸收光譜第十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠體色素的吸收光譜葉綠素b波長(nm)400500600700葉綠素a和b在乙醚中的吸收光譜胡蘿卜素和葉黃素在乙

6、烷中的吸收光譜400420440460480500520波長(nm)葉綠素a胡蘿卜素葉黃素第十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月色素分子吸收光后能量轉(zhuǎn)變圖第二單線態(tài)第一單線態(tài)第一三單線態(tài)基態(tài)色素分子吸收光后能量轉(zhuǎn)變圖熱能量第十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.葉綠素的生物合成2.影響葉綠素形成的條件光：原葉綠酸酯轉(zhuǎn)變?yōu)槿~綠酸酯需要光照；但強光下 葉綠素會被氧化. 溫度：最低溫2 、最適溫30 、最高溫40 ，高 溫下葉綠素分解大于合成。營養(yǎng)物：（N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等）。氧：缺氧引起Mg-原卟啉或Mg-原卟啉甲酯積累，影響 葉綠素合成。水：影響葉綠素的合成,

7、缺水使葉綠素分解加劇。3.植物的葉色 葉綠素:類胡蘿卜素=3:1 葉綠素a:葉綠素b=3:1 葉黃素:胡蘿卜素=2:1；陰生植物葉綠素a:葉綠素b3:1四、葉綠素的形成第十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素的生物合成第十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 第三節(jié) 光合作用過程一、原初反應(yīng)（primary reaction） 是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化學(xué)反應(yīng)為止的程，包含色素分子對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換。（一）光能的吸收和傳遞 光合單位(photosynthetic unit)是指結(jié)合在類囊體膜上能進行光合作用的最小結(jié)構(gòu)單位。 光合單位=聚光色素系統(tǒng)+

8、反應(yīng)中心 第十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 聚光色素(light-harvesting pigment)：無光化學(xué)活性，起吸收和傳遞光能作用的的色素分子，包括大部分chla、全部chlb和類胡蘿卜素。 反應(yīng)中心色素(reaction centre pigment)：具有光化學(xué)活性，少數(shù)的特殊狀態(tài)的葉綠素a分子，有捕獲和聚集光能，并將光能轉(zhuǎn)換為電能的功能。 反應(yīng)中心是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的膜蛋白復(fù)合體，其中包含參與能量轉(zhuǎn)換的特殊葉綠素a對、脫鎂葉綠素和醌等電子受體分子。第十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月激發(fā)能的傳遞和作用中心對激發(fā)能的捕獲第二十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)

9、作于2022年6月（二）光能的轉(zhuǎn)換 指作用中心色素分子吸收光能后所引起的氧化還原反應(yīng)，也就是電荷分離，將光能轉(zhuǎn)換為電能的過程光D.P.AD.P*.AD.P+.A-D+.P.A- 光合作用的最終電子供體是水，最終電子受體為 NADP+。P-作用中心色素、A-原初電子受體、D-原初電子供體第二十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）光系統(tǒng) 光合作用存在兩個光系統(tǒng)；并且可以獨立或者接力完成光反應(yīng)過程。 光系統(tǒng)I（photosystemI，簡稱PSI）：在類囊體膜的外側(cè)， PSI的作用中心色素分子是P700。是長波光反應(yīng)，其主要特征是NADP的還原。 光系統(tǒng)II（photosystemII

10、，簡稱PSII）：在類囊體膜內(nèi)側(cè)。 PSII的作用中心色素分子是P680。是短波光反應(yīng)，其主要特征是H2O的光解和放氧。二、電子傳遞與光合磷酸化第二十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）光合電子傳遞體及其功能1、PSPS是含有多亞基的蛋白復(fù)合體。它主要由捕光復(fù)合體、 PS反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體（OEC）等亞單位組成。PS的生理功能是吸收光能，進行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式圖 示意PSII反應(yīng)中心D1蛋白和D2蛋白的結(jié)構(gòu)。 D1很容易受到光化學(xué)破壞，會發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。 電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳

11、遞到兩個質(zhì)體醌QA和QB。P680+在“Z”傳遞鏈中被D1亞基中酪氨酸殘基還原。 圖中還表明了Mn聚集體(MSP)對水的氧化。 CP43和CP47是葉綠素結(jié)合蛋白。第二十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月水的氧化與放氧CO+2HO* 光 葉綠體 (CHO)+ O2*+ HO放氧復(fù)合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PS靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。 水的氧化反應(yīng)是生物界中植物光合作用特有的反應(yīng)，也是光合作用中最重要的反應(yīng)之一。每釋放1個O需要從2個H2O中移去 4 個 e-，同時形成 4 個 H。第二十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、Cytb/f

12、復(fù)合體Cytb/f 復(fù)合體作為連接PS與PS兩個光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由4個多肽組成，即Cytf、Cytb 、Rieske 鐵-硫蛋白、17kD的多肽等。PQH+2PC(Cu) Cyt b/f PQ +2PC(Cu)+ 2HCyt b/f 復(fù)合體主要催化PQH的氧化和PC的還原，并把質(zhì)子從類囊體膜外間質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)腔中。因此Cyt b/f 復(fù)合體又稱PQHPC氧還酶。第二十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、PSPS的生理功能是吸收光能，進行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強的還原劑，用于還原NADP+，實現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞。第二十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作

13、于2022年6月模式圖中顯示了復(fù)合體中以A和B命名的兩個主要的蛋白質(zhì)亞基的分布狀況。 電子從P700傳遞到葉綠素分子A0，然后到電子受體A1。電子傳遞穿過一系列的被命名為FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心，最后到達鐵氧還蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質(zhì)藍素（PC）中接受電子。PSI反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式第二十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4、光合電子傳遞途徑 連接兩個光系統(tǒng)以及H2O和NADP之間的傳遞電子的物質(zhì)。叫光合電子傳遞鏈，簡稱光合鏈。 光合電子傳遞途徑： 1.非環(huán)式電子傳遞鏈（Z方案） 2.環(huán)式電子傳遞鏈 3.假環(huán)式電子傳遞鏈第二十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6

14、月Figure 3-9-2第二十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光合電子傳遞鏈氧化還原中點電勢第三十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、ATP產(chǎn)生 米切爾(P.Mitchell)提出的化學(xué)滲透學(xué)說 同化力:ATP.NADPH。（三）光合磷酸化 概念：葉綠體在光下把無機磷和ADP轉(zhuǎn)化成ATP。 1、光合磷酸化的類型：2ADP+2Pi+2NADP+2H2O 2ATP+2NADPH+O2光1.非循環(huán)式光合磷酸化2.循環(huán)式光合磷酸化ADP +Pi ATP光3.ATP合酶：頭部（CF1）和柄部（CF0）組成，CF1在類囊體表面， CF0伸入類囊體內(nèi)部。 CF1有（33） 5種多肽;

15、 CF0有a、b、b、c12 4種多肽，橫跨類囊體膜組成質(zhì)子通道。第三十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月ATP合成酶的結(jié)構(gòu)第三十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)滲透學(xué)說第三十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Figure 3-11-1 第三十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Figure 3-9-1 第三十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、碳同化 植物利用光反應(yīng)中形成的NADPH和ATP將CO2轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的碳水化合物的過程，稱為CO2同化或碳同化.第三十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于

16、2022年6月(一)卡爾文循環(huán)- C3途徑 (Calvin cycle) CO2受體: RuBP 羧化酶:Rubisco 初產(chǎn)物:PGA (三碳化合物)C3途徑的反應(yīng)過程 羧化階段 3RuBP + 3CO2 6PGA + 6H+ 還原階段 6PGA + 6ATP + 6NDAPH 6PGAld+6ADP+6NADP+ +6Pi 再生階段 5PGAld + 3ATP 3RuBP + 3ADP + 2Pi第三十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光合碳循環(huán)羧化階段還原階段還原階段3-磷酸甘油醛DHAP異構(gòu)酶二磷酸醛縮酶FBP磷酸酶轉(zhuǎn)酮酶SBP醛縮酶SBP磷酸酶轉(zhuǎn)酮酶R5P磷酸異構(gòu)酶核酮糖-

17、5-P差向異構(gòu)酶Ru5P激酶第三十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）C4途徑C3和C4植物葉片解剖結(jié)構(gòu)比較第四十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）CAM途徑第四十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）光合產(chǎn)物糖類氨基酸蛋白質(zhì)有機酸脂肪第四十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 光呼吸的概念：植物綠色細胞依賴光照，吸收O2和放出CO2的過程。一、光呼吸的途徑 1.乙醇酸的形成：RuBP加氧酶催化RuBP分解成磷酸乙醇酸和磷酸甘油酸 2.乙醇酸途徑第

18、四節(jié) 光呼吸第四十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 Rubisco的雙重作用：羧化反應(yīng)與加氧反應(yīng) 高CO2 羧化 2PGA C3途徑（光合）RuBP Rubisco 高O2 加氧 PGA + 磷酸乙醇酸 C2途徑第四十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 光呼吸途徑及其細胞定位第四十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光呼吸的過程1.磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶，2.乙醇酸氧化酶，3.谷氨酸-乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶，4.甘氨酸脫羧酶和絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶, 5.絲氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)氨酶，6.羥基丙酮酸還原酶，7. 甘油酸激酶 ,8.過氧化氫酶 RuBP葉綠體過氧化物體線粒體磷酸乙醇酸乙醇

19、酸乙醛酸乙醛酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸絲氨酸羥基丙酮酸甘油酸3-PGACO2第四十八張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 光呼吸與暗呼吸的比較第四十九張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、光呼吸的生理功能 1、回收碳素 2、維持C3光合碳循環(huán)的運轉(zhuǎn) 3、防止強光對光合機構(gòu)的破壞 4、消除乙醇酸的毒害 5、磷酸丙糖和氨基酸合成的補充途徑三、C3、C4與CAM植物的光合特征比較 （一）葉片結(jié)構(gòu) （二）光合特性問題：為什么C4植物一般比C3植物的光合作用強？第五十張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月C3植物、C4植物和CAM植物光合、生理特性比較第五十一張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于20

20、22年6月一、外界條件對光合速率的影響 光合速率：是指單位時間、單位葉面積通過光合作用吸收的二氧化碳的量或放出的氧氣的量或者積累干物質(zhì)的量。 通常測得的光合速率已經(jīng)減去了呼吸消耗，所以稱為表觀光合速率。真光合速率=表觀光合速率+呼吸速率（一）光照 光飽和點、光補償點。 植物所需的最低光照強度，必須高于光補償點， 才能正常生長。第五節(jié) 影響光合作用的因素第五十二張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光強光合曲線第五十三張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十四張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）CO2 CO2飽和點、CO2補償點 C4植物的CO2補償點低于C3植物。第五十五張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 CO2-光合曲線模式圖第五十六張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 C3植物和C4植物的CO2-光合曲線比較第五十七張，PPT共六十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 (四)水分 1、直接作用 2、間接作用（五）礦質(zhì)營養(yǎng) N、P、Mg：葉綠體結(jié)構(gòu)成分 Cu、Fe：電子傳遞體的成分 Mn、Cl：放氧復(fù)合體成分 K、 Ca、B：調(diào)節(jié)氣孔開閉、同化物運輸 （六）光合作用日變化