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(yè)，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(xì)胞第二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、意義將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物（約合成5千億噸/年 有機(jī)物） 最大的有機(jī)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(hù)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(yè)，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(wú)機(jī)鹽。一、葉綠體的結(jié)構(gòu)和成分第四張，PPT共六十二頁(yè)，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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素是雙羧酸的酯，一個(gè)羧基被甲醇所酯化，另一個(gè)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(gè)氫少一個(gè)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(gè)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(gè)吡咯環(huán)的卟林環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)使分子具有疏性長(zhǎng)的碳?xì)滏?。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(xì)菌葉綠素葉綠素光合細(xì)菌第七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)的“頭部”和一個(gè)葉綠醇(植醇)的“尾巴”。 卟啉環(huán)由四個(gè)吡咯環(huán)與四個(gè)甲烯基(CH)連接而成。 卟啉環(huán)的中央絡(luò)合著一個(gè)鎂原子，鎂偏向帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子帶負(fù)電荷，因而“頭部”有極性。 另外還有

4、一個(gè)含羰基的同素環(huán)（環(huán)上含相同元素），其上一個(gè)羧基以酯鍵與甲醇相結(jié)合。 環(huán)上有一個(gè)丙酸側(cè)鏈以酯鍵與葉綠醇相結(jié)合，葉綠醇是由四個(gè)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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（一）輻射能量q=h v v=c/ q：每個(gè)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(zhǎng)(nm) E=N h v =

5、Nhc/ E:每摩爾量子具有的能量(愛(ài)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）吸收光譜 葉綠素吸收光譜的兩個(gè)最強(qiáng)區(qū)： 紅光區(qū)640-660nm藍(lán)紫光區(qū)430-450nm。 類胡蘿卜素的最大吸收帶在藍(lán)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十二張，PPT共六十二頁(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月葉綠體色素的吸收光譜葉綠素b波長(zhǎng)(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(zhǎng)(nm)葉綠素a胡蘿卜素葉黃素第十四張，PPT共六十二頁(yè)，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(yè)，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(qiáng)光下 葉綠素會(huì)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(yíng)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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 第三節(jié) 光合作用過(guò)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(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的程，包含色素分子對(duì)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(jìn)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 聚光色素(light-harvesting pigment)：無(wú)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(duì)、脫鎂葉綠素和醌等電子受體分子。第十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月激發(fā)能的傳遞和作用中心對(duì)激發(fā)能的捕獲第二十張，PPT共六十二頁(yè)，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(guò)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（一）光系統(tǒng) 光合作用存在兩個(gè)光系統(tǒng)；并且可以獨(dú)立或者接力完成光反應(yīng)過(guò)程。 光系統(tǒng)I（photosystemI，簡(jiǎn)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(zhǎng)波光反應(yīng)，其主要特征是NADP的還原。 光系統(tǒng)II（photosystemII

10、，簡(jiǎn)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(yè)，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(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)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(gè)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(duì)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(yè)，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(gè)O需要從2個(gè)H2O中移去 4 個(gè) e-，同時(shí)形成 4 個(gè) H。第二十四張，PPT共六十二頁(yè)，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(gè)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(gè)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、PSPS的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的還原劑，用于還原NADP+，實(shí)現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞。第二十六張，PPT共六十二頁(yè)，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(gè)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(guò)一系列的被命名為FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心，最后到達(dá)鐵氧還蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質(zhì)藍(lán)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、光合電子傳遞途徑 連接兩個(gè)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(jiǎn)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(yè)，創(chuàng)作于2022年6

14、月Figure 3-9-2第二十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光合電子傳遞鏈氧化還原中點(diǎn)電勢(shì)第三十張，PPT共六十二頁(yè)，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(shuō) 同化力:ATP.NADPH。（三）光合磷酸化 概念：葉綠體在光下把無(wú)機(jī)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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)第三十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Figure 3-11-1 第三十五張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Figure 3-9-1 第三十六張，PPT共六十二頁(yè)，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(guò)程，稱為CO2同化或碳同化.第三十七張，PPT共六十二頁(yè)，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(guò)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(yè)，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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（三）CAM途徑第四十二張，PPT共六十二頁(yè)，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(jī)酸脂肪第四十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 光呼吸的概念：植物綠色細(xì)胞依賴光照，吸收O2和放出CO2的過(guò)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(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 光呼吸途徑及其細(xì)胞定位第四十七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光呼吸的過(guò)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(guò)氧化氫酶 RuBP葉綠體過(guò)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(yè)，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(yè)，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(yùn)轉(zhuǎn) 3、防止強(qiáng)光對(duì)光合機(jī)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(bǔ)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(wèn)題：為什么C4植物一般比C3植物的光合作用強(qiáng)？第五十張，PPT共六十二頁(yè)，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(yè)，創(chuàng)作于20

20、22年6月一、外界條件對(duì)光合速率的影響 光合速率：是指單位時(shí)間、單位葉面積通過(guò)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(cè)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(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)。 植物所需的最低光照強(qiáng)度，必須高于光補(bǔ)償點(diǎn)， 才能正常生長(zhǎng)。第五節(jié) 影響光合作用的因素第五十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光強(qiáng)光合曲線第五十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）CO2 CO2飽和點(diǎn)、CO2補(bǔ)償點(diǎn) C4植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)低于C3植物。第五十五張，PPT共六十二頁(yè)，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(yè)，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(yè)，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(yíng)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(yùn)輸 （六）光合作用日變化