光合作用過程

第三節(jié)光合作用的過程需光的光反應(yīng)和不需光的暗反應(yīng)。1.光反應(yīng)：必須在光下進行，由光所引起的光化反應(yīng)，它主要在基粒類囊體膜（光合膜）上進行；2.暗反應(yīng)：可以在暗處進行的由若干酶所催化的化學反應(yīng)，暗反應(yīng)是在葉綠體基質(zhì)中進行的。光合作用的三大步驟：1.光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換（原初反應(yīng)）；2.電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學能（電子傳遞和光合磷酸化）；3.活躍的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學能（碳素同化）；第1頁/共24頁一、原初反應(yīng)（一）光能的吸收和傳遞1、光輻射的1個質(zhì)點稱作1個光子，攜帶的能量是1個量子，稱為光量子。單位是J（焦耳）。波長越長，量子能量越小。第2頁/共24頁2.光合單位：是指吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化1個光量子所需要的光合色素分子數(shù)目。是存在于類囊體膜上能進行完整光反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)單位。（1）光合單位的組成：聚光色素系統(tǒng)+反應(yīng)中心色素。（2）按功能光合色素可分為以下兩類：

反應(yīng)中心色素：少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a分子屬于此類，它具有光化學活性。是光能的捕捉器和轉(zhuǎn)換器。將光能轉(zhuǎn)化為電能。第3頁/共24頁

聚光色素又叫天線色素：沒有光化學活性，只具有收集光能的作用，除作用中心色素以外的色素均具有聚光作用，屬于此類。3.光能的吸收：激發(fā)聚光色素分子4.色素分子間的能量傳遞：從吸收短波光（能量較高）色素向吸收長波光（能量較低）色素方向傳遞。最終激發(fā)中心色素分子，啟動光化學反應(yīng)。第4頁/共24頁（二）光化學反應(yīng)

作用中心色素分子吸收光能所引起的氧化-還原反應(yīng)。有2個反應(yīng)系統(tǒng)。第5頁/共24頁二、電子傳遞和光合磷酸化（一）電子傳遞1、電子傳遞鏈：電子傳遞的過程是一系列的氧化還原反應(yīng)。電子傳遞方向是從氧化還原電勢較高處向較低處傳遞。分為非環(huán)式、環(huán)式和假環(huán)式電子傳遞。2、水的氧化與放氧：水在光照下經(jīng)過光系統(tǒng)2的作用，釋放氧氣，產(chǎn)生電子，釋放質(zhì)子到類囊體腔內(nèi)。第6頁/共24頁（二）光合磷酸化1.定義：利用光合電子在傳遞過程中建立的跨膜類囊膜的質(zhì)子梯度，把ADP和無機磷合成為ATP的過程。2.分類：（1）非循環(huán)式光合磷酸化（2）循環(huán)式光合磷酸化（3）假環(huán)式光合磷酸化第7頁/共24頁三、碳同化碳素同化是光合作用的一個重要方面。從能量轉(zhuǎn)換角度看，碳同化是將ATP和NADP中的活躍化學能轉(zhuǎn)換為儲存在糖類中穩(wěn)定的化學能，較長時間供給生命活動的需要；從物質(zhì)生產(chǎn)角度看，占植物體干重90%以上的有機物基本上都是通過碳同化形成的。碳同化在葉綠體基質(zhì)中進行，需要多種酶協(xié)同作用。碳同化的途徑有三條：卡爾文循環(huán)、C4途徑、景天科酸代謝途徑，但只有卡爾文循環(huán)才具有合成淀粉的能力，其他兩條途徑只能固定轉(zhuǎn)運二氧化碳，仍需通過卡爾文循環(huán)才能完成。第8頁/共24頁（一）卡爾文循環(huán)1.卡爾文循環(huán)的別名：光合環(huán)、還原磷酸戊糖途徑（RPPP）、C3途徑等。2.卡爾文循環(huán)分為四個階段：（1）羧化階段（固定二氧化碳）固定二氧化碳，形成3-磷酸甘油酸（PGA）第9頁/共24頁（2）還原階段（貯能完成）由PGA到BPGA（1，3-二磷酸甘油酸），再到GALP（3-磷酸甘油醛）。BPGAGALPBPGA第10頁/共24頁（3）RuBP的再合成：由GALP經(jīng)過一系列變化，再形成RuBP的過程。在CO2的固定和還原中，RuBP會不斷減少，影響CO2固定的繼續(xù)，因此，RuBP的再合成是卡爾文循環(huán)正常運轉(zhuǎn)的組成部分。5GAP+3ATP+2H2O------3RuBP+3ADP+2Pi+3H+第11頁/共24頁（4）糖類的合成：還原過程中形成的3-磷酸甘油醛在葉綠體內(nèi)合成淀粉，也可透出葉綠體在細胞質(zhì)中合成蔗糖。C3循環(huán)變化簡圖：GALPGALP第12頁/共24頁3.卡爾文循環(huán)的貯能情況：每固定3分子二氧化碳，要6個NADPH分子和9個ATP分子，形成1個GALP分子。第13頁/共24頁（二）C4途徑1.C4途徑，是甘蔗、玉米等植物在卡爾文循環(huán)前附加的固定二氧化碳途徑。2.C4途徑的過程：羧化——轉(zhuǎn)移——脫羧與還原——再生葉肉細胞胞質(zhì)中的PEP為二氧化碳受體，在PEPC作用下，生成OAA，OAA被還原為蘋果酸或天冬氨酸，之后被運輸?shù)骄S管束鞘細胞中去。再脫羧釋放出CO2進入C3途徑，形成的Pyr運回到葉肉細胞再合成PEP。

優(yōu)點：可以在很低的濃度下固定CO2，促進C3循環(huán)的進行。第14頁/共24頁（三）景天酸代謝景天科植物酸代謝過程（CAM途徑）：晚上氣孔開放，吸進CO2，進一步還原為蘋果酸，積累于液泡中；白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸氧化脫羧，放出CO2，參與卡爾文循環(huán)，形成淀粉等。這種植物體內(nèi)的有機酸合成日變化的代謝類型稱為景天酸代謝。如仙人掌等。第15頁/共24頁四、光呼吸

植物的綠色細胞依賴光照，放出CO2和吸收O2的過程，被稱為光呼吸。一般生活細胞的呼吸在光照或黑暗中都可以進行，對光照沒有特殊要求，這種呼吸相對地稱為暗呼吸，通常所說的呼吸就是指暗呼吸。第16頁/共24頁（一）光呼吸的生化途徑1.進行部位：葉綠體、線粒體、過氧化體2.底物：乙醇酸3.生化過程：（1）葉綠體內(nèi)：RuBP+氧+水——2-磷酸乙醇酸2-磷酸乙醇酸+水——乙醇酸+磷酸（2）過氧化物酶體內(nèi)：乙醇酸+氧——乙醛酸+過氧化氫乙醛酸+谷氨酸——甘氨酸+a-酮戊二酸（3）線粒體：甘氨酸——絲氨酸+二氧化碳（4）過氧化物酶體：絲氨酸——羥基丙酮酸——甘油酸（5）葉綠體：甘油酸——3-磷酸甘油酸，進入卡爾文循環(huán)第17頁/共24頁思考：在整個循環(huán)中氧的吸收發(fā)生于哪些細胞器？二氧化碳的釋放又發(fā)生于哪些細胞器？4.光呼吸的調(diào)節(jié)與外界條件密切有關(guān)（1）首先是氧及二氧化碳的濃度，二氧化碳抑制光呼吸而促進光合作用，氧則抑制光合作用而促進光呼吸；（2）隨著光強、溫度和PH的增高，光呼吸也加強，其實質(zhì)也是二氧化碳和氧對RuBP的競爭。第18頁/共24頁5.光呼吸的生理功能光呼吸釋放的CO2量占光合作用CO2固定量的20～27％，也就是把光合作用固定四分之一左右的碳又變成CO2釋放出去。光呼吸是一個消費過程。（1）回收碳素：回收乙醇酸中3/4的碳素；（2）近年來不少人認為光呼吸可保護光合器免受傷害。在干旱和高輻射期間，氣孔關(guān)閉光合組織合成乙醇酸，并使光呼吸的CO2重新固定，消耗過剩的光能，保護葉綠體免受傷害。（3）磷酸丙糖和氨基酸合成的補充途徑第19頁/共24頁1.概念：C3植物（最初產(chǎn)物為3-磷酸甘油酸）、C4植物（最初產(chǎn)物為草酰乙酸）2.C4植物比C3植物具有較強的光合作用，其原因主要從兩個方面來探討：（1）從結(jié)構(gòu)上看：

C4植物葉片的維管束薄壁細胞較大，其中含有許多較大的葉綠體，葉綠體沒有基?；蚧０l(fā)育不良；維管束鞘的外側(cè)密接一層成環(huán)狀或近于環(huán)狀排列的葉肉細胞，組成了“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)。C3植物的維管束鞘薄壁細胞較小，不含或很少葉綠體，沒有“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)，維管束鞘周圍的葉肉細胞排列松散。二、C3植物和C4植物的光合特征第20頁/共24頁C4植物進行光合作用時，只有維管束鞘薄壁細胞形成淀粉，在葉肉細胞中沒有淀粉。而水稻等C3植物由于僅有葉肉細胞含有葉綠體，整個光合過程都是在對肉細胞里進行，淀粉亦只是積累在葉肉細胞中，維管束鞘薄壁細胞不積存淀粉。（2）在生理上：C4植物一般比C3植物具有較強的光合作用，這與PEP羧化酶活性強（PEP羧化酶的活性約為RuBPC的60多倍，對二氧化碳的親合力遠遠大于RuBPC，故C4植物能利用低濃度的二氧化碳，C3植物則不能），光呼吸弱（由于提高了CO2/O2的比率）有關(guān)。3.幾個問題（1）為什么C4植物被稱作低補償植物？（2）為什么C4植物的耐旱性強于C3植物？第21頁/共24頁第22頁/共24頁五、光合作用的產(chǎn)物1.光合作用產(chǎn)物主要是糖類，包括單糖、雙糖和多糖，其中以蔗糖和淀粉最普遍。2.不同植物的主要光合產(chǎn)物不同。大多數(shù)高等植物的光合產(chǎn)物是淀粉，有些植物（如洋蔥、大蒜）的光合產(chǎn)物是葡萄糖和果糖，不形成淀粉。3.長期以來，糖類曾被認為是光合作用的唯一產(chǎn)物，而其他物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、脂肪和有機酸）是植物利用糖類再度合成的。的確，這些物質(zhì)一部分是再度合成的，