植物生理学-光合作用-课件

第四章光合作用1PPT课件第四章光合作用地球上生命的故事如同地球本身的故事一样是从太阳开始的光合作用的一般概念叶绿体及其色素光合作用机制1—光反应光合作用机制2—CO2的固定和还原影响光合作用的因子2PPT课件碳素营养方式碳素是植物体内含量最多的一种元素，一切有机物都是在碳素骨架的基础上形成的，因此碳素营养是植物生命活动的基础。按碳素营养方式的不同，植物可分为两种：异养植物：利用现成有机物质生存，包括大部分微生物和少数高等植物。自养植物：把无机碳转化成有机碳供自身利用，包括绝大部分高等植物。3PPT课件碳素同化作用自养植物吸收无机碳（CO2）转变成有机物质的过程称为植物的碳素同化作用（Carbonassimilation）。自然界的碳素同化有三种类型：

植物的光合作用、细菌的光合作用和化能合成作用4PPT课件碳素同化作用细菌光合作用

红硫细菌：CO2+2H2S(CH2O)+2S+H2O

红色非硫细菌：

CO2+2（CH3）2CHOH（CH2O）+2（CH3）2C=O+H2O化能合成作用

亚硝化细菌：2NH3+3O22HNO2+2H2O

硝酸细菌：2HNO2+O22HNO3绿色植物光合作用

CO2+2H2O*（CH2O）+O2*+H2O5PPT课件§1光合作用的一般概念6H2O+6CO2C6H12O6+6O2ΔG0'=686千卡hγ概念：绿色植物吸收光能，将CO2和H2O同化为有机物，并释放O2的过程6PPT课件光合作用的意义自然界最大规模的物质转变自然界规模巨大的能量转变对环境的维持和保护带动了自然界其他物质的循环理论和实践的重大意义7PPT课件§2叶绿体及其色素叶绿体的结构及化学组成叶绿体中的色素叶绿素的光学特性叶绿素的形成8PPT课件一、叶绿体的结构和化学组成

叶绿体的形状、大小和数目9PPT课件叶绿体的结构及化学组成双层膜包被基质(间质)基粒类囊体基粒类囊体基质类囊体10PPT课件11PPT课件2.叶绿体的结构叶绿体外被（双层膜，外膜透性大，内膜有选择透性）内容物液态基质绿色层膜系统可溶性蛋白（酶）、DNA、RNA、核糖体、糖类、亲锇颗粒（脂类）等基质片层（基质类囊体）基粒基粒类囊体10~10012PPT课件3叶绿体的化学组成水75%~78%干物质中:

蛋白质30%~50%—酶及结构基础

脂类(含色素)20%~30%—膜，光反应的场所

色素8%—光能的吸收和转换，存在于膜系统中

无机盐10%—Fe、Cu、Zn、K、P、Ca、Mg等

糖10%~20%—贮藏物及反应中间物

DNA、RNA、核糖体—相对独立的遗传体系13PPT课件二叶绿体中的色素包括叶绿素类、类胡萝卜素类和藻胆素类叶绿素类：叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c，d类胡萝卜素类：叶黄素和胡萝卜素叶黄素C40H56O2胡萝卜素C40H5614PPT课件植物的叶色是由叶片中各色素的相对含量决定的，除取决与叶绿体色素外，也与细胞中花青素含量有关。花青素的合成与胞内可溶性糖累积有关叶绿素类/类胡萝卜素类≈3/1chla/chlb≈3/1叶黄素/胡萝卜素≈2/115PPT课件1叶绿素的结构及理化性质

chla的分子结构示意

16PPT课件叶绿素三维结构四个吡咯环通过四个甲烯基

连接成的卟啉环17PPT课件

18PPT课件2.类胡萝卜素（carotenoids）高等植物叶绿体中类胡萝卜素有两种：胡萝卜素（carotene）和叶黄素（xanthophyll）；类胡萝卜素不溶于水，溶于有机溶剂；颜色：胡萝卜素是橙黄色；叶黄素是黄色；结构：19PPT课件两种类胡萝卜素结构区别C40H56

C40H56O2

20PPT课件叶绿素的理化性质溶解特性：含有长的叶醇烃链，具脂溶性皂化反应：叶绿素是二羧酸酯取代反应：卟啉环中的镁不稳定，可被质子取代——去镁叶绿素，进而可形成铜代叶绿素21PPT课件三、叶绿素的光学特性22PPT课件叶绿体色素吸收光波后所呈现的吸收光谱。23PPT课件24PPT课件叶绿素的吸收光谱

chla：430nm、

663nm；

chlb：453nm、

645nm25PPT课件

类胡萝卜素只在蓝紫光区有强吸收，且范围较宽（400~500nm），故呈黄色。26PPT课件叶绿素的荧光现象和磷光现象荧光现象：叶绿素溶液在透射光下呈绿色，反射光下呈红色磷光现象：叶绿素溶液当去掉光源后，还能继续辐射出极微弱的红光第二单线态第一单线态三线态吸收蓝光吸收红光荧光热磷光热能量基态E027PPT课件

荧光现象和磷光现象荧光现象：叶绿素溶液在透射光下呈翠绿色，在反射光下呈棕红色的现象。28PPT课件四叶绿素的形成活体内叶绿素代谢旺盛叶绿素的生物合成途径影响叶绿素形成的条件光照温度营养元素氧水分叶色和叶绿素含量是反映植物植物营养和生长状况的一个灵敏指标29PPT课件叶绿素的生物合成叶绿素生物合成的途径谷氨酸α-酮戊二酸二氧戊酸胆色素原卟啉原类卟啉原Mg-原卟啉Mg叶绿素酸酯叶绿素a原脱植基叶绿素光30PPT课件★★★影响叶绿素生物合成的因素最重要的是植物自身的遗传因素（1）光照：叶绿素生物合成以及叶绿体片层膜系统发育的必需条件。

（2）温度：影响参与叶绿素生物合成酶系的活性。

（3）氧气：通过影响呼吸作用而影响叶绿素合成所需的能量（ATP）。

（4）矿质元素：缺乏N、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn等元素时植物会表现出缺绿症。

（5）水分：缺水抑制叶绿素的合成，加速分解，导致叶片失绿。

其他：叶绿素自身代谢受营养状况影响。31PPT课件§3 光合作用的机理光合作用包括三大反应步骤1原初反应：包括光能的吸收，传递和转换过程，把光能转变为电能2电子传递与光合磷酸化：将电能转化为活跃的化学能，生成ATP、NADPH3碳同化：利用ATP、NADPH，同化CO2生成碳水化合物，把活跃的化学能转变为稳定的化学能并贮存起来32PPT课件光合作用包括两大反应过程光反应:是必须在光下才能进行的，由光所引起的光化学反应，包括原初反应、光合电子传递和光合磷酸化两大步骤；在基粒类囊体（光合膜）上进行。暗反应:是在暗处（也可以在光下）进行的，由若干酶所催化的酶促反应，主要是碳同化反应，在叶绿体间质（叶绿体的可溶部分）中进行。33PPT课件光合作用能量转变概况能量转变能量载体能变过程反应部位反应属性光能电能活跃化学能稳定化学能光量子电子ATPNADPH糖等有机物原初反应电子传递光合磷酸化碳同化基粒类囊体基粒类囊体叶绿体间质光反应光反应暗反应34PPT课件35PPT课件一、原初反应原初反应（primaryreaction）是光合作用的第一幕，包括光能的吸收、传递和转换（光化学反应）。原初反应的速度极快，仅10-15s～10-9s，一闪而过，给研究上带来了很多困难。

36PPT课件1.光合单位色素蛋白复合体中的光合色素可以吸收不同波长的光能，但只有少数的、在作用中心处于特殊状态的叶绿素a分子才能进行光化学反应，其余色素将所吸收的光能传递给作用中心的叶绿素a分子而起反应。就此可以将其分为两类：反应中心色素：指少数具有光化学活性，能将获得的光能进行电荷分离，直接参与光化学反应的特殊状态的叶绿素a分子。聚光色素：没有光化学活性，不直接参与光化学反应，将吸收的光能以诱导共振方式传递给作用中心色素的叶绿体色素分子，包括大部分叶绿素a和全部其它光合色素。光合单位=聚光色素系统＋反应中心37PPT课件光合色素光能激发和传递机理波长在400~700nm的可见光照射植物时，存在于类囊体膜上的光合色素吸收一定波长的光子后被激发。其机理类似于光电效应光量子在色素分子之间以诱导共振的方式进行传递。能量可在相同或不同分子间传递，且传递效率很高。类胡萝卜素chla传递效率：90%chlbchla效率：100%38PPT课件光电效应金属中自由电子，在具有较高能量的高频短波光照射下，吸收光能逸出金属表面的现象。如果有电场加速，则飞向阳极，形成线路中的电流。39PPT课件

作用中心色素蛋白复合体作用中心（reactioncentre）是指存在于类囊体膜上能进行原初反应的最基本的色素蛋白结构。要完成固定光能并转换为电能，它至少应有一个原初电子供体（D）、一个原初电子受体（A）和一个作用中心色素分子（P）组成。hvD·P*·AD·P+·A-D+·P·A-D·P·A

作用中心这种特殊的蛋白色素结构有序地排列在片

层膜上，能引起由光激发的氧化还原反应，因而具

有电荷分离和能量转换的功能。40PPT课件原初反应能量吸收、传递与转换图解41PPT课件2.两个光系统

（1）实验证据之一：红降现象42PPT课件（2）实验证据之二：双光增益效应（Emerson effect）43PPT课件红降与爱默生效应A.红降B.补充波长

650nm的光44PPT课件实验证明：光合作用过程中存在着两个不同的光化学反应，通过不同的色素系统串联起来协同完成。这两个光系统分别被称为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ，二者都是镶嵌在光合膜上的色素蛋白复合体颗粒，含有聚光色素和作用中心色素。但二者所处位置、组成成分和功能都各不相同。45PPT课件46PPT课件两个光系统及其作用中心色素PSII：分布在类囊体膜的内侧，直径为175Å

。其作用中心色素分子吸收峰为680nm称为P680，其主要特征是水的光解和氧气释放，并将电子传递给PSI

（D：原初电子供体H2O，光反应电子传递起点；P：P680；A：PSI）PSI：分布在类囊体膜的外侧，直径110Å，其作用中心色素分子最大吸收高峰值在700nm，故又称之为P700，PSI的主要特征是NADP+的还原（D：P680；P：P700；A：NADPH+H+）47PPT课件每个光系统都有各自不同的聚光色素系统，都是聚光色素和蛋白质结合构成的色素蛋白复合体（lightharvestingcomplex；缩写为LHC）；按所处光系统的不同称之为LHCI和LHCII。两个光系统的聚光色素蛋白复合体48PPT课件类囊体膜上的其他超分子蛋白复合体除了PSⅠ和PSⅡ外，近年来还从叶绿体类囊体膜分离出另外两种复合体，即细胞色素复合体和ATP酶复合体。细胞色素复合体含有细胞色素b6、细胞色素f及铁硫蛋白。49PPT课件在光合链中，既可传递电子，又可传递质子，其氧化还原反应：氧化还原电位约为0.1伏。氧化型的PQ从类囊体膜的靠外一侧接受电子，并与膜外质子结合，尔后向内扩散，在膜内侧被细胞色素f氧化，交出电子，同时把质子释放到膜内腔。即伴随PQ氧化和还原作用，使质子从膜外横渡膜进入膜