[理学]第五章：光合作用.ppt

第9章- 光合作用 本章内容提要 1) 叶绿体的结构 2) 光合作用发生的场所 3) 光合作用吸收的光譜与水的分解 4) 光合作用中电子的传递 5) 光合作用系统I和光合作用系统II 6) 光合磷酸化 7) 光合作用暗反应 8) 旱生植物的C4路线 光合作用 光合作用是绿色植物通过叶绿体，利用可见光中的光能，把二氧化碳和水合成为储存能量的糖类（通常指葡萄糖），并且释放出氧气的过程。 光合作用的几个要素 1) 太阳能 (提供能量) 2) 二氧化碳 (提供碳素) 3) 水 (提供电子) 4) 叶绿体 (光合作用场所) 光合作用利用的太阳能 1) 每年照射到地球上的日光能约5.2 x 1021 kJ, 其中0.05%,即1.3 x 1018 kJ进入有机分子. 2) 陆地植物每年固定的CO2量约1.55 x 1011吨, 占总量61%, 水生植物占39%. 3) 全球每年消耗的矿物燃料约3 x 109吨, 为光合作用的2%. 4) 总体上说, 光合作用利用太阳能的效率比较低,一般 光合作用的效率在0.5%-1.5%, 照射在植物叶片上的光能绝大部分未被利用. 地球大气中的二氧化碳 地球大气由77％的氮，21％氧，微量的氩、二氧化碳(0.03%)和水组成。地球最初形成时，大气中可能存在大量二氧化碳，随后几乎都被组合成了碳酸盐岩石，少部分溶入了海洋或给活着的植物消耗了。如果把空气中二氧化碳的含量从0.03%提高到0.09%，水稻可以增产29% 大气中稳定存在的少量二氧化碳通过温室效应对维持地表气温有极其深远的重要性。温室效应使平均表面气温提高了35摄氏度（从-21℃升到适人的14℃）；没有它海洋将会结冰，而生命将不可能存在. 大氣層中的二氧化碳雖然不會吸收從太陽而來的輻射能，卻可以吸收紅外线辐射能量。當陽光透過大氣層而抵達地面，繼而被地面吸收，然後以紅外線的形式釋放出來時，其中部分會被二氧化碳吸收，熱量也就在大氣空間積累起來，當大氧層中的二氧化碳含量越多，被吸收的紅外線也就越多，地球表面的溫度亦隨即向上攀升。 植物的光合作用 光能与碳素固定 光反应与暗反应 光合作用的底物与产物 确定O2 的来源 叶绿体可吸收光能 自然光与叶绿素的互作 叶绿素的吸收光譜 叶绿素的结构 光能截获 光能在天线分子之间的传递 1) 色素分 子吸收的光 能通过天线 分子传 递到 反应中心. 2) 天线分子 也是色素分 子, 吸收的 光能通过电 子共振的方 式将能量在 相邻的色素 分子间传递, 直至反应中 心,使电子跃 迁高能阶. 水分子光解 水光解图解: 1)叶绿素P680吸收光能, 促使电子跃迁转移到褐藻素; 2) 失去电子的P680处于极强的氧化状态,需要补充电子; 3) PSII反 应中心内膜腔一侧的Mn簇原子促使水分解,并将水分子中氢原子 的电子转移到PSII反应中蛋白D1的酪氨酸残基(Z), 再由Z将电子 转移给P680, 使其还原. 质子(H+)则释放到内膜腔基质中. 4) 失去 氢原子的水分子中的氧原子彼此结合形成氧分子. 因此水分的光 解是一个放氧的过程. (注:该模型主要参考蓝细菌的资料.) 光合作用机制---吸能与水光解 1）光合系统II吸收光能，反应中心叶绿素P680中 的电子被激发进入很高的能阶，并被初始电子 受体捕获。被氧化的叶绿素成为极强的氧化 剂。 2) 光合系统II中的酶可从水分子中获取电子用于 还原叶绿素, 这一过程将水分子裂解成两个质 子和一个氧原子。裂解的氧原子立即与另一个 氧原子结合形成O2，这是一个放氧过程。解离 的质子释放到膜间区基质. 光合作用中电子传递的之字路线-非环路光合磷酸化途径 光合作用电子传递的之字路线: 电子传递依次经过两个光合系统, 即PSII和 PSI, 伴随两次电子势能的增高和降低: 1) 在光合系统PSII中, P680吸收光能将电子激发达到高能阶P680+, 然后电子通过传递链Pheo—PQA—PQB—Cytb6f转移到PSI的P700色素分子. 电子传递过程中势能下j降伴随质子跨膜运动. 2) 到达PSII系统P700的电子, 在PSII反应中心又一次受光能激发跃迁到一个高能阶(P700+), 随后又通过PSI电子传递链A0--A1—Fe-S—Fd, 伴随质子跨膜运动最终将电子交给NADP+, 并将其还原为NADPH. 环路光合磷酸化途径—电子传递 光合作用机制---电子转移 P680---QH2---Cytochrome b/f 1）光能激发的电子在反应中心转移到光合系统I