有 收 无 收 在 于 水 收 多 收 少 在 于 肥 ? 万 物 生长 靠 太阳

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有 收 无 收 在 于 水 收 多 收 少 在 于 肥 ? 万 物 生长 靠 太阳. 第三章 植物的光合作用. 本章重点 : 1. 光合作用的机理 2.C3 和 C4 植物的异同 3. 影响光合作用的因素. §3-1 光合作用及生理意义. 细菌光合作用 : 利用光能,以某些无机物或有机物作供氢体,把 CO 2 合成有机物的过程。. CO 2 +2H 2 S 光 红硫细菌 (CH 2 O)+2S+H 2 O. 绿色植物 :. CO 2 + H 2 O 光 绿色植物 (CH 2 O) + O 2. - PowerPoint PPT Presentation

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有收无收在于有收无收在于水水

收多收少在于肥收多收少在于肥

? 万物生长靠太阳万物生长靠太阳

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第三章 植物的光合作用第三章 植物的光合作用

本章重点本章重点 ::

1.1. 光合作用的机理光合作用的机理 2.C32.C3 和和 C4C4 植物的异同植物的异同 3.3. 影响光合作用的因素影响光合作用的因素

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§3-1 光合作用及生理意义

化能合成作用 化能合成作用 :: 不含色素的好气性细菌,利用氨不含色素的好气性细菌,利用氨等物质氧化放出的化学能同化等物质氧化放出的化学能同化 CO2CO2

CO 2 + H 2 O 光 绿色植物 (CH 2 O)+ O 2

绿色植物 绿色植物 ::

CO 2 +2H 2 S 光 红硫细菌 (CH 2 O)+2S+H 2 O

细菌光合作用细菌光合作用 :: 利用光能,以某些无机物或有机物作供氢体,把 CO 2合成有机物的过程。

2NH3+3O2 亚硝酸细菌 2HNO2+2H2O+158千卡

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一、光合作用的定义

指绿色植物吸收光能把 CO 2和水合成有机物,同时释放氧气的过程。

CO 2 + H 2 O 光 绿色植物 (CH 2 O) + O2

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• 二、光合作用的意义光合作用的意义

1. 把无机物变为有机物

2. 把太阳能转变为可贮存的化学能

3. 维持大气中 O2 和 CO2 的相对平衡

4. 光合作用的碳循环过程,带动了自然界其他元素的循环

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叶绿体随光照的方向和强度而运动

侧视图

§3-2 叶绿体及光合色素一、叶绿体

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叶绿体的基本结构叶绿体的基本结构

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二、光合色素光合色素:指植物体内含有的具有吸收光能

并将其用于光合作用的色素。

三大类

叶绿素

类胡萝卜素

藻胆素

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卟啉环卟啉环

叶绿醇叶绿醇

(一)叶绿素结构

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(二)叶绿素的性质(二)叶绿素的性质

研磨法提取研磨法提取光合色素光合色素

11 、理化性质、理化性质

问题:为什么不用 100%丙酮提取?

1 )叶绿素是一种酯,因此不溶于水,而溶于有机溶剂。通常用 80% 的丙酮或丙酮与乙醇的混合液来提取叶绿素。

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向叶绿素溶液向叶绿素溶液中放入两滴中放入两滴 55%盐酸摇匀,%盐酸摇匀,溶液颜色的变溶液颜色的变为褐色为褐色

当溶液变褐当溶液变褐色后,投入色后,投入醋酸铜粉末,醋酸铜粉末,微微加热,微微加热,形成铜代叶形成铜代叶绿素绿素

2 )皂化反应

3 )取代反应 卟啉环中的镁离子可被 H +、Cu2 +、 Zn +所置换。用酸处理叶片, H +易进入叶绿体 , 置换其中的镁离子,形成褐色的去镁叶绿素,使叶片呈现褐色。去镁叶绿素容易再与铜离子结合,形成铜代叶绿素,颜色比原来更鲜艳稳定。

根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。

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吸收光谱:由于叶绿素有很明显的吸收能力,使有些波长的光被叶绿素溶液吸收而出现暗带,这种光谱称吸收光谱。

2. 光学性质

分光仪分光仪光源

叶绿体色素叶绿体色素三角棱镜三角棱镜

(( 11 )具有吸收光谱)具有吸收光谱

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blue red

% o

f li

ght

abso

rbed

by

chlo

roph

yll

green

叶绿素的吸收波谱

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( 2 )荧光现象和磷光现象 荧光 (fluorescence) 现象:

叶绿素的提取液,在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色的现象。

事实上红色并不是叶绿素溶液放射出来的光而是受光激发发射出的荧光。

磷光 (phosphorescence) 现象:

从第三线态回到基态时所发出的光。

荧光现象与磷光现象产生的原因

叶绿素分子受光后激发,由基态跃迁到激发态,激发态的色素分子不稳定,回到基态时 , 以光子的形式释放能量。

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(三)叶绿素的生物合成

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(四)影响叶绿素形成的条件

1 、光 光是影响叶绿素形成的主要条件。从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光,而光过强,叶绿素又会受光氧化而破坏。

黑暗中生长的幼苗呈黄白色,遮光或埋在土中的茎叶也呈黄白色。这种因缺乏某些条件而影响叶绿素形成,使叶子发黄的现象,称为黄化现象。

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2 、 温度 叶绿素的生物合成是一系列酶促反应,受温度影响。

叶绿素形成的最低温度约 2℃ ,最适温度约30 ,℃ 最高温度约 40 ℃ 。

受冻的油菜

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33 、 营养元素 、 营养元素 氮和镁是叶绿素的组成成分,铁、锰、铜、锌等则在叶绿素的生物合成过程中有催化功能或其它间接作用。

缺 N 老叶发黄枯死,新叶色淡 , 生长矮小,根系细长,分枝(蘖)减少。

缺 N CK

萝卜缺 N 的植株老叶发黄

缺 N

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棉花缺棉花缺 MgMg 网状网状脉脉

苹果缺苹果缺 FeFe 新叶脉间失新叶脉间失绿绿

黄瓜缺锰叶脉间黄瓜缺锰叶脉间失绿失绿

柑桔缺柑桔缺 ZnZn小叶症 伴脉间失绿小叶症 伴脉间失绿

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4 、水分

缺水影响叶绿素的合成速率,并促进叶绿素的分解,故缺水会导致叶黄。

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55 、 遗传 、 遗传 叶绿素的形成受遗传因素控制,如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。有些病毒也能引起斑叶。

吊兰吊兰

海棠海棠

问题:指出植物有哪些黄化现象,并分析产生的原因。

花叶花叶

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(五)类胡萝卜素 (carotenoid)

是由 8 个异戊二烯形成的四萜,含有一系列的共轭双键,分子的两端各有一个不饱和的取代的环己烯,也即紫罗兰酮环,类胡萝卜素包括胡萝卜素 (C40H56) 和叶黄素 (C40H56O2) 两种。

3

( 紫罗兰酮环 )环己烯

橙黄色

黄色

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• 类胡萝卜素的功能 :

• 1. 收集光能的作用

• 2 进行光保护

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§3.3 §3.3 光合作用的机理光合作用的机理

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一一、 原初反应原初反应 是指从光合色素分子被光激发,

到引起的起始反应。它包括: 光能的吸收、传递和光化学反应

原初反应特点 1)速度非常快,可在皮秒 (ps , 10 - 12s)与纳

秒 (ns, 10 - 9s)内完成; 2)与温度无关,可在- 196 (77K℃ ,液氮温

度 ) 或- 271 (2K℃ ,液氦温度 ) 下进行; 3)量子效率接近 1 由于速度快,散失的能量少,

所以其量子效率接近 1 。

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反应中心色素反应中心色素::少数特殊状态的少数特殊状态的 chl achl a 分分子,它具有光化学活性,接受光能子,它具有光化学活性,接受光能 ,, 进行电荷分进行电荷分离离 ,, 直接参与光化学反应的色素直接参与光化学反应的色素 ..

反应中心色素分子有反应中心色素分子有 22 种:种: P680P680 和和 P700P700 。。 680680

和和 700700 分别为其吸收光能的峰值波长分别为其吸收光能的峰值波长

聚光色素(天线色素)聚光色素(天线色素)::没有光化学活没有光化学活性,只有收集光能的作用,包括大部分性,只有收集光能的作用,包括大部分 chla chla 和和全部全部 chlbchlb 、全部类胡萝卜素。、全部类胡萝卜素。

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激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子,它能转移能量但不能转移电荷。

在由相同分子组成的聚光色素系统中,其中一个色素分子受光激发后,高能电子在返回原来轨道时也会发出激子,此激子能使相邻色素分子激发,即把激发能传递给了相邻色素分子,激发的电子可以相同的方式再发出激子,并被另一色素分子吸收,

这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。

激子传递激子传递

(一)光能的吸收与传递

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共振传递共振传递 在色素系统中,一个色素分子吸

收光能被激发后,其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动 ( 共振 ) ,当第二个分子电子振动被诱导起来,就发生了电子激发能量的传递,第一个分子中原来被激发的电子便停止振动,而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态,第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。

共振传递示意图

在共振传递过程中,供体和受体分子可以是同种,也可以是异种分子。分子既无光的发射也无光的吸收,也无分子间的电子传递 。

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(二)光化学反应

( 一 ) 反应中心与光化学反应1. 反应中心 原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心进行

的。

反应中心是发生原初反应的最小单位,它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子供体等电子传递体 .

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2. 光化学反应

原初反应的光化学反应是指由反应中心色素分子吸收光能所引起的一类氧化还原反应,可用下式表示光化学反应过程: P·A hυ P*·A P+·A -

基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 D· 〔 P+·A -〕 ·A1 D+· 〔 P·A 〕 ·A1

- 这一过程在光合作用中不断反复地进行,从而推

动电子在电子传递体中传递。

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• 红降现象• 用波长大于 685nm(远红光 ) 照射材料时 ,虽然仍被叶绿

体大量吸收 ,但量子产额急剧下降 , 这种现象被称为红降现象(red drop) 。

• 双光增益效应或爱墨生效应 在远红光 ( 波长大于 685nm) 条件下 ,如补充红光 ( 波长

650nm),则量子产额大增 , 比这两种波长的光单独照射的总和还要大。这样两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱墨生效应 (Emerson effect) 。

• 光系统 完成光能发吸收、传递和转换成电能的所有的色素分

子及其蛋白结构合称为一个光系统。包括反应中心和捕光色素复合体

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• PSⅠPSⅠ 和和 PSⅡPSⅡ 的光化学反应的光化学反应• PSⅠ 的原初电子受体是叶绿素分子 (A0) , PSⅡ 的

原初电子受体是去镁叶绿素分子 (Pheo) ,它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子

• PSⅠ 的原初反应: • P700·A0 hυ P700*· A 0 P700 + ·A0 - • PSⅡ 的原初反应: • P680·Pheo hυ P680*·Pheo P680

+·Pheo-

• 在原初反应中,受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子,完成了光→电转变,随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。

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功能与特点 ( 吸收光能 光化学反应 )

电子最终供体

次级电子供体

反应中心色素分子 原初电子供体

原初电子受体

次级电子受体

末端电子受体

PSⅠ 还原 NADP+

,实现 PC到 NADP+ 的电子传递

PC P700 叶绿素分子 (A0)

铁硫中心

NADP+

(电子最终受体 )

PSⅡ 使水裂解释放氧气,并把水中的电子传至质体醌。

水 YZ P680 去镁叶绿素分子(Pheo)

醌分子 (QA)

质体醌 PQ

PSⅠPSⅠ 和和 PSⅡPSⅡ 的电子供体和受体组成的电子供体和受体组成

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二、 电子传递和光合磷酸化原初反应的结果 : 使光系统的反应中心发生电荷分离,产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递。

电子传递的结果 : 一方面引起水的裂解放氧以及NADP+ 的还原; 另一方面建立了跨膜的质子动力势,启动了光合磷酸化,形成ATP。 这样就把电能转化为活跃的化学能。

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(一)电子和质子的传递1. 光合链 指定位在光合膜上的,由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。 希尔 (1960) 等人提出并经后人修正与补充的“ Z”方案。

即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的,电子传递体按氧化还原电位高低排列,使电子传递链呈横写的“ Z”形。

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• 根据电子在 Fd 分岔口后传递的途径 , 将光合电子传递分为三种类型 :

• (1)非环式电子传递 • 指水中的电子经 PSⅡ和 PSⅠ 一直传到 NADP +

的电子传递。• H2O→PS →PQ→Cytb/Ⅱ

f→PC→PS →Fd→FNR→NADPⅠ + NADPH

• 按非环式电子传递,每传递 4个电子,分解 2分子 H2O ,释放 1 个 O2 ,还原 2 个 NADP +,需要吸收 8个光量子,量子产额为 1/8 。同时运转 8 个 H +进入类囊体腔。

3.电子传递的类型

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• (2) 环式电子传递 • 指 PSⅠ 中电子传给 Fd, 再到 Cytb6/f复合体 ,

然后经 PC返回 PSⅠ 的电子传递。 PS → Fd Ⅰ→PQ→ Cyt b 6 /f → PC → PSⅠ

• (3)假环式电子传递 • 指水中的电子经 PSⅡ和 PSⅠ传给 Fd 后不交

给 NADP +而传给 O2 的电子传递。氧作为电子受体的反应叫做Mehler 反应。 H2O→PS →PQ→Cytb/Ⅱf→PC→PS →Fd →OⅠ 2

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二 . 光合磷酸化

光下在叶绿体 ( 或载色体 ) 中发生的由 ADP与 Pi 合成 ATP 的反应称为光合磷酸化。

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( 一 ) 光合磷酸化的类型1 . 非环式光合磷酸化 与非环式电子传递偶联产生 ATP 的反应。 非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。

2NADP+ + 3ADP + 3Pi 8hυ 叶绿体 2NADPH + 3ATP

+ O2+2H+ +6 H2O

在进行非环式光合磷酸化的反应中,体系除生成ATP外,同时还有 NADPH 的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有,它在光合磷酸化中占主要地位。

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2 .环式光合磷酸化 与环式电子传递偶联产生 ATP 的反应。 ADP + Pi 光 叶绿体 ATP + H 2O 环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式,主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始,在高等植物中可能起着补充ATP 不足的作用。

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3 . 假环式光合磷酸化 与假环式电子传递偶联产生 ATP 的反应。此

种光合磷酸化既放氧又吸氧,还原的电子受体最后又被氧所氧化。    

H2O+ADP + Pi 光 叶绿体 ATP +O2

-.+ 4H+

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• 电子传递与光合磷酸化的结果

ATP 和 NADPH 是光合作用中重要的中间产物。一方面两者都能暂时将能量(活跃的化学能)贮存 , 并向下传递 ;另一方面 NADPH 的H又能进一步还原 CO2, 这样就把光反应和暗反应联系起来了。由于 ATP 和 NADPH 在暗反应用于 CO2 的同化 ,故合称为同化力。

产生 ATP 和 NADPH 。