1 / 61

第 三 章 維持生命現象的能量

第 三 章 維持生命現象的能量. 第一節 能量的來源 第二節 能量的傳遞 第三節 能量的去處 探討活動 3-1 　光合色素之層析分離 探討活動 3-2 　光反應的還原作用. 前 言. 生物體需由環境取得 能量 並加以利用，才能 進行各種生理活動，如合成細胞的成分、輸 送物質進出細胞、運動與繁殖等。以人類為 例，即使是睡眠中，也需要消耗能量以維持 呼吸、心跳與新陳代謝。. 第三章 課程概念. 第三章 第一節. 能量的來源. 課程概念. 能量的來源. 能量與養分的獲取. ATP. 光合作用. 自營生物.

colorado-massey
Download Presentation

第 三 章 維持生命現象的能量

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第三章維持生命現象的能量 第一節 能量的來源 第二節 能量的傳遞 第三節 能量的去處 探討活動 3-1　光合色素之層析分離 探討活動 3-2　光反應的還原作用

  2. 前 言 • 生物體需由環境取得能量並加以利用，才能 • 進行各種生理活動，如合成細胞的成分、輸 • 送物質進出細胞、運動與繁殖等。以人類為 • 例，即使是睡眠中，也需要消耗能量以維持 • 呼吸、心跳與新陳代謝。

  3. 第三章 課程概念

  4. 第三章 第一節 能量的來源

  5. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 光反應 卡爾文循環 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  6. 異營生物 自營生物 消費者 生產者 分解者 異營生物 壹、能量的來源 植物 雞、豬、牛 人 細菌、真菌

  7. 生物的營養方式 • 自營生物 (以無機物作為能量來源) • 光合自營：能源—光，碳源—CO2 如：植物、藻類、綠硫菌等 • 化學自營：能源—無機化合物，碳源—CO2 無機化合物氧化→e-、H+→電子傳遞鏈→ATP 如：硝化細菌、硫細菌等 • 異營生物 (以有機物作為能量來源) • 能源—有機化合物，碳源—有機化合物 • 如：多數細菌、真菌、動物等

  8. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 光反應 卡爾文循環 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  9. 貳、ATP的構造與功能 • 一.三磷酸腺苷 (ATP) • (一)功能：所有生物細胞暫時儲存與提供能量 • 的分子 • (二)組成：腺嘌呤、核糖、三個磷酸基 • (三)結構：

  10. 貳、ATP • (四)能量貨幣－ATP • 1. ATP 三個磷酸基之間的兩個高能鍵： • 蘊藏能量的鍵結 • 2.當細胞需要能量時，通常ATP會水解成： • 二磷酸腺苷(ADP) • 磷酸根(Pi) (high-energy bond) ＋ 釋出能量 動畫：細胞的能量貨幣ATP

  11. 知識補給站 - 1 • ※三磷酸核苷參與細胞的需能反應 • 1. ATP 水解生成較穩定的產物 ADP 與 Pi ，因而釋出大量的自由能，可供細胞驅動許多需能反應。 • 2.其他三磷酸核苷如GTP、CTP 與 UTP 等，也具有由三個磷酸基連接形成的高能鍵，與 ATP 有類似的功能，分別在細胞合成蛋白質、脂質與醣類時提供能量。

  12. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 光反應 卡爾文循環 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  13. 參、光合作用 光 • 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O • 光反應 • 於光照下、囊膜上進行 • 將光能轉變為化學能(ATP、NADPH) • 暗反應（碳反應） • 不需光照、於基質中進行 • 將CO2固定為醣類 葉綠素

  14. 光 CO2 NADP+ ADP ATP NADPH O2 醣類 H2O 光反應 暗反應 光合作用流程圖

  15. 光合作用的參與者 • 光反應 • 光 • 光合色素 • 電子載體們 • ATP合成酶 • 水 • 暗反應 • 光反應的產物(ATP、NADPH) • 二氧化碳 • 酵素們 位於囊狀膜上 位於基質內

  16. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 光反應 卡爾文循環 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  17. 光 • 來自於太陽輻射能 波長 10-3 1 380 760 105 109 nm g X 微波 紫外線 紅外光 無線電波 可見光 射線 射線

  18. 光合色素的吸收光譜 葉綠素b 吸光率（ ） 葉綠素a 類胡蘿蔔素 % 波長 (nm)

  19. 如何得知植物吸收哪種光？ • 英吉曼的水綿實驗

  20. 反應中心色素 葉綠素a 葉綠素a 反應中心色素 葉綠素b 葉綠素b 類胡蘿蔔素 類胡蘿蔔素 輔助色素 光合色素 p700 p680 胡蘿蔔素 葉黃素 光系統I PSI 光系統II PSII

  21. 光系統 • 光系統(photosystem) • 1.位置：嵌埋在囊狀膜上 • 2.組成： • (1)一個反應中心 • (2)周圍數個 • 捕光複合體 • (light-harvesting • complex) (reaction center)

  22. 反應中心色素 葉綠素a 葉綠素a 反應中心色素 葉綠素b 葉綠素b 類胡蘿蔔素 類胡蘿蔔素 輔助色素 光合色素 p700 p680 胡蘿蔔素 葉黃素 光系統I PSI 光系統II PSII

  23. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 光反應 卡爾文循環 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  24. 基質 電子載體 PSII PS I 電子載體 P700 P680 H2O H2O 葉綠囊膜 基質 ATP合成酶

  25. O2 O2 1 1 2 2 NADP+ NADPH H+ H+ H+ NADP+ H+ H+ NADPH H+ H+ H+ 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- H+ H+ H+ H+ H2O 2e- 2e- H2O H+ H+ H+ H+ ATP ATP ADP+Pi ADP+Pi

  26. 光反應 ADP+Pi H2O e- e- PSI PSII NADPH 1 O2 2 ATP • 光合色素吸收光能，葉綠素激動釋出e- • 電子傳遞鏈合成ATP和NADPH • 水光解釋出氧氣、H+及e- • 葉綠素接受e-回到基態

  27. 光反應 • 光反應 • 1.定義：太陽的光能由光合色素吸收 • 並轉變為化學能 • 2.位置：葉綠體的囊狀膜 • 3.特性：需要光提供能量才能進行的反應

  28. 參、光合作用 • 科學史 • (一)1930年之前 • 生物學家對此過程的了解，是綠色植物與藻 • 類會吸收 CO2以合成醣類並釋出 O2，但仍 • 不清楚 O2是來自 CO2或是H2O 的分解。由 • 於醣類的分子式中，C 和 H2O 的比例為 1： • 1，因此，當時的生物學家們大多相信 O2 • 是 CO2分解釋出的，而剩下的 C 再與 H2O • 結合成醣類。

  29. 參、光合作用 • (二)1929 年，范尼爾 • 發現有些可行光合作用的細菌如紫硫菌可將 • CO2固定而生成醣類。當范尼爾比較綠色植 • 物與這些光合細菌的光合作用反應時，發現 • 這些細菌的光合作用是利用 H2S 產生固體的 • 硫(S)，因此推測綠色植物行光合作用時， • 釋出的 O2是來自 H2O的分解。

  30. 腦力激盪- 1 • 當范尼爾比較綠色植物與光合細菌的光合作用時，如 • 何推測綠色植物與藻類進行光合作用所釋出的 O2是 • 來自 H2O 的分解？ 提示： 范尼爾發現光照下，行光合作用的細菌可利用不同的還原劑將 CO2還原成醣類，其通式為 2H2X ＋ CO2 → 2X ＋〔CH2O〕＋ H2O。當比較綠色植物（2H2O ＋ CO2 → O2＋〔CH2O〕＋ H2O）與紫硫菌（2H2S ＋ CO2 →2S ＋〔CH2O〕＋ H2O）的光合作用反應時，推測綠色植物行光合作用時 所釋出的 O2是來自 H2O 的分解。

  31. 參、光合作用 • (三)同位素 18O 追蹤實驗 • 分別提供藻類 H218O 或 C18O2進行光合作用 • 。實驗結果證實了范尼爾的推論，即綠色植 • 物與藻類在光合作用的過程中，可將 H2O 分 • 解，抽取 H 以合成醣類並釋出 O2

  32. 腦力激盪- 2 • 當年藻類的 18O 追蹤實驗結果為何？ • 如何證實范尼爾的推論呢？ 提示：其他科學家提供藻類帶有放射性的水（H218O）時，光合作用產生的 O2具有放射性；當提供帶有放射性同位素的 CO2（C18O2）時，釋放的 O2並無放射性，此結果證實光合作用的過程中，釋出的 O2是來自 H2O 的分解。

  33. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 卡爾文循環 光反應 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  34. 暗反應(碳反應) • 利用光反應所產生的ATP和NADPH將CO2還原為單醣的過程 • 卡爾文循環三部曲～ • 固定CO2 • 合成PGAL(G3P)(磷酸甘油醛) • 再生RuBP(雙磷酸核酮醣)

  35. 中間產物 RuBP 固定CO2 O 6x ADP PGA O- 1 ATP 6x ATP 12x 3 2 再生RuBP 合成PGAL 10x 12x ADP NADPH O O 12x 2x O H H 12x NADP+ 六碳糖 PGAL H 卡爾文循環 6 x CO2 6 x 6x 12x 12x

  36. 卡爾文循環三部曲 • Step 1 固定CO2 RuBP + CO2 2PGA • Step 2 合成PGAL PGA PGAL • Step 3 再生RuBP 10PGAL 6RuBP RuBP羧化酶 NADPH ATP ATP

  37. (四)卡爾文循環 • (2)過程 • A.第一階段：固碳階段 ribulose-1,5-bisphosphate; RuBP 酵素催化→ CO2 與五碳的雙磷酸核酮糖 結合 六碳化合物 分解 兩個三碳的磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate; 3-PG)

  38. (四)卡爾文循環 • B.第二階段：還原階段 3-PG 光反應產生 ↓ 酵素催化→ ←ATP與NADPH提供能量 還原 三碳的磷酸甘油醛(G3P)

  39. (四)卡爾文循環 • C.第三階段： • 雙磷酸核酮糖的再生階段 磷酸甘油醛G3P 完成卡爾文循環 部分的 G3P 部分 G3P 逸出循環 生成 ←ATP提 供能量 磷酸果糖與磷酸葡萄糖 合成 形成 RuBP 蔗糖或澱粉等有機物

  40. 單醣的合成 果糖磷酸 葡萄糖磷酸 蔗糖或澱粉 2PGAL Pi 胺基酸 或 脂肪酸

  41. 中間產物 RuBP 固定CO2 O 6x ADP PGA O- 1 ATP 6x ATP 12x 3 2 再生RuBP 合成PGAL 10x 12x ADP NADPH O O 12x 2x O H H 12x NADP+ 六碳糖 PGAL H 卡爾文循環 6 x CO2 6 x 6x 12x 12x

  42. 暗反應： • 光反應： 光 葉綠素 6C2O+18ATP+12NADPH 果糖磷酸+ 6H2O +18ADP+17Pi+12NADP+ 6 (2H2O+2ADP+2Pi+2NADP+ O2+2ATP+2NADPH) 光合作用的反應式

  43. 光反應的電子傳遞鏈 非循環式電子傳遞鏈

  44. 循環式電子傳遞鏈 H+ H+ H+ 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- H+ H+ H2O H+ H+ H+ ATP ADP+Pi

  45. 光反應的電子傳遞鏈 • 非循環式電子傳遞鏈 • 一對電子傳遞可得1NADPH和1ATP • 循環式電子傳遞鏈 ADP+Pi H2O e- e- PSI PSII NADPH 1 O2 2 ATP e- • 電子傳遞僅得ATP • PSII未參與，無水解 ADP + Pi ATP PSI

  46. 知識補給站 - 4 • ※光呼吸(photorespiration) • 卡爾文循環的第一個反應為 CO2與 RuBP的結合， • 催化的酵素可利用 CO2或 O2，當 CO2不足而 O2 • 濃度高時， 酵素催化 O2與RuBP 間的反應， 分解 • RuBP 生成磷酸乙醇酸（2-phosphoglycolate）與 3 • - PG ， 磷酸乙醇酸最後由過氧化體氧化成 CO2與 • H2O， 過程中因消耗 O2產生CO2， 故稱為光呼吸 • 。Rubisco利用 O2並進行光呼吸時，僅一個3-PG • 產生，導致 CO2吸收累積的量減少，因此降低光 • 合作用的效率與生物量的產生。

  47. 課程概念 能量的來源 能量與養分的獲取 ATP 光合作用 自營生物 異營生物 能量代謝的循環 能量貨幣 反應場所 反應過程 固定二氧化碳類型 卡爾文循環 光反應 葉綠體 化學自營生物 光合自營生物 光合色素 光系統 C3 C4 CAM ATP ADP

  48. (五)固定 CO2的三種類型 • (五)固定 CO2 的三種類型 • 1.植物葉子的表皮外有蠟質，可保護葉肉與 • 減少水分蒸散，因此 CO2與 O2的擴散 • 必須透過氣孔 • (1)一般情況： • 白天陽光照射→保衛細胞膨壓↑→氣孔開 CO2進入→卡爾文循環 水分蒸散

More Related