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植物光合作用

第三章. 植物光合作用. 光合作用： Photosynthesis. 本章内容. 光合作用的意义和研究历史 叶绿体和光合色素 光合作用机制 光呼吸 影响光合速率的外界因素 光合作用与农业生产. 概述. 碳素营养是植物的生命基础： （ 1 ）植物体的干物质有 90% 左右是有机化合物，有机化合物中都含有碳素； （ 2 ）碳原子是组成所有有机化合物的主要骨架。 按碳素营养方式的不同把植物分为两类： （ 1 ）异养植物（ heterophyte ）：只能利用现成的有机物作营养的植物；

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植物光合作用

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Presentation Transcript

  1. 第三章 植物光合作用 光合作用：Photosynthesis

  2. 本章内容 光合作用的意义和研究历史 叶绿体和光合色素 光合作用机制 光呼吸 影响光合速率的外界因素 光合作用与农业生产

  3. 概述 • 碳素营养是植物的生命基础： （1）植物体的干物质有90%左右是有机化合物，有机化合物中都含有碳素； （2）碳原子是组成所有有机化合物的主要骨架。 • 按碳素营养方式的不同把植物分为两类： （1）异养植物（heterophyte）：只能利用现成的有机物作营养的植物； （2）自养植物（autophyte）：可以利用无机碳化合物作营养的植物。 • 碳素同化（carbon assimilation）：自养植物吸收二氧化碳转变成有机物的过程。

  4. 光能 叶绿体：CO2+H2O （CH2O) +O2 叶绿体 什么是光合作用？ 第一节 光合作用的重要性 绿色植物在光下，把二氧化碳和水转化为糖，并释放出氧气的过程。 地球上最重要的化学反应

  5. 2、细菌光合作用 (Bacterial photosynthesis) • 光、叶绿素 • CO2 + H2S CH2O + H2O+S • 3、化能合成作用(Chemosynthesis) • 化能合成细菌

  6. 厂房 叶绿体 动力 光能 原料 二氧化碳和水 产物 有机物和氧

  7. 光合作用的重要性 • 1、有机物质的重要来源 • 2、把光能转化成化学能 • 3、大气中氧气的重要来源

  8. 第二节 叶绿体及叶绿体色素 • 叶片是光合作用的主要器官，叶绿体是光合作用的重要细胞器； • 离体叶绿体光合速率可达完整叶片的80-90%； • 叶绿体是光合作用的形态单位，但单独一个叶绿体不一定是光合作用的完整单位。

  9. 一、叶绿体的结构和成分 ㈠叶绿体(Chloroplast) 的结构: 椭圆形，一般直径为3~6um，厚为2~3um。每平方毫米的蓖麻叶就含3~5百万个叶绿体。 1、叶绿体膜—选择性屏障,控制物质进出。 2 、基质—CO2的固定,淀粉的合成和储藏（含酶类） 3 、基粒—光能-化学能（光合色素） 4 、嗜锇滴—基质中与锇酸容易结合的颗粒（醌类） 5 、类囊体—光合作用能量转换（又称光合膜） • 基粒类囊体 （grana thylakoid） • 基质类囊体 (stroma thylakoid)下一页

  10. 外膜 内膜 基质 基粒

  11. 基质类囊体 (stroma thylakoid) 基粒类囊体 （grana thylakoid）

  12. 外被：即叶绿体膜 • 间质：叶绿体以内的基础物质。是构成片层的底物，主要为可溶性蛋白质（酶）和其他活跃物质。 • 基粒：光合色素集中之地，光能转变为化学能的场所。 • 类囊体：构成叶绿体的片层系统中的每个片层都是闭喝囊状，内为水溶液。 • 基粒类囊体： • 间质类囊体： • 嗜锇滴：叶绿体间质中的容易与锇酸结合的颗粒。其主要成分为亲酯性醌类物质。生理功能是贮藏脂类物质。 • 不同植物或同一植物的不同部位的叶绿体内的基粒类囊体数目不同。 • 凡光合细胞都有类囊体。 3.原核细胞与真核细胞类囊体膜在细胞内分布不同： 4.类囊体垛叠的生理意义： （1）有效收集光能，加速光反应； （2）酶的有序排列，有利于代谢的顺利进行。

  13. ㈡叶绿体的成分 1、 水分(75%) 2 、 蛋白质(30~45%)—催化剂 3 、脂类(20~40%)—膜成分 4 、色素(8%)—与蛋白质结合，电子传递 5 、无机盐(10%) 6 、储藏物质(如淀粉等，10~20%) 7 、NAD+、NADP+、醌（如质体醌），起传递氢原子或电子的作用。

  14. 叶绿素a： 蓝绿色 • 1、叶绿素 叶绿素b： 黄绿色 胡萝卜素： 橙黄色 • 2 、类胡萝卜素 光合色素 叶黄素： 黄色 3 、藻胆素 藻蓝素 藻红素 二、光合色素的化学特性 高等植物 1、分类 • 叶绿素:类胡萝卜素=3:1 所以叶片一般呈绿色 • 叶绿素a:叶绿素b=3:1 • 叶黄素:胡萝卜素=2:1 • 解释：秋后或衰老的叶片多呈黄色，秋后枫树叶子呈红色 低等植物

  15. COOCH3 COOCH3 chla: C32H30ON4Mg chlb: C32H28O2N4Mg COOC20H39 COOC20H39 2、光合色素化学结构与性质 ⑴叶绿素（chlorophyll) 叶绿素不溶于水，但能溶于酒精、丙酮和石油醚等有 机溶剂。其化学组成如下： chla: C55H72O5N4Mg chlb: C55H70O6N4Mg 叶绿素是叶绿酸的酯。叶绿酸是双羧酸，其羧基中的 羟基分别被甲醇和叶绿醇所酯化。所以其分子式为： 看下图 下一页

  16. 极性头部 4个吡咯环和4个甲烯基连成一个大环—卟啉环 镁原子居卟啉环的中央 1个含羰基和羧基的副环（同素环Ⅴ），羧 基以酯键和甲醇结合 叶绿醇则以酯键与在第Ⅳ吡珞环侧键上的丙酸结合 庞大的共轭体系,起着吸收光能,传递电子,以诱导共振的方式传递能量,但不参与H的传递或氧化还原 疏水尾部 H+,Cu2+可取代Mg 图3-2 叶绿素a的结构式 返回

  17. ⑵胡萝卜素和叶黄素：四萜类、有α- 、β-、γ- 三种异构体。不溶于水，但能溶于有机溶剂。 ①胡萝卜素： 是一不饱和的碳氢化合物，分子式为C40H56。它的两头 具有一个对称排列的紫罗兰酮环，它们中间以共轭双键 （4个异戊二烯）相联接。 ②叶黄素由胡萝卜素衍生而来，分子式为C40H56O2，是个醇类物质，它在叶绿体的结构中与脂类物质相结合。 ⑶藻胆素 藻类进行光合作用的主要色素，不溶于有机溶剂，溶于 水。常与蛋白质结合为藻胆蛋白（藻红蛋白和藻蓝蛋白）。

  18. 紫罗兰酮环 β-胡萝卜素 叶黄素 图3-3 β-胡萝卜素和叶黄素结构式

  19. 10 390 770 100000nm 紫外光 可见光 红外光 390 430 470 500 560 600 650 700 3、光合色素的光学特性 ⑴辐射能量 光波是一种电磁波，对光合作用有效的可见光的波长是400~700nm之间。光同时又是运动着的粒子流，这些粒子称为光子，或光量子。光子携带的能量和光的波长的关系如下：E=N h c/λ上式表明：光子的能量与波长成反比。 • 太阳光谱

  20. ⑵吸收光谱 ①叶绿素的吸收光谱 叶绿素吸收光的能力很强，如果把叶绿素溶液放在 光源和分光镜之间，就可以看到有些波长的光线被吸 收了。在光谱中就出现了暗带，这种光谱叫吸收光谱。 两个最强烈的吸收区，一个是波长为640~660的红光部分，另一个是430~450的蓝紫光部分。此外，在光谱的橙光，黄光和绿光部分只有不明显的吸收带，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。 chla和chlb的吸收光谱很相似，但略有不同。 ②类胡萝卜素的的吸收光谱 最大吸收在蓝紫光部分，不吸收红光等波长的光。

  21. 两个最强烈的吸收区，一个是波长为640~660的红光部分，另一个是430~450的蓝紫光部分两个最强烈的吸收区，一个是波长为640~660的红光部分，另一个是430~450的蓝紫光部分 叶绿素b 叶绿素a 图3-5 叶绿素a和叶绿素b在乙醇溶液中的吸收光谱

  22. α-胡萝卜素 最大吸收在蓝紫光部分，不吸收红光等波长的光。 叶黄素 λ/nm 图3-6 α-胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱 返回

  23. （3）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，而在反 射光下呈红色的现象。10-8~10-9秒(寿命短) • 磷光现象：叶绿素除了在照光时能辐射出荧光外，当去掉光源后，还能继续辐射出极微弱的红光(用精密仪器可测知),这个现象叫~。 10-2秒(寿命长) 这两种现象说明叶绿素能被光激发，而被光激发是将光能转变为化学能的第一步。

  24. E2 第二单线态 E1 第一单线态 第一三线态 荧光 磷 光 E0 图3-7 色素分子吸收光子后能量转变

  25. 四、叶绿素的形成 (一)叶绿素的生物合成 以谷氨酸和α-酮戊二酸为原料，经一系列酶的催化，首先形成无色的原叶绿素，然后在光下被还原成叶绿素。

  26. 叶绿素的合成 ⑴ 合成原料：谷氨酸、α- 酮戊二酸 ⑵需氧气和光 ⑶矿质营养 N 、 Mg ； Fe 、 Mn、 Cu、 Zn ⑷温度 ⑸水分 影响蛋白质合成 • 谷氨酸或α- 酮戊二酸 氨基酮戊酸（ALA) • 2ALA 含吡咯环的胆色素原 • 4个胆色素原 尿卟啉原Ⅲ 粪吡啉原Ⅲ • 粪吡啉原Ⅲ 原卟啉Ⅸ 镁原卟啉 原脱植基 • 叶绿素a 脱植基叶绿素a 叶绿素a 叶绿素b 厌氧条件下 有氧条件下

  27. 生物 合成 途径

  28. 影响叶绿素合成的条件： （1）光照：原脱植基叶绿素经过光照后才能合成叶绿素。 （2）温度：最低2-4℃，最适是30℃，最高是40℃。 （3）矿质元素：N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等。 （4）水分 （5）O2

  29. 作业 • 简述叶绿体的结构与成份。 • 简述叶绿素的生物合成途径。

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