4第四章植物的光合作用.

第四章植物的光合作用第一节光合作用的概念和意义、研究历史一、光合作用(photosynthesis)概念1.狭义的概念2.广义的概念3.光合作用的实质CO２+2H２O*光绿色植物(CH２O)+O2*+H２OCO２+H２O光绿色植物(CH２O)＋O２绿色植物利用光能把CO２和水合成有机物，同时释放氧气的过程。•狭义的：O2?•CO２+2H２A光光养生物(CH２O)+2A+H２O••H2A代表一种还原剂，可以是H２O、H2S、有机酸等。光合作用的通式：（广义的）CO２+2H２S光光合硫细菌(CH２O)+2S+H２O+4-200•氧化还原反应，CO２被还原；H２A被氧化。•但这是一个弱氧化剂和弱还原剂的反应，违背氧化还原化学反应原理，在植物体内为什么能发生呢？•光合作用的实质•CO２+2H２A光光养生物(CH２O)+2A+H２O二、光合作用的意义CO２+H２O→(CH２O)＋O２(△G=478kJ/mol)44183032重量比1.把无机物变为有机物约合成5千亿吨/年2.把太阳能转变为可贮存的化学能转化3.2×1021J/y的日光3.维持大气中O2和CO2的相对平衡释放出5.35千亿吨氧气/年为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界？因此深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理，使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。人类面临四大问题人口急增食物不足资源匮乏环境恶化……依赖光合生产光合作用研究简史1771——1864（第一阶段，近93年）1864——1945（第二阶段，共81年）1945——至今（第三阶段）当前，光合作用的分子生理学研究问题：如何证明CO2同化场所是在叶绿体的基质，而光合放氧反应是在叶绿体的膜上进行？光+CO2O2+CH2O低渗光+Fe3+O2Hill反应离心光合膜基质完整叶绿体破损叶绿体光+Fe3+O2CO2CH2O第二节叶绿体和光合色素一、叶绿体叶绿体(chloroplast)是光合作用最重要的细胞器。它分布在叶肉细胞的细胞质中。小麦叶横切面(一)叶绿体的分离１.从叶片中直接分离(机械法)叶片匀浆细胞液叶绿体匀浆化0.4mol/L糖醇pH7.6±,0～4℃过滤匀浆4～8层纱布或100目尼龙纱布分级离心500g去沉淀，3000g去上清液，沉淀悬浮，冰浴保存Chlor被膜完整度较高２.从原生质体分离(酶解法)酶解果胶酶,纤维素酶0.5mol／L甘露醇pH5.0～pH5.5,40℃,振荡叶组织原生质体质膜与细胞器叶绿体20μm尼龙网离心挤压(二)叶绿体的发育、形态及分布1.发育2.形态3.分布4.运动由前质体发育而来。在光照下合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。1.发育2.形态3.分布4.运动扁平椭圆形，每个细胞中叶绿体的大小与数目依植物种类、组织类型以及发育阶段而异。一个叶肉细胞中约有20至数百个叶绿体，其长3～6μm，厚2～3μm。水稻叶绿体玉米叶绿体1.发育2.形态3.分布4.运动叶肉细胞中的叶绿体较多分布在与空气接触的质膜旁，有利于叶绿体同外界进行气体交换。棉叶栅栏细胞叶绿体1.发育2.形态3.分布4.运动随原生质环流运动随光照的方向和强度而运动。叶绿体随光照的方向和强度而运动侧视图俯视图(三)叶绿体的基本结构叶绿体被膜基质(间质)类囊体(片层)1.叶绿体被膜两层单位膜,膜间距5～10nm。无叶绿素，控制物质的进出，维持光合作用的微环境。膜对物质的透性受膜成分和结构的影响。膜中蛋白质含量高，物质透膜的受控程度大。1.叶绿体被膜外膜非选择性膜。内膜选择透性膜。1.CO2、O2、H2O自由通过；2.Pi、磷酸丙糖、双羧酸、甘氨酸等需经膜上的运转器才能通过；3.蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。2.基质及内含物基质：被膜以内的基础物质。以水为主体，内含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白质等。基质中能进行多种多样复杂的生化反应——碳同化场所——N代谢场所——脂、色素等代谢场所2.基质及内含物基质是淀粉和脂类等物的贮藏库–——淀粉粒与质体小球☼将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部的白色颗粒就是淀粉粒。☼质体小球又称脂质球或亲锇颗粒。（叶片衰老）3.类囊体由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向玉米3.类囊体类囊体分为二类：基质类囊体又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠；基粒类囊体或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。堆叠区片层与片层互相接触的部分，非堆叠区片层与片层非互相接触的部分。3.类囊体1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,更有效地收集光能。2.膜系统常是酶排列的支架，膜的堆叠易构成代谢的连接带，使代谢高效地进行。3.类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有的膜结构,它有利于光合作用的进行。类囊体片层堆叠的生理意义(四)类囊体膜上的蛋白复合体蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。主要有四类：即光系统Ⅰ（PSI）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。光合膜。光系统Ⅰ（PSI）光系统Ⅱ（PSⅡ）Organizationoftheproteinsubunitsofthecytochromeb6fcomplex.ATP酶复合体（ATPase）二、光合色素在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素图5主要光合色素的结构式叶绿素类胡萝卜素藻胆素——高等植物藻类共同特点：分子内具有许多共轭双键，能捕获光能，捕获光能能在分子间传递。光合色素种类(一)光合色素的结构和性质叶绿素是双羧酸的酯，一个羧基被甲醇所酯化，另一个羧基被叶绿醇所酯化。叶绿素a与b的不同之处1.叶绿素使植物呈现绿色的色素。叶绿素a叶绿素b叶绿素c叶绿素d高等植物藻类中细菌叶绿素——叶绿素光合细菌Mg--卟啉环结构图卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基(－CH＝)连接而成。卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁偏向带正电荷，与其相联的氮原子带负电荷，因而“头部”有极性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子容易被光激发而引起电子的得失，这决定了叶绿素具有特殊的光化学性质。叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇)的“尾巴”。另外卟啉环还有一个含羰基的同素环（Ⅴ环上含相同元素），其上一个羧基以酯键与甲醇相结合。环Ⅵ上有一个丙酸侧链以酯键与叶绿醇相结合，叶绿醇是由四个异戊二烯单位所组成的双萜，具有亲脂性。叶绿醇卟啉环叶绿素是一种酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有机溶剂如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液来提取叶片中的叶绿素，用于测定叶绿素含量。之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素，这是因为叶绿素与蛋白质结合牢，需要经过水解作用才能被提取出来。叶绿素的提取研磨法提取光合色素提取方法研磨法浸提法0.1g叶+10ml混合液浸提卟啉环中的镁可被H+所置换。当为H＋所置换后，即形成褐色的去镁叶绿素。去镁叶绿素中的H＋再被Cu2+取代，就形成铜代叶绿素，颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。根据这一原理可用醋酸铜处理来保存绿色标本。铜代叶绿素反应向叶绿素溶液中放入两滴5％盐酸摇匀，溶液颜色的变为褐色，形成去镁叶绿素。当溶液变褐色后，投入醋酸铜粉末，微微加热，形成铜代叶绿素制作绿色标本方法：用50%醋酸溶液配制的饱和醋酸铜溶液浸渍植物标本(处理时可加热)2.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胡萝卜素(carotene)呈橙黄色，有α、β、γ三种同分异构体，其中以β-胡萝卜素在植物体内含量最多。β-胡萝卜素在动物体内经水解转变为维生素A。叶黄素(xanthophyll)呈黄色，是由胡萝卜素衍生的醇类，也叫胡萝卜醇,通常叶片中叶黄素与胡萝卜素的含量之比约为2:1。一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3∶1，类胡萝卜素总是和叶绿素一起存在于高等植物的叶绿体中，此外也存在于果实、花冠、花粉、柱头等器官的有色体中类胡萝卜素都不溶于水,而溶于有机溶剂。深秋树叶变黄是叶中叶绿素降解的缘故吸收光谱的观察方法；1.分光仪将叶绿体色素放在分光仪的光孔前，观察其色带变化。2.分光光度计观察叶绿体色素的吸收光谱3.间接法借助其它相关实验进行判别(二)光合色素的吸收光谱分光仪光源叶绿体色素三角棱镜间接法640～660nm的红光430～450nm的蓝紫光叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，蓝紫光区的吸收峰则比叶绿素b的低。阳生植物叶片的叶绿素a/b比值约为3∶1，阴生植物的叶绿素a/b比值约为2.3∶1。对橙光、黄光吸收较少，尤以对绿光的吸收最少。叶绿素吸收光谱有两个强吸收峰区藻蓝素的吸收光谱最大值是在橙红光部分藻红素则吸收光谱最大值是在绿光部分类胡萝卜素和藻胆素的吸收光谱类胡萝卜素吸收带在400～500nm的蓝紫光区基本不吸收黄光，从而呈现黄色。植物体内不同光合色素对光波的选择吸收有何意义？(三)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系1.叶绿素的生物合成参与反应的酶类：(1)胆色素原合成酶；(2)胆色素原脱氨基酶；(3)尿卟啉原Ⅲ合成酶；(4)尿卟啉原Ⅲ脱羧酶；(5)粪卟啉原氧化酶；(6)原卟啉氧化酶；(7)Mg-螯合酶；(8)Mg-原卟啉甲酯转移酶；(9)Mg-原卟啉甲酯环化酶；(10)乙烯基还原酶；(11)原叶绿素酸酯还原酶；(12)叶绿素合成酶·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向合成叶绿素分子中的吡咯环的起始物质是δ-氨基酮戊酸(δ-氨基乙酰丙酸ALA），在高等植物中ALA由谷氨酸或a-酮戊二酸转化而来。酶催反应2.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a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。黑暗使植物黄化的原理常被应用于蔬菜生产中，如韭黄、软化药芹、白芦笋、豆芽菜、葱白、蒜白、大白菜等生产。(2)温度高温下叶绿素分解大于合成，因而夏天绿叶蔬菜存放不到一天就变黄；相反，温度较低时，叶绿素解体慢，这也是低温保鲜的原因之一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秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白，都与低温抑制叶绿素形成有关。(3)营养元素叶绿素的形成必须有一定的营养元素。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。因此，缺少这些元素时都会引起缺绿症，其中尤以氮的影响最大，因而叶色的深浅可作为衡量植株体内氮素水平高低的标志。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NCK萝卜缺N的植株老叶发黄缺N(4)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。花叶植物体内的叶绿素在代谢过程中一方面合成，一方面分解，在不断地更新。农业生产中，许多栽培措施如施肥，合理密植等的目的就是促进叶绿素的形成，延缓叶绿素的降解，维持作物叶片绿色，使之更多地吸收光能，用于光合作用，生产更多的有机物。光合作用的过程和能量转变光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段:1.原初反应:光能的吸收、传递和转换成电能；2.电子传递和光合磷酸化:电能转变为活跃化学能;3.碳同化:活跃的化学能转变为稳定的化学能。第三节原初反应思考题：1.原初反应的实质是？2.光能→电能过程是