2015生物奥赛辅导课件-光合作用78ppt

光合作用光合作用Photosynthesis:绿色植物利用叶绿体色素所吸收的光能将简单的低能的无机物H2O、CO2转化为复杂的富含能量的有机物同时放出O2的过程。光合作用的意义：1)无机物→有机物：植物每年同化C2×1011吨，2)太阳能→化学能：植物年贮能3×1021焦耳。3)净化环境，调节大气成分：CO2→O2光合作用导致游离氧的产生，使生命延伸到陆地，并改变了大气成分。光合作用使大气中的CO2、O2保持相对稳定。§1光合作用及其重要性§2叶绿体和叶绿体色素一、叶绿体的结构1.膜：外膜、内膜2.基粒：由基粒类囊体垛叠而成，基粒之间由基质类囊体连接。类囊体膜上含有叶绿体色素和电子传递体及蛋白复合体，是光反应的场所。3.基质：含有多种酶（光合作用、NO2－还原、SO42－还原等）和DNA、RNA、核糖体、嗜锇颗粒等，是暗反应的场所。注：原核生物内没有叶绿体，但有些原核生物如蓝藻具有光合作用色素和光合作用有关的酶，细胞内有片层结构供其附着，所以也能够进行光合作用。二、叶绿体色素1.种类叶绿素chlorophyll类胡萝卜素carotenoid藻胆素phycobilinChlaChlbChlc,dBacteriochl除少数chla起光能转换作用外，大多数chla,全部的chlb、carotenoid、phycobilin只起收集与传递光能的作用，bacteriochl只存在于细菌中。胡萝卜素carotene叶黄素xanthophyll藻红素藻蓝素藻胆素存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合，形成藻胆蛋白：藻红蛋白和藻蓝蛋白。表：放氧生物叶绿体色素的组成生物叶绿素类胡萝卜素藻胆素abcd高等植物＋＋－－＋－绿藻＋＋－－＋－硅藻＋－＋－＋－腰鞭毛虫＋－＋－＋－褐藻＋－＋－＋－红藻＋－－＋＋＋蓝绿藻＋－－－＋＋Question:所有进行光合放氧的生物都具有那种色素：A．叶绿素a,叶绿素bB．叶绿素a,叶绿素cC．叶绿素a,类胡萝卜素D．叶绿素a，藻胆素以下对蓝藻生理性质的描述不正确的是：（）A．光合自养生物，含有叶绿素a，b和β胡萝卜素B．含有固氮酶，可进行生物固氮C．无有性生殖现象D．某些蓝藻在有机质丰富的水体中过量繁殖可导致水华的产生2.化学特性1)叶绿素a)组成chla:C55H72O5N4Mg;chlb:C55H70O6N4Mgb)化学结构叶绿素分子的头部含4个吡咯环，通过4个甲烯基连成一个卟啉环，Mg位于卟啉环的中央。如此形成一个巨大的共轭双键系统，易于叶绿素以诱发共掁的方式传递能量。其尾部是长长的叶醇链，具疏水性。头尾间呈90度。不溶于水，但可溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂。Chla呈蓝绿色，Chlb呈黄绿色。2)类胡萝卜素：a)组成：胡萝卜素：C40H56，叶黄素：C40H56O2，是前者衍生的二元醇。b)结构两端为紫罗兰酮环，中间为共轭双键，易于光能的传递。特别不稳定，易被氧化，因此除吸收光能外，对chl具保护作用c)不溶于水而溶于有机溶剂，胡萝卜素呈橙黄色，叶黄素呈黄色。HOOHxanthophyll在提取叶绿体色素时，通常用的试剂有哪些A．80％的丙酮B．甘油C．氯仿D．95％乙醇AD3)藻胆素：a)结构：由4个吡咯环通过共轭双键连在一起(相当于把chl的卟啉环拉直)。b)作用：吸收光能。c)溶于稀盐酸和热水中，藻红素呈红色，藻蓝素呈蓝色。胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b胡萝卜素叶绿素b叶绿素a叶黄素三叶绿体色素的光学特性1.太阳光的连续光谱与光的能量1)太阳光的连续光谱：到达地面的波长仅为300~2600nm，这其中包括全部的可见光，部分红外线和部分紫外线。2)光的能量：q=hv=hc/λE=Nhv=Nhc/λ其中h为普朗克常数（6.63×10-34J·S）,v是频率。N为阿伏加德罗常数，E为每一摩尔光子所具有的能量(称为该种光的爱因斯坦值。)由上式可见，不同波长的光，频率不同，所含能量也不同：光波长（λ/nm）平均能量（E/kjmol-1）紫外＜400297紫400~425289蓝425~490259绿490~560222黄560~580209橙580~640197红640~7401722)叶绿体色素对太阳光的选择吸收A:叶绿素B.其它色素类胡萝卜素吸收蓝光，光吸收在400~500nm；藻红素吸收绿光和黄光；光吸收在420~600nm，藻蓝素吸收橙红光，光吸收在500~650nm。3)荧光现象和磷光现象叶绿体溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色，称为荧光现象。在去掉光源后(10-2~102S)，仍能发出红光，称为磷光现象。事实上，红光并不是chl溶液的反射光，而是chl受光激发发射出的荧光Left:Atransparent-greenchlorophyllsolutionofgroundupspinachleavesandacetone.Right:Beamoflightdirectedatthechlorophyllsolutionproducingareddishglowcalledfluorescence.光e单重激发态三重激发态体系间跨越基态荧光磷光荧光和磷光现象说明了：a)叶绿素能被光所激发，这是将光能转化为化学能的第一步。b)在植物活体上看不到荧光现象，而在叶绿素提取液中可见，说明活体植株叶绿素所吸收的光能被传递下去，用于光合作用了。§3光合作用机理目前已证实，光合作用分光反应和暗反应两个阶段，前者发生在类囊体膜上，后者发生在叶绿体基质中。光反应暗反应碳的固定：形成稳定的化学能原初反应：光能的吸收、传递与转化电子传递与光合磷酸化：形成活跃的化学能一原初反应PrimaryReaction原初反应是光合作用的起点，它包括光能的吸收、传递以及将光能转化为电能，这一切都发生在类囊体膜上。光能的吸收与传递光照到叶绿体上时，类囊体膜上的叶绿体色素吸收光能而激发，由于色素分子排列紧密及其特殊的共轭体系，光量子可在色素分子间以诱导共振的方式传递，最后传给反应中心的chla。3.光能转化为电能总式：DPA→DP*A→DP+A-→D+PA-光Antennacomplexactsasenergyfunnel例：类囊体膜上天线色素分子的排列是紧密而有序的，从外到内依次排列，这种排列有利于能量向反应中心转移，并且保证能量不能逆向传递。属于这种排列的有：A．类胡萝卜素、叶绿素b、叶绿素aB．类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素bC．叶绿素b、叶绿素a、类胡萝卜素D．叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素A二电子传递和光合磷酸化原初反应产生的电子，经光合电子传递链传递下去，并最终生成活跃的化学能ATP和NADPHⅠ：电子传递需两个光系统：PSⅠ和PSⅡ两个光系统的发现：———红降现象和双光增益效应红降reddrop:Emerson在1943年研究不同波长的光的光合效率时发现，当光的波长大于685nm时，虽然仍在叶绿素的吸收范围，但光合量子产额（每吸收1个光量子所放出O2的个数或吸收CO2的个数）急剧下降。双光增益效应enhancementeffect：1957年，Emerson等进一步发现，当发生红降时，若补充650nm的红光，则量子产额剧增，比有685nm和650nm单独照射的和还要多，这种两种波长的光波促进光合效率的现象称为enhancementeffect，又称为Emersoneffect.685nm650nmEmersoneffect685＋650nm推论：光反应由两个光系统接力进行，一个是短波长反应，一个是长波长反应。PSⅠ、PSⅡ及电子传递链II.类囊体膜上的4个蛋白复合体1)光系统II(PSII)组成：中心色素分子：P680原初电子受体：pheo原初电子供体：Z(Tyr)LHCII作用：水的光解放氧，提供电子注：有的书上将P680当作原初电子供体放氧本质：Hill反应—氧化还原反应离体叶绿体，加入电子受体(如Fe3+)，在光照下产生氧气(1939)。例题：下面有关光系统II的论述哪些是正确的?A．在受光激发后，原初电子供体P680失去电子B．P700是P680的氧化态形式C．每一个吸收的光子可以导致两个电子传递D．放氧过程产生的质子可以用于ATP合成E．光系统II仅在叶绿体存在2)光系统I(PSI)组成中心色素分子：P700原初电子受体：A0原初电子供体：PCLHCI功能：NADPH的产生3)Cytb6-f复合体组成：有4个多肽组成，其中三个含Fe,(分别含cytb6,cytf,和Fe-S)。功能：参与电子传递和质子传递(PQ穿梭)4)ATP合成酶复合体组成：头部CF1：5种多肽9个亚基柄部CF0：4种多肽功能：合成ATPIII电子传递链光合电子传递链有两种:注：在光合电子传递链上，QA为单电子传递体，QB为双电子传递体，QB不仅可以传递电子还能传递质子。例题：光合作用电子传递过程中：A．电子总是成对地转移B．电子总是不成对地转移C.电子总是从低电位载体向高电位载体转移D．叶绿素参与电子传递质子的传递光合磷酸化—ATP的生成装置：ATP合酶，CF驱动力：类囊体膜内外的质子梯度(内高外低)导致质子梯度形成的原因：非循环式电子传递和循环式电子传递(水的解离和PQ穿梭)机理：Michell的化学渗透学说Boyer等人的结合变构学说光反应总结1.每生成1分子氧需4个电子，理论上共需8个光子。2H2O→4H+＋4e+O22.光反应除产生氧外，将光能转化为活跃化学能ATP和NADPH，后者将在暗反应中用于CO2的固定还原，在此二者同称为同化能力(assimilationpower)。-20三碳素的同化CO2assimilation定义：指利用光反应产生的ATP、NADPH，在一系列酶的参与下固定CO2并把CO2还原成为有机物的过程。部位：叶绿体基质中(某些反应在细胞液中进行)途径：C3pathway—CalvincycleC4pathway—Hatch-SlackpathwayCAMpathway注：C4途径和CAM途径只起暂时固定CO2的作用，最后都要经Calvin循环才能形成光合产物(一)C3途径—CalvincycleCalvin的实验装置Calvin循环共分为羧化、还原和更新三个阶段1.羧化阶段：底物：1,5-二磷酸核酮糖（RuBP)；是一个五碳糖，因此Calvin循环又叫还原戊糖磷酸途径：RPPP。1)羧化酶：RuBP羧化酶(RuBPCaseorRubisco)2)最初产物：含3个C的3-磷酸甘油酸（故称C3途径）3)反应：RuBP+CO2+H2O→2PGARubisco的结构（L8S8），红色的是小亚基（14kD），由细胞核DNA编码；兰色和绿色的是大亚基（56kD），由叶绿体DNA编码。Rubisco是植物界最丰富的蛋白质。2.还原阶段：RegenerationPGADPGAGAPPGA激酶ATPADPGAP脱氢酶NADPH＋H+NADP+＋Pi生成的GAP及由它异构生成的DHAP称作磷酸丙糖，一部分用于底物的更新，另一部分用于产生淀粉、蔗糖等光合产物3.更新阶段Regeneration指GAP经过一系列反应重新生成RuBP，以进入下一轮循环。TheCalvincycleCalvin循环总反应式：6CO2＋6H2O＋6RuBP+18ATP+12NADPH→12GAP+12NADP++18ADP+18Pi能量转换率在90%左右。4.光合产物的产生光合作用的产物主要是糖类，包括单糖，双糖和多糖，并以蔗糖和淀粉为主。另外，蛋白质、脂肪和有机酸等也是光合作用的直接产物，虽然它们可经糖类间接合成。叶绿体中淀粉的合成淀粉是在叶绿体内合成的。当Calvincycle形成磷酸丙糖（GAP和DHAP），可沿糖酵解的逆途径先后合成FDP、F－6－P、G－6－P、G－1－P，而后由G－1－P合成淀粉：细胞质中蔗糖的合成蔗糖是在细胞质中合成的。叶绿体中形成的磷酸丙糖，通过位于叶绿体膜上的磷酸/磷酸丙糖转运器而运往细胞质中，磷酸丙糖先后