植物生理學光合作用

關于植物生理學光合作用第1頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五一、光合作用(photosynthesis)概念1.狹義的概念2.廣義的概念3.光合作用的實質(zhì)第2頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五CO２+2H２O*

光綠色植物(CH２O)+O2*+H２OCO２+H２O光綠色植物

(CH２O)＋O２綠色植物利用光能把CO２和水合成有機物，同時釋放氧氣的過程。狹義的：O2?第3頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五CO２+2H２A光光養(yǎng)生物

(CH２O)+2A+H２O

H2A代表一種還原劑，可以是H２O、

H2S、有機酸等。光合作用的通式：（廣義的）CO２+2H２S光光合硫細菌(CH２O)+2S+H２O第4頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五+4-200氧化還原反應，CO２被還原；H２A被氧化。但這是一個弱氧化劑和弱還原劑的反應，違背氧化還原化學反應原理，在植物體內(nèi)為什么能發(fā)生呢？光合作用的實質(zhì)CO２+2H２A光光養(yǎng)生物

(CH２O)+2A+H２O第5頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五二、光合作用的意義CO２+H２O→(CH２O)＋O２

(△G=478kJ/mol)44183032重量比1.把無機物變?yōu)橛袡C物約合成5千億噸/年2.把太陽能轉變?yōu)榭少A存的化學能

轉化3.2×1021J/y的日光3.維持大氣中O2和CO2的相對平衡

釋放出5.35千億噸氧氣/年為什么沒有光合作用也就沒有繁榮的生物世界？第6頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五

因此深入探討光合作用的規(guī)律，揭示光合作用的機理，使之更好地為人類服務，愈加顯得重要和迫切。

人類面臨四大問題人口急增食物不足資源匱乏環(huán)境惡化……依賴光合生產(chǎn)第7頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五光合作用研究簡史1771——1864（第一階段，近93年）1864——1945（第二階段，共81年）1945——至今（第三階段）當前，光合作用的分子生理學研究第8頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五問題：如何證明CO2同化場所是在葉綠體的基質(zhì)，而光合放氧反應是在葉綠體的膜上進行？光+CO2O2+CH2O低滲光+Fe3+O2Hill反應離心光合膜基質(zhì)完整葉綠體破損葉綠體光+Fe3+O2CO2CH2O第9頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五第二節(jié)葉綠體和光合色素一、葉綠體葉綠體(chloroplast)是光合作用最重要的細胞器。它分布在葉肉細胞的細胞質(zhì)中。小麥葉橫切面第10頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(一)葉綠體的分離１.從葉片中直接分離(機械法)

葉片勻漿細胞液葉綠體勻漿化

0.4mol/L糖醇pH7.6±,0～4℃過濾勻漿4～8層紗布或100目尼龍紗布分級離心500g去沉淀，3000g去上清液，沉淀懸浮，冰浴保存第11頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五Chlor被膜完整度較高２.從原生質(zhì)體分離(酶解法)酶解果膠酶,纖維素酶0.5mol／L甘露醇pH5.0～pH5.5,40℃,振蕩葉組織原生質(zhì)體質(zhì)膜與細胞器葉綠體<20μm尼龍網(wǎng)離心擠壓第12頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(二)葉綠體的發(fā)育、形態(tài)及分布1.發(fā)育2.形態(tài)3.分布4.運動由前質(zhì)體發(fā)育而來。在光照下合成葉綠素，使前質(zhì)體發(fā)育成葉綠體。第13頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五1.發(fā)育

2.形態(tài)

3.分布

4.運動扁平橢圓形，每個細胞中葉綠體的大小與數(shù)目依植物種類、組織類型以及發(fā)育階段而異。一個葉肉細胞中約有20至數(shù)百個葉綠體，其長3～6μm，厚2～3μm。水稻葉綠體玉米葉綠體第14頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布

4.運動葉肉細胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質(zhì)膜旁，有利于葉綠體同外界進行氣體交換。棉葉柵欄細胞葉綠體第15頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五1.發(fā)育

2.形態(tài)

3.分布

4.運動隨原生質(zhì)環(huán)流運動隨光照的方向和強度而運動。葉綠體隨光照的方向和強度而運動側視圖俯視圖第16頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五第17頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(三)葉綠體的基本結構葉綠體被膜基質(zhì)(間質(zhì))類囊體(片層)第18頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五1.葉綠體被膜兩層單位膜,膜間距5～10nm。無葉綠素，控制物質(zhì)的進出，維持光合作用的微環(huán)境。膜對物質(zhì)的透性受膜成分和結構的影響。膜中蛋白質(zhì)含量高，物質(zhì)透膜的受控程度大。第19頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五1.葉綠體被膜外膜

非選擇性膜。內(nèi)膜選擇透性膜。1.CO2、O2、H2O自由通過；2.Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經(jīng)膜上的運轉器才能通過；3.蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質(zhì)則不能通過。第20頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五2.基質(zhì)及內(nèi)含物基質(zhì)：被膜以內(nèi)的基礎物質(zhì)。以水為主體，內(nèi)含多種離子、低分子有機物，以及多種可溶性蛋白質(zhì)等?；|(zhì)中能進行多種多樣復雜的生化反應

——碳同化場所

——N代謝場所

——脂、色素等代謝場所第21頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五2.基質(zhì)及內(nèi)含物基質(zhì)是淀粉和脂類等物的貯藏庫

——淀粉粒與質(zhì)體小球將照光的葉片研磨成勻漿離心，沉淀在離心管底部的白色顆粒就是淀粉粒。質(zhì)體小球又稱脂質(zhì)球或親鋨顆粒。（葉片衰老）第22頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五

3.類囊體

由單層膜圍起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向玉米第23頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五

3.類囊體

類囊體分為二類：基質(zhì)類囊體

又稱基質(zhì)片層，伸展在基質(zhì)中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質(zhì)類囊體重疊，組成基粒。堆疊區(qū)片層與片層互相接觸的部分，非堆疊區(qū)

片層與片層非互相接觸的部分。第24頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五

3.類囊體

1.膜的堆疊意味著捕獲光能機構高度密集,更有效地收集光能。2.膜系統(tǒng)常是酶排列的支架，膜的堆疊易構成代謝的連接帶，使代謝高效地進行。3.類囊體片層堆疊成基粒是高等植物細胞所特有的膜結構,它有利于光合作用的進行。類囊體片層堆疊的生理意義第25頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(四)類囊體膜上的蛋白復合體蛋白復合體：由多種亞基、多種成分組成的復合體。主要有四類：即光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f復合體和ATP酶復合體（ATPase）。參與了光能吸收、傳遞與轉化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應。光合膜。第26頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五第27頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）第28頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）第29頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五第30頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五Organizationoftheproteinsubunitsofthecytochromeb6fcomplex.第31頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五ATP酶復合體（ATPase）第32頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五二、光合色素在光合作用的反應中吸收光能的色素稱為光合色素圖5主要光合色素的結構式葉綠素類胡蘿卜素藻膽素——高等植物藻類共同特點：分子內(nèi)具有許多共軛雙鍵，能捕獲光能，捕獲光能能在分子間傳遞。第33頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五光合色素種類第34頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(一)光合色素的結構和性質(zhì)葉綠素是雙羧酸的酯，一個羧基被甲醇所酯化，另一個羧基被葉綠醇所酯化。葉綠素a與b的不同之處1.葉綠素使植物呈現(xiàn)綠色的色素。葉綠素a葉綠素b葉綠素c葉綠素d高等植物藻類中細菌葉綠素——葉綠素光合細菌第35頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五Mg--卟啉環(huán)結構圖卟啉環(huán)由四個吡咯環(huán)與四個甲烯基(－CH＝)連接而成。卟啉環(huán)的中央絡合著一個鎂原子，鎂偏向帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子帶負電荷，因而“頭部”有極性。卟啉環(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發(fā)而引起電子的得失，這決定了葉綠素具有特殊的光化學性質(zhì)。葉綠素分子含有一個卟啉環(huán)的“頭部”和一個葉綠醇(植醇)的“尾巴”。第36頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五另外卟啉環(huán)還有一個含羰基的同素環(huán)（Ⅴ環(huán)上含相同元素），其上一個羧基以酯鍵與甲醇相結合。環(huán)Ⅵ上有一個丙酸側鏈以酯鍵與葉綠醇相結合，葉綠醇是由四個異戊二烯單位所組成的雙萜，具有親脂性。葉綠醇卟啉環(huán)第37頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五葉綠素是一種酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有機溶劑如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液來提取葉片中的葉綠素，用于測定葉綠素含量。之所以要用含有水的有機溶劑提取葉綠素，這是因為葉綠素與蛋白質(zhì)結合牢，需要經(jīng)過水解作用才能被提取出來。葉綠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葉+10ml混合液浸提第38頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五卟啉環(huán)中的鎂可被H+所置換。當為H＋所置換后，即形成褐色的去鎂葉綠素。去鎂葉綠素中的H＋再被Cu2+取代，就形成銅代葉綠素，顏色比原來的葉綠素更鮮艷穩(wěn)定。根據(jù)這一原理可用醋酸銅處理來保存綠色標本。銅代葉綠素反應向葉綠素溶液中放入兩滴5％鹽酸搖勻，溶液顏色的變?yōu)楹稚?，形成去鎂葉綠素。當溶液變褐色后，投入醋酸銅粉末，微微加熱，形成銅代葉綠素制作綠色標本方法：用50%醋酸溶液配制的飽和醋酸銅溶液浸漬植物標本(處理時可加熱)第39頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五2.類胡蘿卜素(carotenoid)

是由8個異戊二烯形成的四萜，含有一系列的共軛雙鍵，分子的兩端各有一個不飽和的取代的環(huán)己烯，也即紫羅蘭酮環(huán)，類胡蘿卜素包括胡蘿卜素(C40H56)和葉黃素(C40H56O2)兩種。3(紫羅蘭酮環(huán))環(huán)己烯橙黃色黃色第40頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五

胡蘿卜素(carotene)呈橙黃色，有α、β、γ三種同分異構體，其中以β-胡蘿卜素在植物體內(nèi)含量最多。β-胡蘿卜素在動物體內(nèi)經(jīng)水解轉變?yōu)榫S生素A。葉黃素(xanthophyll)呈黃色，是由胡蘿卜素衍生的醇類，也叫胡蘿卜醇,通常葉片中葉黃素與胡蘿卜素的含量之比約為2:1。一般來說，葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為3∶1，類胡蘿卜素總是和葉綠素一起存在于高等植物的葉綠體中，此外也存在于果實、花冠、花粉、柱頭等器官的有色體中類胡蘿卜素都不溶于水,而溶于有機溶劑。深秋樹葉變黃是葉中葉綠素降解的緣故第41頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五吸收光譜的觀察方法；1.分光儀

將葉綠體色素放在分光儀的光孔前，觀察其色帶變化。2.分光光度計觀察葉綠體色素的吸收光譜3.間接法借助其它相關實驗進行判別(二)光合色素的吸收光譜分光儀光源葉綠體色素三角棱鏡第42頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五間接法第43頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五640～660nm的紅光430～450nm的藍紫光葉綠素a在紅光區(qū)的吸收峰比葉綠素b的高，藍紫光區(qū)的吸收峰則比葉綠素b的低。陽生植物葉片的葉綠素a/b比值約為3∶1，陰生植物的葉綠素a/b比值約為2.3∶1。對橙光、黃光吸收較少，尤以對綠光的吸收最少。葉綠素吸收光譜有兩個強吸收峰區(qū)第44頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五藻藍素的吸收光譜最大值是在橙紅光部分藻紅素則吸收光譜最大值是在綠光部分類胡蘿卜素和藻膽素的吸收光譜類胡蘿卜素吸收帶在400～500nm的藍紫光區(qū)基本不吸收黃光，從而呈現(xiàn)黃色。植物體內(nèi)不同光合色素對光波的選擇吸收有何意義？第45頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五(三)葉綠素的生物合成及其與環(huán)境條件的關系1.葉綠素的生物合成第46頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五參與反應的酶類：(1)膽色素原合成酶；(2)膽色素原脫氨基酶；(3)尿卟啉原Ⅲ合成酶；(4)尿卟啉原Ⅲ脫羧酶；(5)糞卟啉原氧化酶；(6)原卟啉氧化酶；(7)Mg-螯合酶；(8)Mg-原卟啉甲酯轉移酶；(9)Mg-原卟啉甲酯環(huán)化酶；(10)乙烯基還原酶；(11)原葉綠素酸酯還原酶；(12)葉綠素合成酶·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向合成葉綠素分子中的吡咯環(huán)的起始物質(zhì)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-酮戊二酸轉化而來。酶催反應第47頁，共52頁，2022年，5月20日，3點47分，星期五2.影響葉綠素形成的條件（1）光光是影響葉綠素形成的主要條件。從原葉綠素酸酯轉變?yōu)槿~綠酸酯a需要光，而光過強，葉綠素又會受光氧化而破壞。黑暗中生長的幼苗呈黃白色，遮光或埋在土中的莖葉也呈黃白