植物生理學(xué)光合作用

關(guān)于植物生理學(xué)光合作用一、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(shí)質(zhì)第2頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(jī)物，同時(shí)釋放氧氣的過(guò)程。狹義的：O2?第3頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(jī)酸等。光合作用的通式：（廣義的）CO２+2H２S光光合硫細(xì)菌(CH２O)+2S+H２O第4頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天+4-200氧化還原反應(yīng)，CO２被還原；H２A被氧化。但這是一個(gè)弱氧化劑和弱還原劑的反應(yīng)，違背氧化還原化學(xué)反應(yīng)原理，在植物體內(nèi)為什么能發(fā)生呢？光合作用的實(shí)質(zhì)CO２+2H２A光光養(yǎng)生物

(CH２O)+2A+H２O第5頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、光合作用的意義CO２+H２O→(CH２O)＋O２

(△G=478kJ/mol)44183032重量比1.把無(wú)機(jī)物變?yōu)橛袡C(jī)物約合成5千億噸/年2.把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭少A存的化學(xué)能

轉(zhuǎn)化3.2×1021J/y的日光3.維持大氣中O2和CO2的相對(duì)平衡

釋放出5.35千億噸氧氣/年為什么沒(méi)有光合作用也就沒(méi)有繁榮的生物世界？第6頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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

人類面臨四大問(wèn)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天光合作用研究簡(jiǎn)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(dāng)前，光合作用的分子生理學(xué)研究第8頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天問(wèn)題：如何證明CO2同化場(chǎng)所是在葉綠體的基質(zhì)，而光合放氧反應(yīng)是在葉綠體的膜上進(jìn)行？光+CO2O2+CH2O低滲光+Fe3+O2Hill反應(yīng)離心光合膜基質(zhì)完整葉綠體破損葉綠體光+Fe3+O2CO2CH2O第9頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(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(xì)胞器。它分布在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。小麥葉橫切面第10頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(一)葉綠體的分離１.從葉片中直接分離(機(jī)械法)

葉片勻漿細(xì)胞液葉綠體勻漿化

0.4mol/L糖醇pH7.6±,0～4℃過(guò)濾勻漿4～8層紗布或100目尼龍紗布分級(jí)離心500g去沉淀，3000g去上清液，沉淀懸浮，冰浴保存第11頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(xì)胞器葉綠體<20μm尼龍網(wǎng)離心擠壓第12頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(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(yùn)動(dòng)由前質(zhì)體發(fā)育而來(lái)。在光照下合成葉綠素，使前質(zhì)體發(fā)育成葉綠體。第13頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.發(fā)育

2.形態(tài)

3.分布

4.運(yùn)動(dòng)扁平橢圓形，每個(gè)細(xì)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(gè)葉肉細(xì)胞中約有20至數(shù)百個(gè)葉綠體，其長(zhǎng)3～6μm，厚2～3μm。水稻葉綠體玉米葉綠體第14頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布

4.運(yùn)動(dòng)葉肉細(xì)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(jìn)行氣體交換。棉葉柵欄細(xì)胞葉綠體第15頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.發(fā)育

2.形態(tài)

3.分布

4.運(yùn)動(dòng)隨原生質(zhì)環(huán)流運(yùn)動(dòng)隨光照的方向和強(qiáng)度而運(yùn)動(dòng)。葉綠體隨光照的方向和強(qiáng)度而運(yùn)動(dòng)側(cè)視圖俯視圖第16頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天第17頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(三)葉綠體的基本結(jié)構(gòu)葉綠體被膜基質(zhì)(間質(zhì))類囊體(片層)第18頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.葉綠體被膜兩層單位膜,膜間距5～10nm。無(wú)葉綠素，控制物質(zhì)的進(jìn)出，維持光合作用的微環(huán)境。膜對(duì)物質(zhì)的透性受膜成分和結(jié)構(gòu)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guò)；2.Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經(jīng)膜上的運(yùn)轉(zhuǎn)器才能通過(guò)；3.蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質(zhì)則不能通過(guò)。第20頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.基質(zhì)及內(nèi)含物基質(zhì)：被膜以內(nèi)的基礎(chǔ)物質(zhì)。以水為主體，內(nèi)含多種離子、低分子有機(jī)物，以及多種可溶性蛋白質(zhì)等。基質(zhì)中能進(jìn)行多種多樣復(fù)雜的生化反應(yīng)

——碳同化場(chǎng)所

——N代謝場(chǎng)所

——脂、色素等代謝場(chǎng)所第21頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.基質(zhì)及內(nèi)含物基質(zhì)是淀粉和脂類等物的貯藏庫(kù)

——淀粉粒與質(zhì)體小球?qū)⒄展獾娜~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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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?yàn)槿~綠體的長(zhǎng)軸方向玉米第23頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3.類囊體

1.膜的堆疊意味著捕獲光能機(jī)構(gòu)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(gòu)成代謝的連接帶，使代謝高效地進(jìn)行。3.類囊體片層堆疊成基粒是高等植物細(xì)胞所特有的膜結(jié)構(gòu),它有利于光合作用的進(jìn)行。類囊體片層堆疊的生理意義第25頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(四)類囊體膜上的蛋白復(fù)合體蛋白復(fù)合體：由多種亞基、多種成分組成的復(fù)合體。主要有四類：即光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f復(fù)合體和ATP酶復(fù)合體（ATPase）。參與了光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應(yīng)。光合膜。第26頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天第27頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）第28頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）第29頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天第30頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天Organizationoftheproteinsubunitsofthecytochromeb6fcomplex.第31頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天ATP酶復(fù)合體（ATPase）第32頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、光合色素在光合作用的反應(yīng)中吸收光能的色素稱為光合色素圖5主要光合色素的結(jié)構(gòu)式葉綠素類胡蘿卜素藻膽素——高等植物藻類共同特點(diǎn)：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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天光合色素種類第34頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(一)光合色素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)葉綠素是雙羧酸的酯，一個(gè)羧基被甲醇所酯化，另一個(gè)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(xì)菌葉綠素——葉綠素光合細(xì)菌第35頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天Mg--卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)圖卟啉環(huán)由四個(gè)吡咯環(huán)與四個(gè)甲烯基(－CH＝)連接而成。卟啉環(huán)的中央絡(luò)合著一個(gè)鎂原子，鎂偏向帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子帶負(fù)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(xué)性質(zhì)。葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)的“頭部”和一個(gè)葉綠醇(植醇)的“尾巴”。第36頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天另外卟啉環(huán)還有一個(gè)含羰基的同素環(huán)（Ⅴ環(huán)上含相同元素），其上一個(gè)羧基以酯鍵與甲醇相結(jié)合。環(huán)Ⅵ上有一個(gè)丙酸側(cè)鏈以酯鍵與葉綠醇相結(jié)合，葉綠醇是由四個(gè)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天葉綠素是一種酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有機(jī)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(lái)提取葉片中的葉綠素，用于測(cè)定葉綠素含量。之所以要用含有水的有機(jī)溶劑提取葉綠素，這是因?yàn)槿~綠素與蛋白質(zhì)結(jié)合牢，需要經(jīng)過(guò)水解作用才能被提取出來(lái)。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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天卟啉環(huán)中的鎂可被H+所置換。當(dāng)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(lái)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(lái)保存綠色標(biāo)本。銅代葉綠素反應(yīng)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(dāng)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(biāo)本方法：用50%醋酸溶液配制的飽和醋酸銅溶液浸漬植物標(biāo)本(處理時(shí)可加熱)第39頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.類胡蘿卜素(carotenoid)

是由8個(gè)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(gè)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

胡蘿卜素(carotene)呈橙黃色，有α、β、γ三種同分異構(gòu)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(dòng)物體內(nèi)經(jīng)水解轉(zhuǎn)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(lái)說(shuō)，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(shí)、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(jī)溶劑。深秋樹(shù)葉變黃是葉中葉綠素降解的緣故第41頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(jì)觀察葉綠體色素的吸收光譜3.間接法借助其它相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天間接法第43頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天640～660nm的紅光430～450nm的藍(lán)紫光葉綠素a在紅光區(qū)的吸收峰比葉綠素b的高，藍(lán)紫光區(qū)的吸收峰則比葉綠素b的低。陽(yáng)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(duì)橙光、黃光吸收較少，尤以對(duì)綠光的吸收最少。葉綠素吸收光譜有兩個(gè)強(qiáng)吸收峰區(qū)第44頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天藻藍(lán)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(lán)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(duì)光波的選擇吸收有何意義？第45頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天(三)葉綠素的生物合成及其與環(huán)境條件的關(guān)系1.葉綠素的生物合成第46頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天參與反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化而來(lái)。酶催反應(yīng)第47頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(zhuǎn)變?yōu)槿~綠酸酯a需要光，而光過(guò)強(qiáng)，葉綠素又會(huì)受光氧化而破壞。黑暗中生長(zhǎng)的幼苗呈黃白色，遮光或埋在土中的莖葉也呈黃白色。這