植物生理学第5章光合作用课件.ppt
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- 植物 生理学 光合作用 课件
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1、 CO2+H2O (CH2O)+O2光能光能叶绿体叶绿体 厂房厂房叶绿体叶绿体动力动力光能光能原料原料二氧化碳和水二氧化碳和水产物产物有机物和氧有机物和氧本章主要内容本章主要内容第一节第一节 光合作用及其重要性光合作用及其重要性第二节第二节 光合色素光合色素第三节第三节 光合作用的机制光合作用的机制第四节第四节 光呼吸光呼吸第五节第五节 同化物的运输与分配同化物的运输与分配第六节第六节 影响光合作用的因素影响光合作用的因素第七节第七节 光合作用与作物生产光合作用与作物生产第一节第一节 光合作用及其重要性光合作用及其重要性一、碳素同化作用一、碳素同化作用(Carbon assimilation)
2、v自养植物吸收自养植物吸收CO2,将其转变成有机物的过将其转变成有机物的过程称为植物的程称为植物的碳素同化作用碳素同化作用。包括。包括绿色植绿色植物光合作用物光合作用,细菌光合作用,化能合成作,细菌光合作用,化能合成作用三种类型。用三种类型。1、光合作用、光合作用(Photosynthesis)光光 CO2+H2O (CH2O)+O2 叶绿体叶绿体 绿色植物绿色植物在在光光下,把下,把二氧化碳和水二氧化碳和水转化为转化为糖糖,并释放出并释放出氧气氧气的过程。的过程。其实质是一个氧化还原反应:其实质是一个氧化还原反应:H2O是电子供体(还原剂),被氧化到是电子供体(还原剂),被氧化到O2的水平;
3、的水平;CO2是电子受体(氧化剂),被还原到糖的水平。是电子受体(氧化剂),被还原到糖的水平。2、细菌光合作用、细菌光合作用(Bacterial photosynthesis)光、叶绿素光、叶绿素 CO2+H2S CH2O+H2O+S 如:紫色硫细菌如:紫色硫细菌 3、化能合成作用、化能合成作用(Chemosynthesis)化能合成细菌化能合成细菌 水生植物光合作用产生的氧气在叶片表面形成气泡水生植物光合作用产生的氧气在叶片表面形成气泡 二、光合作用的重要性二、光合作用的重要性 1、将无机物转变成有机物、将无机物转变成有机物地球上自养植物一年同化的碳素约为地球上自养植物一年同化的碳素约为21
4、011吨吨 2、将光能转变成化学能、将光能转变成化学能绿色植物是一个巨型能量转换站绿色植物是一个巨型能量转换站 3、维持大气中、维持大气中O2和和CO2的相对平衡的相对平衡 the Nobel prize about photosynthesis:Richard Martin Willstatter,Chemistry,1915,research on chlorophyll and other plant pigmentsPaul Karrer ,Chemistry,1937,carotenoids,flavins and vitamins Richard Kuhn,Chemistry,19
5、38,won for additional work on carotenoids and vitamins Severo Ochoa,Physiology or Medicine,1959,enzymatic processes in biological oxidation and synthesis and the transfer of energy.Melvin Calvin,Chemistry,1961,won for his work on carbon dioxide assimilation in photosynthesis Robert Burns Woodward,Ch
6、emistry,1965,the total synthesis of chlorophyll,vitamin B12 and other natural products Peter D.Mitchell,Chemistry,1978,the chemiosmotic theoryPaul Boyer,Chemistry,1997,ATP synthase外膜外膜内膜内膜基质基质基粒基粒类囊体垛叠的生理意义:类囊体垛叠的生理意义:使捕光机构高度密集;使酶合理使捕光机构高度密集;使酶合理排列,形成一个长的代谢传递带,排列,形成一个长的代谢传递带,利于代谢进行利于代谢进行第二节第二节 叶绿体和光
7、合色素叶绿体和光合色素一、叶绿体的结构和成分一、叶绿体的结构和成分1 1、结构、结构2 2、叶绿体的成分、叶绿体的成分水分水分 75%75%干物质干物质蛋白质蛋白质 303045%45%脂质脂质 202040%40%色素色素 8%8%无机盐无机盐 10%10%贮藏物贮藏物 101020%20%二、光合色素二、光合色素(一)分类(一)分类 叶绿素叶绿素:类胡萝卜素类胡萝卜素=3:1 叶绿素叶绿素a:叶绿素叶绿素b=3:1 叶黄素叶黄素:胡萝卜素胡萝卜素=2:1,所以叶片一般呈绿色,所以叶片一般呈绿色叶黄素叶黄素:胡萝卜素胡萝卜素:叶绿素叶绿素b:叶绿素叶绿素a:2、类胡萝卜素、类胡萝卜素 1、叶
8、绿素、叶绿素光合色素光合色素蓝绿色蓝绿色黄绿色黄绿色橙黄色橙黄色黄色黄色3、藻胆素、藻胆素藻红素藻红素藻蓝素藻蓝素 解释解释:霜叶红于二月花霜叶红于二月花秋天气温降低,叶绿素秋天气温降低,叶绿素降解,类胡萝卜素较稳降解,类胡萝卜素较稳定定叶变黄;植株体内叶变黄;植株体内积累较多糖分以适应寒积累较多糖分以适应寒冷,糖转化成花色素冷,糖转化成花色素苷苷叶子变红。叶子变红。(二)光合色素的结构与性质(二)光合色素的结构与性质1 1、叶绿素(、叶绿素(叶绿素叶绿素a、b)(1 1)化学性质:)化学性质:叶绿酸的酯,不溶于水,叶绿酸的酯,不溶于水,易溶于易溶于酒精、酒精、丙酮、乙醚、氯仿、丙酮、乙醚、氯
9、仿、石油醚等有机溶剂。石油醚等有机溶剂。(2 2)功能:)功能:绝大部分的叶绿素绝大部分的叶绿素a a和全部叶绿素和全部叶绿素b b 具有吸收和传递光能的作用。极少数特殊具有吸收和传递光能的作用。极少数特殊 状态的叶绿素状态的叶绿素a a可将光能转变为电能。可将光能转变为电能。(3 3)结构:)结构:叶绿素b以CHO 代替CH3叶绿素a的结构式CH34个吡咯环和个吡咯环和4个甲烯基个甲烯基连成一个大环连成一个大环卟啉环卟啉环镁原子居卟啉环的中央镁原子居卟啉环的中央1个含羰基和羧基的副个含羰基和羧基的副环(同素环环(同素环),羧),羧基以酯键和甲醇结合基以酯键和甲醇结合叶绿醇则以酯键与在叶绿醇则
10、以酯键与在第第吡珞环侧键上的吡珞环侧键上的丙酸结合丙酸结合庞大的共轭体系庞大的共轭体系,起着吸收起着吸收光能光能,传递电子传递电子,以以诱导共振诱导共振的方式传递能量的方式传递能量极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部H+,Cu2+可取代可取代Mgv卟啉环中的镁可被卟啉环中的镁可被H H+所所置换。当为置换。当为H H所置换后,即所置换后,即形成形成褐色的去镁叶绿素褐色的去镁叶绿素。v去镁叶绿素中的去镁叶绿素中的H H再被再被CuCu2+2+取代,就形成取代,就形成铜代叶绿铜代叶绿素素,颜色比原来的叶绿素更,颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。鲜艳稳定。v根据这一原理可用醋酸根据这一原理可用醋酸铜处理来保
11、存绿色标本。铜处理来保存绿色标本。用用50%50%醋酸溶液配制的饱醋酸溶液配制的饱和醋酸铜溶液浸渍植物标和醋酸铜溶液浸渍植物标本本(处理时可加热处理时可加热)2 2、类胡萝卜素(、类胡萝卜素(胡萝卜素、叶黄素)胡萝卜素、叶黄素)(1 1)化学性质:)化学性质:不溶于水,溶于有机溶剂。不溶于水,溶于有机溶剂。(3 3)功能:)功能:吸收和传递光能,保护叶绿素吸收和传递光能,保护叶绿素免受强光氧化。免受强光氧化。胡萝卜素在动物体内转变为维生素胡萝卜素在动物体内转变为维生素A,可预防和治疗夜盲症。可预防和治疗夜盲症。(2 2)结构:)结构:不饱和碳氢化合物。不饱和碳氢化合物。-胡萝卜素叶黄素-胡萝卜
12、素和叶黄素结构式(三)光合色素的吸收光谱(三)光合色素的吸收光谱1 1、对光合有效的可见光波长为、对光合有效的可见光波长为400400700 nm 700 nm。2 2、太阳光的连续光谱、太阳光的连续光谱 (白光经三棱镜后形成白光经三棱镜后形成)光子携带的能量与光的波长成反比光子携带的能量与光的波长成反比 E=N h c/3 3、吸收光谱:、吸收光谱:光合色素将太阳连续光谱中光合色素将太阳连续光谱中 有些波长的光吸收,在光谱上出现黑线有些波长的光吸收,在光谱上出现黑线 或暗带,这种光谱叫或暗带,这种光谱叫吸收光谱吸收光谱。类胡萝卜素类胡萝卜素的最大吸收带的最大吸收带在蓝紫光区在蓝紫光区,不吸不
13、吸收红光等长波光。收红光等长波光。叶绿素有叶绿素有2 2个个最强吸收区最强吸收区:640640660nm660nm的红光区的红光区430450nm的蓝紫光区的蓝紫光区叶绿素溶液呈叶绿素溶液呈绿色绿色。藻胆素的吸收峰主要在藻胆素的吸收峰主要在500650nm之间。之间。叶绿素b叶绿素a叶绿素a和叶绿素b在乙醇溶液中的吸收光谱-胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱叶黄素-胡萝卜素/nm(四)荧光现象和磷光现象(四)荧光现象和磷光现象荧光现象荧光现象:叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在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。反射光下呈红色的现象。10-810-9秒秒(寿命短寿命短)磷光现象磷光现象
14、:叶绿素除了在照光时能辐射出荧光外,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,这当去掉光源后,还能继续辐射出极微弱的红光,这个现象叫个现象叫。10-2秒秒(寿命长寿命长)这两种现象说明叶绿素能被光激发,而被光激这两种现象说明叶绿素能被光激发,而被光激发是光能转变为化学能的第一步。发是光能转变为化学能的第一步。色素分子吸收光子后能量转变色素分子吸收光子后能量转变对提取的叶绿体色素浓溶液照光,对提取的叶绿体色素浓溶液照光,在与入射光垂直的方向上可观察到呈在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的荧光。暗红色的荧光。因为溶液中缺少能量受体或电子受因为溶液中缺少能量受体
15、或电子受体的缘故。体的缘故。荧光猝灭剂:荧光猝灭剂:在色素溶液中,如加在色素溶液中,如加入某种受体分子,能使荧光消失。常入某种受体分子,能使荧光消失。常用用Q Q表示。在光合作用的光反应中,表示。在光合作用的光反应中,Q Q即为电子受体。即为电子受体。色素发射荧光的能量与用于光合作色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量是相互竞争的,这就是叶绿用的能量是相互竞争的,这就是叶绿素荧光常常被认作光合作用素荧光常常被认作光合作用无效指标无效指标的依据。的依据。离体色素溶液为什么易发荧光?离体色素溶液为什么易发荧光?谷氨酸或谷氨酸或-酮戊二酸酮戊二酸氨基酮戊二酸氨基酮戊二酸(ALA)2ALA 含吡咯环的
16、胆色素原(含吡咯环的胆色素原(PBG)4个胆色素原个胆色素原 原卟啉原卟啉 镁原卟啉镁原卟啉 单乙烯基原叶绿素酯单乙烯基原叶绿素酯a 叶绿素酯叶绿素酯a 叶绿素叶绿素a 叶绿素叶绿素b叶绿素与血红素有共同的前期合成途径叶绿素与血红素有共同的前期合成途径推断:动植物有共同的起源推断:动植物有共同的起源光光(五)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系(五)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系1 1、叶绿素的生物合成、叶绿素的生物合成 (4 4个阶段个阶段)2 2、影响叶绿素形成的条件、影响叶绿素形成的条件(1 1)光)光 光是影响叶绿素形成的主要条件。光是影响叶绿素形成的主要条件。从从原叶绿素酸酯转
17、变为叶绿酸酯需原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光要光,而光过强,叶绿素又会受光氧,而光过强,叶绿素又会受光氧化而破坏。化而破坏。黑暗中生长的幼苗呈黄白色,遮光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,因缺乏某些条件而影响叶绿素形成,使叶子发黄的现象,称为使叶子发黄的现象,称为黄化现象黄化现象。黑暗使植物黄化的原理常被应用于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、大白菜芦笋、豆芽菜、葱白、蒜白、大白菜等生产。等生产。(2)(2)温度温度
18、 高温下叶绿素分解大于合成,因而夏天绿叶蔬菜存放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,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这也是低温保鲜的原因之一 叶绿素的生物合成是一叶绿素的生物合成是一系列系列酶促反应,受温度酶促反应,受温度影响影响。叶绿素形成的最低温度叶绿素形成的最低温度约约22,最适温度约,最适温度约30,30,最高温度约最高温度约40 40。受冻的油菜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。抑制叶绿素形成有关。氮和镁
19、氮和镁是叶绿素的组成成分,是叶绿素的组成成分,铁、锰、铜、锌铁、锰、铜、锌等是等是叶绿素叶绿素酶促合成的辅因子。酶促合成的辅因子。因此,缺少这些元素时都会引起因此,缺少这些元素时都会引起,其中尤以,其中尤以氮的影响最大。氮的影响最大。缺缺N N老叶发黄枯死,新叶色淡老叶发黄枯死,新叶色淡,生长生长矮小,根系细长,分枝(蘖)减少矮小,根系细长,分枝(蘖)减少缺NCK萝卜缺萝卜缺N的植株老叶发黄的植株老叶发黄缺N(4 4)水分:)水分:缺水抑制叶绿素的生物合成,严重缺水缺水抑制叶绿素的生物合成,严重缺水时,加速叶绿素的降解,所以干旱时叶片呈时,加速叶绿素的降解,所以干旱时叶片呈黄褐色。黄褐色。(5
20、 5)氧气)氧气 缺氧会影响叶绿素的生物合成;光能缺氧会影响叶绿素的生物合成;光能 过剩时,氧引起叶绿素的光氧化。过剩时,氧引起叶绿素的光氧化。(6)(6)遗传遗传 叶绿素的形成受遗传因素控叶绿素的形成受遗传因素控制,如水稻、玉米的白化苗以及制,如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。花卉中的斑叶不能合成叶绿素。有些病毒也能引起斑叶。有些病毒也能引起斑叶。问题:问题:指出植物有哪些黄化现象,并分析产生的原因。指出植物有哪些黄化现象,并分析产生的原因。植物体内的叶绿素在代谢过程中一方面合成,一方面分解,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。如环境不适宜,叶
21、绿素的形成就受到影响,而在不断地更新。如环境不适宜,叶绿素的形成就受到影响,而分解过程仍然进行,因而茎叶发黄,光合速率下降。分解过程仍然进行,因而茎叶发黄,光合速率下降。农业生产中,许多栽培措施如施肥,合理密植等的目的就是农业生产中,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,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。使之更多地吸收光能,用于光合作用,生产更多的有机物。叶绿素是一种酯,因此不叶绿素是一种酯,因此不溶于水。溶于水。通常用含有少量水的通常用含有少量水的有机溶剂如有机溶剂
22、如,或者,或者,或,或的混合液来提的混合液来提取叶片中的叶绿素,用于测定取叶片中的叶绿素,用于测定叶绿素含量叶绿素含量。之所以要用含之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素,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牢,需要经过水解作用才能被提取出来。提取出来。研磨法研磨法浸提法浸提法0.1g0.1g叶叶+10ml+10ml混合液浸提混合液浸提一、原初反应一、原初反应二、电子传递与光合磷酸化二、电子传递与光合磷酸化三、碳同化三、碳同化四、光合作用的产物四、光合作用的产物第三节第三节 光合作用的机制光合作用的机制光合作用可分为三个阶段光合
23、作用可分为三个阶段:原初反应:光能原初反应:光能电能电能 光反应光反应电子传递和光合磷酸化:电能电子传递和光合磷酸化:电能活跃的化学能活跃的化学能 光反应光反应碳同化:活跃的化学能碳同化:活跃的化学能 稳定的化学能稳定的化学能 碳反应碳反应 光反应在类囊体(光合膜)上进行光反应在类囊体(光合膜)上进行 碳反应在叶绿体的基质中进行碳反应在叶绿体的基质中进行根据需光情况,将光合作用分为两个反应:根据需光情况,将光合作用分为两个反应:光反应和暗反应(碳反应)光反应和暗反应(碳反应)原初反应电子传递和光合磷酸化碳同化光反应碳反应一、原初反应一、原初反应(Primary reaction)(一一)概念概
24、念 光合色素分子对光能的吸收、传递光合色素分子对光能的吸收、传递 和转换过程。和转换过程。原初反应的特点:原初反应的特点:速度快,速度快,可在可在ps(10ps(101212s)s)与与ns(10ns(109 9s)s)秒内完成。秒内完成。与温度无关,与温度无关,可在液氮可在液氮(-196)(-196)或液或液氦氦(-271)(-271)下进行。下进行。(二二)根据功能将光合色素分类根据功能将光合色素分类 1.1.反应中心色素(反应中心色素(P P):):少数特殊状态的少数特殊状态的 叶绿素叶绿素a a分子,它具有光化学活性,能分子,它具有光化学活性,能 捕光,又能将光能转换为电能。捕光,又能
25、将光能转换为电能。2.2.聚光色素(天线色素):聚光色素(天线色素):能吸收光能,能吸收光能,并把吸收的光能传递到反应中心色素。并把吸收的光能传递到反应中心色素。大部分叶绿素大部分叶绿素a a、全部叶绿素、全部叶绿素b b、胡、胡萝卜素、叶黄素。萝卜素、叶黄素。大约大约250250300300个色素分子所聚集的个色素分子所聚集的光能传给一个反应中心色素分子。光能传给一个反应中心色素分子。(三三)光合单位光合单位 定义定义1 1:每吸收与传递每吸收与传递 1 1 个光量子个光量子 到反应中心完成光化学反应所需起协同到反应中心完成光化学反应所需起协同 作用的色素分子。作用的色素分子。由由聚光色素系
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