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广东2009生物竞赛光合作用


影响呼吸作用的因素
? ? ? 一、呼吸速率和呼吸商 呼吸作用的指标有两个,即呼吸速率和呼吸商。 1.呼吸速率:在一定时间内所放出的二氧化碳 的体积,或所吸收的氧的体积来表示。 2.呼吸商又称呼吸系数:植物组织在一定时间 内,放出二氧化碳的mol数与吸收氧气的mol数的 比率。

?

? 3.呼吸商的特点:
? (1

)呼吸底物性质与呼吸商有密切关系

? A、当呼吸底物是糖类(如葡萄糖)而又完全氧化时,呼
吸商是1。 ? B、如果呼吸底物是一些富于氢的物质,如脂肪或蛋白质, 则呼吸商小于1。 ? C、如果呼吸底物只是一些比糖类含氧较多的物质,如已 局部氧化的有机酸。则呼吸商大于1。 ? (2)氧气供应状态时呼吸商影响也很大。

影响呼吸速率的外部因素
? ? ? ? (一)温度 1.温度之所以能影响呼吸速率主要是影响呼吸酶的活性。 2.超过最适点,呼吸速率则会随着温度的增高而下降 3.呼吸作用的最适温度总是比光合作用的最适温度高

? 4.应用:实践上贮藏果实和蔬菜时应该使温度降低,以 减少呼吸消耗,但是温度又不能低到破坏植物组织的程 度,否则,细胞受损害,对病原微生物的抵抗力大减, 也易腐烂损坏。

? (二)氧气 ? 1.氧气影响呼吸速率和呼吸性质;

? 2.为什么植物不能长时间忍受无氧呼吸?
? (1)无氧呼吸产生酒精。酒精使细胞质的蛋白质变性; ? (2)能量消耗过多。因为无氧呼吸利用每mol葡萄糖产 生的能量很少,相当于有氧呼吸的百分之几,植物要维持 正常生理需要,就要消耗更多的有机物,这样,植物体内 养料耗损过多; ? (3)没有丙酮酸氧化过程,需要中间产物形成的物质就 无法继续合成。

? (三)二氧化碳
? 1.浓度高抑制呼吸。 ? 2.高浓度二氧化碳抑制呼吸这个原理可利用于贮藏果蔬。 (四)机械损伤 ? 机械损伤会显著加快组织的呼吸速率

? (1)是原来氧化酶与其底物在结构上是隔开的,机械损伤 使原来的间隔破坏,酚类化合物就迅速地被氧化;
? (2)是机械损伤使某些细胞转变为分生组织状态,以形成 愈伤组织去修补伤处,这些生长旺盛的生长细胞的呼吸速 率比原来休眠或成熟组织的呼吸速率快得多。

一、光合作用概念
? 绿色植物吸收太阳光能,同化CO2和H2O,制造有机 物并释放O2的过程。


CO2 + H2O*
叶绿体

(CH2O) + O2*

二、光合作用意义
(一)是自然界巨大的物质转换站 (二)是自然界巨大的能量转换站 (三)净化环境,维持大气O2、CO2 平衡

全球范围CO2的升高,会产生温室效应

(四)在生物进化上的意义 * 好氧生物的出现 *生物由海洋进入陆地

三、 叶绿体
(一) 、叶绿体的发育 白色体 叶绿体 前质体 质体 黄化质体 有色体 有色体 叶绿体

(二) 、叶绿体结构
基粒

叶绿体膜

基质

基质类囊体 基粒类囊体

切开的叶绿体

四 光合色素及其性质

叶绿素
类胡萝卜素

高等 植物

chla、chlb、 chlc、chld 胡萝卜素、叶黄素

藻胆素 —— 藻类 藻红素、藻蓝素

1.叶绿素
CH2 CH H C

chlb此处以- CHO代替-CH3
CH3

H3 C
H-C

Ⅰ N


N

CH2-CH3
C-H

Mg
N N

H3C
H


C



CH3

H Ⅴ CH2 HC C=O CH2 C-O-CH3 C=O O O

C2OH39

叶绿素a的结构式

叶绿素的提取

研磨法提取 光合色素

铜代叶绿素反应
? 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。
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

2.类胡萝卜素

类胡萝卜素都不溶于水,而溶于有机溶剂。

橙黄色

黄色
3

? 叶绿素功能
(1) 绝大部分chla和全部chlb、c、d具有收集并 传递光能的作用 (2)少数特殊chla具有将光能转为电能作用

? 类胡萝卜素功能
(1)辅助吸收光能 (2)保护叶绿素免受光氧化破坏

? 藻胆素功能
辅助吸收光能

光合色素的光学性质
吸收光谱----叶绿体色素吸收部分光质后,在光
谱上出现的暗带。

*地面上太阳光:300nm ~ 2600nm *可见光:390nm ~ 770nm(红橙黄绿青蓝紫) *用于光合作用光:400nm ~ 700nm

(1)叶绿素吸收光谱 最大吸收区:红光区640 ~ 660nm(特有)
蓝紫光区 430 ~ 450nm 150 消 光 系 数 100 50 643 chlb 叶绿素a和b的颜色? 660 chla

mmol-1.cm-1 50

O
400 500 (λ/nm) 600 700

150

chlb

消 光 系 数

100
50 643

660 chla

mmol-1.cm-1 50

O
400 500 (λ/nm) 600 700

Chla和Chlb在乙醇溶液中的吸收光谱
阴生植物与阳生植物相比chla含量高还是chlb含量高?

(2)类胡萝卜素吸收光谱
最大吸收区域:蓝紫光区

(3) 藻胆素吸收光谱
藻蓝素吸收峰:橙红区 藻红素吸收峰:绿光区、黄光区

叶绿素的荧光和磷光现象
E2 第二单线态(250KJ) 放 热 能 量 蓝 光 吸 收 E1

红 光 吸 收

第一单线态(179KJ) 放 热 三线态
(125KJ)

热 荧 光 磷 光



EO

基态

荧光——第一单线态回到基态时发出的光,寿
命短,10-8 ~ 10-9 S,强度大。

磷光——三线态回到基态时发出的光,寿命较
长,10-2 ~ 10-3S,强度小,为荧光的1%。

证实叶绿体中CO2同化和光合放氧反应部位的实验
光+CO2 低渗

O2+CH2O
光+Fe3+
Hill反应

完整叶绿体

破损叶绿体

O2

离心 基质

CO2

CH2O

光合膜

光+ Fe3+

O
2

四、光合作用的步骤
光能的吸收、传递和转换

原初反应: 光能(光子) → 电能(高能电子) 光反应 电子传递 电能(高能电子) → (基粒片层) 光合磷酸化 活跃化学能(ATP、NADPH) C3途经 暗反应 C4途经 (叶绿体基质) CAM途径

碳同化

活跃化学能 → 稳定化学能(碳水化合物等)

只能吸收和传递光能的色素分子 (包括大部分chla、全部chlb、胡萝 聚光色素 卜素和叶黄素、藻红素和藻蓝素)。

光合单位
作用中心

作用中心色素

P680 P700 引起光化学反应的少数特殊状态的 Chla

原初电子受体(A) 原初电子供体(D)

包括光能的吸收、传递和转换。

四、光合作用的步骤
光能的吸收、传递和转换

原初反应: 光能(光子) → 电能(高能电子) 光反应 电子传递 电能(高能电子) → (基粒片层) 光合磷酸化 活跃化学能(ATP、NADPH) C3途经 暗反应 C4途经 (叶绿体基质) CAM途径

碳同化

活跃化学能 → 稳定化学能(碳水化合物等)

1、原初反应

中心色素

2、电子传递
光合作用两个光系统的发现

?红降——在大于680nm的单一红光(远红光
区)下,光合作用的量子效率下降的现象。

?双光增益效应——在波长大于680nm(7
00)的远红光条件下,再补加波长小于68 0nm的红光,这两种波长的光协同作用大大增 加光合效率的现象。

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31

Ao(特化的叶绿素a分子)

去镁叶绿素

铁氧还蛋白

PC

质体醌 PC(质体蓝素) Tyr酪氨酸残基

PSI

PSⅡ

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32

电子传递链的特点
? 需光能来推动(P680---P680*,P700---P700*)
? 每传递4个电子分解2分子H2O,需吸收8个光量子,释 放1个O2,还原2个NADP+,同时运转8个H+进入类囊 体腔,其中4个来自水的光解,另外4个由“PQ穿梭” 完成。P216

示循环及非循环电子传递图

3、光合磷酸化
定义:叶绿体在光下将ADP和Pi转化为ATP过程 类型:
? 非环式光合磷酸化:在基粒片层进行
2ATP+2NADPH+2H++O2 2ADP+2Pi+2NADP++2H2O 光

?

循环式光合磷酸化:在基质片层进行,补充ATP不足 ADP + Pi 光 ATP

ATP合酶

4、光合作用的碳同化
(一) C3途径
? ? ? CO2受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸RUBP) CO2被固定形成的最终产物是三碳化合物,故称 C3途径 卡尔文等在50年代提出的,故称卡尔文循环 (Calvin循环)
C3途径分三个阶段:羧化(固定)、还原、再生

C3途径
1 羧化阶段
CH2O P C=O CH2O P COOH Rubisco HCOH + CO2 +H2O HCOH + HCOH HCOH COOH CH2O P CH2O P RuBP 2分子PGA 核酮糖二磷酸 3-磷酸甘油酸

2 还原阶段
COOH Mg2+ HCOH + ATP CH2O P PGA O C-O P HCOH + NADPH + H+ CH2O P DPGA

O C-O P HCOH + ADP CH2O P DPGA 1、3-二磷酸甘油酸 CHO HCOH + NADP+ + Pi CH2O P PGAld 3-磷酸甘油醛

3、再生阶段 ? 由PGAld(GAP)经一系列转变重新合成 RUBP的过程

总结
? CO2最初受体是RuBP,固定CO2最初 产物PGA,最初形成糖是PGAld

? 总反应式:
3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPH→P GAld+6NADP++9ADP+9Pi

(二)C4途径
厚壁细胞
叶 绿 体
维 管 束 鞘

玉米

叶肉细胞

水稻

C4植物与C3植物叶片解剖结构的差异

?反应历程:四个阶段

1 羧化:叶肉细胞中,PEP(磷酸烯醇式丙 酮酸)羧化酶作用,固定CO2为草酰乙酸 OAA ,后形成四碳二羧酸(Mal或Asp), (苹果酸或天冬氨酸)

C4 反应历程

2 转移:C4酸通过胞间连丝转运到维管束鞘细胞
内.

3 脱羧与还原:鞘细胞中,C4酸脱羧放出CO2
形成C3酸,CO2进入C3途径还原为光合产物。

4 再生:脱羧形成的C3酸(丙酮酸或丙氨酸) 转运
回叶肉细胞,再生成CO2的受体PEP。

厚壁细胞
叶 绿 体
维 管 束 鞘

玉米

叶肉细胞

水稻

C4植物与C3植物叶片解剖结构的差异 返回

46

? C4途径特点
1 、CO2最初受体是PEP

2、最初产物四碳二羧酸OAA 3、在两种细胞器中完成:叶肉细胞、鞘细胞 4、起“CO2”泵作用,不能将CO2转变为糖

(三)CAM途径(景天科酸代谢途径)

1、CAM植物解剖学、生理学特点
(1)解剖学特点:景天、仙人掌,菠萝,落地
生根

(2)生理学特点: *气孔夜间开放,吸收CO2,白天关闭 *绿色细胞有机酸含量夜间上升,白天下降 *细胞淀粉含量夜间下降,白天上升

2 CAM途径化学历程:夜晚
CH2 PEP羧化酶 COOH C=O P + CO2+H2O CH2 COOH C=O COOH

PEP磷酸烯醇式丙酮酸

OAA草酰乙酸

COOH Mal脱氢酶 COOH CH2 +NAD(P)H+H+ C=O + NAD(P)+ HCOH HCOH COOH COOH

OAA

Mal苹果酸

白天: COOH 依赖NAD COOH CH2 +NAD(P)+ 苹果酸酶 C=O +NAD(P)H+H++CO2 HCOH COOH COOH

Mal

Pyr 丙酮酸
PEP

C3途径

3 CAM途径与C4途径比较

相同点:
? 都有羧化和脱羧两个过程

? 都只能暂时固定CO2 ,不能将CO2还原为糖 ? CO2最初受体是PEP,最初产物是OAA ? 催化最初羧化反应的酶是PEP羧化酶

不同点:
?C4途径羧化和脱羧在空间上分开 羧化——叶肉细胞、脱羧——鞘细胞 ?CAM途径羧化和脱羧在时间上分开 羧化——夜晚、脱羧——白天

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53

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54

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55

光呼吸
一、概念 *光呼吸—植物绿色细胞依赖光照,吸收O2释
放CO2的过程。

*高光呼吸植物—具有明显的光呼吸。如小
麦、大豆、烟草等C3植物。

*低光呼吸植物—光呼吸很微弱,几乎检测不
出来。如高粱、玉米、甘蔗、 狗尾草、马齿 苋、羊草等C4植物。

二、光呼吸的生化历程
关键酶:1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(双功能)
Rubisco
CO2

2 3-磷酸甘油酸

光合作用

RUBP

O2

3-磷酸甘油酸 + 2-磷酸乙醇酸
H2 O

光呼吸

乙醇酸

磷酸

RuBP
PGA

O2

叶绿体
磷酸乙醇酸 H 2O
Pi

ADP ATP 甘油酸

乙醇酸

甘油酸 过氧化物酶体 乙醇酸 NAD+ O2 NADH H2O2→H2O+1/2O2 羟基丙酮酸 乙醛酸 Glu KGT 丝氨酸 甘氨酸 丝氨酸 H2O + Gly

线粒体
H4-叶酸盐

甘氨酸 NAD + NADH

亚甲H4-叶酸盐

NH3 + CO2

总结
乙醇酸在叶绿体中生成(需O2) 过氧化物酶体中氧化,生成乙醛酸(需O2) 线粒体中脱羧(放CO2)

三、光呼吸和暗呼吸比较

问题:

C4植物光合效率为什么高于C3植物(在高光强、 高温、干燥时更明显)?

? PEP与CO2的结合能力比RuBP与CO2的结合能 力强。 ? C4植物有“CO2”泵,Rubisco向羧化方向进行 ? C4植物的光呼吸低: 维管束鞘细胞中CO2 浓度高,Rubisco向羧 化方向进行 局限在维管束鞘细胞,光呼吸放出的CO2 被“花环”结构叶肉细胞利用,不易“漏出”。

外界条件对光合作用的影响 1 光照
(1)光质:橙红光》蓝紫光》绿光 (2)光强 ?光饱和点——指增加光照强度而光合作用不
再增加时的光照强度。阳生》阴生,C4 》C3

?光补偿点———光合作用吸收CO2量与呼吸作
用释放CO2量相等时的光照强度。 阳生植物》阴生植物,C4植物 《 C3植物

光抑制

当光合机构接受的光能超过它所能 利用的量时,光会引起光合效率的降 低,这个现象叫光合作用的光抑制。

2 、 CO2
CO2补偿点:光合速率与呼吸速率相等时的外 界环境中的CO2浓度。

CO2饱和点:当光合速率开始达到最大值时的 外界CO2浓度。

? 3、 温 度 ? 4、 水 分 ? 5、矿质元素

光合作用的日变化

光合作用“午休” 现象原因

? 水不足,气孔部分关闭,影响CO2进入; ? 光合作用的光抑制。

生态学家研究了美国Mendota湖的能量流动。得数据如下表 (单位:卡/cm2.y)。

浮游植物 其他植物 入射日光 能 118.872 生 呼 物 吸 量 299 100 生 物 量 22 呼 吸 7 动物摄 分解者分 食量 解量 42 10


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