tceic.com
简单学习网 让学习变简单
当前位置:首页 >> 学科竞赛 >>

生物奥赛-光合作用


光合作用

§1 光合作用及其重要性
?

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) 2) 3)

/>无机物→有机物: 植物每年同化C 2×1011吨, 太阳能→化学能: 植物年贮能3× 1021焦耳。 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。

§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
Chla Chlb Chlc,d Bacteriochl

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。

类胡萝卜素carotenoid

胡萝卜素 carotene 叶黄素 xanthophyll

藻胆素phycobilin

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 高等植物 绿藻 硅藻 腰鞭毛虫 褐藻 红藻 蓝绿藻

a + + + + + + +

叶绿素 b c + - + - - + - + - + - - - -

d - - - - - + -

类胡萝 藻胆素 卜素 + + + + + + + - - - - - + +

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b B.叶绿素a, 叶绿素c C.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: C55H70O6N4Mg b) 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。
HO

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。
xanthophyll
OH

? 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
?A

D

3)

藻胆素:
a) b) c)

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)。 作用:吸收光能。 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

叶黄素 胡萝卜 素 叶绿素a 叶绿素b

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。

光的能量:q=hv=hc/λ E=N hv=N hc/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:
2)
光 紫外 波长(λ/nm) <400 平均能量( E/kjmol-1 ) 297

紫 蓝
绿 黄 橙 红

400~425 425~490
490~560 560~580 580~640 640~740

289 259
222 209 197 172

2) 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: A transparent-green chlorophyll solution of ground up spinach leaves and acetone. Right: Beam of light directed at the chlorophyll solution producing a reddish glow called fluorescence.

单重激发态 体系间跨越 三重激发态

e

荧 光

磷 光

光 基态

? a) b)

荧光和磷光现象说明了: 叶绿素能被光所激发,这是将光能转化为化学 能的第一步。 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
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

暗反应

碳的固定: 形成稳定的化学能

一 原初反应 Primary Reaction
?

?

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

Antenna complex acts as energy funnel

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a B.类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b C.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 NADPH

Ⅰ: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 red drop: 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enhancement effect: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 enhancement effect ,又称为 Emerson effect.

685+650nm

650nm
685nm

Emerson effect

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



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) 组成: 头部CF1:5 种多肽9个亚基 柄部CF0:4种多肽 功能:合成ATP

4) ATP合成酶复合体
?

?

III 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 →
-2

4H+

+4e + O2

0

2.

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 (assimilation power)。

三 碳素的同化 CO2 assimilation
? 定义:

? 部位: ? 途径:

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。 叶绿体基质中(某些反应在细胞液中进行)
pathway—Calvin cycle ? C4 pathway—Hatch-Slack pathway ? CAM pathway 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
? C3

(一) C3途径 — Calvin cycle

Calvin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

(RuBPCase or Rubisco) 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→2 PGA

Rubisco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:Regeneration
PGA
PGA激酶 ATP ADP

GAP脱氢酶

DPGA
NADPH+H+ NADP++Pi

GAP

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。

The Calvin cycle

Calvin 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Calvin cycle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 经 FDP 、 F6P 、 G6P 、 G1P 、 UDP -葡萄糖、 蔗糖-6-磷酸,最后形成蔗糖并释放出磷酸, 而磷酸再经磷酸/磷酸丙糖转运器而运回叶绿 体:


在进行光合作用的单细胞绿藻培养液中通入 CO2(CO2中的O为18O)一段时间后,请问不会带 上18O标记的有: A .O 2 B.葡萄糖 C.3-磷酸甘油酸 D.1,5-二磷酸核酮糖 A

(二) C4途径
?

C4途径是在上世纪60年 代发现的一些起源于热 带的作物,如玉米、甘 蔗、高粱等,其光合C 固定的最初产物不是3 个C的PGA,而是含4个 C的草酰乙酸OAA,因 此称为C4途径,又叫 Hatch-Slack Pathway. 进行C4途径光合的植物 有独特的叶片维管束结 构:

?

C4途径概况

例:

在C4植物中,叶肉细胞内合成的四碳化合物用于: A.还原NADP+ B.合成ATP C.与CO2结合产生葡萄糖 D.转移CO2到鞘细胞内. D

?

C4途径分下面几步:
?

羧化:
部位:叶肉细胞的细胞液中 ? 底物:磷酸烯醇式丙酮酸 PEP ? 酶:PEPCase ? 最初产物:草酰乙酸 OAA PEPCaseOAA+Pi ? 反应:PEP+HCO3?

形成OAA后,迅速转化为苹果酸 Mal

而在有些植物中,OAA转变为Asp

? 穿梭:Mal,

Asp从叶肉细胞转入维管束鞘细胞。 ? 脱羧:C4酸在维管束鞘细胞的不同部位脱下 CO2,又生成C3酸。

? 再固定:脱下的CO2进入鞘细胞的叶绿体,进

入Calvin 循环。(事实上已离开C4循环) ? 底物的更新

脱羧后形成的C3酸再形成PEP,进入下一轮循环。
丙酮酸+Pi+ATP
丙酮酸磷酸双激酶

PEP+AMP+PPi

一些植物如景天、菠萝、仙人掌、伽蓝菜等植物、其气孔晚 上开放,吸入CO2,在细胞液中与PEP结合形成OAA, OAA转变成Mal贮存于液泡中,白天气孔关闭,液泡中 的Mal又运回细胞液,脱羧放出CO2进入叶绿体,加入 Calvin循环。丙酮酸形成的淀粉,又可生成PEP而进入下 一轮循环。

(三)CAM途径

叶 绿 体

四 光呼吸 Photorespiration
?

光呼吸的概念:
植物的绿色细胞在光照下吸收O2、释放CO2的现象,称为光呼 吸。光呼吸不同于一般的呼吸(暗呼吸),只有绿色细胞在光 照下才能进行。

1.

光呼吸的机理:
光呼吸现象存在的根本原因在于Rubisco这个酶是个双向酶: 它既具有羧化酶的作用,又具有氧化酶的作用。

2×PGA 高CO2、低O2促进
+ H2O +CO2

RuBP

Rubisco

25℃、大气CO2/O2下,羧化 酶活性是加氧酶的3倍

+H2O+O2

PGA +磷酸乙醇酸 低CO2、高O2促进

2 光呼吸与乙醇酸循环的过程
?

光呼吸的底物是磷酸乙醇酸水解生成的乙醇酸 部位:叶绿体: RuBP+H2O+O2→PGA+磷酸乙醇酸
磷酸乙醇酸+H2O→乙醇酸+Pi

?

2分子乙醇酸经乙醇酸循环(C2 cycle)生成1分子CO2和1分子PGA
?

过氧化体:乙醇酸+O2 乙醛酸

乙醇酸氧化酶 转氨酶

乙醛酸+H2O2

H2O+O2

甘氨酸 丝氨酸+CO2

?

线粒体: 2×甘氨酸

丝氨酸羟甲基转移酶

?
?

过氧化体:丝氨酸
叶绿体: 甘油酸

转氨酶

甘油酸脱氢酶 羟基丙酮酸 甘油酸
PGA Calvin Cycle

甘油酸激酶 ADP

ATP

乙醇酸 甘油酸 乙醇酸 乙醛酸 羟基丙酮酸 甘氨酸 丝氨酸 四氢叶酸

亚甲基四氢叶酸

乙醇酸循环的总反应式:
2 乙醇酸→3-磷酸甘油酸+CO2 4C→3C+1C

3 对光呼吸的看法
1)

2)

光呼吸通常把固定的C的1/4~1/2变成CO2又释放出 来,而光呼吸的许多过程是耗能过程。因此光呼 吸是个耗能的浪费过程。 光呼吸对植物叶绿体具保护作用,由于光反应, 叶绿体内会积累大量的ATP和NADPH,一旦植物 处于逆境,气孔关闭,CO2不能进入,暗反应无 法进行,则光反应产生的高活性电子不能还原 NADP+,便与O2生成活性氧,对植物造成伤害; 而光呼吸可耗散过多能量,减少自由基的产生。

§5 影响光合作用的因素
1.


?
?

光质:兰光和红光最好,其中兰光对气孔的影响很大。 光强:一定范围内,光合速率随光强的升高而增大。

光补偿点:在一定 CO2浓度下,光合 速率与呼吸速率相 等时的光照强度 (Pn=0)
光饱和点:光合速 率不再继续升高时 的光照强度

Light saturation point

阴生植物与阳生植物光补偿点与光饱和点的比较

阴生植物利用散射光,而散射光中兰紫光多,而chlb在兰紫光 区吸收光谱宽,因此阴生植物chlb含量相对多

2.

CO2浓度
A 植物对CO2浓度的响应曲线

C3植物的CO2补偿点高于C4植物;其CO2饱和点也远远高于C4植 物,后者在接近大气浓度的CO2浓度下即达到或接近饱和,而后者 一直处于饥饿状态。

例:
在较强光照强度下,降低CO2浓度,下列作物中 的哪两种光合速率下降的更快?( ) ①棉花 ②玉米 ③高粱 ④小麦 A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④

3、温度
? C3植物的最适温度是25℃,C4植物的最适温度是

35℃

C3植物与C4植物的净光合速率与温度的关系: C3植物的最适温度是25℃, C4植物的最适温度是35℃;C3的光合-温度曲线平而缓,C4的挺而陡。

4 矿质元素
? ?

直接作用:作为叶绿素、电子传递体的组成成分、 或促进酶的合成。 间接作用:促进碳水化合物的运输。 直接作用:作为光合作用的原料 间接作用:
(1) (2) (3) (4) 影响气孔开放 影响光合产物运输 缺水时淀粉水解加强,糖类积累 水分亏缺严重时,光合机构受损,电子传递降低,光合 磷酸化解偶联

5 水分:
1)

2)


推荐相关:

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题五光合作用

金太阳新课标资源网 wx.jtyjy.com 高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题五光合作用 [竞赛要求] 1.光合作用的概念及其重大意义 2.光合作用的场所和光合色素 3.光合...


高中生物 第三章 植物的光合作用竞赛教案

高中生物 第三章 植物的光合作用竞赛教案_理化生_高中教育_教育专区。高中生物 第三章 植物的光合作用竞赛教案 第三章 植物的光合作用 一、教学时数: 计划教学...


高中生物竞赛教程 第3章 植物的光合作用

高中生物竞赛教程 第3章 植物的光合作用_学科竞赛_高中教育_教育专区。第三章 植物的光合作用一、教学时数: 计划教学时数 16 学时。其中理论课 12 学时,实验...


高中生物竞赛培优教程:光合作用、呼吸作用和气体交换

高中生物竞赛培优教程:光合作用、呼吸作用和气体交换第二章 【考点解读】 本章研究植物形态构造和生理活动规律, 包括植物组织和器官的结构和功能、 光合作用 和呼吸...


【步步高】2015届高考生物一轮总复习精品讲义 第10讲 光与光合作用 新人教版

【步步高】2015届高考生物一轮总复习精品讲义 第10讲 光与光合作用 新人教版_学科竞赛_高中教育_教育专区。高考生物,知识点,一轮复习,习题,2015年高考第...


生物竞赛专题训练六 代谢及答案

生物竞赛专题训练六 代谢及答案_学科竞赛_高中教育_教育专区。这是2008年到2014...据图分 析正确的是 A.在 9:00 时,呼吸作用产生的 CO2 大于光合作用吸收的...


植物生理学

江宁高级中学生物奥赛辅导讲义 汪久佳选编 2008 年 5 月 生物奥赛之植物生理学 光合作用专题 [竞赛要求] 1.光合作用的概念及其重大意义 2.光合作用的场所和光合...


平江四中高三生物课时练3-3-11光与光合作用

平江四中高三生物课时练3-3-11光与光合作用_数学_高中教育_教育专区。3-3-11 光与光合作用 1.(2011· 海南生物,12)红枫是一种木本观赏植物,在生长季节叶片呈...


2010届高三生物光合作用的过程

2010届高三生物光合作用的过程_从业资格考试_资格考试/认证_教育专区。2010 届高三生物一轮复习讲练精品学案系列光合作用的过程【课标要求】光合作用的基本过程。 【...


09年高考生物光合作用过程

09年高考生物光合作用过程_从业资格考试_资格考试/认证_教育专区。“光合作用过程”的教学设计丰县华山中学 陈元丰 1 教学设计思路: 光合作用的过程是光合作用这一节...

网站首页 | 网站地图
All rights reserved Powered by 简单学习网 www.tceic.com
copyright ©right 2010-2021。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com