04 第四章 植物的光合作用.ppt

第1页：第三章植物的光合作用引言

第三章 植物的光合作用。“有收无收在于水，收多收少在于肥？万物生长靠太阳”。

第2页：光合作用的五个设问

假设光合作用是一个物质生产过程，那么：

1. 原料、产品是什么？
2. 工厂、车间是什么？
3. 工人有哪些？
4. 生产流程是怎样？
5. 制约因素有哪些？

第3页：第三章教学目标

教学目标

1. 掌握叶绿体结构及光合色素种类和性质
2. 了解叶绿素的生物合成及其影响因子
3. 初步弄清光合作用机理（重点和难点）
4. 了解光呼吸的基本过程和主要生理功能
5. 弄清光合作用的影响因素

第4页：光合作用发现简史

第一节 光合作用概述：1 光合作用发现简史

• 1771年 英国化学家 J. Priestley 发现植物可净化空气，实际发现了植物放氧
• 1779年 荷兰人 Jan Ingenhousz 发现植物只有在光下才净化空气，证明光的参与
• 1782年 瑞士科学家 J. Senebier 发现 CO2 可促进植物在光下产生“纯净”空气
• 1864年 J. Sachs 观察到光照下叶绿体中淀粉粒增大，证明有有机物产生
• 1941年 Ruben 等用 H2O* 证明氧气来源于水的光解

第5页：光合作用概图

光合作用概图：叶片利用光能把二氧化碳和水合成有机物并释放氧气。

第6页：光合作用的总反应式与意义

光合作用的总反应式：CO2 + 2H2O —光/叶绿体→ (CH2O) + O2 + H2O

2 光合作用的重要意义

• A）合成有机物
• B）能量的转换和贮存
• C）释放氧气、净化空气

第7页：叶绿体的外部形态

第二节 叶绿体和光合色素：高等植物叶绿体多呈扁平椭球形，主要分布在叶片的栅栏组织和海绵组织中。

第8页：叶绿体的形态与分布

叶绿体的形态与分布示意图。

第9页：叶绿体的基本结构

A）被膜

有外膜和内膜两层，内膜具选择透性。

B）基粒

由类囊体垛叠而成，是光能吸收、传递、转换的场所。

C）间质

叶绿体膜以内的基础物质，主要是可溶性蛋白质（酶），为CO2固定与转化的场所。

第10页：叶绿体的主要成分

• 水分：75%
• 干物质（25%）中：蛋白质 30%—45%、脂类 20%—40%、色素 10%、无机盐 10%

第11页：光合色素的种类

光合色素

植物体内含有的能吸收光能并用于光合作用的色素。

1. 叶绿素：叶绿素a（蓝绿色）和叶绿素b（黄绿色）
2. 类胡萝卜素：胡萝卜素（多为β型，橙黄色）和叶黄素（黄色）
3. 藻胆素：蓝藻、红藻等藻类的主要光合色素，常与蛋白质结合为藻胆蛋白

第12页：光合色素在叶片中的分布

正常叶片中光合色素的比例：

• A）叶绿素和类胡萝卜素的分子比例约为 3:1
• B）叶绿素a 与叶绿素b 的分子比例也约为 3:1
• C）叶黄素与胡萝卜素约为 2:1

第13页：两种叶片光合色素分布的思考

思考：下图两叶片中光合色素的分布如何？

第14页：光合色素在叶绿体中的分布

光合色素都包埋在类囊体膜中，以非共价键与蛋白质结合在一起；各色素分子间的距离和取向较固定，使能量传递或电子传递可有效进行。

第15页：叶绿体中光合色素的分布示意

叶绿体中光合色素的分布示意图。

第16页：光合色素的光学性质

吸收光谱

某一物质对不同波长的光有不同程度吸收，把这种吸收作为波长的函数作图即得该物质的吸收光谱。

本节涉及：物质波谱及太阳光的光谱、叶绿素的吸收光谱。

第17页：物质波谱及太阳光的光谱

物质波谱及太阳光的光谱示意图。

第18页：叶绿素的吸收波谱

叶绿素的吸收波谱：红光和蓝光区吸收百分比高，绿光区吸收最少。

第19页：叶绿素生物合成的要点

2.4 叶绿素的生物合成（自学 p64-65）要点：

• A）起始物是什么？
• B）需光：哪一步？
• C）叶绿素b是怎么来的？

第20页：叶绿素生物合成过程

• A）起始物：δ-氨基酮戊酸
• B）需光：原脱植基叶绿素a只有在光下才能转变为脱植基叶绿素a
• C）叶绿素b由叶绿素a氧化而来

第21页：影响叶绿素合成的因素之光

因素之一——光：原脱植基叶绿素a经过正常光照才能顺利合成叶绿素。例外：藻类、苔藓、蕨类和裸子植物的松柏科植物在黑暗中也可形成一些叶绿素。

第22页：影响叶绿素合成的因素之温度

因素之二——温度：温度影响酶的活性，从而间接影响叶绿素合成。最适温度约为30℃，下限 2—4℃，上限 40℃。

第23页：影响叶绿素合成的因素之矿质元素

因素之三——矿质元素：Mg、N 是叶绿素的组成成分；Fe、Mn、Cu、Zn、K 等是叶绿素合成有关酶的成分或激活剂，缺乏这些元素会导致缺绿病。

第24页：影响叶绿素合成的因素之水分

因素之四——水分：缺水影响叶绿素的合成，并促进叶绿素的分解，故缺水会导致叶片发黄。

第25页：光合作用过程的总认识

第三节 光合作用的机理

A）光合作用过程相当复杂，靠光发动但并非全过程都需要光，据此可分为光反应和暗反应。

第26页：物质代谢角度的光合作用

B）从物质代谢角度看，光合作用是植物利用光能将无机物（CO2 和水）经一系列复杂化学变化合成碳水化合物等有机物的过程。

第27页：能量代谢角度的三大步骤

C）从能量代谢角度看，光合作用是把光能转变为化学能的过程，可分为3大步骤：

1. 原初反应：光能的吸收、传递和转换为电能
2. 电子传递和光合磷酸化：电能转变为活跃的化学能
3. 碳同化：活跃的化学能再转变为稳定的化学能

第28页：原初反应的概念

原初反应

光合作用最初的反应，包括对光能的吸收、传递以及将光能转换为电能的具体过程。

第29页：光与叶绿体的相互作用

光与叶绿体的相互作用示意图。

第30页：叶绿素的光激发

叶绿素的光激发：色素分子吸收光量子后由基态跃迁到激发态，能量随后向作用中心传递。

第31页：参加原初反应的色素

作用中心色素

少数叶绿素a分子，既能吸光，又能在吸光后被激发释放高能电子并发生光化学反应。

聚光色素

大多数色素分子，只吸收光能并把能量传给作用中心色素，又称天线色素。

第32页：原初反应的基本过程

2.3 原初反应的基本过程：D·P·A → D·P*·A → D·P+·A- → D+·P·A-

• D：原初电子供体（Donor）
• P：作用中心色素（Pigment）
• A：原初电子受体（Acceptor）
• D·P·A 为光系统或反应中心

第33页：水的光解

3.1 水的光解：H2O 是光合作用中 O2 的来源，也是光合电子的最终供体。

反应式：2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

锰、氯和钙是放氧反应中必不可少的物质，可影响放氧。

第34页：光系统Ⅰ与光系统Ⅱ

PSⅠ

作用中心色素为 P700，被激发后把电子供给 Fd。

PSⅡ

作用中心色素为 P680，被激发后把电子供给 pheo（去镁叶绿素），并与水裂解放氧相连。

第35页：光合电子传递链与Z方案

光合链

连接两个光反应系统、排列紧密而互相衔接的电子传递物质。各电子传递体氧化还原电位不同，负值越大还原势越强、正值越大氧化势越强，据此排列呈“Z”形，又称“Z方案”。

第36页：光合磷酸化的概念

光合磷酸化

叶绿体在光下把无机磷酸（Pi）和 ADP 转化为 ATP、形成高能磷酸键的过程。

第37页：光合磷酸化的两种方式

3.3.2 光合磷酸化的方式：分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两类。

第38页：非循环式光合磷酸化

1）非循环式光合磷酸化：PSⅡ产生的电子经一系列传递，在细胞色素复合体上引起ATP形成，继而传至PSⅠ提高能位，最后用于还原 NADP+；电子经PSⅡ传出后不再返回。

第39页：循环式光合磷酸化

2）循环式光合磷酸化：从PSⅠ产生的电子经 Fd 和细胞色素 b563 等引起ATP形成，降低能位后又经 PC 回到起点 P700，形成闭合回路。

第40页：化学渗透学说

3.3.3 光合磷酸化的机理——P. Mitchel 的化学渗透学说：光合电子传递产生的膜内外电位差和质子浓度差（合称质子动力势）即为光合磷酸化的动力；H+ 沿浓度梯度经 ATP 合酶返回膜外时做功，使 ADP＋Pi → ATP。

第41页：光反应小结

• A）光反应靠光发动，包括原初反应、电子传递和光合磷酸化等步骤
• B）经原初反应完成光能的吸收、传递并转化为电能
• C）电子传递和光合磷酸化把水光解成 H+ 和电子并放出氧，H+ 与 NADP+ 结合形成 NADPH，同时形成 ATP
• D）有了 ATP 和 NADPH，叶绿体便可在暗反应中同化 CO2，故二者被称为“同化力”

第42页：光反应小结示意图

光反应小结示意图。

第43页：光合作用电子与能量流程总图

光合色素（叶绿素a、b，叶黄素，胡萝卜素及特殊叶绿素a）吸收光能，经 PSⅡ 水光解放氧和 PSⅠ 生成 NADPH 与 ATP，进入暗反应把 CO2 同化为 (CH2O)。

第44页：碳同化的概念

碳同化

指 CO2 同化成碳水化合物的过程。

第45页：碳同化的三条途径

• A）卡尔文循环（C3途径）：最基本、最普遍，且只有该途径可生成碳水化合物
• B）C4途径（Hatch-Slack途径）
• C）景天科酸代谢途径（CAM）

C4 和 CAM 途径都是 C3 途径的辅助形式，只能起固定、运转、浓缩 CO2 的作用，单独不能形成淀粉等碳水化合物。

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第48页：卡尔文循环的三个阶段

卡尔文循环的三个阶段：1. 固定；2. 还原；3. 更新。

G3P 的走向：（1）叶绿体内合成淀粉；（2）细胞质内合成蔗糖；（3）叶绿体内变为 RuBP。

第49页：C4途径的解剖学和生物化学

C4途径的解剖学和生物化学：叶肉细胞固定 CO2 生成四碳酸，再转运到维管束鞘细胞脱羧释放 CO2 进入卡尔文循环。

第50页：C4植物光合作用特点

C4植物光合作用特点：由叶肉细胞与维管束鞘细胞协同完成 CO2 的固定与还原，具有浓缩 CO2、光呼吸低、光合效率高的特点。

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第52页：C3途径与C4途径的比较

C3途径与C4途径的比较

说明：源文件该页文字与表格高度粘连，上表依据教材标准内容整理还原，供对照原图核对。

第53页：光合作用全过程示意总图

光合作用全过程示意：光反应产生 NADPH 和 ATP，暗反应利用同化力把 CO2 还原为 (CH2O)。

第54页：光呼吸

光呼吸

植物的绿色细胞在光照条件下进行的吸收 O2 并放出 CO2 的过程。

• 本质：乙醇酸的生物合成和氧化
• 氧的吸收发生在叶绿体和过氧化体，CO2 的放出发生在线粒体，由三种细胞器协同完成
• 乙醇酸途径是循环的，故又称为 C2 循环

第55页：影响光合作用的因素

第四节 影响光合作用的因素

• 1 外界因素：光照、CO2、温度、矿质营养、水分、光合速率的日变化
• 2 内部因素：不同部位、不同生育期

第56页：植物对光能的利用

第五节 植物对光能的利用

• 1 植物的光能利用率（自学 p91-92）
• 2 提高光能利用率的途径（自学 p92-93）