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
第三章 植物的光合作用
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?
第三章 植物的光合作用
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,他实际上发现了 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.Sennebier发现 CO2可以促
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的淀粉粒
增大,证明光合中有 有机物产生 ;
◆ 1941年 Ruben等用 H2O*证明氧气来源于 水光解
光合作用概图
光合作用的总反应式为

CO2+2H2O------→(CH 2O)+O2+H2O
叶绿体
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
第二节 叶绿体和光合色素
1 叶绿体的结构和成分
1.1 叶绿体的外部形态 (P59)
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。
叶绿体的形态与分布
1.2 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,由类囊体垛叠而成的。光能的吸
收、传递、转换场所。
C) 间质,为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
转化场所。
1.3 叶绿体的主要成分
水分 ( 75%)
蛋白质 ( 30% -45%)
脂类 ( 20% -40%) 干物质
色素 ( 10%) ( 25%)
无机盐 ( 10%)
2 光合色素
2.1 光合色素的种类
光合色素, 指植物体内含有的具有吸收光能并将
其用于光合作用的色素 。
1) 叶绿素,主要有叶绿素 a( 呈蓝绿色)和叶绿
素 b( 呈黄绿色)
2) 类胡萝卜素,主要有胡萝卜素(多为 β-型,
呈橙黄色)和叶黄素(黄色)
3) 藻胆素,蓝藻、红藻等藻类进行光合作用的
主要色素,常与蛋白质结合为 藻胆蛋白 。
2.2 光合色素的分布
1) 叶片中的分布
正常叶片中,
A) 叶绿素 和 类胡萝卜素 的分子比例
约为 3:1
B) chla与 chlb的分子比例也约为 3:1
C) 叶黄素 与 胡萝卜素 约为 2:1
思考:下图两叶片中光合色素的分布如何?
2) 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
得能量传递或电子传递可有效地进行。
叶绿体中光合色素的分布
2.3 光合色素的光学性质
A,吸收光谱的概念
某一物质对各种 不同的光 有不同程
度吸收,将这种吸收作为波长的函数
作图,就得到了此物质的 吸收光谱 。
B,物质波谱及太阳光的光谱
C,叶绿素的吸收光谱
B.物质波谱及太阳光的光谱
blue red
%
of l
ight
a
bsorbe
d by
chl
orophy
ll
green
6
叶绿素的吸收波谱
2.4 叶绿素的生物合成
1,叶绿素生物合成过程(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?
叶绿素生物合成过程
A) 起始物,?-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。
2 影响叶绿素生物合成的因素
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,在黑暗中也可以形成一些叶绿素。
因素之二 ------温度
温度影响酶的活性,从而间接
影响叶绿素的合成。一般来说,叶
绿素形成的 最适温度约为 30℃,
其下限是 2-4℃,上限是 40℃ 。
因素之三 ------矿质元素
Mg,N是叶绿素的组成成分,Fe、
Mn,Cu,Zn,K等元素是叶绿素生
物合成有关酶的成分或激活剂,这些
元素的缺乏会导致 缺绿病。
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
黄 。
第 三 节 光 合 作用 的 机 理
1 概述 ---光合过程几点认识
A) 光合作用过程相当复杂,光合作用靠光发动,
但并非全过程都需要光。根据需光与否,可将
光合作用过程分为 光反应 和 暗反应。
B) 从物质代谢角度看,光合作用过程是植物利用
光能将无机物( CO2和水),通过一系列复杂的
化学变化,合成碳水化合物 等有机物的过程。
C) 从能量代谢角度看,光合作用过程是植物将 光能转变
为化学能 的过程。依此可将光合过程分为 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
3) 碳同化,活跃的化学能再转变为稳定的化学能。
2 原初反应
2.1 原初反应的概念
为光合作用
最初的反应,它
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。
光与叶绿体的相互作用
叶绿素的光激发
2.2 参加原初反应的色素
1)作用中心色素:
为少数叶绿素 a分子,
既能吸光,又能在吸光后
被激发,释放一个高能电
子,并发生光化学反应。
2)聚光色素:
为大多数色素分子,只
吸收光能,不引起光化学
反应,仅把吸收的光能传
到作用中心色素,又叫做
天线色素 。
2.3 原初反应的基本过程
D·P·A →D ·P*·A →D ·P+·A- →D +·P·A-
D·P·A 为光系统或反应中心
Acceptor ( 原初电子受体)
Pigment ( 作用中心色素)
Donor( 原初电子供体)
D P A
3 电子传递和质子传递
3.1 水的光解
H2O是光合作用中 O2来源,也是光
合电子的最终供体。水光解的反应:
2H2O→O 2+ 4H++ 4e-
锰, 氯 和 钙 是放氧反应中必不可
少的物质,可影响放氧。
3.2 光合链
1) PSⅠ 和 PSⅡ 的概念
PSⅠ, 作用中心色素为 P700,P700被激发后,
把电子供给 Fd。
PSⅡ, 作用中心色素
为 P680,P680被激发
后,把电子供给 pheo
( 去镁叶绿素),并
水裂解放氧相连。
2) 光合电子传递链(光合链)
连接两个光反应系统、排列紧密而互相衔接的
电子传递物质被称为 光合链 。
由于各电子传递体具不同的氧化还原电位,负
值起越大代表还原势越强,正值越大代表氧化势
越强,据此排列呈,Z”形,又称为, Z方案, 。
3.3 光合磷酸化
3.3.1 光合磷酸化的概念
叶绿体在光下
把无机磷酸和 ADP
转化为 ATP,形成
高能磷酸键的过程。
光ADP+Pi ATP
3.3.2 光合磷酸化的方式
1) 非循环式光合磷酸化,
PSⅡ 所产生的电子经过一系列的传递,在 细
胞色素复合体 上引起 ATP的形成,继而将电子
传至 PSⅠ, 提高能位,最后用去还原 NADP+。
这样,电子经 PSⅡ 传出后不再返回。
2) 循环式光合磷酸化:
从 PSⅠ 产生的电子,经过 Fd和 细胞色素 b563
等后,引起了 ATP的形成,降低能位,又经 PC
回到原来的起点 P700,形成闭合回路。
3.3.3 光合磷酸化的机理
------P.Mitchel的化学渗透学说
光合电子传递所产生
的膜内外电位差和质子
浓度差 (二者合称 质子动
力势 )即为光合磷酸化的
动力。 H+有沿着浓度梯
度返回膜外的趋势,当
通过 ATP合酶 返回膜外
时做功,ADP+ Pi→ATP 。
A) 光反应靠光发动,它包括 原初反应, 电子传递
和光合磷酸化 等步骤。
B) 经原初反应,完成对 光能的吸收, 传递,并将
之 转化 为电能。
C) 电子传递和光合磷酸化通过两个光系统的一系
列光化学反应,把水光解成质子 (H+)和电子,
同时放出 氧,质子 H+与细胞中 NADP+结合形成
NADPH; 同时,在电子传递过程中,其携带的
能量使细胞中的 ADP与无机磷酸结合形成 ATP。
D) 有了 ATP和 NADPH,叶绿体便可在暗反应中
同化二氧化碳,形成碳水化合物等有机物。故
又将 ATP和 NADPH称为, 同化力, 。
附:光反应小结
光反应小结
叶绿素 a(多数),b,
叶黄素,胡萝卜素
特殊的叶绿素 a
2e 2H2e 2H
H2O
1/2O2
NADP+ NADPHADP+Pi ATP
CO2(CH2O)






4 碳同化
4.1 碳同化的概念
碳同化是指 CO2同化成碳水化合物的过程 。
4.2 碳同化的途径
A)卡尔文循环 (又叫 C3途径):是最基本、
最普遍的,且只有该途径才可以生成碳水
化合物,
B) C4途径 (又叫 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 。
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
卡尔文循环
C4 途径的解剖学和生物化学
C4植物光合作用特点
C3途径与 C4途径的比较
植物
种类
CO2的
受体
CO2固
定后的
产物
CO2固定
后的场所
CO2还原
的场所
ATP和
NADPH的
作用对象
CO2固定
的途径
C3植物 C5 C3 叶肉细胞的叶绿体 叶肉细胞的叶绿体 C3 C3途径
C4植物 PEPC
5
C3
C4
叶肉细胞
的叶绿体
维管束鞘
细胞的叶
绿体
维管束鞘
细胞的叶
绿体( C3
途径)
C3 C3途径C
4途径
叶绿素 a(多数),b,
叶黄素,胡萝卜素
特殊的叶绿素 a
2e 2H2e 2H
H2O
1/2O2
NADP+ NADPHADP+Pi ATP
CO2(CH2O)






5 光呼吸
5.1 光呼吸的概念
光呼吸是指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。
5.2 光呼吸的生物化学
( 1) 呼吸的本质就是 乙醇酸 的生物合成和氧化
( 2) 乙醇酸途径中,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中。即乙醇
酸途径是 叶绿体, 过氧化体 和 线粒体 三种细胞
器的协同活动下完成的。
( 3) 乙醇酸途径是循环的,故又称为 C2循环
5.3 光呼吸的生理功能 (P86)
第四节 影响光合作用的因素
1 外界因素
1)光照
2) CO2
3)温度
4)矿质营养
5)水分
6)光合速率的日变化
2 内部因素
1)不同部位
2)不同生育期
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)