光合

光合作用是地球上最重要的化学反应。
—— 摘自1988年诺贝尔奖金委员会宣 布光合作用研究成果获奖的评语
与光合作用相关的诺贝尔奖
Wilstatter(1915)纯化叶绿素并阐明其结构；
Fischer(1930s Emerson-光合单位)叶绿素化学； Calvin等(1962)阐明光合碳循环；
Woodward(1965)合成叶绿素分子；
二）类胡萝卜素的化学结构和性质
1） 8个异戊二烯单位形成的四萜； 2）两头对称排列紫罗兰酮环； 3）不饱和C、H结构，疏水、亲脂。
β-胡萝卜素
叶黄素
三）光合色素的吸收光谱
叶绿素：
强吸收区: 640-700nm（红）， 400-500nm（蓝紫）; 不吸收区: 500-600nm （呈绿）
β-胡萝卜素：
第4章 光合作用 （Photosynthesis）
第1节 光合作用的研究历史及意义
第2节 能量转换细胞器 — 叶绿体
第3节 光合色素
第4节 光反应
第5节 光合碳同化 第6节 影响光合作用的因素 第7节 提高植物光能利用率的途径
第1节 光合作用的研究历史及意义
光合作用：绿色植物利用光能把CO2和水合成有机物，
95%乙醇 丙酮:乙醇:水(4.5:4.5:1)
称取新鲜去大叶脉的菠菜叶片3g，剪碎放入研钵中，加少量石英砂和 碳酸镁及5ml 95％乙醇，研成均浆，过滤入25ml 容量瓶，分别用5ml 95％乙醇冲洗研钵3次，冲洗液同样过滤，收集滤液，倒入容量瓶中， 最后用95％乙醇定容至25ml，放入暗处备用。
‘1’+ ‘1’ > 2 推论存在着两个光 化学反应中心。
1961，Duysens(荷兰)提出双光系统概念：
PSⅡ (photosystem Ⅱ)，吸收波长<690nm的红光；
PSⅠ (photosystem Ⅰ)，吸收波长>690nm的远红光； PSII和PSI共同参与光合反应。
hν hν ↓ ↓ --------------------------------------------------------------e e e → PS II → → → PS I → ---------------------------------------------------------------类囊体膜上串联着的光反应中心
现已从叶绿体的片层类囊体膜结构中分离出PSⅡ和PSⅠ 两个光系统，均为色素蛋白复合体； PSⅡ反应中心色素（P680）吸收红光（680nm）； PSⅠ 反 应 中 心 色 素 （ P700 ） 吸 收 远 红 光 （ 7 0 0 nm ） ； （LHC：捕光复合体；OEC：放氧复合体）
反应中心色素：
少数特殊状态的Chl a分子； 吸收光能或接受天线色素传递来的能量后，被激发的高能e脱离其分 子，转移给其它分子，发生氧化还原反应（即产生光化学反应），将 光能→电能。
天线色素复合体+反应中心→光合单位
光合单位：由250-300个叶绿素和其它天线色素分子构成的，能 完成1个光量子吸收与转化的色素蛋白复合体。 光合单位：结合于类囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的 功能单位。 光量子（quantum，q）： q =hv 。
用不同波长的光照射绿藻，研究其光合效率。 当吸收波长大于680nm(远红光)时，量子产额出现急剧下降的现 象，称为红降现象。 量子产额：吸收1个光量子放出的O2或固定CO2数目。
量子产额
吸收光谱
Emerson双光增益效应：
用红光(<680nm)和远红光(>680nm)同时照射绿藻时，光合速 率远远高于两种光单独照射时的光合速率之和。
荧光（fluorescence）： 第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光。 荧光现象： 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。
叶绿素的荧光 （反射光下）
四）叶绿素的化学性质
1）皂化反应
叶绿素是叶绿酸的酯（叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇酯化， 另一个被叶绿醇酯化）。 叶绿素可以与碱起皂化反应而生成醇（甲醇和叶绿醇）和叶绿酸的 盐，产生的盐能溶于水中，用此法可将叶绿素与类胡萝卜素分开。
第3节 光合色素（叶绿体色素）
叶绿素(Chlorophyll): Chl a, b 类胡萝卜素(Carotenoids): 胡萝卜素 & 叶黄素 藻胆素( Phycocobilins) ：藻类光合色素
一）叶绿素的化学结构和性质
1. 卟啉环头部：
4个吡咯环，其中心1个Mg与4个环上的N配位结合； 带电，是发生电子跃迁和氧化还原反应的位置； 呈极性，亲水，与类囊体膜上的蛋白结合。
蓝 425~ 490 274
绿 黄 橙 红 490~ 550~ 585~ 640~ 550 585 640 700 230 212 196 181
远红 700~ 740 166
红外 >740 85 低
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光合色素分子对光能的吸收及能量的转变示意图
基态：能量的最低状态 激发态：高能、不稳定状态 物质吸收光子→原子中的e重新排列→分子从基态跃迁到激发态 对于Chl分子： Chl + hγ= Chl* Chl*处于不同激发态：吸收红光→第一单线态；吸收蓝光→第二 单线态。第二单线态的能量＞第一单线态。 处于高能激发态的分子不稳定，会迅速释放能量回到基态； 处于第二单线态的Chl*以热的形式释放部分能量降到第一单线态； 处于第一单线态的Chl*以下列多种形式释放能量回到基态。 1) 释放热量 2) 发出荧光（第一单线态→基态）和磷光（第一三线态→基态） 3) 诱导共振（能量从一个分子传递给另一个分子）
一）光合反应中心 ① 反应中心色素分子(原初电子供体)：光化学反应中最先 向原初电子受体供给电子的。反应中心色素分子又称原 初电子供体。 ② 原初电子受体：直接接收反应中心色素分子传来电子的 电子传递体。 ③ 次级电子受体与供体等电子传递体 ④ 维持电子传递体的微环境所必需的蛋白质
二）光化学反应
叶绿体基质 不一定，但受光促进 暗反应
4.1 原初反应
光合作用的第一步。 光合色素分子对光能的吸收、传递和转换过程。
天线色素（antenna，聚光色素）：
所有的类胡萝卜素分子、Chl b和大多数的Chl a分子； 只是捕获吸收和传递光能； 以诱导共振方式将能量传递到光合反应中心； 没有光化学活性，不进行光化学反应； 位于光合膜上的色素蛋白复合体上，与色素蛋白构成天线复合体； 在天线复合体上完成光能的吸收与传递的过程。
2. 双羧酸尾部：
一个羧基在副环(E)上以酯键与甲醇结合—甲基酯化； 另一个羧基（丙酸）在D环上与植醇（叶绿醇）结合— 植醇基酯化； 非极性，亲脂，插入类囊体膜的疏水区，起定位作用。
叶绿素提取： 纯的有机溶剂不能打破叶绿体色素与蛋白质的联系，所以 必须用能与水混溶的有机溶剂并有少量水存在时，才能将 叶绿体色素提取出来。 80%丙酮
光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与 原初电子受体间的氧化还原反应。
hυ ┋ D P A → D P* A → D P+ A- → D+ P A-
D(donar)：次级电子供体 P(pigment)：反应中 心色素 分子（原初电子供体） A(acceptor): 原初电子受体 D P A
三）PSⅠ和PSⅡ的光化学反应 Emerson红降现象：
能量转变 光能 电能 活跃的化学能 稳定的化学能
贮能物质
转变过程 时间跨度(秒) 反应部位 是否需光 光、暗反应
量子
原初反应 10-15－10-9 需光 光反应
电子
电子传递,光合磷酸化 10-10－10-4 不一定，但受光促进 光反应
ATP、NADPH
碳同化 101－102
碳水化合物等
基粒类囊体膜 基粒类囊体膜
环境
因此，深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理， 使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。
第2节 能量转换细胞器 —— 叶绿体
叶片是光合作用的主要器官， 叶绿体（chloroplast）是光合作用最重要的细胞器。
叶绿体的基本结构：
由双层细胞膜围成的、通常呈椭圆形的相对独立的细胞器（亚细胞单位）； 内外膜之间的空隙为膜间隙 ； 类囊体(Thylakoids)：由膜构成的囊状结构。每个类囊体的膜围成一个腔， 腔内充满水和盐类； ——基粒类囊体（grana thylakoid, 基粒片层~lamella） ——基质类囊体（stroma thylakoid, 基质片层） 基质：不定型凝胶状，含丰富的酶、核酸、嗜饿体、核糖体、淀粉粒等。
2）取代反应
卟啉环中的Mg处于不稳定的状态，可被H+、Cu2+ 、Zn2+等离子取代。 叶绿素溶液与稀酸作用，Mg可以被H+所取代而成褐色的去镁叶绿素， 去镁叶绿素遇Cu2+则成为深绿色的铜代叶绿素，铜代叶绿素很稳定， 在光下不易破坏。
∴常用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。
去镁叶绿素
铜代叶绿素
五）叶绿素 的生物合成
在叶绿体或前质体中合成叶绿素； 高等植物中以谷氨酸和α-酮戊二酸为原料，在一系列酶的作 用下合成； 以尿卟啉原Ⅲ为界，前后在厌氧和有氧条件下； ‘原卟啉Ⅸ’是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭， ‘原卟啉 Ⅸ’与Mg结合形成‘Mg-原卟啉Ⅸ’（ ‘原卟啉Ⅸ’与Fe结合则 形成亚铁血红素）； 需光还原过程，但强光下会发生光氧化； Fe、Cu、Mn、Zn是叶绿素合成的酶促反应辅助因子； 受遗传因子控制 ------
强吸收区: 400-500 （蓝紫）; 不吸收区：500以上（呈黄色或红 棕色）
叶绿素：类胡萝卜素 ≈ 3∶1
叶片衰老过程中或逆境下， Chl 较 易 降 解 ， 而 Caro 比 较稳定。