光合作用

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四、光合磷酸化
叶绿体内如果有ADP和无机磷供应,在光照下就 可化合成ATP,这个由光照引起的生成ATP的过 程称为光合磷酸化作用。
根据电子传递途径，光合磷酸化可分为循环光 合磷酸化和非循环光合磷酸化。
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非循环光合磷酸化作用中，绿色植物的外源电子来 源于水，电子在叶绿素体内传递过程释放出能量， 该能量供ATP生成。 hv 2NADP+ + 2H2O + 2ADP +2Pi → 叶绿素 2NADPH + 2ATP + 2H+ + O2
的光。这些光叶绿素不能吸收。
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辅助发色团 及其吸收光谱
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在光合作用过程中，只有两种形态的叶绿素a能 直接参与光化学反应，它们的最大吸收分别为 700nm和680nm，称为P700和P680（P-色素 pigment）,标记为Chla1和Chla2（chlchlorophyll叶绿素）。P700和P680均称为反应 中心色素。其余叶绿素a以及叶绿素b.c.d,类胡 萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）及藻胆素都不直接 参加光化学反应，而是将自己吸收的光（选择吸 收）传给反应中心色素（P700和P680）.因此不 直接参加光化学反应的这些色素称为辅助色素或 天线色素。
此外，还发现许多其它化合物在光照下产生电 荷转移，使水催化分解。
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思考题
1、了解叶绿素的结构，它与血红素有何不同 2、初步了解两个光合系统的光合过程 3、绿叶颜色变化的本质
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一、光合色素
植物及藻类（除蓝绿藻）的光合作用的反应的器 官都在叶绿体中。叶绿体被双层膜包围，叶绿体 内的液体称为基质。叶绿素全部附在叶绿体的膜 上，叶绿体的膜含有蛋白质、酶和其他光合色素。 基质含有酶、DNA和大量核糖体。
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植物和藻类的光合色素吸收太阳光。到达地球 表面的太阳光的波长范围为290～1100 nm。不 同的生物含有吸收不同波长光的不同色素。在 植物和藻类中发现的主要光合色素是叶绿素、 类胡萝卜素和藻胆素。
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第四节
光合作用的化学模拟
一、阳光分解水制氢的简略分析
水热分解相当困难，2000℃仅0.58％分解。水可 以电离，采取电解仅需2.0v电压即可分解。
阳光分解水放出O2、H2的反应至少需要284.2 kJ.mol-1的能量，相当于420 nm波长的光能，只 有紫外和近紫外光才能满足这一要求。但太阳光 辐射到地面的紫外光只有极少部分，因此，用于 太阳能转换的光化学系统必须能够吸收可见光。 此外，这个光化学过程还必须是一个循环过程。
⑷.再生作用 {Chl}+ + D → {Chl} + D+
电子供体
D为
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2.(Chl.H2O)2的电荷转移功能
在(Chl.H2O)2中，两个水分子不仅是结构上的需 要，而且可能给反应中叶绿素提供一种容易接受 光诱导的电离状态，使水的质子转移给叶绿素a的 甲氧甲酰羰基的氧原子。在光激发下，它形成两 个电离状态等同异构体。见图7-9(Chl.H2O)2的电 荷转移。
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第一节 第二节 第三节 第四节
ห้องสมุดไป่ตู้
光合作用的生物无机化学 叶绿素a的结构与功能 氢 酶 光合作用的化学模拟
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第一节 光合作用的生物无机化学
光合作用较复杂，包括很多步骤，不是每一步 反应均需光。凡是在光照下才能发生的反应称 为光反应。光反应需要光合色素作媒介，把光 能转变为化学能。光反应主要包括光合磷酸化 反应和水的光氧化反应。另一类为暗反应 — 即不需光也能发生的反应。主要是一些酶促反 应，包括CO2的固定和还原反应，与生物无机直 接有关的是光反应。
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二、光合作用的电子传递和两个光合系统
在光照下，反应中心叶绿素分子获得光能被激 发，放出一个高能电子，这个电子沿着一系列 电子传递体转移，形成光合链。在光合作用中 能量变化有两次起落，这一过程涉及两个光合 系统。
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1.光合系统I（PSI）
光合系统I的天线色素把捕获的光子传给中心色素 P700后,P700放出一个高能电子，使一种电子x受 体还原。x称P430。P430（x）将电子传递，经一 系列传递酶传递最后使P700放出高能电子被氧化 后，再与细胞色素f或质体蓝素反应而被还原。 光合系统I及其辅酶产生碳水化合物(CH2O)n
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对光的吸收：表7-1列出叶绿素在可见区对光吸收光 谱数据。可见叶绿素对光的吸收均落在红区和蓝区， 而对绿光吸收最差，因而显绿色。 表7-1 几种叶绿素的吸收光谱数据
叶绿素 叶绿素a 叶绿素b 叶绿素c 叶绿素d λ max/nm（有机 溶剂 ) 420；660 435；643 445；625 450；690 来源 全部高等植物与藻类 全部高等植物与绿藻 硅藻与褐藻 红藻
hv ADP + Pi → ATP 叶绿素
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五、光解水放氢
20世纪初发现某些藻类和细菌能吸收和释放氢气， 直到20世纪30年代才被证实，这些生物体内的可 逆反应 2H+ + 2e = H2
由酶催化。以后人们把这种酶称为氢酶。氢酶为 一种铁硫蛋白。以后证明，能进行光合作用的植 物，只要有氢酶就能放出氢气。
第七章
光合作用及其化学模拟
光合作用—光合成，是在阳光照射下植物将无机 原料合成有机化合物，从而把太阳能储存起来的 过程。其主要途径是植物将CO2和H2O在阳光照射 下转变为碳水化合物和氧气。 在光合作用过程中，镁、锰等金属元素起主要作 用（叶绿素为含镁的化合物），因此，光合作用 也是生物无机化学研究的重要课题。
放氢：氢酶催化放氢需电子载体，且催化放氢 对电子载体要求比较专一，如脱硫弧菌氢酶放 氢要用细胞色素C3做电子传递体。 吸氢：氢酶催化吸氢也需电子载体，但专一性 不强。
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三、光解水放氢
植物光合系统1中，P700系统将电子传给 X(P430)，P430可将H+还原为H2，因此，植物和 藻类(含P430)可催化释氢。
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三、叶绿素a的功能
1. 叶绿素a的主要功能 ⑴.捕获光能 ⑵.能量传递 ⑶.光化学反应 Chl + hv → Chl* Chl* + {Chl} → Chl + {Chl}* {Chl}* + A → {Chl}+ + A- 电子
*激发态，Chl为天线叶绿素
激发态{Chl}为反应中心叶绿素 受体A获得电子
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循环光合磷酸化，光合系统1吸收光量子激发了P700, 放出高能电子传给P430后，P430没有把电子传给铁 氧还蛋白，而是通过细胞色素b3传给质体醌，然后 再经细胞色素f返回P700 。在上述过程中，同样在 质体醌到细胞色素f这段释出能量生成ATP 。电子传 递途径为一闭合回路。这个过程不需要外源电子。 光合系统1捕获的光能驱动了电子的循环，这个循环 过程的光合磷酸化反应为：
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2.光合系统II （PSI）
与光合系统I相似，P680吸收光后释出电子被氧 化，电子受体Q获得电子，经一系列电子传递将 P700还原。电子从Q传到P700释出能量,释出的能 量用于光合磷酸化合成ATP: ADP+Pi→ATP 光合系统II产生分子氧，并为光合系统I提供电 子和质子
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绿色植物的光合作用装置
植物光合系统1中，P700系统将电子传给X(P430)， P430可将H+还原为H2，因此，植物和藻类(含 P430)可催化释氢。
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第二节 叶绿素a的结构与功能
20世纪初，已查明叶绿素为镁卟啉物质。直到 1940年后，科学家H.Fischer确定了叶绿的结构， 1960年有机化学家R.Woodward合成了叶绿素， 因此获得1965年诺贝尔化学奖。
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3. 电子传递途径
在绿色植物中，光被集光复合体(LHC, Light Harvesting Complex)并用于激活来自PSII中的叶 绿素复合物P680反应中心（RC）的电子转移作 用，电子依次沿脱镁叶绿素(pha)、质体醌(PQ)、 质体蓝素(Pc)以及细胞色素bf链运动，最后到达 PSI。 在PSI处电子补充到PSII反应中心(P700)形成 的电子孔，然后被送到铁硫中心(Fe-S)、铁蛋白 (Fd)及氧化还原酶DADP+，产生电子和NADPH
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第三节 氢
酶
氢酶广泛存在于细菌及藻类中 20世纪初发现某些藻类和细菌能吸收和释 放氢气，直到20世纪30年代才被证实，这些生物 体内的可逆反应 2H+ + 2e = H2 由酶催化。以后人们把这种酶称为氢酶。氢酶 为一种铁硫蛋白。以后证明，能进行光合作用的 植物，只要有氢酶就能放出氢气。
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一、氢酶的组成
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叶绿素
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一、叶绿素a的分子结构
叶绿素a的分子结构（图7-1），与铁卟啉相比， 叶绿素a变化如下：
① Mg2+取代Fe; ② 4-乙烯基还原为乙基； ③ 经过酯化及氧化作用，6-丙酸基形成酮基；
④ 环Ⅳ被还原到二氢吡咯水平；
⑤ 以叶绿醇酯化7-丙酸基。
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二、叶绿素a在活体内的存在状态
测试证明，在植物及藻类体内，叶绿素与蛋白质 复合，它与多种蛋白质结合，结合成多种类型。 叶绿素a分子以聚集状态存在，以(Chl)n多聚体 存在。 水分子以氢键和配位键方式与叶绿素a结合。
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绿色植物是通过电子转移来分解水的，经多个步骤， 其中包括光化学反应，使水分解。绿色植物分解水 需：光捕集、电子激发、电荷分离、电子传递等。 在化学模拟中，这些均需考虑，如水是透明的，对 光吸收不佳，需加入一种吸收光试剂。
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二、阳光光敏电荷转移配合物的结构与功能
钌多吡啶配合物
研究发现，许多钌配合物具有电荷转移作 用，可能作为光解水反应的催化剂。利用钌的 2价变为3价的过程催化还原放氢，又从3价变2 价使水氧化放出氧。