糖与光合作用

光合作用的发现——
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亚里斯多德的腐殖质学说
他用动物的营养方式来理解 植物，认为：
正像动物通过胃、肠吸收营 养一样，植物的根是通过从 土壤中吸收腐植质来构成其 躯体的。
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医生兼炼金术士凡·海尔蒙第一个用实验否定了这种学说。
1.单糖：不能再水解的糖
血糖；多种多糖的组成单元
1CHO H 2C OH
3
HO C H H 4C OH
5
H C OH
6 CH2OH
D-葡萄糖
CHO H C OH HO C H H C OH H C OH
CH2OPO3H2
6-磷酸葡萄糖
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与葡萄糖为C4差向异构体； 与葡萄糖形成乳糖，存在于乳汁； 酶催化下可转化为葡萄糖； 植物粘液，琼脂：其衍生物的高聚体
1779年，荷兰科学家英根浩兹（Jan Ingenhousz）指出：植物 只有在光下才有净化空气的作用，并且只有植物的绿色部分才 具备这种能力；在黑暗中，植物与动物一样，也能使空气变坏。
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1782年，法国化学家拉瓦锡（A.L. Lavoisier）推翻了燃素学说， 首次拟定了化合物的合理命名法，将dephlogisticated air命名为 氧（oxygen），而动植物在黑暗中释放出的有害气体（noxious gas）则是二氧化碳。 19世纪初，瑞士植物生理学家索苏尔（deSaussure）利用定量 化学实验证明：植物在光下吸收的二氧化碳与放出的氧气有等 体积关系，但在此期间所增加的重量加上释放出的氧气重量， 超过了所吸收的二氧化碳重量，索苏尔认为，多余的重量是由 水提供的。
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一、碳水化合物的概念、分类与功能
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碳水化合物，即糖，是多羟基醛与多羟基酮及其衍生 物或多聚物。 它主要是由绿色植物经光合作用形成的，主要是由C、 H、O构成的。 Carbohydrates are a large group of molecules that all have a similar atomic composition but differ greatly in size, chemical properties, and biological functions.
表明：恒定的光照似乎是一种
限制因子，使光合作用速率 保持在这一水平上。
光强度恒定保持不变
CO2浓度的增加 光反应受对CO2利用能力的限制
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水果，蜂蜜；蔗糖组成单元； 体内糖代谢的重要中间物质
1 CH2OH 2C O
3
HO C H
4
H C OH
5
H C OH
6CH2OH
CH2OH CO HO C H H C OH H C OH CH2OPO3H2
D-果糖
6-磷酸果糖
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生物学导论I: 分子、细胞和发育生物学
生命的化学
——碳水化合物与光合作用
梁如冰
上海交通大学生命科学技术学院 icelike@sjtu.edu.cn, 34204192
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一、碳水化合物的概念、分类与功能 二、光合作用的原理、组成与意义 三、生物质能的特点、应用与前景
凝血因子等。
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葡萄糖的分解
“三羧酸循环”
有氧情况
CO2 + H2O
“乙醛酸循环”
好氧
生物
“糖酵解” 丙酮酸
缺氧情况 “乳酸发酵”
乳酸
葡
不需氧
萄
糖
厌氧 “乳酸发酵”、“乙醇发酵”
生物
乳酸或乙醇
“磷酸戊糖途径”
需氧
CO2 + H2O
糖代谢的概况 Shanghai Jiao Tong University
核糖，脱氧核糖 ----- RNA, DNA
1CHO H 2C OH H 3C OH
4
H C OH
5CH2OH
核糖
CHO H C OH H C OH H C OH
CH2OPO3H2
5-磷酸核糖
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核酮糖 ——戊酮糖
1 CH2OH 2C O H 3C OH H 4C OH 5CH2OH
意义：无机物－－有机物 光能－－化学能 CO2－－O2
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太阳能通过绿色植物的光合作用转换成化学能，储存在生物体 内部的能量。 生物能 biotic energy 光合作用的最高效率可达8～15%，一般情况下平均效率为 0.5%左右。 每年植物光合作用固定的碳达2×1011t，含能量达3×1021J。 相当于全世界每年耗能量的10－20倍。 相当于世界现有人口食物能量的160倍。
他在一个大木桶中装入90kg土壤，栽植了一株2.27kg重的柳 枝，以后只浇灌雨水，而且防止灰尘进入土壤中。5年后， 长成的柳树重达76.7kg，而土壤重量只减少了几十克。海尔 蒙由此认为：植物是靠水来构成躯体的。
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1771年，氧的发现者英国的普里斯特利（J. Priestley）发现绿 色植物有净化空气的作用：他把老鼠放在密闭的玻璃钟罩里， 不久老鼠便窒息而死，其中的空气也失去助燃能力；但若在钟 罩里放入绿色植物，经过几天，钟罩里的空气能重新恢复助燃 能力并支持老鼠的生存。
3.多糖
水解产物含6个以上单糖；
常见的多糖：淀粉、糖原、纤维素等
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HO
蓝色: α-1,4-糖苷键 红色: α-1,6-糖苷键
O
OH
O
淀粉(starch)
CH2OH O
CH2OH
O
直链淀粉
糖的主要生理功能
1g葡萄糖 16.7kJ
正常情况下约占机体所需总能量的50-70%
2.构成组织与细胞的基本成分
⑴ 核糖和脱氧核糖是核酸的基本组成成分；
⑵ 糖与脂类或蛋白质结合形成糖脂或糖蛋白/蛋白聚糖（统称糖
复合物）；糖复合物不仅是细胞的结构分子，还是信号分子。
⑶ 体内许多具有重要功能的蛋白质都是糖蛋白，如抗体、酶和
人体内糖原的贮存量有限，一般不超过500g。
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糖尿病 糖原蓄积症
肝细胞中的糖原颗粒
糖原颗粒
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③ 纤维素
作为植物的骨架
β-1,4-糖苷键 植物细胞壁主要成分；分布最广，含量最多；棉花
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曾经的疑问与解决的过程
绿色植物怎样俘获阳光？ 植物如何利用太阳能？ O2来自CO2，还是来自H2O？ 光合作用中，植物如何利用CO2制造出碳水化合物的？
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布莱克曼实验
布莱克曼将一根枝条倒置于NaHCO3 (作为CO2的来源)稀溶液中，用灯光 照射，氧气泡就会从茎的切口部分 放出，在枝条上方安置一个漏斗用 以收集光合作用释放出的氧气泡， 以此测定光合作用的速率。
蔗糖
HOH2C
HH HO OH
H
O H
H1
OH
1 CH2OOH
H
2H
OH
O
OH H CH2OH
乳糖
α-D-葡萄糖苷-（1→2）-β-D-果糖
CH2OH
CH2OH
OH H H OH
O
HH
1
H
O
4
OH
H
O OH HH
H OH
H OH
β-D-半乳糖苷-（1→4）-β-D-葡萄糖
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核酮糖
CH2OH CO H C OH H C OH CH2OPO3H2
5-磷酸核酮糖
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甘油醛 ——丙醛糖
体内多条糖代谢途径的重要中间物质
1 CHO
2
HC OH
3 CH2OH
CHO HC OH
CH2OPO3H2
甘油醛
3-磷酸甘油醛
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这一时期还明确了二氧化碳同化的产物是糖和淀粉；光是推 动此过程的动力；将叶片中的绿色色素命名为叶绿素 （chlorophyll）；初步探讨了不同光谱成分对二氧化碳同化的 影响。至此，关于植物光合作用的概念已初具雏形。 CO2＋2H2O* .光 绿色植物 （CH2O）＋*O2＋H2O
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根据水解后产生单糖残基的多少可将糖分为四大类
单糖（Monosaccharides） 双糖 (Disaccharides) 寡糖 (Oligasaccherides) 多糖 (Polysaccharides)
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氧气泡升起速率表明光合作用的速率。
光照
收集氧气 氧气泡 NaHCO3和水 伊乐藻
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他首先用恒定的光照射伊乐藻，
逐步增加CO2的浓度，通过每 分钟释放出来的氧气泡来测 定光合作用的速率。
结果发现——CO2浓度增加可
促进光合作用，但只能达到 某一水平。
膳食纤维
(魔芋，芹菜， 麦片，豆类， 糙米等）
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4. 结合糖
寡糖与非糖物质的结合物 常见的结合糖有： 糖脂：是糖与脂类的结合物 糖蛋白：是糖与蛋白质的结合物
寡糖（低聚糖）
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1.氧化功能
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2.双糖
由两个相同或不同的单糖组成,常见的有乳糖、蔗糖、麦芽糖等.
HOH2C HH
HO OH
H
麦芽糖
CH2OH
OH H1
H H
4 OH
OH H
O OH
OH
H
OH
α-D-葡萄糖苷-（1→4）-α-D-葡萄糖
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ATP不能被储存；
氧化磷酸化与光合磷酸化。
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生物体把能量用于生命活动的各个方面
物质进出细胞
生物电
ATP
发热（体温）
运动
合成其它形式的能量分子 如： NADPH
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二、光合作用的原理、组成与意义
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暴走妈妈 -2009年感动中国十大人物之一陈玉蓉
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ATP——生命活动的直接能量来源
ATP(adenosine-triphosphate)，腺嘌 呤核苷三磷酸，三磷酸腺苷；
人体中ATP的总量只有大约0.1摩尔。 人体每天的能量需要水解100-150摩 尔的ATP即相当于50至75千克。所 以每个ATP分子每天要被重复利用 1000-1500次。
O
支链淀粉
O
O
CH2
O
CH2OH O
O
O
HO
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糖原(glycogen)
动非物还淀原粉端
由葡萄糖组成 的支链多糖
还原端
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糖原在体内的作用
糖原是体内糖的贮存形式
贮存主要器官——肝脏和肌肉组织 肝糖原： 含量可达肝重的5%(总量为90-100g) 肌糖原： 含量为肌肉重量的1-2%(总量为200-400g)
二羟基丙酮 ——丙酮糖
多功能添加剂 防晒 降脂
1 CH2OH 2 C=O 3 CH2OH
二羟基丙酮
CH2OH C=O CH2OPO3H2
磷酸二羟基丙酮
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葡萄糖在生物体内的作用
葡萄糖是生物体内糖代谢的中心
（1）葡萄糖是食物中多糖(如淀粉)的消化产物； （2）葡萄糖在生物体内可转变成其它的糖，如核糖、果 糖、半乳糖、糖原等； （3）葡萄糖是哺乳动物及胎儿的主要供能物质； （4）葡萄糖可转变为氨基酸和脂肪酸的碳骨架。