第四章 光合色素

分离：在大试管中加入推动剂， 然后将滤纸固定于胶塞的小钩上， 插入试管中，使尖端浸入溶剂内 （色点要高于叶面，滤纸条边缘 不可碰到试管壁），盖紧胶塞， 直立于阴暗处层析。 当推动剂前沿接近滤纸边缘时， 取出滤纸，风干，观察色带的分 布。叶绿素a为蓝绿色，叶绿素b 为黄绿色，叶黄素为黄色，胡萝 卜素为橙黄色。用铅笔标出各种 色素的位置和名称。
向叶绿素溶液 中放入两滴5 ％盐酸摇匀， 溶液颜色的变 为褐色，形成 去镁叶绿素。
制作绿色标本方法：
用50%醋酸溶液配制的饱 和醋酸铜溶液浸渍植物标 本(处理时可加热)
当溶液变褐 色后，投入 醋酸铜粉末， 微微加热， 形成铜代叶 绿素
保鲜蔬菜
叶绿体色素的分离与测定
•原理：叶绿体色素溶于有机溶剂，混合物在流 动相和固定相间具有不同分配系数
叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，蓝紫光区的吸 收峰则比叶绿素b的低。 阳生植物叶片的叶绿素a/b比值约为3∶1，阴生植物的叶绿 素a/b比值约为2.3∶1。
类胡萝卜素和藻 胆素的吸收光谱
类胡萝卜素吸收带 在400～500nm的蓝 紫光区 基本不吸收黄光， 从而呈现黄色。 藻蓝素的吸收光谱最大值是在橙红光部分 藻红素则吸收光谱最大值是在绿光部分 植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在 长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可 利用各种不同波长的光进行光合作用。
合成叶绿素分子中的吡 咯环的起始物质在高等植 物中由谷氨酸或a-酮戊二 酸转化而来。
2.影响叶绿素形成的条件
（1）光 光是影响叶绿素形成的主要条件。 从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需 要光，而光过强，叶绿素又会受光氧 化而破坏。 黑暗中生长的幼苗呈黄白色，遮光 或埋在土中的茎叶也呈黄白色。这种 因缺乏某些条件而影响叶绿素形成， 使叶子发黄的现象，称为黄化现象。 黑暗使植物黄化的原理常被应用于 蔬菜生产中，如韭黄、软化药芹、白 芦笋、豆芽菜、葱白、蒜白、大白菜 等生产。 纤细裸藻 蓝藻
(2) 温度
叶绿素的生物合成是一 系列酶促反应，受温度 影响。 叶绿素形成的最低温度 约2℃，最适温度约30℃, 受冻的油菜 最高温度约40℃ 。 秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白，都与低温 抑制叶绿素形成有关。 高温下叶绿素分解大于合成，因而夏天绿叶蔬菜存放 不到一天就变黄；相反，温度较低时，叶绿素解体慢， 这也是低温保鲜的原因之一
类胡萝卜素总是和叶绿素 一起存在于高等植物的叶 绿体中，此外也存在于果 实、花冠、花粉、柱头等 器官的有色体中。 类胡萝卜素都不溶于水,而 溶于有机溶剂。
深秋树叶变黄是叶中叶绿 素降解的缘故
藻类中类胡萝卜素分布
藻胆色素
• 藻胆(蛋白)体在蓝藻和红藻中，其藻胆色素蛋白 在活体内以蛋白颗粒状态存在，规则地排列在类 囊体的外面，其所捕获的光能可以传给与类囊体 膜内的蛋白结合的叶绿素a。
(二)光合色素的吸收光谱
吸收光谱的观察方法；
1.分光仪 将叶绿体色素放在分光仪
的光孔前，观察其色带变化。
2.分光光度计 观察叶绿体色素的
吸收光谱
3.间接法 借助其它相关实验进行
判别
三角棱镜
叶绿体色素
分光仪
光 源
叶绿素吸收光谱
有两个强吸收峰区 640～660nm的红光 430～450nm的蓝紫光 对橙光、黄光吸收较少， 尤以对绿光的吸收最少。
第四章 光合色素
光合色素的结构和性质 光合色素的吸收光谱 叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 色素在光合作用中的功能 真核藻类光合器结构和光合色素比较
光合色素
在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素
叶绿素
类胡萝卜素
高等 植物
藻胆素 —— 藻类 共同特点：
分子内具有许多共轭双 键，能捕获光能，捕获 光能能在分子间传递。
2. 发射荧光与磷光
激发态的叶绿素分子 回至基态时，可以光 子形式释放能量。 荧光。 磷光。
Chl* 10-9s Chl ＋ hν 荧光发射 ChlT 10-2s Chl ＋ hν 磷光发射 磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧 光的1%，故需用仪器才能测量到。
稀释倍数
• （1）取藻类组织，擦净组 织表面污物，剪碎，混匀。 • （2）称取剪碎的新鲜样品 0.5g，放入研钵中，加少量 石英砂和碳酸钙粉及2～ 3mL80％丙酮，研成匀浆， 再加80％丙酮5mL，继续研 磨至组织变白。
2.类胡萝卜素(carotenoid)
类胡萝卜素 胡萝卜素 橙黄色 不溶于水 叶黄素 鲜黄色 溶于有机溶剂 • 分子式、结构式： 胡萝卜素：C40H56 有α、β、γ三种同分异构体 叶黄素是胡萝卜素的衍生物，其两端的紫罗兰酮环第 四位C上的H被OH取代，分子式为C40H56O2
3.色素分子间的能量传递
激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种 或异种分子而返回基态的过程。 Chl*1＋ Chl2 Chl1＋Chl*2
供体分子 受体分子
一 般 认 为 ， 色 素 分 子间激发能不是靠分 子间的碰撞传递的 ， 也不是靠分子间电荷 转移传递的 ，可能是 通过“激子传递”或 “共振传递 ”方式传 递。
缺N 缺N CK
萝卜缺N的植株老叶发黄
缺 N 老叶发黄枯死，新叶色淡 , 生长矮 小，根系细长，分枝（蘖）减少。
棉花缺Mg网状脉
苹果缺Fe新叶脉间失绿
黄瓜缺锰叶脉间失绿 柑桔缺Zn小叶症 伴脉间失绿
椭圆小球藻
缺磷、钾
缺氮、镁、铁
(4) 遗传
叶绿素的形成受遗传因素控 制，如水稻、玉米的白化苗以及 花卉中的斑叶不能合成叶绿素。 有些病毒也能引起斑叶。
(三)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系
1.叶绿素的生物合成
参与反应的酶类：
(1)胆色素原合成酶； (2)胆色素原脱氨基酶； (3)尿卟啉原Ⅲ合成酶； (4)尿卟啉原Ⅲ脱羧酶； (5)粪卟啉原氧化酶； (6)原卟啉氧化酶； (7)Mg-螯合酶； (8)Mg- 原 卟 啉 甲 酯 转 移 酶 ； (9)Mg- 原 卟 啉 甲 酯 环 化 酶 ； (10)乙烯基还原酶； (11) 原 叶 绿 素 酸 酯 还 原 酶 ； (12)叶绿素合成酶
• 1.叶绿体色素的提取 • • （1）取藻类组织1克，洗净，擦 干，放人研钵中。 • （2）研钵中加入少量石英砂及 碳酸钙粉，2-3 mL95%乙醇，研 磨至糊状，再加2-3 mL95％乙醇， 过滤，即得色素提取液。 • • 2.叶绿体色素的分离 • 点样：取前端剪成三角形的滤纸 条，用毛细管取叶绿素提取液， 如图点样于“色点”处，注意每 次所点溶液不可过多，点样后晾 干，再重复操作数次。
图5 主要光合色素的结构式
(一)光合色素的结构和性质
1.叶绿素
使植物呈现绿色的色素。
叶绿素a 叶绿素b 叶绿素c 叶绿素d
高等植物
藻类中
叶绿素
细菌叶绿素—— 光合细菌
叶绿素结构
含有由中心原子Mg连接四个吡咯环的卟林环结 构和一个使分子具有疏性长的碳氢链。
铜代叶绿素反应
卟啉环中的镁可被H+所 置换。当为H＋所置换后，即 形成褐色的去镁叶绿素。 去镁叶绿素中的H＋再被 Cu2+取代，就形成铜代叶绿 素，颜色比原来的叶绿素更 鲜艳稳定。 根据这一原理可用醋酸 铜处理来保存绿色标本。
叶绿素分子受光激发后的能级变化
叶绿素： 红光区 : 被红光激 发，电子跃迁到 能量较低的第一 单线态 蓝光区 : 被蓝光激 发，电子跃迁到 第二单线态。 配对电子的自旋 方向：单线态； 三线态；第一单 图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 虚 线 态 ； 第 二 单 线 线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光， 态 实线表示能量的释放， 半箭头表示电子自旋方向
• 四氯化碳3-5ML及少许 无水硫酸钠
叶绿体色素的分离与测定
含量测定
(3）转移到25mL棕色容量 瓶中，用少量80％丙酮冲 洗研钵、研棒及残渣数次， 最后连同残渣一起倒入容 量瓶中。最后用80％丙酮 定容至25mL，摇匀。离心 或过滤。 • (4）将上述色素提取液倒 入光径1cm的比色杯内。 将测得的光密度值代入公式，分别计算 以80％丙酮为空白，在波 叶绿素a、b、a+b和类胡萝卜素的浓度 长663nm、645nm、 （mg／L）。 652nm和440nm下测定光 各色素的含量： 密度。 色素浓度（mg／L）×提取液总体积×
叶黄素类
墨角藻黄素， 叶黄素等
藻胆素
2层叶绿体内质 网膜，3条类囊 a, c Phaeophyta 体形成一束 1层叶绿体内质 裸藻门 网膜，3条类囊 a, b Euglenophyta 体形成一束 无叶绿体内质 Chlorophyta 网膜,2～6条类 a, b 囊体形成一束 绿藻门
海棠
ห้องสมุดไป่ตู้
花叶
吊兰
问题：指出植物有哪些黄化现象，并分析产生的原因。
（四）色素在光合作用中的功能
概念
反应中心色素：少数特殊状
态的chl a分子，它具有光化学活性， 是光能的“捕捉器”、“转换器”。
聚光色素（天线色素）：
没有光化学活性，只有收集光能的 作用，包括大部分 chla 和全部 chlb、
胡萝卜素、叶黄素。
通过上述色素分子间的能量传递，聚光色素吸 收的光能会很快到达并激发反应中心色素分子，启 动光化学反应。
图
光合作用过程中能量运转的基本概念
图 聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状
真核藻类光合器结构和光合色素比较
门
隐藻门
光合器
叶绿素类 胡萝卜素类
叶黄素类
硅甲藻素，甲 藻黄素
藻胆素 +
2层叶绿体内质 网膜，2条类囊 a, c Cryptophyta 体形成一束 1层叶绿体内质 甲藻门 网膜，3条类囊 a, c Pyrrophyta 体形成一束 2层叶绿体内质 Chrysophyta 网膜，3条类囊 a, c 体形成一束 金藻门 黄藻门
小球藻-30 ℃ 下降至4 ℃
(3) 营养元素
叶绿素的形成必须有一定的营养元素。 氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、锰、铜、锌等则在叶绿素 的生物合成过程中有催化功能或其它间接作用。 因此，缺少这些元素时都会引起缺绿症，其中尤以氮的影响 最大，因而叶色的深浅可作为衡量植株体内氮素水平高低的标 志。
(二)激发态的命运
1.放热 2.发射荧光与磷光
3.色素分子间的能量传递
4.光化学反应
1.放热
激发态的叶绿素分子在 能级降低时以热的形式释 放能量，此过程又称内转 换或无辐射退激。
Chl* → Chl+热 Chl* → ChlT +热 ChlT → Chl+热
另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽 远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的， 在极短的时间内以热能释放。 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。在能量利用上蓝 光没有红光高。 ？？
•叶绿素光学特性：
（ 1 ）吸收光谱：色素溶液随波长改变而发生光吸收 变化的图谱 Chla Chlb的吸收光谱有二个强吸收峰 640——660nm 红光部分 叶绿素特有 410——470nm 蓝紫光部分 卟啉环化合物共有 （2）荧光和磷光 荧光现象： Chl 溶液在透射光下呈绿色，而反 射光下呈红色的现象。强度大，寿命短（10-9秒） 磷光： Chl 溶液停止光照后，仍能在一定时间 内放出暗红色的光。 寿命长（10-2秒——10-3秒）
Xanthophyta 同上
α、β、ε
β β β
硅甲黄素、多 甲藻素、甲藻 黄素等
墨角藻黄素、 硅藻黄素、硅 甲藻黄素 硅甲藻素等
+（某些 甲藻）
a, c
硅藻门
Bacillariophyta
同上
a, c
α、β、ε
墨角藻黄素、 硅藻黄素、硅 甲藻黄素
真核藻类光合器结构和光合色素比较
门
褐藻门
光合器
叶绿素类 胡萝卜素类
• 类胡萝卜素吸收光谱都在蓝紫光部分，所吸收的光能 传递给叶绿素用于光合作用，保护叶绿素分子不被氧 化或阳光破坏
由8个异戊二烯形成的四萜，含有一系列的共轭双键，
胡萝卜素(carotene)呈橙黄色，有α、β、γ三种同分异构体， 其中以β-胡萝卜素在植物体内含量最多。β-胡萝卜素在动物体 内经水解转变为维生素A。 叶黄素(xanthophyll)呈黄色，是由胡萝卜素衍生的醇类，也叫胡 萝卜醇,通常叶片中叶黄素与胡萝卜素的含量之比约为2:1。 一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3∶1，所以 正常的叶子总呈现绿色。秋天叶片呈现黄色？