植物体的光合作用(精)

第六章植物体的光合作用

教学内容：

光合色素的结构和理化性质

光合作用过程

光合作用的主要机理

光呼吸、

C3 与C4 植物的生理特征差异

影响光合作用的因素。

重点和难点：

重点：光合作用的主要机理

光呼吸

C3 与C4 植物的生理特征差异

光强和CO2等因素对光合作用的影响

难点：光合作用的机理。

教学方式：课堂讲授。教师多媒体讲授，动画讲解光合作用过程。

光合作用：指绿色植物吸收光能，把CO2和H2O合成有机物，同时释放O2的过程。

地球上一年中通过光合作用约吸收 2.0×1011t碳素，合成5×1011t有机物，同时将2×1021J

的日光能转化为化学能，并释放出 5.35×1011

t氧气。

光合作用意义：1、把无机物转变成有机物。

2、将光能转变成化学能。

3、维持大气O2和CO2的相对平衡。

光合作用是地球上规模最巨大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程，也是规模最巨大的将无机物合成有机物和从水中释放氧气的过程。它是生物界获得能量、食物以及氧气的根本途径，所以被称为是“地球上最重要的化学反应”。因此，没有光合作用也就没有繁荣的生物世界。

绿色植物中，进行光合作用的细胞器是叶绿体。

第一节叶绿体和光合色素

一、叶绿体

叶片是光合作用的主要器官，而叶绿体是光合作用最重要的细胞器。

1、形态

高等植物的叶绿体主要分布在叶片的叶肉细胞中，大多呈扁平椭圆形，每个细胞中叶绿

体的大小与数目依植物种类、组织类型以及发育阶段而异。一个叶肉细胞中约有10至数百个叶绿体。（图4-2）

2、基本结构

叶绿体是由叶绿体被膜、基质和类囊体3部分组成

①被膜：由2层单位膜组成，被膜上无叶绿素，它的主要功能是控制物质的进出，维持光

合作用的微环境。

②基质：指被膜以内的物质。基质是进行C同化的场所，它含有还原CO2的全部酶系，因而

在基质中能进行多种多样复杂的生化反应。

③类囊体：是由单层膜围起的扁平小囊。分为基质类囊体（基质片层）和基粒类囊体（基

粒片层）2类。光合作用分为光反应和C反应两大阶段，由于光反应是在类囊

体膜上进行的，所以称类囊体膜为光合膜。

3、类囊体膜上的蛋白复合体

类囊体膜上含有由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有4类，它们参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。

光系统Ⅰ（PSI）

光系统Ⅱ（PSⅡ）

Cytb6/f复合体（细胞色素简称Cyt）

ATP酶复合体（ATPase）

二、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。

1、光合色素的类型

主要有3种类型：叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素。

①叶绿素

高等植物叶绿素主要有叶绿素 a 和叶绿素 b 两种。叶绿素不参与氢的传递或氢的氧化还

原，而仅以电子传递（即电子得失引起的氧化还原）及共轭传递（直接能量传递）的方式参

与能量的传递。

②类胡萝卜素

叶绿体中的类胡萝卜素含有两种色素，即胡萝卜素和叶黄素。功能为吸收和传递光能，

保护叶绿素。

③藻胆素

是藻类主要的光合色素，仅存在于红藻和蓝藻中，具有收集和传递光能的作用。

由于类胡萝卜素和藻胆素吸收的光能能够传递给叶绿素用于光合作用，因此它们被称为

光合作用的辅助色素。

2、光合色素的光学特性

①叶绿体色素的吸收光谱

光合色素的吸收光谱当光束通过三棱镜后，可把白光（混合光）分成红、橙、黄、绿、

青、蓝、紫7 色连续光谱。如果把叶绿体色素溶液放在光源和分光镜之间，就可以看到光谱

中有些波长的光线被吸收了，光谱上出现了暗带，这就是叶绿体色素的吸收光谱。（图4-6）叶绿素对黄橙光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。

胡萝卜素和叶黄素的最大吸收带在的蓝紫光区，不吸收红光等长波光。

藻蓝蛋白的吸收光谱最大值在橙红光部分，藻红蛋白在绿光、黄光部分。

②光合色素的荧光现象

叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象。

（图4-7）当叶绿素分子吸收光量子后，就由最稳定的、能量的最低状态的基态上升到不

稳定的高能状态——激发态。叶绿素分子有红光和蓝光2个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝

光激发，电子跃迁到能量较高的第二单线态；如果被红光激发，电子跃迁到能量较低的第一

单线态。但是，色素分子的激发态极不稳定，几乎立即变回为基态。从第一单线态回到基态

所发射的光就称为荧光。对光合作用有效的是红光，所以起作用的是第一单线态。第二单线

态储藏的能量虽然比第一单线态多得多，它得转变为第一单线态后才能在光合作用中起作用，

那部分多余的能量就转变为热能向周围散发。

色素吸光的实质是色素分子中的1个电子得到了光中的能量，叶绿素吸收光就是因为它结

构中的1个电子被光子激发，于是这个电子从能量最低的基态进入能量较高的激发态，成为1个激发态的电子（高能电子）。因此，叶绿素分子吸收光的那一刹那，光子的能量已经转变

为电子的能量，即变成了化学能。

光合作用的过程和机理

光合作用是能量转化和形成有机物的过程。在这个过程中首先是吸收光能并把光能转变

为电能，进一步形成活跃的化学能，最后转变为稳定的化学能，贮藏于碳水化合物中。

根据能量转变的性质，将光合作用分为可大致分为三个步骤:

1. 光能的吸收、传递和转换成电能。——由原初反应完成；

2. 电能转变为活跃化学能。——由电子传递和光合磷酸化完成；

3. 活跃的化学能转变为稳定的化学能。——由碳同化完成。

第1、2两个步骤基本属于光反应，第三个步骤属于碳反应。

第二节原初反应

原初反应是指光合色素分子对光能的吸收、传递与转换过程。

原初反应速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns，10－9s)内完成。

一、光合色素

根据功能来区分，类囊体膜上的光合色素可为2类:

1、反应中心色素

种类：少数特殊状态的叶绿素 a 分子属于此类。

特性：具有光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能(称为“陷阱”)。

位置：存在于光化学的反应中心里。

2、聚光色素（天线色素）

种类：绝大多数色素，包括大部分叶绿素 a 、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素等属于此类。

特性：没有光化学活性，只能吸收光能，并把吸收的光能传递到反应中心色素。

位置：聚光色素位于光合膜上的色素蛋白复合体上。若干个聚光色素分子所吸收的光能

聚集于 1 个反应中心色素分子而起光化学反应。