高中生物 竞赛辅导资料 专题五 光合作用 新人教版
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专题五:光合作用
[竞赛要求]
1.光合作用的概念及其重大意义
2.光合作用的场所和光合色素
3.光合作用的全过程(光系统I和光系统II)
4.C3和C4植物的比较(光呼吸)
5.外界条件对光合作用的影响(饱和点、补偿点)
6.光合作用的原理在农业生产中的应用
[知识梳理]
一、光合作用概述
光合作用是指绿色植物吸收阳光的能量,同化二氧化碳和水,制造有机物质并释放氧气的过程。
1.光合作用的重要性可以概括为把无机物变成有机物、蓄积太阳能量和环境保护为三方面。
2.叶绿体和光合色素
应注意吸收光谱只说明光合色素吸收的光段,不能进一步说明这些被吸收的光段在光合作用中的效率,要了解各被吸收光段的效率还需研究光合作用的作用光谱,即不同波长光作用下的光合效率称为作用光谱。
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。
磷光现象:叶绿素在去掉光源后,还能继续辐射出极微弱的红光(用精密仪器测知)的现象。
3.光合作用的发现
17世纪,van Helmont,将2.3kg的小柳树种在90.8kg干土中,雨水浇5年后,小柳树重76.7kg,而土仅减少57g。因此,他认为植物是从水中取得所需的物质。
● 1771年,Joseph Priestley ,密闭容器中蜡烛燃烧污染了空气,使放于其中的小鼠窒
息;若在密闭容器中放入一支薄荷,小鼠生命就可得到挽救。他的结论是,植物能净化空气。
● 1779年,Jan Ingenhousz ,确定植物净化空气是依赖于光的。
● 1782年,J.Senebier ,证明植物在照光时吸收CO 2并释放O 2。
● 1804年,N.T.De Saussure 发现,植物光合作用后增加的重量大于吸收CO 2和释放O 2所
引起的重量变化,他认为是由于水参与了光合作用。
● 1864年,J.Sachs 观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累,显然这是由光合作用产生的
葡萄糖合成的。
● 20世纪30年代,von Niel 提出光合作用的通式:
● 1937年,R. Hill 用离体叶绿体
培养证明,光
合作用放出的O 2,来自H 2O 。将光合作用分为两个阶段:第一阶段为光诱导的电子传递以及水的光解和O 2的释放(又称希尔反应);这一阶段之后才是CO 2的还原和有机物的合成。
● 1940年代,Ruben 等用18O 同位素示踪,更进一步证明光合作用放出的O 2,来自H 2O
二、光合作用的过程
1.光反应和暗反应
根据需光与否,可笼统的将光合作用分为两个反应――光反应和暗反应。光反应发生水的光解、O 2的释放和ATP 及NADPH (还原辅酶II )的生成。反应场所是叶绿体的类囊体膜中,需要光。暗反应利用光反应形成的ATP 和NADPH ,将CO 2还原为糖。反应场所是叶绿体基质中,不需光。从能量转变角度来看,光合作用可分为下列3大步骤:光能的吸收、传递和转换过程(通过原初反应完成);电能转化为活跃的化学能过程(通过电子传递和光合磷酸化完成);活跃的化学能转变为稳定的化学能过程(通过碳同化完成)。前两个步骤属于光反应,第三个步骤属于暗反应。
(1)光能的吸收、传递和转换
①原初反应:为光合作用最初的反应,它包括光合色素对光能的吸收、传递以及将光能转换为电能的具体过程(图5-1)。
H 2O+A AH 2+1/2O 2 6CO 2+2H 2O (C 6H 12O 6)+ 6H 2O +6O 2 6CO 2+6H 2O C 6H 12O 6+6O 2 光 绿色细胞 CO 2+2H 2A (CH 2O)+2A+H 2O
图5-1 原初反应图解
②参加原初反应的色素
光合色素按功能可分为两类:一类具有吸收和传递光能的作用,包括绝大多数的叶绿素a,以及全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素;另一类是少数处于特殊状态的叶绿素a,这种叶绿素a能够捕获光能,并将受光能激发的电子传送给相邻的电子受体。在类囊体膜中,上述色素并非散乱地分布着,而是与各种蛋白质结合成复合物,共同形成称做光系统的大型复合物(图5-2)。
图7-2 光系统示意图
光系统:由光合色素组成的特殊功能单位。每一系统包含250-400个叶绿素和其他色素分子。分光系统I和光系统II,2个光系统之间有电子传递链相连接。
光系统I(PSI):作用中心色素为P700,P700被激发后,把电子供给Fd。
光系统II(PSII):作用中心色素为P680,P680被激发后,电子供给pheo(去镁叶绿素),并与水裂解放氧相连。
③原初反应的基本过程:D·P·A →D·P*·A →D·P+·A-→D+·P·A-
D·P·A 为光系统或反应中心
D onor(原初电子供体)
P igment (作用中心色素)
A cceptor (原初电子受体)
(2)电能转化为活跃的化学能
①水的光解:H2O是光合作用中O2来源,也是光合电子的最终供体。
水光解的反应:2H2O→O2+4H++4e-
②光合电子传递链(光合链)
概念:光合链是指定位在光合膜上的、一系列互相衔接的电子传递体组成的电子传递的总轨道。
由于各电子传递体具不同的氧化还原电位,负值越大代表还原势越强,正值越大代表氧化势越强,据此排列呈“Z”形,又称为“Z方案”(图5-3)。
图5-3 “Z方案”
③光合电子传递的类型:非环式电子传递;环式电子传递;假环式电子传递。
④光合磷酸化
光合磷酸化的概念:叶绿体在光下把无机磷酸和ADP转化为ATP,形成高能磷酸键的过程。光合磷酸化与光合电子传递相偶联,同样分为三种类型:即非环式光合磷酸化;环式光合磷酸化;假环式光合磷酸化。
光合磷酸化的机理:化学渗透学说,即在光合电子传递体中,PQ经穿梭在传递电子的同时,把膜外基质中的H+转运至类囊体膜内;PSⅡ光解水时在膜内释放H+;PSⅠ引起NADP+的还原时,进一步引起膜外H+浓度降低。这样膜内外存在H+浓度差(ΔpH),同时膜内外