第四章植物的光合作用12节概要
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第四章 植物的光合作用
第四章 植物的光合作用
第一节 光合作用的重要性 第二节 叶绿体和光合色素 第三节 光合作用的机理 第四节影响光合作用的因素 第五节植物对光能的利用
第一节 光合作用的概念和意义
光 合 作 用 （ photosynthesis ） —— 光 养 生 物吸收光能,把无机物合成有机物的过程。
光
CO2+H2A 绿色细胞 (CH2O)+2A↑+H2O
一）光合作用类型
细菌光合作用（无氧光合作用）
➢ 紫色硫细菌和绿色硫细菌以H2S为还原剂
光
CO2+2H2S 光合细菌
(CH2O)+2S+H2O
➢紫色非硫细菌以异丙醇、脂肪酸等有机物为还原剂
H3C CO2 + 2CHOH
H3C
光 光合细菌
H3C (CH2O) + 2CO +H2O
H3C
绿色植物的光合作用（放氧光合作用）
绿色植物的光合作用以水为还原剂将CO2还原
光
CO2+H2O
(CH2O)+O2↑
绿色细胞
光合作用通式（广义的光合作用）
光
CO2 + 2H2S 光合细菌
(CH2O)+2S+H2O
H3C
光
CO2 + 2CHOH 光合细菌
H3C (CH2O)+ 2CO +H2O
H3C
CO2 + H2O
H3C
光
绿色植物 (CH2O)+O2↑
光
CO2+2H2A 光养生物(CH2O)+2A+H2O
二）希尔反应
希尔反应: Hill(1937) 发现离体的叶绿体加到具有氢接受
体(A)的水溶液中，照光后即放出氧气
光
H2O+2A
2AH2+O2
破碎的叶绿体
希尔氧化剂如铁氰化钾、草酸铁、苯醌、NADP＋、 NAD＋等。
希尔反应的意义：
1) 初步证明氧气来自于水 2）证明CO2的还原与O2的释放是两个相对独立 的过程，光合作用释放的O2来自于水的光解； 3）第一次用离体的叶绿体做实验，把光合作用 研究深入到细胞器水平。
三）18O的研究
光
CO2+2H218O 光合细胞 (CH2O)+18O2+H2O
光合作用是一个氧化还原反应过程，该过程有 以下几个反应特点：
光
CO2+H2O 绿色细胞 (CH2O)+O2↑
1.H2O 被氧化成分子态的氧；
2.CO2 被还原成糖； 3.在反应过程中完成了光能到化学能的转变。
二、光合作用的意义
CO２+H２O→(CH２O)＋O２ (△G=478kJ/mol)
1.把无机物变为有机物的重要途径 “绿色工厂”
2.巨大的能量转换过程
3. 维持大气中O2和CO2的相对平衡 “环保天使”
光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径 光合作用是“地球上最重要的化学反应”
问题：为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界？
第二节 叶绿体的结构
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。
一、叶绿体的发育、形态及分布
1.发育
高等植物的叶绿体由 前质体发育而来。
前质体是无色的，存在于顶端分生组织。
2.形态 3.分布
叶原基形成时,前质体内膜若干处 内折并深入基质扩展增大，成片， 脱离内膜形成类囊体，同时合成 叶绿素
4.运动
1.发育 2.形态
高等植物呈扁平椭圆形，一般直径5-
6μm，厚2-3μm，每个叶肉细胞中叶绿体
的大小与数目依植物种类、组织类型以及 发育阶段而异。
3.分布
4.运动
1.发育 2.形态 3.分布 4.运动
叶肉细胞中的 叶绿体较多分 布在与空气接 触的质膜旁， 这样的分布有 利于叶绿体同 外界进行气体
交换。
1.发育 2.形态
叶绿体随光照的方向和强度而运动
俯视图
侧视图
3.分布 4.运动
❖ 随原生质环流运动， ❖ 随光照的方向和强度而运动。
二、叶绿体的基本结构
被膜 叶绿体 基质
类囊体
1.叶绿体被膜
➢ 由两层单位膜组成， 两膜间距5～10nm。 被膜上无叶绿素，
➢ 外膜为非选择透性膜， 内膜是选择透性膜
➢ 主要功能是控制物质 的进出，维持光合作 用的微环境。
2.基质及内含物
基质：被膜以内的基础物质。以水为主体，内 含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白 质等。是碳同化的场所，含有还原CO2与合成淀粉的
全部酶系（Rubisco总蛋白的一半以上)
2.基质及内含物
➢基质是淀粉和脂类等物的贮藏库
– —— 淀粉粒与质体小球
☼将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部 的白色颗粒就是淀粉粒。
☼质体小球又称脂质球或亲锇颗粒，在叶片衰老时叶 绿体中的膜系统会解体，此时叶绿体中的质体小球 也随之增多增大。
3.类囊体
由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空间为10nm 左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向
3.类囊体
类囊体分为二类：
基粒类囊体 或称基粒片 层，可自身或与基质类 囊体重叠，组成基粒
基质类囊体 又称基质片 层，伸展在基质中彼此 不重叠；
➢ 堆叠区 片层与片层互 相接触的部分，
➢ 非堆叠区 片层与片层 非互相接触的部分。
光合膜类囊体片层堆叠的生 理意义？
光合膜类囊体片层堆叠的生理意义？
1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,更有 效地收集光能。 2.膜系统常是酶排列的支架，膜的堆叠易构成代 谢的连接带，使代谢高效地进行。 类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有 的膜结构,它有利于光合作用的进行。
一个叶绿体内基粒的数量及构成基粒的类囊体的 数目与细胞的生理需求和环境条件等有关，一般 处于生长期或成熟期的叶肉细胞内叶绿体的数目 及类囊体垛叠程度高，光、温度、水分、矿质养 分供应状况都影响叶绿体的发育。
4.类囊体膜上的蛋白复合体
蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。 主要有四类：即光系统Ⅰ（PSI）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、 Cytb６/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。
❖类囊体膜的蛋白质复合体参与了光能吸收、传递与转化、 电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。
❖由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类 囊体膜为光合膜。
二、光合色素 的化学特性
植物叶绿体中的色素可分为三大类:叶绿素、类胡萝 卜素和藻胆素。高等植物中含有前两类，藻胆素仅 存于藻类中。
(一) 叶绿体色素的结构与性质 1、叶绿素 使植物呈现绿色的色素 高等植物含有叶绿素a、b 两种。叶绿素a(chla)呈蓝绿色，叶绿素b(chlb)呈黄绿色。
第四章 植物的光合作用
第一节 光合作用的重要性 第二节 叶绿体和光合色素 第三节 光合作用的机理 第四节影响光合作用的因素 第五节植物对光能的利用
第一节 光合作用的概念和意义
光 合 作 用 （ photosynthesis ） —— 光 养 生 物吸收光能,把无机物合成有机物的过程。
光
CO2+H2A 绿色细胞 (CH2O)+2A↑+H2O
一）光合作用类型
细菌光合作用（无氧光合作用）
➢ 紫色硫细菌和绿色硫细菌以H2S为还原剂
光
CO2+2H2S 光合细菌
(CH2O)+2S+H2O
➢紫色非硫细菌以异丙醇、脂肪酸等有机物为还原剂
H3C CO2 + 2CHOH
H3C
光 光合细菌
H3C (CH2O) + 2CO +H2O
H3C
绿色植物的光合作用（放氧光合作用）
绿色植物的光合作用以水为还原剂将CO2还原
光
CO2+H2O
(CH2O)+O2↑
绿色细胞
光合作用通式（广义的光合作用）
光
CO2 + 2H2S 光合细菌
(CH2O)+2S+H2O
H3C
光
CO2 + 2CHOH 光合细菌
H3C (CH2O)+ 2CO +H2O
H3C
CO2 + H2O
H3C
光
绿色植物 (CH2O)+O2↑
光
CO2+2H2A 光养生物(CH2O)+2A+H2O
二）希尔反应
希尔反应: Hill(1937) 发现离体的叶绿体加到具有氢接受
体(A)的水溶液中，照光后即放出氧气
光
H2O+2A
2AH2+O2
破碎的叶绿体
希尔氧化剂如铁氰化钾、草酸铁、苯醌、NADP＋、 NAD＋等。
希尔反应的意义：
1) 初步证明氧气来自于水 2）证明CO2的还原与O2的释放是两个相对独立 的过程，光合作用释放的O2来自于水的光解； 3）第一次用离体的叶绿体做实验，把光合作用 研究深入到细胞器水平。
三）18O的研究
光
CO2+2H218O 光合细胞 (CH2O)+18O2+H2O
光合作用是一个氧化还原反应过程，该过程有 以下几个反应特点：
光
CO2+H2O 绿色细胞 (CH2O)+O2↑
1.H2O 被氧化成分子态的氧；
2.CO2 被还原成糖； 3.在反应过程中完成了光能到化学能的转变。
二、光合作用的意义
CO２+H２O→(CH２O)＋O２ (△G=478kJ/mol)
1.把无机物变为有机物的重要途径 “绿色工厂”
2.巨大的能量转换过程
3. 维持大气中O2和CO2的相对平衡 “环保天使”
光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径 光合作用是“地球上最重要的化学反应”
问题：为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界？
第二节 叶绿体的结构
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。
一、叶绿体的发育、形态及分布
1.发育
高等植物的叶绿体由 前质体发育而来。
前质体是无色的，存在于顶端分生组织。
2.形态 3.分布
叶原基形成时,前质体内膜若干处 内折并深入基质扩展增大，成片， 脱离内膜形成类囊体，同时合成 叶绿素
4.运动
1.发育 2.形态
高等植物呈扁平椭圆形，一般直径5-
6μm，厚2-3μm，每个叶肉细胞中叶绿体
的大小与数目依植物种类、组织类型以及 发育阶段而异。
3.分布
4.运动
1.发育 2.形态 3.分布 4.运动
叶肉细胞中的 叶绿体较多分 布在与空气接 触的质膜旁， 这样的分布有 利于叶绿体同 外界进行气体
交换。
1.发育 2.形态
叶绿体随光照的方向和强度而运动
俯视图
侧视图
3.分布 4.运动
❖ 随原生质环流运动， ❖ 随光照的方向和强度而运动。
二、叶绿体的基本结构
被膜 叶绿体 基质
类囊体
1.叶绿体被膜
➢ 由两层单位膜组成， 两膜间距5～10nm。 被膜上无叶绿素，
➢ 外膜为非选择透性膜， 内膜是选择透性膜
➢ 主要功能是控制物质 的进出，维持光合作 用的微环境。
2.基质及内含物
基质：被膜以内的基础物质。以水为主体，内 含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白 质等。是碳同化的场所，含有还原CO2与合成淀粉的
全部酶系（Rubisco总蛋白的一半以上)
2.基质及内含物
➢基质是淀粉和脂类等物的贮藏库
– —— 淀粉粒与质体小球
☼将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部 的白色颗粒就是淀粉粒。
☼质体小球又称脂质球或亲锇颗粒，在叶片衰老时叶 绿体中的膜系统会解体，此时叶绿体中的质体小球 也随之增多增大。
3.类囊体
由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空间为10nm 左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向
3.类囊体
类囊体分为二类：
基粒类囊体 或称基粒片 层，可自身或与基质类 囊体重叠，组成基粒
基质类囊体 又称基质片 层，伸展在基质中彼此 不重叠；
➢ 堆叠区 片层与片层互 相接触的部分，
➢ 非堆叠区 片层与片层 非互相接触的部分。
光合膜类囊体片层堆叠的生 理意义？
光合膜类囊体片层堆叠的生理意义？
1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,更有 效地收集光能。 2.膜系统常是酶排列的支架，膜的堆叠易构成代 谢的连接带，使代谢高效地进行。 类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有 的膜结构,它有利于光合作用的进行。
一个叶绿体内基粒的数量及构成基粒的类囊体的 数目与细胞的生理需求和环境条件等有关，一般 处于生长期或成熟期的叶肉细胞内叶绿体的数目 及类囊体垛叠程度高，光、温度、水分、矿质养 分供应状况都影响叶绿体的发育。
4.类囊体膜上的蛋白复合体
蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。 主要有四类：即光系统Ⅰ（PSI）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、 Cytb６/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。
❖类囊体膜的蛋白质复合体参与了光能吸收、传递与转化、 电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。
❖由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类 囊体膜为光合膜。
二、光合色素 的化学特性
植物叶绿体中的色素可分为三大类:叶绿素、类胡萝 卜素和藻胆素。高等植物中含有前两类，藻胆素仅 存于藻类中。
(一) 叶绿体色素的结构与性质 1、叶绿素 使植物呈现绿色的色素 高等植物含有叶绿素a、b 两种。叶绿素a(chla)呈蓝绿色，叶绿素b(chlb)呈黄绿色。