植物光合作用讲义.docx

1、植物光合作用讲义第三章 植物的光合作用自养生物吸收二氧化碳转变成有机物的过程叫碳素同化作用(carbon assimilation)。生物的碳素同化作用包括细菌光合作用、绿色植物光合作用和化能合成作用三种类型，其中以绿色植物光合作用最为广泛，合成有机物最多，与人类的关系也最密切，因此，本章重点介绍绿色植物的光合作用。光合作用（photosynthesis）是指绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程。光合作用对整个生物界产生巨大作用：一是把无机物转变成有机物。每年约合成51011吨有机物，可直接或间接作为人类或动物界的食物，据估计地球上的自养植物一年中通过光合作用约同化

2、21011吨碳素，其中40是由浮游植物同化的，余下的60是由陆生植物同化的；二是将光能转变成化学能，绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能，并蓄积在形成的有机化合物中。人类所利用的能源，如煤炭、天然气、木材等都是现在或过去的植物通过光合作用形成的；三是维持大气O2和CO2的相对平衡。在地球上，由于生物呼吸和燃烧，每年约消耗3.151011吨O2，以这样的速度计算，大气层中所含的O2将在3000年左右耗尽。然而，绿色植物在吸收CO2的同时每年也释放出5.351011吨O2，所以大气中含的O2含量仍然维持在21。由此可见，光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程

3、，也是规模最大的将无机物合成有机物和释放氧气的过程。目前人类面临着食物、能源、资源、环境和人口五大问题，这些问题的解决都和光合作用有着密切的关系，因此，深入探讨光合作用的规律，弄清光合作用的机理，研究同化物的运输和分配规律，对于有效利用太阳能、使之更好地服务于人类，具有重大的理论和实际意义。一、光合作用的早期研究直到18世纪初，人们仍然认为植物是从土壤中获取生长发育所需的全部元素的。1727年S. Hales提出植物的营养有一部分可能来自于空气，并且光以某种方式参与此过程。那时人们已经知道空气含不同的气体成分。1771年英国牧师、化学家J. Priestley发现将薄荷枝条和燃烧着的蜡烛放在一

4、个密封的钟罩内，蜡烛不易熄灭；将小鼠与绿色植物放在同一钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。因此，他在1776年提出植物可以“净化”由于燃烧蜡烛和小鼠呼吸弄“坏”的空气。接着，荷兰医生J. Ingenhousz证实，植物只有在光下才能“净化”空气。于是，人们把1771年定为发现光合作用的年代。1782年瑞士的J. Senebier用化学分析的方法证明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的产物。1804年N.T.De Saussure进行了光合作用的第一次定量测定，指出水参与光合作用，植物释放O2的体积大致等于吸收CO2的体积。1864年J.V. Sachs观测到照光的叶片生成淀粉粒，从而证明光合作用

5、形成有机物。到了19世纪末，人们写出了如下的光合作用的总反应式： 光 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 （3-1） 绿色植物 由（3-1）式可以看出，光合作用本质上是一个氧化还原反应，H2O是电子供体（还原剂），CO2是电子受体（氧化剂）。20世纪30年代末，英国人R.Hill发现光照射离体叶绿体可以将水分解释放氧气，并且在任何氧化剂存在下，同时可以将CO2还原为糖。如上所述，光合作用的突出特点是：H2O被氧化到O2的水平；CO2被还原到糖的水平；氧化还原反应所需的能量来自光能，即发生光能的吸收、转换与贮存。几十年后，（3-1）式被进一步简化成下式： 光CO2H2O （CH2

6、O）O2 （3-2） 叶绿体 (3-2)式用（CH2O）表示一个糖类分子的基本单位，用叶绿体代替绿色植物，说明叶绿体是进行光合作用的基本单位与场所。随着研究的不断深入，1941年美国科学家S.Ruben和M.D.Kamen通过18O2和C18O2同位素标记实验，证明光合作用中释放的O2来自于H2O。为了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以区别，用下式作为光合作用的总反应式： 光 CO2 + 2H2O* (CH2O) + O*2 H20 (3-3) 叶绿体至此，人们已清楚地知道光合作用的反应物和生成物，并依据光合产物和O2释放的增加或CO2的减少来计算光合速率。例如，用改良半叶法测定有机物质

7、的积累，用红外线CO2气体分析仪法测定CO2的变化，用氧电极测定O2的变化等。由于植物体含水量高，光合作用所利用的水分只占体内总含水量的极小部分，一般不用含水量的变化来衡量植物的光合速率。二、 光合色素 光合色素即叶绿体色素，主要有三类:叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。高等植物叶绿体中含有前两类，藻胆素仅存在于藻类。(一) 光合色素的结构与性质 1.叶绿素 高等植物叶绿素（chlorophyll ,chl）主要有叶绿素a和叶绿素b两种。它们不溶于水，而溶于有机溶剂，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用80%的丙酮或丙酮:乙醇:水（4.5:4.5:1）的混合液来提取叶绿素。在颜色上，叶绿素a呈蓝绿色，

8、而叶绿素b呈黄绿色。按化学性质来说，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化反应。叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶醇所酯化。叶绿素a和叶绿素b的分子式如下: COOCH3 叶绿素a C55H72O5N4Mg 或 C32H30ON4Mg COOC20H39 COOCH3 叶绿素b C55H70O6N4Mg 或 C32H28O2N4Mg COOC20H39 叶绿素a与b很相似，不同之处仅在于叶绿素a第二个吡咯环上的一个甲基(-CH3)被醛基(-CHO)所取代，即为叶绿素b(图3-1a)。 叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉环由四个吡咯环以

9、四个甲烯基(-CH=)连接而成。镁原子居于卟啉环的中央，偏向于带正电荷，与其相联的氮原子则偏向于带负电荷，因而卟啉具有极性，是亲水的，可以与蛋白质结合。另外还有一个含羰基和羧基的同素环，羧基以酯键和甲醇结合。环上的丙酸基侧链以酯键与叶醇相结合。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜，是一个亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子易被光激发而引起电子得失，从而使叶绿素具有特殊的光化学性质。以氢的同位素氘或氚试验证明，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。 卟啉环中的镁原子可被H、Cu2

10、、Zn2所置换。用酸处理叶片，H易进入叶绿体，置换镁原子形成去镁叶绿素，使叶片呈褐色。去镁叶绿素易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色比原来更稳定。人们常根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。 2.类胡萝卜素 类胡萝卜素（carotenoid）是一类由八个异戊二烯单位组成的，含有40个碳原子的化合物(图3-1b)，不溶于水而溶于有机溶剂。叶绿体中的类胡萝卜素含有两种色素，即胡萝卜素（carotene）和叶黄素(lutein)，前者呈橙黄色，后者呈黄色。胡萝卜素是不饱和的碳氢化合物，分子式是C40H56，有、三种同分异构体。在一些真核藻类中还含有类胡萝卜素。叶子中常见的是-胡萝卜素，它在动

11、物体内水解后即转变为维生素A。叶黄素是由胡萝卜素衍生的醇类，分子式是C40H56O2。 一般情况下，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3:1，所以正常的叶子呈现绿色。秋天，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。全部的叶绿素和类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，并以非共价键与蛋白质结合在一起，组成色素蛋白复合体（pigment protein complex），各色素分子在蛋白质中按一定的规律排列和取向，以便于吸收和传递光能。 3.藻胆素 藻胆素（phycobilin）是藻类主要的光合色素，仅存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合为藻胆蛋白，主要有藻红蛋白(phycoe

12、rythrin)、藻蓝蛋白(phycocyanin)和别藻蓝蛋白(allophycocyanin)三类。它们的生色团与蛋白质以共价键牢固地结合，只有用强酸煮沸时，才能把它们分开。它们均溶于稀盐溶液中。藻胆素的四个吡咯环形成直链共轭体系，不含镁和叶醇链，具有收集和传递光能的作用。(二) 光合色素的光学特性 太阳辐射到地面的光，波长大约为3002600nm，对光合作用有效的可见光的波长在400700nm之间。光是一种电磁波，同时又是运动着的粒子流，这些粒子叫光子（photon）或光量子（quantum）。光子携带的能量与光的波长成反比。它们的关系如下:q=h =c/ （34） 式中q为每个光量子所

13、持有的能量，h为普朗克常数（6.62621034JS），为频率(s-1)，c是光速(2.9979108m s-1)，是波长(nm)。光量子的能量通常是以每摩尔光量子具有的千卡或爱因斯坦来表示。E=N h=Nhc/ （35）式中E为能量(kJ)，N为亚伏加德罗常数(6.021023)。N个量子就相当于1摩尔量子或1爱因斯坦量子。不同波长的光，每个爱因斯坦所持的能量不同(表3-1)。表3-1 不同波长的光子所持有的能量波长(nm)每个爱因斯坦(摩尔)的能量(kJmol-1)400500600700800289259197172161 1.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

14、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(absorption spectra)。用分光光度计可精确测定叶绿体色素的吸收光谱(图3-2)。叶绿素对光波最强的吸收区有两个：一个在波长为640660nm的红光部分，另一个在波长为430450nm的蓝紫光部分。此外，叶绿素对橙光、黄光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似，但也略有不同：叶绿素a在红光区的吸收带偏向长波方面，吸收带较宽，吸收峰较高；而在蓝紫光区的吸收带偏

15、向短光波方面，吸收带较窄，吸收峰较低。叶绿素a对蓝紫光的吸收为对红光吸收的1.3倍，而叶绿素b则为3倍，说明叶绿素b吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素a强。绝大多数的叶绿素a分子和全部的叶绿素b分子具有吸收光能的功能，并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素a分子，发生光化学反应。 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素不同，它们的最大吸收带在400500nm的蓝紫光区(图3-2)，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。类胡萝卜素和藻胆素均具有吸收和传递光能的作用。(三) 光合色素的荧光现象和磷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

16、绿素荧光现象。叶绿素为什么会发荧光呢？当叶绿素分子吸收光量子后，就由最稳定的、能量的最低状态基态（ground state）上升到不稳定的高能状态激发态（excited state）（图3-3）。叶绿素分子有红光和蓝光两个最强吸收区。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。处于单线态的电子，其自旋方向保持原来状态，如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化，该电子就进入能级较单线态低的三线态。由于激发态不稳定，迅速向较低能级 chl + hchl* （36） 基态 光子能量 激发态状态转变，能量有的以热的形式释放，有的以光的形式

17、消耗。从第一单线态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶绿素分子回到基态时所发出的光为磷光。荧光的寿命很短，只有10-810-10s。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部的振动上，发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下呈绿色，而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱，肉眼难以观测出来，耗能很少，一般不超过吸收能量的5，因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同，由于溶液中缺少能量受体或电子受体，在照光时色素会发射很强的荧光。 另外，吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子，其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第一单线态的状态，但超过的部分对光

18、合作用是无用的，在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态返回第一单线态，多余的能量也是以热的形式耗散。因此，蓝光对光合作用而言，在能量利用率上不如红光高。 叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发，而叶绿素分子的激发是将光能转变为化学能的第一步。现在，人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光，而荧光的变化可以反映光合机构的状况，因此，叶绿素荧光被称为光合作用的探针。(四) 叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 植物体内的叶绿素是不断地进行代谢的，有合成，也有分解，用15N研究证明，燕麦幼苗在72小时后，叶绿素几乎全部被更新，而且受环境条件影响很大。1.叶绿素的生物合成 叶绿素是在一系列酶

19、的作用下形成的（图3-4）。高等植物叶绿素的生物合成是以谷氨酸与-酮戊二酸作为原料的，然后合成-氨基酮戊酸(-aminolevulinic acid,ALA)。 2分子ALA脱水缩合形成一分子具有吡咯环的胆色素原；4分子胆色素原脱氨基缩合形成一分子尿卟啉原，合成过程按ABCD环的顺序进行,尿卟啉原的四个乙酸侧链脱羧形成具有四个甲基的粪卟啉原，以上的反应是在厌氧条件下进行的。在有氧条件下，粪卟啉原再脱羧、脱氢、氧化形成原卟啉，原卟啉是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭。如果与铁结合，就生成亚铁血红素；若与镁结合，则形成Mg-原卟啉。由此可见，动植物的两大色素最初是同出一源的，以后在进化的过程中分道扬

20、镳，结构和功能各异。Mg-原卟啉的一个羧基被甲基酯化，在原卟啉上形成第五个环，接着B环上的-CH2=CH2侧链还原为-CH2-CH3，即形成原叶绿酸酯。原叶绿酸酯经光还原变为叶绿酸酯a，然后与叶醇结合形成叶绿素a，叶绿素b是由叶绿素a转化而成的。2、影响叶绿素形成的条件 (1)光照：光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。从原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯是需要光的还原过程，如果没有光照，一般植物叶子会发黄，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。然而，藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成叶绿素，柑桔种子的子叶和莲子的胚芽可在暗中合成叶绿素，其合成机理尚不清楚。 (

21、2)温度：叶绿素的生物合成是一系列酶促反应，因此受温度影响很大。叶绿素形成的最低温度约为24，最适温度是2030，最高温度为40左右。温度过高或过低均降低合成速率，原有叶绿素也会遭到破坏。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。 (3)矿质元素：氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反应的辅因子。这些元素缺乏时不能形成叶绿素，植物出现缺绿症（chlorosis），其中尤以氮素的影响最大。 (4)水分：植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，还会加速原有叶绿素的分解，而且是合成大于分解，所以干旱时叶片呈黄褐色。 此

22、外，叶绿素的形成还受遗传因素的控制。即使在条件适宜的情况下，水稻、玉米的白化苗以及花卉中的花叶仍不能合成叶绿素。(5)氧气: 在强光下，植物吸收的光能过剩时，氧参与叶绿素的光氧化；缺氧会引起Mg-原卟啉IX及Mg-原卟啉甲酯积累，而不能合成叶绿素。三、 光合作用的机理 光合作用机理是复杂的，迄今仍然未完全查清楚。已有研究表明，光合作用的总反应，包括一系列复杂的光化学反应和酶促反应过程。 20世纪初O.Warburg等人在研究外界条件对光合作用的影响时发现，在弱光下增加光强能提高光合速率，但当光强增加到一定值时，光合速率便不再随光强的增加而提高，此时只有提高温度或CO2浓度才能增加光合速率；由此

23、推理，光合作用至少有两个步骤，其一需要光；另一个则与温度相关。在其后对光合作用机理有重大意义的研究是希尔反应的发现和水氧化钟模型的提出（详见3.3.2.3）。后来有人又用藻类进行闪光试验，在光能量相同的情况下，一种用连续光照，另一种用闪光照射，中间隔一暗期，发现后者的光合效率比连续照光的高。上述试验表明光合作用不是任何步骤都需要光。根据需光与否，将光合作用分为两个反应光反应（light reaction）和暗反应(dark reaction)。光反应是必须在光下才能进行的、由光推动的光化学反应,在类囊体膜(光合膜)上进行；暗反应是在暗处(也可以在光下)进行的、由一系列酶催化的化学反应,在叶绿体

24、基质中进行。近年来的研究表明，光反应的过程并不都需要光，而暗反应过程中的一些关键酶活性也受光的调节。 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。 整个光合作用可大致分为三个步骤:原初反应；电子传递(含水的光解、放氧)和光合磷酸化；碳同化过程。第一、二两个步骤基本属于光反应，第三个步骤属于暗反应(表3-2)。表3-2 光合作用中各种能量转变情况能量转变 光能电能 活跃化学能稳定化学能贮存能量 量子 电子 ATP，NADPH 碳水化合物等转变过程 原初反应 电子传递与光合磷酸化 碳同化时间

25、跨度(秒) 10-15109 10-10104 110 10100反应部位 基粒类囊体膜 基粒类囊体膜 叶绿体基质光、温条件 需光，与温度 不都需要光，但受光促 不需光，但受光、温促进反应 无关 进，与温度无关， 光、暗反应 光反应 光反应 暗反应(一)、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。它是光合作用的第一步，速度非常快，可在皮秒(ps，10-12秒)与纳秒(ns，109秒)内完成，且与温度无关，可在-196(液氮温度)或-271(液氦温度)下进行。 根据功能来区分，类囊体膜上的光合色素可为二类:（1）反应中心色素（reaction centre pigments

26、），少数特殊状态的叶绿素a分子属于此类，它具有光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能(称为“陷阱”)。（2）聚光色素（lightharvesting pigments），又称天线色素(antenna pigments)，它没有光化学活性，能吸收光能，并把吸收的光能传递到反应中心色素，绝大多数色素，包括绝大部分叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素等都属于此类。 聚光色素位于光合膜上的色素蛋白复合体上，反应中心色素存在于反应中心（reaction center）。但二者是协同作用的，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。一般来说，约250300个色素

27、分子所聚集的光能传给一个反应中心色素。每吸收与传递1个光量子到反应中心完成光化学反应所需起协同作用的色素分子数，称为光合单位（photosynthetic unit）(图3-5)。实际上，光合单位包括了聚光色素系统和光合反应中心两部分。因此也可以把光合单位定义为：结合于类囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的功能单位。 当波长范围为400700nm的可见光照射到绿色植物时，天线色素分子吸收光量子而被激发，以“激子传递”（exciton transfer）和“共振传递”(resonance transfer)两种方式进行能量传递。所谓激子是指由高能电子激发的量子，可以转移能量，但不能转移电荷。而共

28、振传递则是依赖高能电子振动在分子间传递能量。两种激发能传递方式的传递速率都很快，例如，振动一个寿命为510-9s的红光量子在叶绿体中可传递经过几百个叶绿素a分子。能量可在相同色素分子之间传递，也可在不同色素分子之间传递，但总是沿着波长较长即能量水平较低的方向传递。传递的效率很高，几乎接近100。于是，大量的光能通过天线色素吸收、传递到反应中心色素分子，引起光化学反应。 光化学反应是在光合反应中心进行的。而反应中心是进行原初反应的最基本的色素蛋白复合体，它至少包括一个反应中心色素分子即原初电子供体（primary electron donor,P）、一个原初电子受体(primary electr

29、on acceptor,A)和一个次级电子供体（secondary electron donor,D），以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质，才能导致电荷分离，将光能转换为电能。反应中心的原初电子受体，是指直接接受反应中心色素分子传来电子的物质（A）。反应中心次级电子供体，是指将电子直接供给反应中心色素分子的物质。在光下，光合作用原初反应是连续不断地进行的，因此，必须不断有最终电子供体和最终电子受体的参与，构成电子的“源”和“库”。高等植物的最终电子供体是水，最终电子受体是NADP+。 光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体和次级供体之间的氧化还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后，使反应中心色素分子（P）激发而成为激发态（P*），释放电子给原初电子受体(A)，同时留下了“空穴”，成为陷井（trap）。反应中心色素分子被氧化而带正电荷(P+)，原初电子受体被还原而带负电