第五章 植物的光合作用 第一节 光合作用的概念和意义

一、光合作用(photosynthesis)概念 绿色植物 利用光能把CO２和水合成有机物，同时释放氧气的过程。 CO２+ H２O 光 绿色植物 (CH２O)＋O２ (1) CO２+2H２O* 光 绿色植物(CH２O)+ O2*+ H２O (2) 光合细菌 利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，把CO２合成有机物的过程。 CO２+2H２S 光 光合硫细菌(CH２O)+2S+H２O (3) 比较绿色植物和光合细菌的光合方程式，得出光合作用的通式： CO２+2H２A 光 光养生物 (CH２O)+2A+H２O (4) H2A代表一种还原剂，可以是H２O、 H2S、有机酸等。 光养生物 利用光能把CO２合成有机物的过程。 问题：绿色植物和光养生物的光合方程式有何异同？

二、光合作用的意义 问题：为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界？ 光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径 CO２+H２O→(CH２O)＋O２ (△G=478kJ/mol) 44 18 30 32 重量比 1.把无机物变为有机物 约合成5千亿吨/年 有机物 “绿色工厂” 吸收2千亿吨/年 碳素 (6400t/s) 2.把太阳能转变为可贮存的化学能 将3.2×1021J/y的日光能转化为化学能 3. 维持大气中O2和CO2的相对平衡 释放出5.35千亿吨氧气/年 “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？

依赖 光合生产 人口急增 食物不足 资源匮乏 环境恶化 人类面临四大问题 因此深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理，使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。

第二节 叶绿体和光合色素 一、叶绿体 叶绿体(chloroplast)是光合作用最重要的细胞器。它分布在叶肉细胞的细胞质中。 小麦叶横切面

(一)叶绿体的分离 １.从叶片中直接分离(机械法) ２. 从原生质体分离(酶解法) 叶 片 匀 浆 化 0.4mol/L糖醇 pH7.6±, 0～4℃ 匀 浆 过 滤 匀浆4～8层纱布或100目尼龙纱布 细胞液 分级离心 500g去沉淀，3000g去上清液，沉淀悬浮，冰浴保存 叶绿体 ２. 从原生质体分离(酶解法) 酶解 挤压 离心 叶组织 原生质体 质膜与细胞器 叶绿体 果胶酶,纤维素酶0.5mol／L甘露醇 pH5.0～pH5.5 40℃,振荡 Chlor被膜完整度较高 <20μm尼龙网

(二)叶绿体的发育、形态及分布 1.发育 2.形态 3.分布 4.运动 高等植物的叶绿体由前质体发育而来。当茎端分生组织形成叶原基时，前质体的双层膜中的内膜在若干处内折并伸入基质扩展增大，在光照下逐渐排列成片，并脱离内膜形成类囊体，同时合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。 1.发育 2.形态 3.分布 4.运动

高等植物的叶绿体大多呈扁平椭圆形，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20至数百个叶绿体，其长3～6μm，厚2～3μm。 1.发育 2.形态 3.分布 4.运动 玉米叶绿体 水稻叶绿体

叶肉细胞中的叶绿体较多分布在与空气接触的质膜旁，在与非绿色细胞(如表皮细胞和维管束细胞)相邻处，通常见不到叶绿体。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 3.分布 4.运动 叶绿体 棉叶栅栏细胞

1.发育 2.形态 3.分布 4.运动 叶绿体随光照的方向和强度而运动 侧视图 俯视图 随原生质环流运动 随光照的方向和强度而运动。在弱光下，叶绿体以扁平的一面向光；在强光下，叶绿体的扁平面与光照方向平行。

(三) 叶绿体的基本结构 被膜 基质(间质) 叶绿体 类囊体(片层)

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， 主要功能是控制物质的进出，维持光合作用的微环境。 膜对物质的透性受膜成分和结构的影响。膜中蛋白质含量高，物质透膜的受控程度大。 外膜 磷脂和蛋白的比值是3.0 (w/w)。密度小(1.08 g/ml )，非选择性膜 。分子量小于10000的物质如蔗糖、核酸、无机盐等能自由通过。 内膜 磷脂和蛋白的比值是0.8（w/w）密度大(1.13g/ml),选择透性膜。CO2、O2、H2O可自由通过；Pi、磷酸丙糖、双羧酸、甘氨酸等需经膜上的运转器才能通过；蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。

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。 基质中能进行多种多样复杂的生化反应 含有还原CO2 (Rubisco 1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)与合成淀粉的全部酶系 ——碳同化场所 含有氨基酸、蛋白质、DNA、RNA、还原亚硝酸盐和硫酸盐的酶类以及参与这些反应的底物与产物 ——N代谢场所 脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素类、细胞色素类)和萜类(类胡萝卜素、叶醇)等物质及其合成和降解的酶类——脂、色素等代谢场所 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 类囊体片层堆叠的生理意义 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 类囊体分为二类： 基质类囊体 又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠； 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。 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。 玉米 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。

(四)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。

证实叶绿体中CO2同化和光合放氧反应部位的实验 O2+CH2O 光+CO2 光+Fe3+ 低渗 O2 破损叶绿体 完整叶绿体 Hill反应 离心 CO2 CH2O 基质 问题：如何证明CO2同化场所是在叶绿体的基质，而光合放氧反应是在叶绿体的膜上进行？ 光+ Fe3+ 光合膜 O2

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 叶绿素 高等植物 藻类 藻胆素 —— 共同特点： 类胡萝卜素 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。 图5 主要光合色素的结构式

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。 (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 叶绿素 藻类中 细菌叶绿素—— 光合细菌 叶绿素是双羧酸的酯，一个羧基被甲醇所酯化，另一个羧基被叶绿醇所酯化。 叶绿素a与b的不同之处是叶绿素a比b多两个氢少一个氧。两者结构上的差别仅在于叶绿素a的第Ⅱ吡咯环上一个甲基(－CH3)被醛基(－CHO)所取代。 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。

叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇)的“尾巴”。 卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基(－CH＝)连接而成。 卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁偏向带正电荷，与其相联的氮原子带负电荷，因而“头部”有极性。 另外还有一个含羰基的同素环（Ⅴ环上含相同元素），其上一个羧基以酯键与甲醇相结合。 环Ⅵ上有一个丙酸侧链以酯键与叶绿醇相结合，叶绿醇是由四个异戊二烯单位所组成的双萜，具有亲脂性。 卟啉环上的共轭双键和中央镁原子容易被光激发而引起电子的得失，这决定了叶绿素具有特殊的光化学性质。 卟啉环 叶绿醇

叶绿素的提取 叶绿素是一种酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有机溶剂如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液来提取叶片中的叶绿素，用于测定叶绿素含量。 之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素，这是因为叶绿素与蛋白质结合牢，需要经过水解作用才能被提取出来。 研磨法 提取方法 浸提法 研磨法提取光合色素 0.1g叶+10ml混合液浸提

铜代叶绿素反应 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) 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。 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

2.类胡萝卜素(carotenoid) 是由8个异戊二烯形成的四萜，含有一系列的共轭双键，分子的两端各有一个不饱和的取代的环己烯，也即紫罗兰酮环，类胡萝卜素包括胡萝卜素(C40H56)和叶黄素(C40H56O2)两种。 橙黄色 环己烯 (紫罗兰酮环) 3 黄色

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。 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。秋天或在不良的环境中，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。 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

(二)光合色素的吸收光谱 吸收光谱的观察方法； 分光仪 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 光源 分光仪

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。 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。

(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 ·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向

合成叶绿素分子中的吡咯环的起始物质是δ-氨基酮戊酸(δ-氨基乙酰丙酸 ALA），在高等植物中ALA由谷氨酸转化而来。 叶绿素合成过程 (1)2分子ALA脱水缩合形成1分子具有吡咯环的胆色素原； (2)、(3)4分子胆色素原脱氨基缩合形成1分子尿卟啉原Ⅲ，合成过程按A→B→C→D环的顺序进行； (4)尿卟啉原Ⅲ四个乙酸链脱羧形成有四个甲基的粪卟啉原Ⅲ (5)、(6)粪卟啉原Ⅲ再脱羧、脱氢，氧化形成原卟啉Ⅸ； (7)原卟啉Ⅸ与镁结合形成Mg-原卟啉Ⅸ; (8)Mg-原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基所酯化； (9)、(10)在Mg-原卟啉Ⅸ上形成第五个环，接着B环上的－CH2=CH2侧链被还原为－CH2－CH3，即形成原叶绿酸酯； (11)经光还原，D环上接受NADPH提供的H，形成叶绿酸酯a，这一过程是在一种色素蛋白复合体上进行的； (12)D环上的丙酸为20个C的牻牛儿基牛牻牛儿基焦磷酸酯化，后者由NADPH提供H还原成叶绿醇，这样就形成了叶绿素a。 叶绿素b则是由叶绿素a氧化形成的。

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。

(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℃,最高温度约40℃ 。 受冻的油菜 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

(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。 缺N CK 缺N 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。

苹果缺Fe新叶脉间失绿 棉花缺Mg网状脉 黄瓜缺锰叶脉间失绿 柑桔缺Zn小叶症 伴脉间失绿

(4) 遗传 问题：指出植物有哪些黄化现象，并分析产生的原因。 海棠 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。 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。

植物体内的叶绿素在代谢过程中一方面合成，一方面分解，在不断地更新。如环境不适宜，叶绿素的形成就受到影响，而分解过程仍然进行，因而茎叶发黄，光合速率下降。 农业生产中，许多栽培措施如施肥，合理密植等的目的就是促进叶绿素的形成，延缓叶绿素的降解，维持作物叶片绿色，使之更多地吸收光能，用于光合作用，生产更多的有机物。