光合作用

发布网友 发布时间：2022-04-26 11:29

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热心网友 时间：2022-06-27 21:24

光合作用（Photosynthesis）是绿色植物利用叶绿素等光合色素和某些细菌（如带紫膜的嗜盐古菌）利用其细胞本身，

叶绿体
在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量，效率为10%~20%左右。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的
作用原理
植物与动物不同，它们没有消化系统，因此它们必须依靠其他的方式来进行对营养的摄取，植物就是所谓的自养生物的一种。

叶绿体
对于绿色植物来说，在阳光充足的白天，它们利用太阳光能来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。
这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉等能源物质，同时释放氧气
化学方程式
CO2+H2O→（CH2O)+O2（反应条件：光能和叶绿体）
6H2O + 6CO2+ 阳光 → C6H12O6（葡萄糖） + 6O2（与叶绿素产生化学作用）
H2O→2H+ 2e- + 1/2O2（水的光解）
NADP+ + 2e- + H+ → NADPH（递氢）
ADP+Pi+能量→ATP （递能）
CO2+C5化合物→2C3化合物（二氧化碳的固定）
2C3化合物+4NADPH→C3糖（有机物的生成或称为C3的还原）
C3（一部分）→C5化合物（C3再生C5）
C3（一部分）→储能物质（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的还生成脂肪）
ATP→ADP+Pi+能量（耗能）
能量转化过程：光能→电能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能→ATP中活跃的化学能
注：因为反应中心吸收了特定波长的光后，叶绿素a激发出了一个电子，而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子，多余的电子去补叶绿素a分子上缺的。产生ATP与NADPH分子，这个过程称为电子传递链（Electron Transport Chain)
电子传递链分为循环和非循环。
非循环电子传递链从光系统2出发，会裂解水，释放出氧气，生产ATP与NADPH.
循环电子传递链不会产生氧气，因为电子来源并非裂解水。最后会生成ATP.

光合作用的简要过程
可见，从叶绿素a吸收光能开始，就发生了电子的移动，形成了电子传递链，有了电子传递链，才能使得ATP合成酶将ADP和磷酸合成ATP. 因此，它的能量转化过程为：
光能→电能→不稳定的化学能（能量储存在ATP的高能磷酸键）→稳定的化学能（淀粉等糖类的合成）
注意：光反应只有在光照条件下进行，而只要在满足碳反应条件的情况下碳反应都可以进行。也就是说碳反应不一定要在黑暗条件下进行。
注意事项
12H2O + 6CO2+ 阳光 → （与叶绿素产生化学作用） C6H12O6（葡萄糖） + 6O2+ 6H2O
上式中等号两边的水不能抵消，虽然在化学上式子显得很特别。

光合作用的两个阶段
原因是左边的水，是植物吸收所得，而且用于制造氧气和提供电子和氢离子。而右边的水分子的氧原子则是来自二氧化碳。为了更清楚地表达这一原料产物起始过程，人们更习惯在等号左右两边都写上水分子。有时会在CO2和右边的H2O的氧原子上打星号，表示右边的水分子的氧原子来自二氧化碳。(是由同位素追踪法得来)
反应阶段
光合作用可分为光反应和碳反应（旧称暗反应）两个阶段。
光反应
条件：光照、光合色素、光反应酶。
场所：叶绿体的类囊体薄膜。（色素所在地）
光合作用的反应：
（原料） 光 （产物）
水-----------→ 氧气（光和叶绿体是条件）+能量（储存在ATP中）+还原氢（NADPH）
叶绿体
过程：①水的光解：2H2O→4[H]+O2（在光和叶绿体中的色素的催化下）。
②ATP的合成：ADP+Pi+能量→ATP（在酶的催化下）。
影响因素：光照强度、CO2浓度、水分供给、温度、酸碱度、矿质元素等。
意义：①光解水，产生氧气。
②将光能转变成化学能，产生ATP，为碳反应提供能量。
③利用水光解的产物氢离子，合成NADPH（还原型辅酶Ⅱ），为碳反应提供还原剂NADPH（还原型辅酶Ⅱ）。
详细过程如下:
系统由多种色素组成，如叶绿素a(Chlorophyll a)、叶绿素b(Chlorophyll b）、类胡萝卜素(Carotenoids）等组成。

光反应与卡尔文循环
既拓宽了光合作用的作用光谱，其他的色素也能吸收过度的强光而产生所谓的光保护作用(Photoprotection）。在此系统里，当光子打到系统里的色素分子时，会如图片所示一般，电子会在分子之间移转，直到反应中心为止。反应中心有两种，光系统一吸收光谱于700nm达到高峰，系统二则是680nm为高峰。反应中心是由叶绿素a及特定蛋白质所组成（这边的叶绿素a是因为位置而非结构特殊），蛋白质的种类决定了反应中心吸收之波长。反应中心吸收了特定波长的光线后，叶绿素a激发出了一个电子，而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子，多余的电子去补叶绿素a分子上的缺。然后叶绿素a透过如图所示的过程，生产ATP与NADPH（还原型辅酶）分子，过程称之为电子传递链(Electron Transport Chain）。
碳反应(暗反应)
碳反应的实质是一系列的酶促反应。原称暗反应，后随着研究的深入，科学家发现这一概念并不准确。因为所谓的暗反应在暗中只能进行极短的时间，而在有光的条件下能连续不断进行，并受到光的调节。所以在20世纪90年代的一次光合作用会议上，从事植物生理学研究的科学家一致同意，将暗反应改称为碳反应。
条件：碳反应酶。
场所：叶绿体基质。
影响因素：温度、CO2浓度、酸碱度等。
过程：不同的植物，碳反应的过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境的适应的结果。

光照下的绿色植物
碳反应可分为C3、C4和CAM三种类型。三种类型是因二氧化碳的固定这一过程的不同而划分的。对于最常见的C3的反应类型，植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内，通过自由扩散进入叶绿体。叶绿体中含有C5（1,5-二磷酸核酮糖）。起到将CO2固定成为C3（3-磷酸甘油酸）的作用。C3（3-磷酸甘油酸）再与NADPH在ATP供能的条件下反应，生成糖类（CH2O）并还原出C5（1,5-二磷酸核酮糖）。被还原出的C5继续参与碳反应。
光合作用的实质是把CO2和H2O转变为有机物（物质代谢）和把光能转变成ATP中活跃的化学能再转变成有机物中的稳定的化学能（能量代谢）。
CO2+H2O（光照、 叶绿体）==(CH2O)+O2
（CH2O）表示糖类（叶绿体相当于催化剂[1]）
阶段比较
①联系：光反应和碳反应是一个整体，二者紧密联系。光反应是碳反应的基础，光反应阶段为碳反应阶段提供能量（ATP、NADPH）和还原剂（NADPH），碳反应产生的ADP和Pi为光反应合成ATP提供原料。
②区别：（见下表）

项目

光反应

碳反应（暗反应）

实质

光能→ 化学能，释放O2

同化CO2形成（CH2O）（酶促反应）

时间

短促，以微秒计

较缓慢

条件

需色素、光、ADP、和酶

不需色素和光，需多种酶

场所

在叶绿体内囊状结构薄膜上进行

在叶绿体基质中进行

物质转化

2H2O→4[H]+O2↑（在光和叶绿体中的色素的催化下） ADP+Pi→ATP（在酶的催化下）

CO2+C5→2C3（在酶的催化下）
C3+【H】→（CH2O）+ C5
（在ATP供能和酶的催化下）

能量转化

叶绿素把光能先转化为电能再转化为活跃的化学能并储存在ATP中

ATP中活跃的化学能转化变为糖类等有机物中稳定的化学能