1光合作用意义与叶绿素.

Chapter3.Photosynthesis§1.光合作用及其重要性1.光合作用Photosynthesis:绿色植物利用叶绿体色素所吸收的光能将简单的低能的无机物H2O、CO2转化为复杂的富含能量的有机物同时放出O2的过程。H2O+CO2CH2O+O2光植物2.光合作用的发现1771,J.Priestley.England,discoveredthatplantcanpurifyair,whichcansustaintheburningofacandleorthesurvivalofalittlemouse.“气从地下催腾一粒，种性小者为蓬，大者为蔽牛干霄之木，此一粒原本几何？其余则皆气所化也。”——明·宋应星《天工开物－论气》1779,J.Ingenhouse,TheNetherland,demonstratedthattheplantinPriestley’sexperimentisdependentonlightanditsgreenpart.1780-1789,A.Lavoisier,French,discoveredthelawofmassconservation.1782,J.Senebier,Swiss,pointedoutthatCO2participatedinphotosynthesis1804,DeSaussure,Genevese,suggestedH2Otookpartinphotosynthesis.3.光合作用研究中的里程碑1842,R.Mayer,Germany,discoveredthelawofenergyconservationandtransformation,pointedoutsolarenergywasstoredinorganicmatter.1930,C.VanNiel,USA,proposedphotosynthesiswasbasedonoxidation-reductionreactionsandthattheprimaryreactionisaphotolysisofwaterfollowedbyoxygenrelease.1932.R.Emerson,W.Arnon,USA,concludedseveralhundredchlscooperateinphotosynthesis1939.R.Hill,UK,Hillreaction.1954.M.Calvin,USA,Calvincycle(NobelPrizein1961)1954.D.Arnon,USA,discoveredphotophosphorylation1960-1961,PSⅠandPSⅡcooperateinplants.1965,R.B.Woodward,USA,thesynthesisofchlorophyllandotherorganiccompounds.(NobelPrize)1984，J.Deisenhofer,R.Huber,H.Michel,TheFederalRepublicofGermany,solvethestructureofaphotosyntheticreactioncenterfromabacterium.(NobelPrize)1992,R.A.Marcus,USA,electrontransferinachemicalsystem.(NobelPrize)1997,P.Boyer(US),J.Walker(UK),bindingchangemechanismofATPsynthesis.(NobelPrize)①无机物→有机物：植物每年同化C:2×1011吨，其中的40%由水中的plankton固定。②太阳能→化学能：植物年贮能3×1021焦耳。③净化环境，调节大气成分：CO2→O2光合作用导致游离氧的产生，使生命延伸到陆地，并改变了大气成分。光合作用使大气中的CO2、O2保持相对稳定。4.光合作用的意义AncientAtmosphere:H2O+N2+NH3+CO2+CO+CH4+H2+H2SPhotosynthesis-themostimportantchemicalreactiononearth——J.DEISENHOFER§2叶绿体和叶绿体色素一、叶绿体的结构和成分（一）结构1.膜：外膜、内膜2.基粒3.基质基粒(grana)：由基粒类囊体垛叠而成，基粒之间由基质类囊体连接。类囊体膜上含有叶绿体色素、电子传递体及蛋白复合体，是光反应的场所。基质(stroma)：含有多种酶（光合作用、NO2－还原、SO42－还原等）和DNA、RNA、核糖体、嗜锇颗粒等，是暗反应的场所。（二）成分：水75~80%,干物质20~25%二、叶绿体色素1.种类叶绿素chlorophyll类胡萝卜素carotenoid藻胆素phycobilinChlaChlbChlc,dBacteriochl除少数chla起光能转换作用外，大多数chla,全部的chlb、carotenoid、phycobilin只起收集与传递光能的作用，bacteriochl只存在于厌氧光合细菌中。胡萝卜素carotene叶黄素xanthophyll藻红素phycoerythrobilin藻蓝素phycocyanobilin藻胆素存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合，形成藻胆蛋白：藻红蛋白和藻蓝蛋白。表：放氧生物叶绿体色素的组成生物叶绿素类胡萝卜素藻胆素abcd高等植物＋＋－－＋－绿藻＋＋－－＋－硅藻＋－＋－＋－腰鞭毛虫＋－＋－＋－褐藻＋－＋－＋－红藻＋－－＋＋＋蓝绿藻＋－－－＋＋2.化学特性1)叶绿素a)组成chla:C55H72O5N4Mg;chlb:C55H70O6N4Mgb)化学结构叶绿素分子的头部含4个吡咯环，通过4个甲烯基连成一个卟啉环，Mg位于卟啉环的中央，具极性。如此形成一个巨大的共轭双键系统，易于叶绿素以诱发共掁的方式传递能量。其尾部是长长的叶醇链，具疏水性。c)化学性质：叶绿素是叶绿酸与甲醇、叶醇形成的二元酯COOCH3chlaC32H30ON4MgCOOC20H39COOCH3chlbC32H28O2N4MgCOOC20H39因此，可发生皂化反应(与强碱反应生成盐)和取代反应(Mg可被H或Cu取代)COOCH3COOKC32H30ON4Mg+KOH→C32H30ON4Mg+CH3OH+C20H39OHCOOC20H39COOKCOOCH3COOCH3C32H30ON4Mg+2HCl→C32H30ON4H2+2MgCl2COOC20H39COOC20H39去镁叶绿素,褐色COOCH3COOCH3C32H30ON4H2+(CH3COO)2Cu→C32H30ON4Cu+2CH3COOHCOOC20H39COOC20H39d)溶解性：叶绿素不溶于水，但溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂，chla呈兰绿色，chlb呈黄绿色。铜代叶绿素，兰绿色2)类胡萝卜素：a)组成：胡萝卜素：C40H56，叶黄素：C40H56O2，是前者衍生的二元醇。b)结构两端为紫罗兰酮环，中间为共轭双键，易于光能的传递。特别不稳定，易被氧化，因此除吸收光能外，对chl具保护作用c)不溶于水而溶于有机溶剂，胡萝卜素呈橙黄色，叶黄素呈黄色。HOOHxanthophyll3)藻胆素：a)结构：由4个吡咯环通过共轭双键连在一起。b)作用：吸收光能。c)溶于稀盐酸和热水中，藻红素呈红色，藻蓝素呈蓝色。三.叶绿体色素的光学特性1.太阳光的连续光谱与光的能量到达地面的波长仅为300~2600nm，这其中包括全部的可见光，部分红外线和部分紫外线。(1)Lightistransverse,ElectromagneticSpectrumNatureofLight(2)LightisAlsoaParticleWhichWeCallaPhoton(光子)Eachphotoncontainanamountofenergywhichwecallquantum(量子).Quantumenergyisfrequencyrelated.q=hv=hc/λE=Nhh:普朗克常数6.63×10-34J·SN:阿佛伽德罗常数E:每一摩尔光子所具有的能量(称为该种光的爱因斯坦值)不同波长的光所含的能量光波长（λ/nm）平均能量（E/kjmol-1）紫外＜400297紫400~425289蓝425~490259绿490~560222黄560~580209橙580~640197红640~7401722.叶绿体色素对太阳光的选择吸收A:叶绿素叶绿素对红光和兰紫光有很强的选择吸收，而对绿光吸收很少，因此叶绿素呈绿色。chla的红光吸收峰为660nm,兰紫光吸收峰为430nmchlb的红光吸收峰为643nm,兰紫光吸收峰为435nmchla在红光区的吸收带比chlb宽，而chlb在兰光区的吸收带可chla宽，叶绿素是自然界中吸光性最强的物质，消光系数达105cm-1M-1。B.其它色素类胡萝卜素吸收蓝光，光吸收在400~500nm；藻红素吸收绿光和黄光，光吸收在420~600nm；藻蓝素吸收橙红光，光吸收在500~650nm。3.荧光现象和磷光现象叶绿体溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色，称为荧光现象。在去掉光源后仍能发出红光，称为磷光现象。事实上，红光并不是chl溶液的反射光，而是chl受光激发发射出的荧光Left:Atransparent-greenchlorophyllsolutionofgroundupspinachleavesandacetone.Right:Beamoflightdirectedatthechlorophyllsolutionproducingareddishglowcalledfluorescence.原理：荧光和磷光都属于光致发光现象。荧光是电子由单重激发态回到基态时发出的光；而荧光是电子由三重激发态回到基态时发出的光。振动驰豫荧光，10-9S第二单线态第一单线态因振动驰豫要消耗能量，因此荧光的波长要长于吸收的红光(10nm)，故荧光呈红色。光e单重激发态三重激发态体系间跨越基态荧光磷光荧光和磷光现象说明了：①叶绿素能被光所激发，这是将光能转化为化学能的第一步。②在植物活体上看不到荧光现象，而在叶绿素提取液中可见，说明活体植株叶绿素所吸收的光能被传递下去，用于光合作用了。四.叶绿素的合成植物体内叶绿体合成很快，菠菜的每72小时更新一半，烟草需要数周。叶绿素的人工合成于1960年完成，Woodward获1965年NobelPrizeTheNobelPrizeinChemistry1965forhisoutstandingachievementsintheartoforganicsynthesisUSAHarvardUniversityCambridge,MA,USAb.1917d.1979RobertBurnsWoodwardGluKG二氧戊酸2×δ-氨基酮戊酸胆色素原2H2O尿卟啉原III4NH3粪卟啉原III4CO2原卟啉IXMg-原卟啉Mg原脱植基叶绿素a脱植基叶绿素a光叶绿素a植醇1.叶绿素a的生物合成2.影响合成的因素：1)光：原脱植基chla必须照光才能合成chl。因缺乏光而不能合成chl的现象称为黄化现象etiolation.2)温度：最适30℃，最低2~4℃，最高40℃。3)矿质元素：N、Mg(chl的组成成分)；Fe、Cu、Zn(chl合成的活化剂)；Mn维持类囊体结构因缺乏矿质元素而影响chl合成，导致缺绿症chlorisis4)水：缺水影响chl，加速分解