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物理知識之植物光合作用

物理知識之植物光合作用

光合作用是將來自太陽的能量轉化為化學能的綠色植物(糖)。 下面是品才小編整理的關於植物光合作用的內容,歡迎閱讀借鑑。

光合作用的基本原理

光合作用可分為光反應和碳反應(舊稱暗反應)兩個階段

2.1 光反應

條件:光照、光合色素、光反應酶。

場所:葉綠體的類囊體薄膜。(色素)

過程:①水的光解:2H₂O→4[H]+O₂(在光和葉綠體中的色素的催化下)。②ATP的合成:ADP+Pi→ATP(在光、酶和葉綠體中的色素的催化下)。

影響因素:光照強度、CO₂濃度、水分供給、溫度、酸鹼度等。

意義:①光解水,產生氧氣。②將光能轉變成化學能,產生ATP,為碳反應提供能量。③利用水光解的產物氫離子,合成NADPH,為碳反應提供還原劑NADPH,NADPH同樣可以為碳反應提供能量。

詳細過程如下:

系統由多種色素組成,如葉綠素a(Chlorophyll a)、葉綠素b(Chlorophyll b)、類胡蘿蔔素(carotenoids)等組成。既拓寬了光合作用的作用光譜,其他的色素也能吸收過度的強光而產生所謂的光保護作用(Photoprotection)。在此係統裡,當光子打到系統裡的色素分子時,會如圖片所示一般,電子會在分子之間移轉,直到反應中心為止。反應中心有兩種,光系統一吸收光譜於700nm達到高峰,系統二則是680nm為高峰。反應中心是由葉綠素a及特定蛋白質所組成(這邊的葉綠素a是因為位置而非結構特殊),蛋白質的種類決定了反應中心吸收之波長。反應中心吸收了特定波長的光線後,葉綠素a激發出了一個電子,而旁邊的酵素使水裂解成氫離子和氧原子,多餘的電子去補葉綠素a分子上的缺。然後葉綠素a透過如圖所示的過程,生產ATP與NADPH(還原型輔酶)分子,過程稱之為電子傳遞鏈(Electron Transport Chain)。

2.2 碳反應

碳反應的實質是一系列的酶促反應。原稱暗反應,後隨著研究的深入,科學家發現這一概念並不準確。因為所謂的暗反應在暗中只能進行極短的時間,而在有光的條件下能連續不斷進行,並受到光的調節。所以在20世紀90年代的一次光合作用會議上,從事植物生理學研究的科學家一致同意,將暗反應改稱為碳反應。

條件:碳反應酶。

場所:葉綠體基質。

影響因素:溫度、CO₂濃度、酸鹼度等。

過程:不同的植物,暗反應的過程不一樣,而且葉片的解剖結構也不相同。這是植物對環境的適應的結果。暗反應可分為C3、C4和CAM三種類型。三種類型是因二氧化碳的固定這一過程的不同而劃分的。對於最常見的C3的反應型別,植物透過氣孔將CO₂由外界吸入細胞內,透過自由擴散進入葉綠體。葉綠體中含有C5。起到將CO₂固定成為C3的作用。C3再與NADPH在ATP供能的條件下反應,生成糖類(CH₂O)並還原出C5。被還原出的C5繼續參與暗反應。

光合作用的實質是把CO₂和H₂O轉變為有機物(物質變化)和把光能轉變成ATP中活躍的化學能再轉變成有機物中的穩定的化學能(能量變化)。

CO₂+H₂O( 光照、酶、 葉綠體)==(CH₂O)+O₂

延伸閱讀

光化學反應

(一)反應中心與光化學反應

1.反應中心 原初反應的光化學反應是在光系統的反應中心(reaction center)進行的。反應中心是發生原初反應的最小單位,它是由反應中心色素分子、原初電子受體、次級電子受體與供體等電子傳遞體,以及維持這些電子傳遞體的微環境所必需的蛋白質等成分組成的。反應中心中的原初電子受體(primary electron acceptor)是指直接接收反應中心色素分子傳來電子的.電子傳遞體,而反應中心色素分子是光化學反應中最先向原初電子受體供給電子的,因此反應中心色素分子又稱原初電子供體(primary electron donor)。

2.光化學反應 原初反應的光化學反應實際就是由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應,可用下式表示光化學反應過程:

P·A→ P*·A → P+·A-

原初電子供體,即反應中心色素(P)吸收光能後成為激發態(P*),其中被激發的電子移交給原初電子受體(A),使其被還原帶負電荷(A-),而原初電子供體則被氧化帶正電荷(P+)。這樣,反應中心出現了電荷分離,到這裡原初反應也就完成了。原初電子供體失去電子,有了“空穴”,成為“陷阱”(trap),便可從次級電子供體那裡爭奪電子;而原初電子受體得到電子,使電位值升高,供電子的能力增強,可將電子傳給次級電子受體。供電子給P+的還原劑叫做次級電子供體(secondary electron donor,D),從A-接收電子的氧化劑叫做次級電子受體(secondary electron acceptor,A1),那麼電荷分離後反應中心的更新反應式可寫為:

D·〔P+·A-〕·A1 →D+·〔P·A〕·A1-

這一過程在光合作用中不斷反覆地進行,從而推動電子在電子傳遞體中傳遞。

圖4-9 PSⅠ(上)PSⅡ(下)反應中心結構模式

(二)PSⅠ和PSⅡ的光化學反應

高等植物的兩個光系統有各自的反應中心。PSⅠ和PSⅡ反應中心中的原初電子供體很相似,都是由兩個葉綠素a分子組成的二聚體,分別用P700、P680來表示。這裡P代表色素(pigment),700、680則代表P氧化時其吸收光譜中變化最大的波長位置是近700nm或680nm處(圖4-9),也即用氧化態吸收光譜與還原態吸收光譜間的差值最大處的波長來作為反應中心色素的標誌。

PSⅠ的原初電子受體是葉綠素分子(A0),PSⅡ的原初電子受體是去鎂葉綠素分子(Pheo),它們的次級電子受體分別是鐵硫中心和醌分子(表4-2)。

PSⅠ的原初反應為: P700·A0 →P700·A0 →P700+·A0- (4-17)

PSⅡ的原初反應為: P680·Pheo→P680·Pheo→P680+·Pheo- (4-18)

在原初反應中,受光激發的反應中心色素分子發射出高能電子,完成了光→電轉變,隨後高能電子將沿著光合電子傳遞鏈進一步傳遞。