全国生物奥林匹克竞赛辅导专题五:光合作用

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1、全国生物奥林匹克竞赛辅导专题五:光合作用[竞赛要求]1.光合作用的概念及其重大意义2.光合作用的场所和光合色素3.光合作用的全过程(光系统I和光系统II)4.C3和C4植物的比较(光呼吸)5.外界条件对光合作用的影响(饱和点、补偿点)6.光合作用的原理在农业生产中的应用[知识梳理]一、光合作用概述光合作用是指绿色植物吸收阳光的能量,同化二氧化碳和水,制造有机物质并释放氧气的过程。1.光合作用的重要性可以概括为把无机物变成有机物、蓄积太阳能量和环境保护为三方面。2.叶绿体和光合色素叶绿体是进行光合作用的细胞器。在显微镜下观察,高等植物的叶绿体大

2、多数呈椭球形,一般直径约为3~6um,厚约为2~3um。其结构可分为外膜、内膜、基粒和基质四部分,内膜具有控制代谢物质进出叶绿体的功能,基粒是光反应进行的场所,基质是暗反应进行的场所。叶绿体具有由许多片层组成的片层系统,称为类囊体。每个基粒是由2个以上的类囊体垛叠在一起形成的,这样的类囊体称为基粒类囊体;有一些类囊体较大,贯穿在两个基粒之间的基质中,称为基质类囊体。光合作用的光能转换功能是在类囊体膜上进行的,所以类囊体膜亦称为光合膜。光合色素叶绿素――主要吸收蓝光和红光类胡萝卜素――主要吸收蓝光叶绿素a(蓝绿色)叶绿素b(黄绿色)胡萝卜素(橙

3、黄色)叶黄素(黄色)光合色素就位于类囊体膜中。其种类、颜色和吸收的可见光段如下:应注意吸收光谱只说明光合色素吸收的光段,不能进一步说明这些被吸收的光段在光合作用中的效率,要了解各被吸收光段的效率还需研究光合作用的作用光谱,即不同波长光作用下的光合效率称为作用光谱。荧光现象:叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色的现象。磷光现象:叶绿素在去掉光源后,还能继续辐射出极微弱的红光(用精密仪器测知)的现象。3.光合作用的发现l17世纪,vanHelmont,将2.3kg的小柳树种在90.8kg干土中,雨水浇5年后,小柳树重76.7kg,而土仅

4、减少57g。因此,他认为植物是从水中取得所需的物质。l1771年,JosephPriestley,密闭容器中蜡烛燃烧污染了空气,使放于其中的小鼠窒息;若在密闭容器中放入一支薄荷,小鼠生命就可得到挽救。他的结论是,植物能净化空气。l1779年,JanIngenhousz,确定植物净化空气是依赖于光的。l1782年,J.Senebier,证明植物在照光时吸收CO2并释放O2。l1804年,N.T.DeSaussure发现,植物光合作用后增加的重量大于吸收CO2和释放O2所引起的重量变化,他认为是由于水参与了光合作用。6CO2+6H2OC6H12O

5、6+6O2光绿色细胞l1864年,J.Sachs观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累,显然这是由光合作用产生的葡萄糖合成的。CO2+2H2A(CH2O)+2A+H2Ol20世纪30年代,vonNiel提出光合作用的通式:l1937年,R.Hill用离体叶绿体培养证明,光合作用放出的O2,来自H2O。将光合作用分为两个阶段:第一阶段为光诱导的电子传递以及水的光解和O2的释放(又称希尔反应);这一阶段之后才是CO2的还原和有机物的合成。H2O+AAH2+1/2O2l1940年代,Ruben等用18O同位素示踪,更进一步证明光合作用放出的O2,来自H2

6、O6CO2+2H2O(C6H12O6)+6H2O+6O2二、光合作用的过程1.光反应和暗反应根据需光与否,可笼统的将光合作用分为两个反应――光反应和暗反应。光反应发生水的光解、O2的释放和ATP及NADPH(还原辅酶II)的生成。反应场所是叶绿体的类囊体膜中,需要光。暗反应利用光反应形成的ATP和NADPH,将CO2还原为糖。反应场所是叶绿体基质中,不需光。从能量转变角度来看,光合作用可分为下列3大步骤:光能的吸收、传递和转换过程(通过原初反应完成);电能转化为活跃的化学能过程(通过电子传递和光合磷酸化完成);活跃的化学能转变为稳定的化学能过

7、程(通过碳同化完成)。前两个步骤属于光反应,第三个步骤属于暗反应。(1)光能的吸收、传递和转换①原初反应:为光合作用最初的反应,它包括光合色素对光能的吸收、传递以及将光能转换为电能的具体过程(图5-1)。图5-1原初反应图解②参加原初反应的色素光合色素按功能可分为两类:一类具有吸收和传递光能的作用,包括绝大多数的叶绿素a,以及全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素;另一类是少数处于特殊状态的叶绿素a,这种叶绿素a能够捕获光能,并将受光能激发的电子传送给相邻的电子受体。在类囊体膜中,上述色素并非散乱地分布着,而是与各种蛋白质结合成复合物,共同形成称做

8、光系统的大型复合物(图5-2)。图7-2光系统示意图光系统:由光合色素组成的特殊功能单位。每一系统包含250-400个叶绿素和其他色素分子。分光系统I和光系统II,

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