导图社区 植物生理学-光合作用
- 1.5k
- 66
- 16
- 举报
植物生理学-光合作用
这是一篇关于植物生理学-光合作用的思维导图
编辑于2021-10-07 16:03:46- 相似推荐
- 大纲
植物生理学-光合作用
光合作用的重要性
概念：绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物并释放氧气的过程。
重要性
把无机物变成有机物，其他生物的生活资源
蓄积太阳能量，提供人类营养的活动的能量来源
环境保护，维持大气中氧气和二氧化碳的相对平衡
叶绿体及其色素
叶绿体的结构和成分
结构
膜
叶绿体膜
外膜：含有孔的蛋白，相对分子质量小的代谢物通过
内膜：含有运输蛋白，有选择性
类囊体膜
进行光合作用，单层膜
基质
主要是可溶性蛋白（RuBP羧化酶最多），淀粉在基质里形成和贮藏
类囊体
类型
基粒类囊体（基粒）
类囊体垛叠而成
光合色素主要集中在此，光能转化为化学能的主要过程
基质类囊体
类囊体大，贯穿在两个基粒之间的基质之中
类囊体垛叠的生理意义
捕获光能的机构高度密集，构成代谢的传送带，利于光合
成分
水：70％
干物质
蛋白质（结构基础）：30％~45％
色素：8％
脂质、贮藏物、矿质元素、核苷酸（如NAD+和NADP+)、醌（如质体醌PQ 、PC）
光合色素的化学特性
叶绿素
叶绿素a（蓝绿色），叶绿素b（黄绿色）
物理性质：不溶于水，溶于酒精、丙酮、石油醚等有机溶剂
化学性质：双羧酸的酯，可与碱发生皂化反应
分子结构：卟啉环：亲水头部，叶绿醇：亲脂尾部。 垂直排列，绿色由头部的卟啉环的大π键与Mg决定
功能：绝大部分叶绿素a和全部叶绿素b能收集和传递功能 少数叶绿素a能将光能转化为化学能
传递能量的方式：电子传递与共振传递
a与b的差别：a（-CH3）、b（-CHO） 导致了颜色、溶解度、泳动速度、功能与吸收光谱等的差别
类胡萝卜素
胡萝卜素（橙黄色），叶黄素（黄色）
不溶于水，溶于有机溶剂，极性
化学性质：不饱和的碳氢化合物，大量双键
功能：收集和传递光能，防护叶绿素面受多余光照伤害
藻胆素（紫菜汤红色）
存在形式：藻胆蛋白
水溶
化学结构：4个吡咯环的直链共轭系统
功能：天线色素
光合色素的光学特性
两个吸光强区
叶绿素：红光区（640~660nm）、蓝紫光区（430~450nm）
类胡萝卜素：蓝紫光区
荧光现象和磷光现象
荧光（强）：叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色。
磷光（弱）：当叶绿素溶液停止照光后，仍能在一定时间内放出暗红色的光。
叶绿素的合成即降解
生物合成过程：<起始物>谷氨酸（Glu）或α-酮戊二酸→δ-氨基酮戊酸（ALA）→2ALA→卟胆原（胆色素原PBG）→4PBG→原卟啉IX→Mg原卟啉（原卟啉IX与Fe结合，生成亚铁血红素）→单乙烯基原叶绿素酯a→经光照和NADPH还原为叶绿素酯a→叶绿素a→叶绿素b
叶绿素的叶色
叶绿素∶类胡萝卜素=3∶1，叶绿素a∶叶绿素b=3∶1，叶黄素∶胡萝卜素=2∶1
影响因素∶光照，温度，矿质元素（Mg、N组成成分，Fe、Mn、Cu、Zn酶活化剂），水分
光合作用过程
原初反应
光能的吸收
光系统=聚光复合物+反应中心复合物
约300个叶绿素分子，大部分聚光色素将光能吸收传递给1个作用中心色素
聚光色素，没有光化学活性，吸收光能传递给反应中心色素，其他色素
反应中心色素，具有光化学活性，将光能转为电能，少数特殊状态的叶绿素a
光能的传递
聚光色素系剂以诱导共振和激子传递的方式将光能传递
光能在不同色素间的传递顺序：类胡萝卜素→叶绿素b→叶绿素a→特殊叶绿素a对
光能的转换
组成：色素蛋白复合体
作用：电荷分离和能量转换
基本组分：结构蛋白质和脂类、极少数的Chl-a
特殊叶绿素a对（P），原初电子供体D，最终电子供体H2O，原初电子受体A，最终电子受体NADP+
电子传递和光合磷酸化
光系统
红降和增益效应
光合电子传递体及其功能
光系统Ⅱ复合体（PSⅡ） 主要分布在类囊体垛叠部分
结构：PSⅡ：PSⅡ反应中心、捕光复合体Ⅱ（LHCⅡ）和放氧复合体等。高等植物的PSⅡ反应中心：D1、D2、CP43、CP47等核心蛋白、P680等色素分子。 功能：D1、D2结合电子传递体，CP43、CP47结合叶绿素分子，LHCⅡ结合叶绿素和类胡萝卜素分子。
希尔反应（水裂解放氧）：光照下，离体叶绿体类囊体能将含有高铁的化合物（如高铁氰化物）还原为低铁化合物，并释放氧。
PSⅡ电子传递：第一部分是P680激发前将水裂解放氧；第二部分P680激发后将电子传至质体醌（PQ），最后传至PC。
细胞色素b6f复合体
PSⅡ——PQ（质体醌<脂溶性>）——b6f——PC（质体蓝素<可溶蛋白质>）——PSⅠ
结构：2个Cytb，1个Cytc（以前称为Cyt f），1个RFe-S蛋白，2个醌氧化还原部位
功能：细胞色素b6f将 PQH2（还原态质体醌）氧化，获得电子后将电子传给 PC，使 PC还原，同时把质子释放到类囊体腔进行跨膜转运，建立跨膜质子梯度，成为合成ATP的原动力。
光系统Ⅰ复合体（PSⅠ） 主要分布在类囊体非垛叠部分
结构：PSⅠ反应中心复合体、捕光复合体Ⅰ（LHCⅠ）
功能：将电子从PC传递给铁氧还原蛋白（Fd）。 捕光天线LHC环绕在反应中心周围，吸收光能，诱导共振的方式传给P700
光合电子传递途径
非环式电子传递
PSⅡ和 PSI共同受光激发，串联起来推动电子传递，从水中夺电子并将电子最终传递给 NADP+，产生O2和NADPH+ H*
环式电子传递
指 PSI 受光激发而 PSⅡ未受光激发时，PSI 产生的电子传给 Fd，通过Cyt b6f复合体和 PC 返回PSI，形成了围绕 PSI 的环式电子传递。在胁迫条件下增强，对光合作用起调节作用。
假环式电子传递
与非环式电子传递途径相似，只是水光解的电子不传给NADP*，而是传给分子O2，形成超氧阴离子自由基，后被超氧化物歧化酶（SOD）消除，产生 H2O。电子似乎从H2O→H2O，故称为假环式电子传递。本过程往往在强光下、NADP*供应不足时发生。
补充：光合电子传递抑制剂
敌草隆（DCMU）阻止 PSⅡ PQB的还原， 百草枯（paraquat）抑制PSI Fd的还原， DBMIB（2，5-二溴-3-甲基-6-异丙基-p-苯醌）与PQ竞争阻止电子传到Cyt b6f。
光合磷酸化
定义：指叶绿体利用光能驱动电子传递建立跨类囊体膜的质子动力势（PMF），质子动力势就把 ADP和无机磷酸合成ATP。
非环式光合磷酸化
环式光合磷酸化
假环式光合磷酸化
ATP合酶（偶联因子）
功能：利用质子浓度梯度把ADP和Pi合成为ATP， 将ATP的合成与电子传递和H+跨膜转运偶联起来。
结构：突出于类囊体膜表面的亲水头部CF1复合体， 伸入类囊体内的疏水性柄部CF0复合体。
ATP的产生
化学渗透学说：在类囊体的电子传递体中，PQ可传递电子和质子，而其他传递体如 PC和 Fd 等，只传递电子而不传递质子。光照引起水的裂解，水释放的质子留在膜内侧，水释放的电子进入电子传递链中的 PQ。PQ在接受水裂解传来的电子的同时，又接受膜外侧传来的质子。PQ将质子排入膜内侧，将电子传给PC。这样，膜内侧质子浓度高而膜外侧低，膜内侧电位较膜外侧高。于是膜内外产生质子浓度差（△pH）和电位差（△φ），两者合称为质子动力势（PMF），即为光合磷酸化的动力。当 H+沿着浓度梯度返回膜外侧时，在ATP合酶催化下，ADP和 Pi脱水形成ATP。
同化力
ATP和NADPH用于碳反应中CO2的同化，合成为同化力 能量的暂时存储方式
碳同化
C3途径
羧化阶段
酶是RuBPcase
还原阶段
使PGA的羧基转变成PGAld的醛基，光合作用的贮能过程完成（淀粉与蔗糖），是光反应和暗反应的连接点
更新阶段
PGAld→RuBP，消耗1ATP
调节
自身催化：初固定的CO2用于合成RuBP
光的调节：通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统调节酶活性、光增加Rubiso活性
光合产物转运：磷酸丙糖在细胞质中合成蔗糖
线粒体代谢调节——细胞整体代谢调节
C4途径（甘蔗、玉米）
最初产物：四碳二羧酸
羧化与还原（叶肉细胞的细胞质）
CO2受体：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
酶：PEP羧化酶（PEPC）
产物：草酰乙酸（OAA）
还原：叶绿体内，OAA被还原为苹果酸 转氨：细胞质基质内，OAA被还原为天冬氨酸
转移与脱羧
转移到维管束鞘细胞中进行脱羧反应，形成丙酮酸或丙氨酸，释放CO2
更新：PEP再生
根据C4化合物种类和脱羧反应酶类的不同，分为三种亚类型
NADP-苹果酸酶类型
NAD- 苹果酸酶类型
PEP-羧化酶类型
调节
光直接激活：PEPC
效应剂：G6P增加PEPC活性
二价金属离子：C4植物脱羧酶的活化剂 Mg、Mn： NADP苹果酸脱羧酶 Mn：NAD苹果酸脱羧酶 Mg、Mn：PEP羧激酶
CAM途径（景天科植物酸代谢）
调节
短期：昼夜：气孔 PEPC（晚上活化、白天活性被抑制） NADP苹果酸羧化酶（晚上活性被抑制，白天活化）
长期：兼性或诱导CAM植物
光合产物
淀粉在叶绿体中合成
蔗糖在细胞质基质中合成
淀粉和蔗糖的调节
细胞质基质Pi浓度低，促进淀粉合成，Pi高，促进蔗糖合成
白天淀粉多，夜晚蔗糖多
C3、C4、CAM植物的光合特性比较
光呼吸
光呼吸（C2环）的途径
叶绿体
O2的吸收，乙醇酸的形成（光照）
过氧化物酶体
O2的吸收，乙醛酸、过氧化氢的形成
线粒体
CO2的放出
光呼吸的生理功能
对光合器官起保护作用
维持C3途径的运转
影响光合作用的因素
外界条件对光合作用的影响
光照
光强
光补偿点
随着光强的增加，光合速率不断升高，当光合速率等于呼吸速率时的光强成为光补偿点
C3植物的光补偿点比C4植物高的原因
C4植物中固定CO2的酶PEPC对CO2的亲和性很高，在CO2浓度较低的情况也可发生羧化反应
当CO2浓度增高，温度降低时，光补偿点降低。反之温度升高，CO2浓度降低，光补偿点升高，不利于光合积累。在大棚中种植，要注意通风，降低温度,增加CO2浓度，如使用有机肥，利用微生物的活动释放CO2。
光合速率随着光强的增强而增加主要是光强制约光合速率
光饱和点
当光合速率不随着光强的增强而增加时光照强度称为光饱和点
主要是CO2扩散和固定速率制约光合速率
C3植物的光饱和点比C4植物低的原因/C4植物一般不出现光饱和现象
C4植物同化CO2消耗的同化力要比C3植物高; PEPC 酶对CO2的亲和力高，具有CO2泵作用，所以空气中CO2浓度不会成为C4植物光合作用的限制因素
CO2浓度升高时，光饱和点会升高
光抑制
叶片接受的光能超过了它所能利用的光能，光合活性降低，光合作用被抑制
光抑制一般发生在PSⅡ上
光质：各种色素吸收光谱不同
CO2
CO2补偿点
光合吸收的CO2量等于呼吸放出的CO2量
光照度强，光合大于呼吸，CO2补偿点低。
温度
最适温度：C3→25℃；C4→25℃
过高低：膜稳定性、酶钝化、结构破坏
随温度高，呼吸＞光合
光增强，最适温度变高；温度增高，光饱和点上升
矿质元素
氮、镁、铁、锰：叶绿素等生物合成所必需的矿质元素; 铜、铁、硫和氯：参与光合电子传递和水裂解过程; 钾、磷：参与糖类代谢； 磷：参与光合作用中间产物的转变和能量传递
水分
原料
缺水，气孔关闭
产物运输
保持叶片原有姿态
水分过多，土壤不通气，影响根系活动，叶肉细胞低渗状态
光合速率的日変化
日出后光合速率逐渐提高，中午前打到高峰，以后逐渐降低，日落后光合速率趋于负值
午休现象
叶片中光合产物的积累对光合发生反馈抑制
叶片蒸腾失水加剧，土壤水分亏.缺，植物失水大于吸水，引起萎奄和气孔关闭
强光高温低CO2浓度使光呼吸增强，光抑制程度加强
内部因素对光合作用的影响
不同部位
不同生育期
（整株）营养生长中期最强
植物对光合作用的利用
植物的光能利用率
提高光能利用率的途径
延长光照时间
提高复种指数
补充人工光照
增加光照面积
合理密植
改变株型
提高光合效率
增加CO2浓度
喷施亚硫酸氢钠溶液
叶绿体色素纸层析：移动速度：胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b