细胞能量的供应和利用

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细胞的能量供应和利用

• 能量之源--光与光合作用
  • 一、捕获光能的色素和结构
    • 对绝大多数生物来说，活细胞所需能量的最终源头是来自太阳的光能。
    • 捕获光能的色素
      • ①提取：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素
      • ②分离：绿叶中的色素不止一种，都能溶解在层析液中。然而他们在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快，反之则慢。这样几分钟后，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开
      • 绿叶中的色素
        • 叶绿素（约占3/4）
          • 叶绿素a（蓝绿色）
          • 叶绿素b（黄绿色）
          • 主要吸收红光和蓝紫光
        • 类胡萝卜素（约占1/4）
          • 胡萝卜素（橙黄色）
          • 叶黄素（黄色）
          • 主要吸收蓝紫光
      • 因为叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以叶片呈现绿色
    • 叶绿体的结构
      • 在光学显微镜下观察，水稻，柑橘等被子植物的叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形
      • 在电子显微镜下观察，可以看到叶绿体的外表有两层膜，内部有许多基粒，基粒与基粒之间充满了基质，每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。这些囊状结构称为类囊体，吸收光能的四种色素，就分布在类囊体的薄膜上。
      • 每个基粒都含有两个以上的类囊体多者可达100个以上
    • 叶绿体的功能
      • 1880年德国科学家恩格尔曼把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照着水绵。他发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。如果临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光部位。
      • 在类囊体薄膜和基质上含有多种进行光合作用所必需的酶。
      • 叶绿体是进行光合作用的场所，它内部的巨大膜表面上不仅分布着许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必须的酶。
  • 二、光合作用的原理和应用
    • 定义： 光合作用是指绿色植物通过叶绿体利用光能把二氧化碳和水转化为储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
    • 光合作用的探究历程
      • ①1771年，英国科学家普利斯特利通过实验证实植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气。
      • ②1779年，荷兰科学家英格豪斯做了500多次植物更新空气的实验，结果发现普利斯特利的实验只有在阳光照射下才能成功，植物体只有绿叶才能更新污浊的空气。
      • ③17785年，由于发现了空气的组成，人们才明确，绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。
      • ④1845年，德国科学家梅耶根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转化为化学能储存起来。
      • ⑤1864年，德国科学家萨克斯做了一个实验，他把绿叶先在暗处放几个小时，目的是为了消耗掉叶片中的营养物质，然后他让叶片一半曝光，另一半遮光。过一段时间后，他用碘蒸汽处理这片叶，发现曝光的一半呈深蓝色，遮光的另一半没有颜色变化。这一实验成功的证明，光合作用的产物，除氧气外，还有淀粉。
      • ⑥1941年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行探究
        • 同位素标记法：同位素可以用于追踪物质的运行和变化规律，用同位素标记的话，化学性质不会改变。通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。
        • 一组：水标CO2不标
        • 另一组：水不标CO2标
        • 证明：光合作用释放的氧气来自水。
      • ⑦美国科学家卡尔文等用小球藻做实验。用碳14标记的二氧化碳供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化为有机物中碳的途径，成为卡尔文循环。
    • 光合作用的过程。
      • 光反应阶段
        • 光合作用第一个阶段中的化学反应必须有光才能进行，这个阶段叫做光反应阶段。光反应阶段的化学反应是在类囊体的薄膜上进行的。
        • 叶绿体中光合色素吸收的光能有哪方面用途？
          • 一是将水直接分解成氧和还原性氢，氧直接以分子的形式释放出去，还原性氢被传递到叶绿体的基质中作为活泼的还原剂，参与到暗反应中的化学反应中去。
            • 还原型辅酶二。
          • 二是在有关酶的催化作用下促成ADP和Pi发生化学反应形成ATP。这样，光能就转变为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二阶段的化学反应。
      • 暗反应阶段
        • ① 光合作用第二个阶段中的化学反应有没有光都可以进行。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。
        • ②二氧化碳首先与植物体内的c5结合这个过程叫做CO2的固定。
        • ③一个CO2分子被一个c5分子固定后很快形成了两个c3分子。
        • ④ 在有关酶的催化作用下c3接收ATP释放的能量被还原型辅酶二还原
        • ⑤随后一些接受能量并被还原的c3经过一系列变化形成糖类，另一些接受能量并被还原的C3则经过一系列的化学变化又形成C5，从而使暗反应阶段的化学反应持续地进行下去。
  • 三、光合作用原理的应用
    • 农业生产上许多增加农作物产量的措施是为了提高光合作用的强度。（简单的说，是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量）
    • 控制光照强弱和温度高低，适当增加作环境中二氧化碳的浓度等等。
  • 四、化能合成作用
    • 自然界中少数种类的细菌，虽然细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是能够利用体外环境中某些无机物氧化时释放的能量来制造有机物。这种合成作用叫做化能合成作用。这些细菌也属于自养生物
    • 生活在土壤中的硝化细菌不能利用光能，但能将土壤中的氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸。硝化细菌能够利用这两个化学反应中释放出的化学能将二氧化碳和水合成为糖类。这些糖类可供硝化细菌维持自己的生命活动。
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