植物學(xué)光合作用與呼吸作用的比較-結(jié)合中學(xué)教材齊迪珍

1、光合作用與呼吸作用的比較 -結(jié)合中學(xué)教材 類型類型內(nèi)容內(nèi)容項(xiàng)目項(xiàng)目光合作用光合作用有氧有氧呼吸呼吸無氧呼吸無氧呼吸原原 料料 CO2和和H2O有機(jī)物和氧氣有機(jī)物和氧氣有機(jī)物有機(jī)物產(chǎn)產(chǎn) 物物 有機(jī)物和氧氣有機(jī)物和氧氣二氧化碳和水二氧化碳和水場(chǎng)所場(chǎng)所活細(xì)胞活細(xì)胞(主要在主要在線粒體中線粒體中)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 葉綠體葉綠體*酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵 * 類型類型內(nèi)容內(nèi)容項(xiàng)目項(xiàng)目光合作用光合作用有氧有氧呼吸呼吸無氧呼吸無氧呼吸條件條件光、光、色素色素、酶、酶 酶、有光無酶、有光無光均可進(jìn)行光均可進(jìn)行轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵31.06%主要中間產(chǎn)物主要中間產(chǎn)物ATP丙酮酸丙酮酸 34*40.45*

2、酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵27.03*光合作用概念 指綠色植物（主體）通過葉綠體（條件及場(chǎng)所），利用光（條件）能，把二氧化碳（原料）和水（原料）轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物（產(chǎn)物），并且釋放出氧氣（產(chǎn)物）的過程。1 . 主體 光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻類和某些細(xì)菌，在可見光的照射下，利用光合色素，將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過程。 考慮到我們這門課是植物生理學(xué)，這里我們所說的光合作用是指植物進(jìn)行的生化過程。（1）光 （2）色素 （3）酶2 . 條件條件要求之光條件要求之色素條件要求之色素l聚光色素（輔助色素）：大部分葉綠素聚光

3、色素（輔助色素）：大部分葉綠素a,全部葉綠素全部葉綠素b，胡蘿卜素，葉黃素。，胡蘿卜素，葉黃素。吸收、傳遞光能吸收、傳遞光能l反應(yīng)中心色素（作用中心色素）：只有反應(yīng)中心色素（作用中心色素）：只有少數(shù)特殊葉綠素少數(shù)特殊葉綠素a（P680，P700）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化光能化光能back呼吸作用概念細(xì)胞呼吸是指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其它產(chǎn)物，釋放出能量并生成ATP的過程。呼吸作用概念 呼吸作用是指生物體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)，呼吸作用是指生物體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)，通過氧化還原而產(chǎn)生通過氧化還原而產(chǎn)生COCO（乳酸發(fā)酵無乳酸發(fā)酵無COCO生成生成）同時(shí)釋放能量的過程。）同時(shí)釋放能量的過程。P105P1

4、05有氧呼吸有氧呼吸無氧呼吸無氧呼吸有氧呼吸是指活細(xì)胞在氧的參與下，有氧呼吸是指活細(xì)胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機(jī)物通過酶的催化作用，把糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生出二氧化碳和水，徹底氧化分解，產(chǎn)生出二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量能量的過程。同時(shí)釋放出大量能量的過程。無氧呼吸一般是指細(xì)胞在無氧條件下，無氧呼吸一般是指細(xì)胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物質(zhì)分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同物質(zhì)分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放出少量能量的過程。時(shí)釋放出少量能量的過程。6CO6CO2 2 + 12H+ 12H2 2OO* * C C6 6H

5、H1212OO6 6 + 6O + 6O2 2 * * + 6H+ 6H2 2O O光能光能葉綠體葉綠體光合作用的反應(yīng)式光合作用的反應(yīng)式呼吸作用的反應(yīng)式呼吸作用的反應(yīng)式有氧呼吸無氧呼吸轉(zhuǎn)化成乳酸的反應(yīng)式為：轉(zhuǎn)化成乳酸的反應(yīng)式為： 分解成酒精的反應(yīng)式為：分解成酒精的反應(yīng)式為： back光反應(yīng)在類囊體膜上暗反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中back第一階段細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)第二階段線粒體基質(zhì)第三階段線粒體內(nèi)膜back轉(zhuǎn)化效率之光合作用按每吸收按每吸收4mol光量子形成光量子形成1molNADPH和和4/3molATP來考慮來考慮電子傳遞過程中的能量利用率電子傳遞過程中的能量利用率=(光反應(yīng)貯存的化學(xué)能光反應(yīng)貯存的化學(xué)能/

6、吸收的光能吸收的光能) (214kJ+4/330.6KJ) (4172kJ) 網(wǎng)上的數(shù)據(jù)各有不同，我所采用的是陳瑛老師ppt上的數(shù)據(jù)。形成形成1mol ATP需要需要30.6kJ能量能量形成形成1mol NADPH自由能變化自由能變化214kJ1mol光量子的能量為光量子的能量為172kJ1.電子傳遞過程中的能量利用率（光反應(yīng)）電子傳遞過程中的能量利用率（光反應(yīng)） = 0.37=37%2.能量轉(zhuǎn)化率（暗反應(yīng)）能量轉(zhuǎn)化率（暗反應(yīng)） 卡爾文循環(huán)的總反應(yīng)6CO2+18ATP+12NADPH+12H +12H2O C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP +6H+能量轉(zhuǎn)化率能量轉(zhuǎn)化率=647

7、818*30.6+12*214100%=92%總的能量轉(zhuǎn)化率=92%37%=34%back而每還原一分子CO2，儲(chǔ)藏于糖類中的化學(xué)能為478kJ可簡(jiǎn)化為：轉(zhuǎn)化效率之呼吸作用有氧呼吸有氧呼吸 1 mol葡萄糖釋放能量葡萄糖釋放能量2 870 kJ， 其中其中1 161 kJ轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移至ATP中中轉(zhuǎn)化效率= 40.45%1 161 kJ2 870 kJback無氧呼吸無氧呼吸轉(zhuǎn)化效率之呼吸作用1 mol葡萄糖釋放能量葡萄糖釋放能量225.94 kJ，其中有，其中有61.08 kJ轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移至ATP中中分解成酒精的反應(yīng)式為：分解成酒精的反應(yīng)式為： 1 mol葡萄糖釋放能量葡萄糖釋放能量196.65

8、kJ，其中有，其中有61.08 kJ轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移至ATP中中轉(zhuǎn)化成乳酸的反應(yīng)式為：轉(zhuǎn)化成乳酸的反應(yīng)式為：轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率= 31.06%轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率= 27.03%61.08 kJ225.94 kJ61.08 kJ196.65 kJback主要中間產(chǎn)物之光合作用1 1）NADP+NADP+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）2 2）ATPbackforwardback主要中間產(chǎn)物之呼吸作用backforward有氧呼吸和無氧呼吸的過程圖解有氧呼吸和無氧呼吸的過程圖解back 講課內(nèi)容就到此結(jié)束，之后的幻燈片只是作為補(bǔ)充內(nèi)容。另一種計(jì)算光合轉(zhuǎn)化效率的方法另一種計(jì)算光合轉(zhuǎn)化效

9、率的方法 光能轉(zhuǎn)化效率是指光合產(chǎn)物中所貯存的化學(xué)能占光合作用所吸光能轉(zhuǎn)化效率是指光合產(chǎn)物中所貯存的化學(xué)能占光合作用所吸收的有效輻射能的百分率。光反應(yīng)中，植物把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)收的有效輻射能的百分率。光反應(yīng)中，植物把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能貯藏在能貯藏在ATPATP和和NADPHNADPH中。中。 每形成每形成1mol ATP1mol ATP需要約需要約50kJ50kJ能量能量，每形成，每形成1mol NADPH1mol NADPH便有便有2mol 2mol e e從從0.82V(H0.82V(H2 2O/OO/O2 2氧化還原電位氧化還原電位) )上升到上升到0.32V(NADPH0.32V(NADPH

10、電位電位) )。這一過程的自由能變化為這一過程的自由能變化為 G= G=nFnFE=E=2 296.596.5( (0.32-0.32-0.82)=0.82)=220kJ220kJ 如果按非環(huán)式電子傳遞如果按非環(huán)式電子傳遞, , 每吸收每吸收8mol8mol光量子形成光量子形成2molNADPH2molNADPH和和3molATP3molATP來考慮，在光反應(yīng)中吸收的能量按來考慮，在光反應(yīng)中吸收的能量按680nm680nm波長(zhǎng)的光計(jì)算，波長(zhǎng)的光計(jì)算，則則8mol8mol光量子的能量光量子的能量(E(E) )為：為： E E= =hNC/hNC/8 8=6.626=6.6261010s s6.0

11、236.023(3.0(3.010108 8m ms sm)m)8 =8 =1410kJ 1410kJ 8 mol8 mol光子可轉(zhuǎn)化成的化學(xué)能光子可轉(zhuǎn)化成的化學(xué)能(E(E) (2molNADPH) (2molNADPH和和3molATP) 3molATP) E E=220kJ=220kJ2+50kJ2+50kJ3=590kJ3=590kJ 能量轉(zhuǎn)化率能量轉(zhuǎn)化率= (= (光反應(yīng)貯存的化學(xué)能光反應(yīng)貯存的化學(xué)能/ /吸收的光能吸收的光能) ) =E=E1 1/E/E2 2=590kJ/1410kJ0.42=42%=590kJ/1410kJ0.42=42%線粒體線粒體2C3H4O34H釋放少量能量

12、，釋放少量能量，形成形成2ATP6O220H釋放少量能量，釋放少量能量，形成形成2ATP12H2O釋放大量能量，釋放大量能量，形成形成34ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)C6H12O6 6CO26H2O第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段 不是只有動(dòng)物才會(huì)進(jìn)行乳酸發(fā)酵，馬鈴馬鈴薯的塊莖薯的塊莖 玉米的胚玉米的胚 甜菜塊根也會(huì)進(jìn)行甜菜塊根也會(huì)進(jìn)行乳酸發(fā)酵。大多數(shù)植物進(jìn)行酒精發(fā)酵。乳酸發(fā)酵。大多數(shù)植物進(jìn)行酒精發(fā)酵。 光合作用的實(shí)質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。光合作用的實(shí)質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。 根據(jù)能量轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，將光合作用分為三個(gè)階段根據(jù)能量轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，將光合作用分為三個(gè)階段: :1.1.原初反

13、應(yīng)原初反應(yīng): :光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換成電能；光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換成電能； 2.2.電子傳遞電子傳遞和和光合磷酸化光合磷酸化: :電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S化學(xué)能電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S化學(xué)能; ;3.3.碳同化碳同化: :活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能?；钴S的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能。1.PS復(fù)合體復(fù)合體 PS的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的氧化劑，的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。 (1)PS復(fù)合體的組成與反應(yīng)中心中的電子傳遞復(fù)合體的組成與反應(yīng)中心中的電子傳遞 PS是含有多亞基的蛋白復(fù)合體

14、。組成：聚光色素復(fù)合體是含有多亞基的蛋白復(fù)合體。組成：聚光色素復(fù)合體、中、中心天線、反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體、細(xì)胞色素和多種輔助因子。心天線、反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體、細(xì)胞色素和多種輔助因子。 組成中心天線的組成中心天線的CP47和和CP43是指分子量分別為是指分子量分別為47 000、43 000并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復(fù)合體，它們圍繞并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復(fù)合體，它們圍繞P680，比，比LHC更快地把吸收的光能傳至更快地把吸收的光能傳至PS反應(yīng)中心，所以被稱為中心天反應(yīng)中心，所以被稱為中心天線或線或“近側(cè)天線近側(cè)天線”。PS反應(yīng)中心的核心部分是分子量分別為反應(yīng)中心的核心部分是分子量分別為

15、32 000和和34 000的的D1和和D2兩條多肽。兩條多肽。D1很容易受到光化學(xué)破壞，會(huì)發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。很容易受到光化學(xué)破壞，會(huì)發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。 反應(yīng)中心的次級(jí)電子供體反應(yīng)中心的次級(jí)電子供體Z、中心色素、中心色素P680、原初電子受體、原初電子受體Pheo、次級(jí)電子受體次級(jí)電子受體QA、QB等都結(jié)合在等都結(jié)合在D1和和D2上。上。其中與其中與D1結(jié)合的質(zhì)體醌定名為結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QB，與，與D2結(jié)合的質(zhì)體醌定名為結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QA。Q有雙重涵義，既是醌有雙重涵義，既是醌(quinone)的字首，又是熒光猝滅劑的字首，又是熒光猝滅劑(quencher)的字首。的字首。 質(zhì)醌質(zhì)醌(PQ)(P

16、Q)也叫質(zhì)體醌，是也叫質(zhì)體醌，是PSPS反應(yīng)中心的末端電子受反應(yīng)中心的末端電子受體，也是介于體，也是介于PSPS復(fù)合體與復(fù)合體與Cyt bCyt b/f/f復(fù)合體間的電子傳遞復(fù)合體間的電子傳遞體。體。 “PQ “PQ庫(kù)庫(kù)” ” ； 葉綠素的葉綠素的5%5%10%10%。 質(zhì)體醌為脂溶性分子，質(zhì)體醌為脂溶性分子，質(zhì)體醌有一個(gè)醌的頭和一個(gè)長(zhǎng)質(zhì)體醌有一個(gè)醌的頭和一個(gè)長(zhǎng)的非極性的尾，尾部使質(zhì)體醌定位于膜中的非極性的尾，尾部使質(zhì)體醌定位于膜中，能在類囊體膜能在類囊體膜中自由移動(dòng)，轉(zhuǎn)運(yùn)電子與質(zhì)子。中自由移動(dòng)，轉(zhuǎn)運(yùn)電子與質(zhì)子。 質(zhì)藍(lán)素質(zhì)藍(lán)素(PC)(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時(shí)呈藍(lán)色。它