5.4 光合作用和能量转化

拓展

  1. 光系统 电子传递链

    光系统是光反应的场所,分为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,是利用光能推动的一系列电子传递反应.

    结果：

    1. 水的光解,NADP+ 的还原;
    2. 建立跨膜氢离子浓度梯度,启动光合磷酸化产生ATP.

  2. 光合作用途径

    1. C3途径

      (卡尔文循环) RuBP(C5)与二氧化碳羧化产生C3(3-磷酸甘油酸)到RuBP再生的过程(在叶绿体基质,产生蔗糖/淀粉等有机物).

      代表植物:小麦/大麦/大豆/菜豆/水稻/马铃薯等.

    2. C4途径

      二氧化碳在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上,形成草酰乙酸(OAA).草酰乙酸被转变成其他的四碳酸(苹果酸和天冬氨酸)(C4)后运输到维管束鞘细胞后释放二氧化碳参加卡尔文循环产生有机物的过程.

      PEP羧化酶:"CO2泵",提高C4植物固定二氧化碳的能力.

      C4植物比C3植物的优点:在高温/强光/干旱条件下光合作用强,且无"光和午休".

      代表植物:玉米/甘蔗/高粱/苋菜等.

    3. 景天酸(CAM)途径

      夜间,叶肉细胞吸进二氧化碳,与淀粉经糖酵解过程产生的PEP在PEP羧化酶作用下生成OAA.OAA被还原成苹果酸(也有天门冬氨酸)储存在液泡中.表现为细胞液pH降低.

      白天,气孔关闭,苹果酸进入维管束鞘细胞细胞质,经脱羧产生二氧化碳和丙酮酸.其中二氧化碳直接参与卡尔文循环,丙酮酸经有氧呼吸产生的二氧化碳也可以参加卡尔文循环.表现为细胞液pH升高.

      代表植物:菠萝/芦荟/兰花/百合/仙人掌等.

  3. 光呼吸

    1. 卡尔文循环固定二氧化碳的酶:RuBP羧化(加氧)酶(Rubisco).

      这种酶具有两面性(双功能).二氧化碳能与其活性中心结合,促进与镁离子结合使之活化.

      • 高二氧化碳,低氧环境:发生羧化反应,一分子C5与一分子二氧化碳生成两分子C3;
      • 高氧气,低二氧化碳环境:发生加氧反应,一分子C5与一分子氧气生成一分子C3和一分子C2.两分子C2与一分子氧气在ATP/NADPH/酶催化下反应生成一分子C3和一分子二氧化碳.

    2. 危害: 在较强光下,C5氧化分解速率加快,二氧化碳散失多,减少光合作用产物积累,且消耗ATP/NADPH中的能量.

    3. 意义: 在强光下,ATP/NADPH积累会产生自由基(尤其是超氧阴离子),可能损伤叶绿体.光呼吸消耗ATP/NADPH可以减少叶绿体损伤.