活分子催化剂叶绿素怎样利用太阳能打开CO2和O2的化学键?越充分越好

活分子催化剂叶绿素怎样利用太阳能打开CO2和O2的化学键?越充分越好
活分子催化剂叶绿素怎样利用太阳能打开CO2和O2的化学键?
越充分越好

活分子催化剂叶绿素怎样利用太阳能打开CO2和O2的化学键?越充分越好
叶绿素a,b的吸收峰过程：叶绿体膜上的两套光合作用系统：光合作用系统一和光合作用系统二,（光合作用系统一比光合作用系统二要原始,但电子传递先在光合系统二开始）在光照的情况下,分别吸收680nm和700nm波长的光子,作为能量,将从水分子光解光程中得到电子不断传递,（能传递电子得仅有少数特殊状态下的叶绿素a)
最后传递给辅酶NADP.而水光解所得的氢离子则因为顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体内向外移动到基质,势能降低,其间的势能用于合成ATP,以供暗反应所用.而此时势能已降低的氢离子则被氢载体NADP带走.一分子NADP可携带两个氢离子.这个NADPH+H离子则在暗反应里面充当还原剂的作用.
植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内,通过自由扩散进入叶绿体.叶绿体中含有C5.起到将CO2固定成为C3的作用.C3再与【H】及ATP提供的能量反应,生成糖类（CH2O）并还原出C5.被还原出的C5继续参与暗反应.
（一）光合色素和电子传递链组分
1．光合色素
类囊体中含两类色素：叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素,通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1,chla与chlb也约为3:l, 在许多藻类中除叶绿素a,b外,还有叶绿素c,d和藻胆素,如藻红素和藻蓝素；在光合细菌中是细菌叶绿素等.
叶绿素a,b和细菌叶绿素都由一个与镁络合的卟啉环和一个长链醇组成,它们之间仅有很小的差别.类胡萝卜素是由异戊烯单元组成的四萜,藻胆素是一类色素蛋白,其生色团是由吡咯环组成的链,不含金属,而类色素都具有较多的共轭双键.全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中,与蛋白质以非共价键结合,一条肽链上可以结合若干色素分子,各色素分子间的距离和取向固定,有利于能量传递.几类色素的吸收光谱不同,特别是藻红素和藻蓝素的吸收光谱与叶绿素的相差很大,这对于在海洋里生活的藻类适应不同的光质条件,有生态意义.
2．集光复合体（light harvesting complex）
由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成.大部分色素分子起捕获光能的作用,并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素.因此这些色素被称为天线色素.叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素.另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用,叫做辅助色素.
3．光系统Ⅱ（PSⅡ）
吸收高峰为波长680nm处,又称P680.至少包括12条多肽链.位于基粒于基质非接触区域的类囊体膜上.包括一个集光复合体（light-hawesting comnplex Ⅱ,LHC Ⅱ）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygen evolving complex）.D1和D2为两条核心肽链,结合中心色素P680、去镁叶绿素(pheophytin)及质体醌(plastoquinone).
4．细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex)
可能以二聚体形成存在,每个单体含有四个不同的亚基.细胞色素b6（b563）、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基Ⅳ（被认为是质体醌的结合蛋白）.
5．光系统Ⅰ（PSI）
能被波长700nm的光激发,又称P700.包含多条肽链,位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中.由集光复合体Ⅰ和作用中心构成.结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外外,其它叶绿素都是天线色素.三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S.
（二）光反应与电子传递
P680接受能量后,由基态变为激发态（P680*）,然后将电子传递给去镁叶绿素（原初电子受体）,P680*带正电荷,从原初电子供体Z（反应中心D1蛋白上的一个酪氨酸侧链）得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子,使水光解.
2H 2O→O2 + 4H+ + 4e-
在另一个方向上去镁叶绿素将电子传给D2上结合的QA,QA又迅速将电子传给D1上的QB,还原型的质体醌从光系统Ⅱ复合体上游离下来,另一个氧化态的质体醌占据其位置形成新的QB.质体醌将电子传给细胞色素b6/f复合体,同时将质子由基质转移到类囊体腔.电子接着传递给位于类囊体腔一侧的含铜蛋白质体蓝素(plastocyanin, PC)中的Cu2+,再将电子传递到光系统Ⅱ.
P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0→ A1 →4Fe-4S的方向依次传递,由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（ferredoxin,FD）.最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下,将电子传给NADP+,形成NADPH.失去电子的P700从PC处获取电子而还原
以上电子呈Z形传递的过程称为非循环式光合磷酸化,当植物在缺乏NADP+时,电子在光系统内Ⅰ流动,只合成ATP,不产生NADPH,称为循环式光合磷酸化.
（三）光合磷酸化
一对电子从P680经P700传至NADP+,在类囊体腔中增加4个H+,2个来源于H2O光解,2个由PQ从基质转移而来,在基质外一个H+又被用于还原NADP+,所以类囊体腔内有较高的H+（pH≈5,基质pH≈8）,形成质子动力势,H+ 经ATP合酶,渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP.
ATP合酶,即CF1-F0偶联因子,结构类似于线粒体ATP合酶.CF1同样由5种亚基组成α3β3γδε的结构.CF0嵌在膜中,由4种亚基构成,是质子通过类囊体膜的通道.
（四）暗反应
C3途径(C3 pathway)：亦称卡尔文 (Calvin)循环.CO2受体为RuBP,最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA).
C4途径(C4 pathway) ：亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径,CO2受体为PEP,最初产物为草酰乙酸(OAA).
景天科酸代谢途径（Crassulacean acid metabolism pathway,CAM途径）：夜间固定CO2产生有机酸,白天有机酸脱羧释放CO2,进行CO2固定.
[编辑本段]
【发现进程】
古希腊哲学家亚里士多德认为,植物生长所需的物质全来源于土中.
1627年,荷兰人范·埃尔蒙做了盆栽柳树称重实验,得出植物的重量主要不是来自土壤而是来自水的推论.他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成.
1771年,英国的普里斯特利发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气.他做了一个有名的实验,他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里,蜡烛不久就熄灭了,小白鼠很快也死了.接着,他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里,他发现植物能够长时间地活着,蜡烛也没有熄灭.他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里.他发现植物和小白鼠都能够正常地活着,于是,他得出了结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气.
1779年,荷兰的英恩豪斯证明只有植物的绿色部分在光下才能起使空气变“好”的作用.
1804年,法国的索叙尔通过定量研究进一步证实二氧化碳和水是植物生长的原料.
1845年,德国的迈尔发现植物把太阳能转化成了化学能.
1864年,德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉.他做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时,目的是让叶片中的营养物质消耗掉,然后把这个叶片一半曝光,一半遮光.过一段时间后,用典蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化,曝光的那一半叶片则呈深蓝色.这一实验成功的证明绿色叶片在光和作用中产生淀粉.
1880年,美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所,氧是由叶绿体释放出来的.他把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里,然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现,好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中：如果上述临时装片完全暴露在光下,好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围.
1897年,首次在教科书中称它为光合作用.
20世纪30年代,美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水,还是来自二氧化碳”这个问题,得到了氧气全部来自于水的结论.
20世纪40年代,美国的卡尔文等科学家用小球藻做实验：用C14标记的二氧化碳（其中碳为C14）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成有机物中碳的途径,这一途径被成为卡尔文循环

光反应
条件：光，色素，光反应酶
场所：囊状结构薄膜上
影响因素：光强度，水分供给
植物光合作用的两个吸收峰
叶绿素a,b的吸收峰过程：叶绿体膜上的两套光合作用系统：光合作用系统一和光合作用系统二，（光合作用系统一比光合作用系统二要原始，但电子传递先在光合系统二开始）在光照的情况下，分别吸收680nm和700nm波长的光子，作为能量，...

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光反应
条件：光，色素，光反应酶
场所：囊状结构薄膜上
影响因素：光强度，水分供给
植物光合作用的两个吸收峰
叶绿素a,b的吸收峰过程：叶绿体膜上的两套光合作用系统：光合作用系统一和光合作用系统二，（光合作用系统一比光合作用系统二要原始，但电子传递先在光合系统二开始）在光照的情况下，分别吸收680nm和700nm波长的光子，作为能量，将从水分子光解光程中得到电子不断传递，（能传递电子得仅有少数特殊状态下的叶绿素a)
最后传递给辅酶NADP。而水光解所得的氢离子则因为顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体内向外移动到基质，势能降低，其间的势能用于合成ATP，以供暗反应所用。而此时势能已降低的氢离子则被氢载体NADP带走。一分子NADP可携带两个氢离子。这个NADPH+H离子则在暗反应里面充当还原剂的作用。
意义：1：光解水（又称水的光解），产生氧气。2：将光能转变成化学能，产生ATP，为暗反应提供能量。3：利用水光解的产物氢离子，合成NADPH+H离子，为暗反应提供还原剂【H】（还原氢）。
（5）暗反应(碳反应）
实质是一系列的酶促反应
条件：无光也可，暗反应酶（但因为只有发生了光反应才能持续发生，所以不再称为暗反应）
场所：叶绿体基质
影响因素：温度，二氧化碳浓度
过程：不同的植物，暗反应的过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境的适应的结果。暗反应可分为C3,C4和CAM三种类型。三种类型是因二氧化碳的固定这一过程的不同而划分的。
C3反应类型：植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内，通过自由扩散进入叶绿体。叶绿体中含有C5。起到将CO2固定成为C3的作用。C3再与【H】及ATP提供的能量反应，生成糖类（CH2O）并还原出C5。被还原出的C5继续参与暗反应。
（6 ）光暗反映的有关化学方程式
H20→H+ O2（水的光解）
NADP+ + 2e- + H+ → NADPH（递氢）
ADP+Pi→ATP （递能）
CO2+C5化合物→C3化合物（二氧化碳的固定）
C3化合物→（CH2O）+ C5化合物（有机物的生成或称为C3的还原）
ATP→ADP+PI（耗能）
能量转化过程：光能→不稳定的化学能（能量储存在ATP的高能磷酸键）→稳定的化学能（糖类即淀粉的合成）

收起