植物學光合作用與呼吸作用的比較-結合中學教材齊迪珍

1、光合作用與呼吸作用的比較 -結合中學教材 類型類型內容內容項目項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有機物和氧氣有機物和氧氣有機物有機物產產 物物 有機物和氧氣有機物和氧氣二氧化碳和水二氧化碳和水場所場所活細胞活細胞(主要在主要在線粒體中線粒體中)細胞質基質細胞質基質 葉綠體葉綠體*酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵 * 類型類型內容內容項目項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、有光無光均可進行光均可進行轉換效率轉換效率乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵31.06%主要中間產物主要中間產物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（條件及場所），利用光（條件）能，把二氧化碳（原料）和水（原料）轉化成儲存著能量的有機物（產物），并且釋放出氧氣（產物）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）和水轉化為有機物，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，這里我們所說的光合作用是指植物進行的生化過程。（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反應中心色素（作用中心色素）：只有反應中心色素（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）轉轉化光能化光能back呼吸作用概念細胞呼吸是指有機物在細胞內經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其它產物，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的有機物質，呼吸作用是指生物體內的有機物質，通過氧化還原而產生通過氧化還原而產生COCO（乳酸發(fā)酵無乳酸發(fā)酵無COCO生成生成）同時釋放能量的過程。）同時釋放能量的過程。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胞在氧的參與下，有氧呼吸是指活細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程。同時釋放出大量能量的過程。無氧呼吸一般是指細胞在無氧條件下，無氧呼吸一般是指細胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機物質分解成為不徹底的氧化產物，同物質分解成為不徹底的氧化產物，同時釋放出少量能量的過程。時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式光合作用的反應式呼吸作用的反應式呼吸作用的反應式有氧呼吸無氧呼吸轉化成乳酸的反應式為：轉化成乳酸的反應式為： 分解成酒精的反應式為：分解成酒精的反應式為： back光反應在類囊體膜上暗反應在葉綠體基質中back第一階段細胞質基質第二階段線粒體基質第三階段線粒體內膜back轉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=(光反應貯存的化學能光反應貯存的化學能/

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）電子傳遞過程中的能量利用率（光反應） = 0.37=37%2.能量轉化率（暗反應）能量轉化率（暗反應） 卡爾文循環(huán)的總反應6CO2+18ATP+12NADPH+12H +12H2O C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP +6H+能量轉化率能量轉化率=647

7、818*30.6+12*214100%=92%總的能量轉化率=92%37%=34%back而每還原一分子CO2，儲藏于糖類中的化學能為478kJ可簡化為：轉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轉移至轉移至ATP中中轉化效率= 40.45%1 161 kJ2 870 kJback無氧呼吸無氧呼吸轉化效率之呼吸作用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轉移至轉移至ATP中中分解成酒精的反應式為：分解成酒精的反應式為： 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轉移至轉移至ATP中中轉化成乳酸的反應式為：轉化成乳酸的反應式為：轉化效率轉化效率= 31.06%轉化效率轉化效率= 27.03%61.08 kJ225.94 kJ61.08 kJ196.65 kJback主要中間產物之光合作用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 講課內容就到此結束，之后的幻燈片只是作為補充內容。另一種計算光合轉化效率的方法另一種計算光合轉化效

9、率的方法 光能轉化效率是指光合產物中所貯存的化學能占光合作用所吸光能轉化效率是指光合產物中所貯存的化學能占光合作用所吸收的有效輻射能的百分率。光反應中，植物把光能轉變成化學收的有效輻射能的百分率。光反應中，植物把光能轉變成化學能貯藏在能貯藏在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，在光反應中吸收的能量按來考慮，在光反應中吸收的能量按680nm680nm波長的光計算，波長的光計算，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光子可轉化成的化學能光子可轉化成的化學能(E(E) (2molNADPH) (2molNADPH和和3molATP) 3molATP) E E=220kJ=220kJ2+50kJ2+50kJ3=590kJ3=590kJ 能量轉化率能量轉化率= (= (光反應貯存的化學能光反應貯存的化學能/ /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細胞質基質細胞質基質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 不是只有動物才會進行乳酸發(fā)酵，馬鈴馬鈴薯的塊莖薯的塊莖 玉米的胚玉米的胚 甜菜塊根也會進行甜菜塊根也會進行乳酸發(fā)酵。大多數(shù)植物進行酒精發(fā)酵。乳酸發(fā)酵。大多數(shù)植物進行酒精發(fā)酵。 光合作用的實質是將光能轉變成化學能。光合作用的實質是將光能轉變成化學能。 根據(jù)能量轉變的性質，將光合作用分為三個階段根據(jù)能量轉變的性質，將光合作用分為三個階段: :1.1.原初反

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

14、。組成：聚光色素復合體是含有多亞基的蛋白復合體。組成：聚光色素復合體、中、中心天線、反應中心、放氧復合體、細胞色素和多種輔助因子。心天線、反應中心、放氧復合體、細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并與葉綠素結合的聚光色素蛋白復合體，它們圍繞并與葉綠素結合的聚光色素蛋白復合體，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反應中心，所以被稱為中心天反應中心，所以被稱為中心天線或線或“近側天線近側天線”。PS反應中心的核心部分是分子量分別為反應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很容易受到光化學破壞，會發(fā)生活性逆轉。很容易受到光化學破壞，會發(fā)生活性逆轉。 反應中心的次級電子供體反應中心的次級電子供體Z、中心色素、中心色素P680、原初電子受體、原初電子受體Pheo、次級電子受體次級電子受體QA、QB等都結合在等都結合在D1和和D2上。上。其中與其中與D1結合的質體醌定名為結合的質體醌定名為QB，與，與D2結合的質體醌定名為結合的質體醌定名為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。 質醌質醌(PQ)(P

16、Q)也叫質體醌，是也叫質體醌，是PSPS反應中心的末端電子受反應中心的末端電子受體，也是介于體，也是介于PSPS復合體與復合體與Cyt bCyt b/f/f復合體間的電子傳遞復合體間的電子傳遞體。體。 “PQ “PQ庫庫” ” ； 葉綠素的葉綠素的5%5%10%10%。 質體醌為脂溶性分子，質體醌為脂溶性分子，質體醌有一個醌的頭和一個長質體醌有一個醌的頭和一個長的非極性的尾，尾部使質體醌定位于膜中的非極性的尾，尾部使質體醌定位于膜中，能在類囊體膜能在類囊體膜中自由移動，轉運電子與質子。中自由移動，轉運電子與質子。 質藍素質藍素(PC)(PC)是位于類囊體膜內側表面的含銅的是位于類囊體膜內側表面的含銅的蛋白質，氧化時呈藍色。它