物理知识之植物光合作用

光合作用是将来自太阳的能量转化为化学能的绿色植物(糖)。 下面是本站小编整理的关于植物光合作用的内容，欢迎阅读借鉴。

光合作用的基本原理

光合作用可分为光反应和碳反应(旧称暗反应)两个阶段

2.1 光反应

条件：光照、光合色素、光反应酶。

场所：叶绿体的类囊体薄膜。(色素)

过程：①水的光解：2H₂O→4[H]+O₂(在光和叶绿体中的色素的催化下)。②ATP的合成：ADP+Pi→ATP(在光、酶和叶绿体中的色素的催化下)。

影响因素：光照强度、CO₂浓度、水分供给、温度、酸碱度等。

意义：①光解水，产生氧气。②将光能转变成化学能，产生ATP，为碳反应提供能量。③利用水光解的产物氢离子，合成NADPH，为碳反应提供还原剂NADPH，NADPH同样可以为碳反应提供能量。

详细过程如下:

系统由多种色素组成，如叶绿素a(Chlorophyll a)、叶绿素b(Chlorophyll b)、类胡萝卜素(carotenoids)等组成。既拓宽了光合作用的作用光谱，其他的色素也能吸收过度的强光而产生所谓的光保护作用(Photoprotection)。在此系统里，当光子打到系统里的色素分子时，会如图片所示一般，电子会在分子之间移转，直到反应中心为止。反应中心有两种，光系统一吸收光谱于700nm达到高峰，系统二则是680nm为高峰。反应中心是由叶绿素a及特定蛋白质所组成(这边的叶绿素a是因为位置而非结构特殊)，蛋白质的种类决定了反应中心吸收之波长。反应中心吸收了特定波长的光线后，叶绿素a激发出了一个电子，而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子，多余的电子去补叶绿素a分子上的缺。然后叶绿素a透过如图所示的过程，生产ATP与NADPH(还原型辅酶)分子，过程称之为电子传递链(Electron Transport Chain)。

2.2 碳反应

碳反应的实质是一系列的酶促反应。原称暗反应，后随着研究的深入，科学家发现这一概念并不准确。因为所谓的暗反应在暗中只能进行极短的时间，而在有光的条件下能连续不断进行，并受到光的调节。所以在20世纪90年代的一次光合作用会议上，从事植物生理学研究的科学家一致同意，将暗反应改称为碳反应。

条件：碳反应酶。

场所：叶绿体基质。

影响因素：温度、CO₂浓度、酸碱度等。

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。对于最常见的C3的反应类型，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NADPH在ATP供能的条件下反应，生成糖类(CH₂O)并还原出C5。被还原出的C5继续参与暗反应。

光合作用的实质是把CO₂和H₂O转变为有机物(物质变化)和把光能转变成ATP中活跃的化学能再转变成有机物中的稳定的化学能(能量变化)。

CO₂+H₂O( 光照、酶、 叶绿体)==(CH₂O)+O₂

延伸阅读

光化学反应

(一)反应中心与光化学反应

1.反应中心 原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心(reaction center)进行的。反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。反应中心中的原初电子受体(primary electron acceptor)是指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体，而反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的，因此反应中心色素分子又称原初电子供体(primary electron donor)。

2.光化学反应 原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程：

P·A→ P*·A → P+·A-

原初电子供体，即反应中心色素(P)吸收光能后成为激发态(P*)，其中被激发的电子移交给原初电子受体(A)，使其被还原带负电荷(A-)，而原初电子供体则被氧化带正电荷(P+)。这样，反应中心出现了电荷分离，到这里原初反应也就完成了。原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”(trap)，便可从次级电子供体那里争夺电子;而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给P+的`还原剂叫做次级电子供体(secondary electron donor,D)，从A-接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(secondary electron acceptor，A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：

D·〔P+·A-〕·A1 →D+·〔P·A〕·A1-

这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。

图4-9 PSⅠ(上)PSⅡ(下)反应中心结构模式

(二)PSⅠ和PSⅡ的光化学反应

高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PSⅠ和PSⅡ反应中心中的原初电子供体很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的二聚体，分别用P700、P680来表示。这里P代表色素(pigment)，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近700nm或680nm处(图4-9)，也即用氧化态吸收光谱与还原态吸收光谱间的差值最大处的波长来作为反应中心色素的标志。

PSⅠ的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PSⅡ的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子(表4-2)。

PSⅠ的原初反应为： P700·A0 →P700·A0 →P700+·A0- (4-17)

PSⅡ的原初反应为： P680·Pheo→P680·Pheo→P680+·Pheo- (4-18)

在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光→电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。