当前位置:文档之家› 第八章叶绿体和光合作用

第八章叶绿体和光合作用

第八章叶绿体和光合作用
第八章叶绿体和光合作用

第八章叶绿体和光合作用

1. 叶绿体是怎样形成的? 与其他质体的主要差异是什么?

答: 叶绿体是前质体在光照条件下诱导发育而来。在光的诱导下, 激发了叶绿体蛋白的合成,并跨过前质体的内膜运输到前质体内。同时内膜向内出芽形成膜泡,这些膜泡能够自我成堆排列,通过摄取必要的蛋白和叶绿素, 最后形成成熟的类囊体。详细过程包括;(a)光触发叶绿素、磷脂、叶绿体基质蛋白和类囊体蛋白的合成, 然后从叶绿体内膜出芽形成小泡;(b)前质体变大,某些球形的小泡融合,最后形成连成一体的扁平的类囊体小泡,某些类囊体小泡堆积起来并在光诱导下大量合成LHC蛋白;(d)叶绿体进一步变大,当更多的类囊体小泡形成基粒时,叶绿体成熟。叶绿体是惟一含有类囊体膜结构的质体,能够进行光合作用, 这是叶绿体与其他质体的根本区别。

2. 什么是交换载体? 运输时有什么特点?

答: 存在于叶绿体内膜中一类转运蛋白, 参与叶绿体的物质运输。此类蛋白运输的主要特点是通过交换进行的, 并且不消耗能量, 而是靠浓度梯度进行的。交换是一对一的交换, 如磷酸交换载体、二羧酸转运载体(dicarboxylate exchange carrier)等。

3. 叶绿体基质与线粒体基质有什么不同?

答: 主要表现在组成和功能上不同:

在电子显微镜下观察可见到叶绿体基质中有一些细微颗粒, 其中最多的是淀粉颗粒。这种颗粒是用于储存光合作用所产生的碳水化合物;另外还有一些含脂的沉积物称为质体小球(plastoglobuli),这种小球的产生同类囊体的破裂有关,当新类囊体形成时,老的类囊体破裂,可减少类囊体的数量和体积,由此可以推测质体小球可作为类囊体脂的储备库。基质中含有大量的可溶性蛋白, 其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白总量的60%。此外, 叶绿体基质中还含有CO2固定反应的所有酶类。叶绿体基质中还有核糖体、DNA和RNA等。叶绿体的DNA大约编码100种多肽,涉及叶绿体DNA的复制、转录、遗传信息的翻译。基质是光合作用固定CO2的场所。

线粒体基质中主要参是参与TCA循环的酶类,功能是进行TCA循环。

4. 举例说明叶绿体基质蛋白定位的机理与特点。

答: 核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是叶绿体基质中进行CO2固定的重要酶类,相对分子质量为550 kDa,总共有16个亚基,其中8个大亚基(每个相对分子质量为55kDa)含有催化位点,8个小亚基(每个相对分子质量12 kDa)是全酶活性所必需的。Rubisco的大亚基由叶绿体基因编码,而小亚基则由核基因编码,在细胞质的游离核糖体上合成后被运送到叶绿体基质中。

通过离体实验表明,小亚基前体蛋白的N-端有一段引导肽序列,长为44个氨基酸残基,运输过程也需要分子伴侣Hsc70的参与,运输到叶绿体基质后,引导肽要被切除,最后8个小亚基与叶绿体基因编码的8个大亚基结合形成全酶。

在Rubisco小亚基蛋白运输中, 与通道形成和打开有关的受体蛋白有三种:Toc86主要是识别信号序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是调节蛋白, 与GTP结合后可改变Toc75的构型使通道打开。

与线粒体基质蛋白转运不同的是, 叶绿体基质蛋白转运的能量仅仅是ATP, 不需要电化学梯度的驱动。

5. 为什么说在进行光合作用时, 叶绿素分子必须组成功能单位?

答: 因为在实验中发现每固定一个CO2分子(或者说每释放一分子O2)需要2500个叶绿素分子,也就是说2500个分子的叶绿素吸收的光能才能用于一分子CO2的固定,后来发现每固定一分子CO2,需要消耗8个光子,由此推算固定一个光子大约需要300个分子的叶绿素(2500÷8≈300),

由此看来,叶绿素分子单枪匹马是不行的,必须由几百个叶绿素分子组成的功能单位才能进行光子的固定和进行光能的吸收。

6. 光系统是怎样将光能转变成化学能?

答: 光能转变成化学能包括光的吸收、光能的传递和转变等三个主要过程。

首先由光系统中的捕光复合物通过聚光色素吸收光子,使叶绿素分子由基态变为激发态,并通过共振机制极其迅速地相互传递,最后传给反应中心的一对特殊的叶绿素分子a, 这一对叶绿素分子与作为电子供体和受体的蛋白质紧紧地结合在一起。叶绿素a被激发成激发态, 同时放出电子给原初电子受体(primary electron receptor), 此时叶绿素a被氧化成带正电荷的氧化态, 而受体被还原成带负电荷的还原型受体。氧化态的叶绿素a又可从原初电子供体处获得电子而恢复为原来的还原状态, 原初电子供体则被氧化成氧化态, 这样不断地氧化还原, 就不断地把电子传递给原初电子受体, 原初电子受体将高能电子释放进入电子传递链,完成了光能转化为化能的过程。

7. 光合作用的电子传递链与氧化磷酸化作用的电子传递链有什么异同?

答: 光合作用电子传递链(photosynthetic electron transfer chain)也是由一系列的电子载体构成的,同线粒体呼吸链中电子载体的作用基本相似。但二者不同的是,线粒体呼吸链中的载体位于内膜,将NADH和FADH2的电子传递给氧,释放出的能量用于A TP的合成;而光合作用的电子载体位于类囊体膜上,将来自于水的电子传递给NADP+,并且这是一个吸热的过程而不是放热的过程。

象线粒体的呼吸链一样,光合作用的电子传递链中的电子载体也是细胞色素、铁氧还蛋白、黄素蛋白和醌等构成。

8. PSⅡ是怎样进行光能吸收、转换和电子传递的?

答: 光系统Ⅱ含有两个捕光复合物和一个光反应中心。首先LHCⅡ中的天线色素吸收光,然后将光能从LHC传递给反应中心叶绿素P680,P680 是一个二聚体。P680吸收了光能激发了一个电子,并传递给PSⅡ的原初电子受体脱镁叶绿素(Pheo),然后将电子传递给质体醌PQA.再传递给PQB,形成负电的游离PQB?- 。当以同样的方式吸收第二个光子并传递第二个电子到达PQB?-后,将PQB?- 转变成PQB2-,从叶绿体基质中摄取两个氢质子后,产生了PQH2,并被释放到膜的脂双层中,留下的空缺被新的PQB取代。在电子被传递时,来自水的电子经Tyrz传递到反应中心色素(步骤B和A)。

总的看来,PSⅡ催化电子从水传递给质体醌,并且建立了氢质子梯度,这是因为水氧化释放的氢质子进入类囊体腔,使类囊体腔中氢质子浓度升高,同时又从基质中摄取H+将PQB2-还原,降低了叶绿体基质中氢质子的浓度,从而建立了类囊体膜两侧的H+质子梯度。

9. 水光解中释放的四个电子是如何被传递的?

答: 是由含锰的蛋白复合物介导的。该复合物中四个锰离子与PSⅡ的D1蛋白紧密地靠在一起,每个锰离子可以传递一个电子。四个锰离子可以连续四次,每次传递一个,共传递四个电子给邻近的P680+,使Mn带上正电荷。Mn传递的电子经过带正电荷的酪氨酸(Tyr+z)才能传给P680+, Tyrz也可写成TyrZ,它是反应中心的一种含酪氨酸残基的蛋白。Mn集团每传递一个电子给P680+,使其成为还原型的

P680后,PSⅡ又可吸收一个光子, P680 又被氧化成P680+,以此反复,直到四个Mn 都释放了电子成为氧化型之后, PSⅡ的氧释放复合物(oxygen-release complex) 才能从2分子水中移去四个电子,形成一分子氧,,并使Mn回复到原始状态(S0 state)。从水光解释放的电子传递给PSⅡ的P680,再从P680传递给QB的路线综合如下: H2O→Mn→P680→脱镁叶绿素(Pheo)→QA→QB。

10. PSⅠ是怎样进行电子传递的?

答: PSⅠ的LCHⅠ吸收一个光子,然后将吸收的光能传递给反应中心的一对特别的叶绿素P700,使其中一个成为激发态从而释放一个电子,释放的电子经一系列与蛋白结合的电子载体:A0、A1、FeSx、FeSA、FeSB传递给铁氧还蛋白。其中A0是一种叶绿素a, A1是一种醌,称为叶绿醌(或维生素K1)。而FeSx、FeSA、FeSB都是铁-硫中心,可分别简称写成FX、FA、FBā。在PSⅠ的电子传递中,P700释放的电子被传递给铁氧还蛋白,同时从质体蓝素中接收一个低能电子得以补充。PSⅠ参与的电子传递路线是:

质体蓝素(Cu2+)→P700→:A0→A1→FeSx→FeSA→FeSB →铁氧还蛋白

11. 什么是非循环式电子传递?可分为几个阶段?

答: 在这种方式中,电子从水开始,经PSⅡ、质体Q、PC、复合物b6/f、PSⅠ、Fd,最后传递给NADP+, 这种方式又称为线性电子流, 或Z型路线。

可以将线性电子流分为四个阶段:①电子从PSⅡ的P680传递给PQ,生成PQH2;

②水光解释放的电子经Mn传递给PSⅡ的P680+;③电子从PQH2经复合物b6/f 传递给质体蓝素(PC),即电子从PSⅡ传递给PSⅠ;④电子经P700+传递给铁氧还蛋白(Fd),最后在铁氧还蛋白-NADP+还原酶的作用下,电子被NADP+接收。

12. 什么是循环式电子传递? 对光合作用有什么意义?

答: 在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PSⅠ传递给Fd之后,不是进一步传递给NADP+,而是重新传递给细胞色素b6/f复合物,再经PC又回到PSⅠ,形成了闭路循环。

造成循环式电子流的主要原因是NADP+的浓度不足,或者说NADPH的浓度过高,所以Fd只能将电子传回给Cyt b6/f。这种电子流对光合作用具有重要的调节作用,主要是调节光反应中合成的A TP与还原的NADPH的比值,因为在暗反应中,固定CO2时既需要A TP也需要NADPH,二者间应有一个合适的比例,保持平衡。

13.在光合作用的光反应中, 类囊体膜两侧的H+质子梯度是如何建立的?

答: 在叶绿体进行的光反应中,类囊体的膜在进行电子传递的同时,会在类囊体膜两侧建立H+质子梯度。类囊体膜两侧H+质子梯度的建立,主要有三种因素:①首先是水的光解,在释放4个电子、一分子O2的同时,释放4个H+。水的裂解是在类囊体的腔中进行的,所以水的裂解导致类囊体腔中H+浓度的增加;②Cyt b6/f 复合物具有质子泵的作用,当P680将电子传递给PQ时,从基质中摄取了两个H+,形成PQH2,传递四个电子,则要从基质中摄取四个H+。当PQH2将电子传递给Cyt b6/f复合物时,两分子PQH2的四个H+全被泵入类囊体的腔,叶绿体腔中H+浓度降低的同时,类囊体腔中H+浓度进一步提高;③当电子最后传递给NADP+时,需从基质中摄取两个H+质子将NADP+还原成NADPH,这样又降低了基质中的H+质子的浓度.其结果使类囊体膜两侧建立了H+质子电化学梯度。

14. 什么是循环式光合磷酸化?产物是什么?对光合作用有什么意义?

答: 将光合作用的循环式电子传递中建立的质子梯度与ADP的磷酸化相偶联,合成ATP的过程称为循环式光合磷酸化。

循环式光合磷酸化的产物仅为ATP, 无NADPH和分子氧。循环式光合磷酸化约

占光合磷酸化的10~20%,特别是NADP+不足时,所占的比例更大, 因此它对光反应中产生的ATP和NADPH的比例具有调节作用。由于NADP+接收电子被还原时,同时需要从叶绿体基质中摄取一个H+,如果基质中NADP+浓度不高,或NADPH的浓度过高,说明NADPH与A TP的比例失调,需要加以调整。调整的机制是将电子回传给细胞色素b6/f复合物, 细胞色素b6/f复合物是一种质子泵,得到电子从而有足够的自由能将基质中的H+跨膜传递到类囊体腔,使类囊体腔中质子梯度升高,高浓度的H+质子通过CF1CF0-A TP合酶的H+通道返回叶绿体基质,从而促进了ATP的合成。其结果,调整了光反应中ATP和NADPH的比值,有利于CO2的固定。

15. 什么是光呼吸?它对植物的光合作用有什么影响?

答: 光呼吸是一种依靠光来消耗O2,放出CO2的作用。在光存在下,光呼吸降低了光合作用的效率,因为光呼吸要氧化光合作用中产生的还原型的碳原子,同时消耗了大量的能量。

Rubisco除了作为羧化酶催化将CO2添加到核酮糖1,5二磷酸,生成两分子3-磷酸甘油酸外,也可作为加氧酶,利用分子氧催化核酮糖1,5二磷酸裂解成3-磷酸甘油和磷酸乙醇酸。

由于磷酸乙醇酸不能被卡尔文循环利用,所以是碳同化的废物。磷酸乙醇酸合成,不仅浪费能源和碳源, 而且磷酸乙醇酸的积累可能杀死植物本身,因为这种物质能够抑制丙糖磷酸异构酶(triose-phosphate isomerase)的活性,从而破坏了叶绿体基质中甘油醛-3-磷酸与二羟丙酮(dihydroxyacetone)的平衡。

Rubisco同氧的亲和力比与二氧化碳的亲和力低得多,所以RuBP的氧化反应要比羧化反应慢。可以推测,一般情况下这种氧化作用构不成威胁,但是当CO2的浓度很低而O2的浓度很高时,O2就要取代CO2作为Rubisco的底物。将叶或藻类细胞置于低比值的CO2/O2气体环境中,发现RuBP每发生2~3个羧化反应就要发生一次氧化反应,严重影响光合作用的效率。

生活在地球的某些环境下的植物往往会受到这种影响。如生活在因强烈光照导致炎热和干旱地区的植物叶绿体中容易发生RuBP的氧化作用,因为这种环境会使叶绿体基质中CO2/O2的比值降低。虽然温度的升高,CO2、O2的溶解性都会降低,但CO2的溶解性下降更快,其结果导致基质中CO2/O2比值的降低。另外,生活在干旱地区的植物,为了防止水分蒸发,会关闭气孔,CO2就不能进入叶中,没有稳定的CO2供给同化作用,叶细胞中的CO2的浓度进一步下降。但是,叶绿体中水的光解继续进行,由于释放的O2不能扩散出叶,使得细胞内O2的浓度不断增加,进而严重影响光合作用。因此这些植物通过光呼吸来提高CO2的浓度,从而提高光合作用的效率。

16. 什么是CAM植物?它是如何提高CO2固定效率的?

17. 请列表比较线粒体和叶绿体的膜和区室在结构组成和功能上的差异。

答: 线粒体和叶绿体的膜和区室在结构组成和功能上都有所不同,如线粒体内膜除了作为线粒体界膜之外,主要功能是电子传递和合成ATP。从结构上看,线粒体内膜向内折叠成嵴, ATP合酶位于嵴上。而叶绿体的内膜只是稍向内折形成小管或小泡结构,且表面光滑。叶绿体内膜是脂合成的场所,是叶绿体的界膜。线粒体、叶绿体膜和区室的主要结构和功能特征列于表8Q-1。

表8Q-1 线粒体与叶绿体膜和区室的结构域功能比较

膜或区室线粒体叶绿体

外膜标志酶:单胺氧化酶

厚5.5nm, 通透性强,有孔蛋白厚7nm, 通透性强,有孔蛋白

内膜标志酶:细胞色素氧化酶

蛋白质:脂= 0.7 蛋白质:脂= 0.9

通透性差通透性差

向内折成嵴稍向内折成管状或小泡状

内表面有ATP合酶颗粒内表面光滑

有各种类型的运输蛋白仅仅是运输交换蛋白

是电子传递和氧化磷酸化部位是脂合成的部位

类囊体膜无光反应的部位

外表面有CF1-A TP,光合磷酸化部位

膜间隙标志酶: 腺苷酸激酶

建立H+质子梯度

基质含有各种酶系、mtDNA、核糖体含有一些酶、ctDNA、核糖体、tRNA和蛋白质表达因子tRNA和蛋白质表达因子

TCA循环场所卡尔文循环场所

类囊体腔无建立H+质子梯度

水的光解

18. 请列表比较氧化磷酸化与光合磷酸化。

答: 二者的差异列表比较如下:

表8Q-2 氧化磷酸化与光合磷酸化的比较

氧化磷酸化光合磷酸化

细胞器线粒体叶绿体

定位线粒体内膜类囊体膜

电子传递系统呼吸链PSI、PSII

电子供体NADH或FADH H2O的光解

电子终受体1/2 O2 NADP+

传递电子对1 对 1 对

造成的H+质子浓度差膜间隙(高)/基质(低) 类囊体腔(高)/基质(低)

电子跨膜次数3次2次

偶联因子F1-F0 ?CA TP酶CF1-CF0 -A TP酶

机理化学渗透化学渗透

偶联因子定位取向向内朝向基质向外朝向基质

H+质子流向向外流向膜间隙向内流向类囊体腔

产生ATP所需的H+ 2个H+ 3个H+

高中生物4.2.2光合作用的过程课时作业苏教版必修1

第2课时 光合作用的过程 目标导航 1.读图4—13,掌握叶绿体的结构。2.结合教材P 75,分析光合作用的过程,并比较光反应和暗反应。 一、光合作用的主要场所:叶绿体(阅读P 75) 二、光合作用的过程(阅读P 75~76) 1.两个阶段 (1)光反应:发生在叶绿体的类囊体膜上,必须在有光的条件下才能进行。类囊体膜上的叶绿素等光合色素,具有吸收、传递和转换光能的作用。 (2)暗反应:发生在叶绿体的基质中,在有光和无光的条件下都能进行。 2.变化过程 (1)光反应中的化学反应 ①水的光解:光合色素吸收光能,将水分子裂解成O 2和H + ,氧直接以分子形式释放出去,H + 进一步变成高能态的[H]。 ②ATP 的合成:在酶的催化下,捕获的光能还用于合成ATP 。 (2)暗反应中的化学反应 ①CO 2的固定:在酶的作用下,一分子CO 2和一分子五碳化合物结合形成两分子三碳化合物。 ②三碳化合物的还原:在酶的作用下,三碳化合物接受ATP 释放出来的能量并被[H]还原。 ③五碳化合物的再生:一些三碳化合物经过复杂的变化,又形成五碳化合物,其可循环往复地参与暗反应阶段的化学反应。 ④糖类等物质的形成:一些三碳化合物接受能量后被逐步还原成糖类等物质。 ⑤ADP 的形成:ATP 被利用后形成ADP 和Pi 。 3.光合作用的概念 绿色植物通过叶绿体吸收光能,将CO 2和H 2O 合成为有机物并释放出O 2,同时将光能转化为化学能储存在糖类和其他有机物中的过程。 4.总反应式:CO 2+H 2O ――→光能 叶绿体(CH 2O)+O 2。 一、叶绿体 1.结构

(1)外膜和内膜使其内部结构与细胞质基质分开,保证了叶绿体相对独立地进行代谢活动。 (2)由类囊体堆叠而成基粒,增大了膜面积。 (3)类囊体的膜上分布着能够吸收、传递和转换光能的色素,膜上还分布着与光反应有关的酶。 (4)叶绿体基质中含有与暗反应有关的酶,还含有少量的DNA和RNA。 2.功能:真核生物光合作用的场所。 1.与光合作用有关的酶分布在何处? 答案与光合作用有关的酶分布在类囊体的膜上和叶绿体基质中。 2.叶绿体增大光合作用面积的方式是什么? 答案类囊体堆叠成基粒,扩大了膜面积。 3.为什么说叶绿体是光合作用的主要场所? 答案叶绿体是真核生物进行光合作用的场所,但原核生物如蓝藻虽然没有叶绿体,但有叶绿素和藻蓝素,也可以进行光合作用。 1.下面有关叶绿体的叙述,正确的是( ) A.叶绿体色素都分布在类囊体膜上 B.叶绿体的色素分布在外膜和内膜上 C.光合作用的酶只分布在叶绿体基质中 D.光合作用的酶只分布在外膜、内膜和基粒上 问题导析(1)叶绿体的色素只分布在类囊体膜上,内膜和外膜无色素分布。 (2)在叶绿体的类囊体膜上和基质中,含有多种进行光合作用的酶。 答案 A 一题多变 判断正误: (1)没有叶绿体的生物无法进行光合作用。( ) (2)植物细胞都有叶绿体,叶绿素分布于叶绿体的外膜和内膜上。( ) (3)与光合作用有关的酶分布于类囊体和基质中。( ) (4)叶绿体内有许多类囊体,极大地扩大了受光面积。( ) 答案(1)×(2)×(3)√(4)√ 二、光合作用的过程 1.过程图解 2.光反应和暗反应的区别与联系 项目光反应暗反应 实质光能转换为化学能,并放出O2同化CO2形成有机物 条件需叶绿素和光、酶不需叶绿素和光,需要多种酶 场所在叶绿体内的类囊体的膜上进行在叶绿体内的基质中进行

叶绿体

叶绿体是植物细胞中由双层膜围成,含有叶绿素能进行光合作用的细胞器。叶绿体基质中悬浮有由膜囊构成的类囊体,内含叶绿体DNA 。 [1] 是一种 质体。质体有圆形、卵圆形或盘形3种形态。叶绿体含有的 叶绿素a 、b 吸收绿光最少,绿光被反射,故叶片呈绿色。容易区别於另类两类质体──无色的 白色体和黄色到红色的 有色体。叶绿素a 、b 的功能是吸收 光能,少数特殊状态下的叶绿素a 能够传递电子,通过光合作用将光能转变成化学能。叶绿体扁球状,厚约2.5微米,直径约5微米。具双层膜,内有间质,间质中含呈 溶解状态的酶和 片层。片层由闭合的中空盘状的 类囊体垛堆而成,类囊体是形成 高能化合物 三磷酸腺苷(ATP)所必需。是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”。能发生碱基互补配对。 中文学名 叶绿体 界 植物界 长 径 视情况而定 5~100μm 不等 主要作用 进行光合作用 拉丁学名 chloroplast 分布区域 植物茎叶 主 要 叶绿素和细胞素 目录 ? 1简介 ? 2形态与结构 ? 形态总述 ? 外被 ? 类囊体

?基质 ?3光合作用 ?光反应与电子传递 ?光合磷酸化 ?碳反应 ?4半自主性 ?5叶绿体与质体的区别 ?6增殖 ?7发现 1简介 大部分高等植物和藻类微[2]生物的叶绿体内类囊体紧密堆积。主要含有叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)、类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素),叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。 这些色素吸收的光都可用于光合作用,叶绿素在色素所占比例最大,且吸收绿光最少,因此绿光被反射,细胞呈现绿色。叶绿体( chloroplast)存在于藻类和绿色植物中的色素体之一,光合作用的生化过程在其中进行。因为叶绿体除含黄色的胡萝卜素外,还含有大量的叶绿素,所以看上去是绿色的。褐藻和红藻 的叶绿体除含叶绿素外还含有藻黄素和藻红蛋白,看上去是褐色或红色[有人 分别称为褐色体(phacaplost)、红色体(rhodoplast)]。许多植物的叶绿体是直径5微米左右,厚2—3微米的凸透镜形状,但低等植物中则含有板状、网眼状、螺旋形、星形、杯形等非常大的叶绿体。叶肉细胞中含的叶绿体数通常是数十到数百个。已知有的一个细胞含有数千个以上叶绿体的例子,以及仅有一个叶绿体的例子。用光学显微镜观察叶绿体,它的平面相多数为0.5微米大小 的浓绿色粒状结构(基粒)。基粒的清晰程度和数量随植物和组织的种类及叶绿体的发育时期而不同,反映着内膜系统的分化程度。包着叶绿体的包膜由内外两层膜组成,对各种各样的离子以及种种物质具有选择透过性。在叶绿体内部有基质、富含脂质和质体醌的质体颗粒,以及结构精细的内膜系统(片层构造,类囊体)。在基质中水占叶绿体重量的60%—80%,这里有各种各样的离子、低分子有机化合物、酶、蛋白质、核糖体、RNA、DNA等。在绿藻、褐藻,红藻、接合藻、硅藻等许多藻类的叶绿体中存在着淀粉核。构成内膜系统微细结构基础的是类囊体。在具有基粒的叶绿体中重叠起类囊体或复杂地折叠起来,分化成所谓的基粒堆(grana stack)和与之相联系的膜系统[基粒间片层(intergrana lamellae)]。各种光合色素和光合成电子传递成分、磷酸化偶 联因子等存在于类囊体中,色素被光能激发、电子传递、直到ATP合成都在类

人教版高中生物选修光合作用 光能在叶绿体中的转换

光合作用--光能在叶绿体中的转换 【教学目标】 1、知识方面:知道光能在叶绿体中如何转换成电能,电能如何转换成活跃的化学能,以及活跃的化学能如何转化成储存在糖类等有机物中稳定的化学能的过程。 2、能力方面: ⑴通过光合作用过程中能量转换的示意图,使学生学会利用图文资料,进一步理解和获取生物科学基础知识的能力。 ⑵通过“看图说话”,培养学生的语言表达能力。(对照图讲述光能在叶绿体中转换的三个步骤)。 ⑶提高学生运用新知识分析和解决实际问题的能力。 【重点难点】 重点 光能在叶绿体中如何转换成储存在糖类等有机物中的稳定化学能 难点 光能在叶绿体中的转换 【课时安排】 1课时 【教学过程】 引入新课: 通过绪论课的学习,我们知道当今世界面临的粮食危机已严重影响人类的生存和发展,比如咱们中国要以占世界7%的耕地去养活占世界22%的人口,粮食问题日益突出。粮食危机迫切要求我们想办法提高粮食的产量,而粮食的产量来源于光合作用的积累,我们有必要在高二生物的基础上进一步弄清其机理,以便更好地去指导实践,提高光合作用的效率,从而提高粮食产量。 请同学们回忆所学过的内容,想一想光合作用的场所在哪里?反应式怎么写?(要求学生上黑板画出叶绿体的结构简图并写出光合作用反应式) 光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,光反应阶段的能量变化是光能转变为活跃的化学能,暗反应阶段的能量变化是活跃的化学能转变为稳定的化学能。前者又包括光能转换成电能和电能转换成活跃的化学能二个步骤,即光合作用过程中能量的转换共有三个步骤。(一)光能转换成电能 光能转换成电能和叶绿体中色素密切相关 1、光合色素的作用

吸收和传递光能:大多数叶绿素a、所有胡萝卜素、叶黄素和叶绿素b,它们又称天线 色素 吸收和转换光能:少数特定状态下的叶绿素a,又称作用中心色素 2、过程 (要求学生对照P29图2-1自学相关段落,思考、讨论并回答下列问题) A、B分别代表什么色素,各自有什么作用? (略) ②特殊状态下的叶绿素a在光的照射下发生了什么变化激发态) (稳态-?→ ?e ③特殊状态下叶绿素a失去的电子怎样传递?自身的氧化还原性质的前后变化怎样? (失去的电子将通过传递电子的物质传递给NADP+,即辅酶II。自身变成一种强氧化剂) ④脱离叶绿素a的电子经过一系列传递最后传递给什么物质?即最终电子受体是什么?(NADP+) ⑤失去电子的叶绿素a从什么物质获得电子而恢复稳定?即最初电子供体是什么? (H 2 O) ⑥特殊状态下的叶绿素a在光照下连续不断地丢电子、得电子形成电子流,从物理学角度表示能量形式发生了什么变化? (电子流的形成标志着光能转换成电能) ⑦水光解产生的电子和H+最终传递给什么物质?水光解的反应式是什么? (NADP+,2H 2 O→4H++O 2 +4e-) 上述能量转换的过程发生在哪儿呢? 光能转换成电能属于光反应阶段,学生很容易想到是在叶绿体的囊状结构(即类囊体)上进行的。 3、场所:叶绿体的类囊体上 水光解产生的e和H+最终传递给NADP+形成NADPH(还原型辅酶II),同时ADP转变成ATP,能量实现第二步骤的转换。 (二)电能转换成活跃的化学能 1、过程 NADP++2e+H+?→ ?酶 NADPH ADP+Pi+电能?→ ?酶ATP ⑴随着这两个过程的进行,电能进一步转换成什么形式的能?

叶绿体和线粒体形态

形态总述 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜,长径5~10um,短径2~4um,厚2~3um。高等植物的叶肉细胞一般含50~200个叶绿体,可占细胞质的40%,叶绿体的数目因物种细胞类型,生态环境,生理状态而有所不同。 叶绿体结构 在藻类中叶绿体形状多样,有网状、带状、裂片状和星形等等,而且体积巨大,可达100um。 叶绿体由叶绿体外被(chloroplast envelope)、类囊体(thylakoid)和基质(stroma)3部分组成,叶绿体含有3种不同的膜:外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔:膜间隙、基质和类囊体腔。 光合作用机理 光合作用的是能量及物质的转化过程。首先光能转化成电能,经电子传递产生ATP和NADPH形式的不稳定化学能,最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。分为光反应(light reaction)和暗反应(dark reaction),前者需要光,涉及水的光解和光合磷酸化,后者不需要光,涉及CO2的固定。分为C3和C5两类。 叶绿体的半自主性 线粒体与叶绿体都是细胞内进行能量转换的场所,两者在结构上具有一定的相似性。 ①均由两层膜包被而成,且内外膜的性质、结构有显著的差异。②均为半自主性细胞器,

具有自身的DNA和蛋白质合成体系。因此绿色植物的细胞内存在3个遗传系统。 由于叶绿体在形态、结构、化学组成、遗传体系等方面与蓝细菌相似,人们推测叶绿体可能也起源于内共生的方式,是寄生在细胞内的蓝藻演化而来的。 叶绿的增殖 在个体发育上,叶绿体来自前质体,由前质体发育成叶绿体。并且,无光不能形成叶绿素。 叶绿体的发现 1880年,法国植物学家、植物叶绿体的发现者席姆佩尔证明淀粉是植物光合作用的产物。1883年,他经研究发现淀粉只在植物细胞的特定部位形成,并将其命名为叶绿体,席姆佩尔还曾广泛地游历了美洲、亚洲和非洲的热带地区,对那里的植物进行了考察,并将考察结果发表在1898年出版的《以生理学为基础的植物--------地理学》一书中。 线粒体的超微结构 外膜8%,膜间隙4%。

观察叶绿体的形态和分布

一、实验原理: 1、叶肉细胞中的叶绿体,散布于细胞质基质中, 呈绿色,扁平的椭球形或球形。 可以在高倍显微镜下观察到它的形态和分布。 2、线粒体普遍存在于植物细胞和动物细胞中。 线粒体的形态多样,有短棒状、圆球形,线形,哑铃形。 3、键那绿(Janus greenB)染液:是专一性,染线粒体的活细胞染液。 可以使活细胞中的线粒体呈蓝绿色。而细胞质接近无色。 线粒体能在键那绿染液中维持活性数小时。 4、通过染色,可以在高倍显微镜下观察到生活状态的线粒体的形态和分布。 二、目的要求: 1、初步掌握高倍显微镜的使用方法。 2、观察叶绿体的形态和分布。 3、观察线粒体的形态和分布。 三、材料用具: ⑴材料:藓类的叶(或菠菜叶、黑藻叶等)。 四、试剂: ⑴新配制的质量分数为1%的键那绿染液(将0.5g键那绿溶剂于5mL生理盐水中,加温到30~40℃使其充分溶解). 五、用具:①显微镜②载波片③盖玻片④镊子⑤滴管⑥消毒牙签⑦铅笔 四、方法步骤: (一)制作鲜类叶片临时装片: 1、取材: ⑴用镊子取一片藓类的小叶,把根部去掉。

⑵或者取菠菜叶稍带些叶肉的下表皮。 2、制片: ⑴往载玻片中央滴一滴清水。 ⑵用镊子夹住所取的以上小叶或下表皮,放入清水滴中。 ⑶盖上盖玻片。 ⑷注意:临时装片中的叶片不能放干了,要随时保持有水状态。 3、制作人口腔上皮细胞临时装片: ⑴在洁净的载波片中央滴一滴键那绿染液。 ⑵用消毒的牙签在自己漱静的口腔内壁上轻轻地刮几下, ⑶把牙签上附有碎屑的异端,放在染液中涂几下, ⑷盖上盖玻片。 (二)用显微镜观察叶绿体: 1、用低倍显微镜观察: ⑴对光: ①转动显微镜的转换器,让一个高倍物镜对准载物台中央的通光孔。 ②转动遮光器使一个大光圈对准通光孔。 ③左眼向目镜里看, ④同时右手转动反光镜,(光线弱时,用凹面反光镜。光线强时,用平面反光镜。) ⑤当视野中看到一个明亮的光圈时,光就对好了。 ⑵低倍显微镜观察: ①将制好的叶的临时装片,放在载物台上。让要看的物体在通光孔的正中央。 ②用手逆时针(向内下)转动粗准焦螺旋,使镜筒徐徐下降,到快要接 近装片为止。

第八章叶绿体和光合作用

第八章叶绿体和光合作用 1. 叶绿体是怎样形成的? 与其他质体的主要差异是什么? 答: 叶绿体是前质体在光照条件下诱导发育而来。在光的诱导下, 激发了叶绿体蛋白的合成,并跨过前质体的内膜运输到前质体内。同时内膜向内出芽形成膜泡,这些膜泡能够自我成堆排列,通过摄取必要的蛋白和叶绿素, 最后形成成熟的类囊体。详细过程包括;(a)光触发叶绿素、磷脂、叶绿体基质蛋白和类囊体蛋白的合成, 然后从叶绿体内膜出芽形成小泡;(b)前质体变大,某些球形的小泡融合,最后形成连成一体的扁平的类囊体小泡,某些类囊体小泡堆积起来并在光诱导下大量合成LHC蛋白;(d)叶绿体进一步变大,当更多的类囊体小泡形成基粒时,叶绿体成熟。叶绿体是惟一含有类囊体膜结构的质体,能够进行光合作用, 这是叶绿体与其他质体的根本区别。 2. 什么是交换载体? 运输时有什么特点? 答: 存在于叶绿体内膜中一类转运蛋白, 参与叶绿体的物质运输。此类蛋白运输的主要特点是通过交换进行的, 并且不消耗能量, 而是靠浓度梯度进行的。交换是一对一的交换, 如磷酸交换载体、二羧酸转运载体(dicarboxylate exchange carrier)等。 3. 叶绿体基质与线粒体基质有什么不同? 答: 主要表现在组成和功能上不同: 在电子显微镜下观察可见到叶绿体基质中有一些细微颗粒, 其中最多的是淀粉颗粒。这种颗粒是用于储存光合作用所产生的碳水化合物;另外还有一些含脂的沉积物称为质体小球(plastoglobuli),这种小球的产生同类囊体的破裂有关,当新类囊体形成时,老的类囊体破裂,可减少类囊体的数量和体积,由此可以推测质体小球可作为类囊体脂的储备库。基质中含有大量的可溶性蛋白, 其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白总量的60%。此外, 叶绿体基质中还含有CO2固定反应的所有酶类。叶绿体基质中还有核糖体、DNA和RNA等。叶绿体的DNA大约编码100种多肽,涉及叶绿体DNA的复制、转录、遗传信息的翻译。基质是光合作用固定CO2的场所。 线粒体基质中主要参是参与TCA循环的酶类,功能是进行TCA循环。 4. 举例说明叶绿体基质蛋白定位的机理与特点。 答: 核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是叶绿体基质中进行CO2固定的重要酶类,相对分子质量为550 kDa,总共有16个亚基,其中8个大亚基(每个相对分子质量为55kDa)含有催化位点,8个小亚基(每个相对分子质量12 kDa)是全酶活性所必需的。Rubisco的大亚基由叶绿体基因编码,而小亚基则由核基因编码,在细胞质的游离核糖体上合成后被运送到叶绿体基质中。 通过离体实验表明,小亚基前体蛋白的N-端有一段引导肽序列,长为44个氨基酸残基,运输过程也需要分子伴侣Hsc70的参与,运输到叶绿体基质后,引导肽要被切除,最后8个小亚基与叶绿体基因编码的8个大亚基结合形成全酶。 在Rubisco小亚基蛋白运输中, 与通道形成和打开有关的受体蛋白有三种:Toc86主要是识别信号序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是调节蛋白, 与GTP结合后可改变Toc75的构型使通道打开。 与线粒体基质蛋白转运不同的是, 叶绿体基质蛋白转运的能量仅仅是ATP, 不需要电化学梯度的驱动。 5. 为什么说在进行光合作用时, 叶绿素分子必须组成功能单位?

叶绿体

叶绿体 叶绿体是质体的一种,是高等植物和一些藻类所特有的能量转换器。存在于高等植物叶肉、幼茎的一些细胞内,藻类细胞中也含有。叶绿体的形状、数目和大小随不同植物和不同细胞而异。 形态与结构 【形态】 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜,长径5~10um,短径2~4um,厚2~3um。高等植物的叶肉细胞一般含50~200个叶绿体,可占细胞质的40%,叶绿体的数目因物种细胞类型,生态环境,生理状态而有所不同。 在藻类中叶绿体形状多样,有网状、带状、裂片状和星形等等,而且体积巨大,可达100um。

【结构】 叶绿体由叶绿体外被、类囊体和基质三部分组成,它是一种含有叶绿素能进行光合作用的细胞器。 叶绿体含有3种不同的膜:外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔:膜间隙、基质和类囊体腔。 功能 叶绿体是光合作用的场所,在叶绿体里进行光合作用,把光能转化成化学能储存在其制造的有机物中。

叶绿体基因组 叶绿体本身也是半自主性细胞器,具有遗传信息的表达系统,可以转录、翻译生成蛋白质。 高等植物叶绿体的DNA为双链共价闭合环状分子(cpDNA),其长度随生物种类而不同,一般为45微米;通常一个叶绿体含有10~50个DNA分子。 ★叶绿体DNA不含5-甲基胞嘧啶,这是鉴定cpDNA及其纯度的特定指标。 叶绿体基因组主要用于编码与光合作用密切相关的一些蛋白,其中包括RNA聚合酶、核糖体蛋白质、核酮糖1,5—二磷酸核酮糖羟化酶(RuBP酶)的大亚基等。。但是叶绿体中绝大多数蛋白质都是由核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到叶绿体各自的功能位点上。 叶绿体基因组由两个反向重复序列(IR,包括IRA和IRB,IRA和IRB长各10-24Kb,编码相同,方向相反。)和一个短单拷贝序列(SSC)及一个长单拷贝序列(LSC)组成。 ★所有叶绿体基因转录的mRNA都由叶绿体核糖体翻译。

第八章 叶绿体与光合作用

第八章叶绿体与光合作用 教学目的 1、了解叶绿体、白色体、有色体等几个概念的差异。 2、掌握光合作用的光反应的机制。 教学内容 1.叶绿体的来源、形态与分布 2.叶绿体的结构与化学组成 3.光合作用的光反应 4.二氧化碳的固定和碳水化合物的合成 5.叶绿体遗传 计划学时及安排 本章计划3学时:1~3节2学时,4~5节1学时。 教学重点和难点 植物通过光合作用将光能转变成化学能的过程主要是在植物细胞的叶绿体中进行的,叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器,其功能是进行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水,合成糖,同时产生分子氧。本章从五个方面讨论叶绿体的结构、光合作用机理、叶绿体遗传等,核心内容是光合作用中的光反应。 1.在叶绿体的来源与分布一节中,学习的重点是叶绿体的发育,即叶绿体与前质体的关系,弄清叶绿体、白色体、有色体等几个概念的差异。 2.叶绿体的结构比较特殊,它含有3种不同的膜(外膜、内膜和类囊体膜)以及3种彼此分隔的区室(膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔),区分不同膜的结构特点和不同区室中化学组成的差异是学习叶绿体的结构和化学组成一节的重点。 3.光合作用的光反应的机制是本章的重点,要求掌握光合作用色素的结构和特点、光合作用单位和反应中心的组成、光能吸收、传递与转变的过程、以及电子传递的途径。特别是掌握两个光系统的结构和作用,以及电子传递与光合磷酸化的机理。 4.二氧化碳的固定和糖类的合成属光合作用的暗反应,学习的要点是掌握卡尔文循环中三个阶段的特点:羧化、还原和RuBP的再生的机制。 5.关于叶绿体遗传的讨论,要点包括叶绿体基因组结构特点、叶绿体的半自主性、叶绿体的发生和起源。并注意将叶绿体与线粒体进行结构和功能方面的比较。 教学方法讲授与讨论,自学。 教学过程

叶绿体

叶绿体 叶绿体是植物细胞中由双层膜围成,含有叶绿素能进行光合作用的细胞器。叶绿体基质中悬浮有由膜囊构成的类囊体,内含叶绿体DNA。[1-2]是一种质体。质体有圆形、卵圆形或盘形3种形态。叶绿体含有的叶绿素a、b吸收绿光最少,绿光被反射,故叶片呈绿色。容易区别於另类两类质体──无色的白色体和黄色到红色的有色体。叶绿素a、b的功能是吸收光能,少数特殊状态下的叶绿素a能够传递电子,通过光合作用将光能转变成化学能。叶绿体扁球状,厚约2.5微米,直径约5微米。具双层膜,内有间质,间质中含呈溶解状态的酶和片层。片层由闭合的中空盘状的类囊体垛堆而成,类囊体是形成高能化合物三磷酸腺苷(ATP)所必需。是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”。能发生碱基互补配对。 形态总述 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜,长径5~10um,短径2~4um,厚2~3um。高等植物的叶肉细胞一般含50~200个叶绿体,可占细胞质的40%,叶绿体的数目因物种细胞类型,生态环境,生理状态而有所不同。在藻类中叶绿体形状多样,有网状、带状、裂片状和星形等等,而且体积巨大,可达100um。 叶绿体由叶绿体外被(chloroplastenvelope)、类囊体(thylakoid)和基质(stroma)3部分组成,叶绿体含有3种不同的膜:外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔:膜间隙、基质和类囊体腔。 外被 叶绿体外被由双层膜组成,膜间为10~20nm的膜间隙。外膜的渗透性大,如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。 内膜对通过物质的选择性很强,CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸,双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜,ADP、ATP已糖磷酸,葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖、C5糖双磷酸酯,C糖磷酸酯,NADP+及焦磷酸不能透过内膜,需要特殊的转运体(translator)才能通过内膜。 类囊体 是单层膜围成的扁平小囊,沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分,又称光合膜。 许多类囊体象圆盘一样叠在一起,称为基粒,组成基粒的类囊体,叫做基粒类囊体,构成内膜系统的基粒片层(granalamella)。基粒直径约0.25~0.8μm,由10~100个类囊体组成。每个叶绿体中约有40~60个基粒。 叶绿体通过内膜形成类囊体来增大内膜面积,以此为在叶绿体中发生的反应提供场所。 贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体,它们形成了内膜系统的基质片层(stromalamella)。

相关主题
相关文档 最新文档