GCSE 科学/光合作用

光合作用

丁香树

像所有生物一样，植物需要食物才能生存。这种食物用于能量，并在植物生长时制造新的物质。植物能够吸收两种无机化学物质，二氧化碳气体和水，来制造一种有机化学物质，葡萄糖。这种简单的食物可以用作能量来源，也可以转化为其他有用的有机分子。

光合作用发生在叶绿体中：参与反应的蛋白质位于叶绿体的类囊体膜中。

光合作用需要能量输入。植物已经找到一种利用叶绿素这种色素捕获阳光能量的方法。一旦这种光能被捕获，就可以用来制造葡萄糖，从而将光能转化为化学能。氧气被释放出来作为废物化学物质。

光合作用的公式是

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

二氧化碳 + 水 → 葡萄糖 + 氧气

反应

• 减少NADPH的产生
• 产生ATP形成的质子梯度
• 产生氧气

光系统

光合作用中有两种光系统，分别称为光系统 I (PsI) 和光系统 II (PsII)。在 PsI 过程中，一种叫做叶绿素的光吸收色素，它是一种最有效地吸收 700 纳米波长红光的分子，我们通常称之为 P700。另一方面，PsII 反应中心叶绿素中的色素被称为 P680，因为它在约 680 纳米处吸收光。光合作用有两种系统的原因是，单独一种系统无法捕获足够的能量来驱动碳固定反应并提供植物代谢的其余能量需求。这些系统的组合会导致不同的机制将光能转化为化学能，从而提供植物所需的能量。

然而，这个过程从 PsII 开始，而不是 PsI。PsII 反应中心中 P680 叶绿素分子吸收的能量首先将分子转化为激发态，然后提高电子的能级，然后电子从分子中失去，电子传递系统接受电子，并立即将其移动到传递链中，在每次转移中损失一些能量。我们可以看出，当 P680 分子失去一个电子时，它是不稳定的。为了使其再次稳定，我们需要从水中抽取另一个电子。这个过程不断重复。

ATP 称为能量资源，由电子传递过程中损失的能量产生。它是生物体普遍使用的快速能量来源。

到达电子传递链末端的能量被传递到 PsI 反应中心的 P700 叶绿素。如上所述，两种光系统都相似，只是 PsI 在 700 纳米处捕获光能。

循环光合磷酸化

在上面讨论的光系统之间的过程中，循环光合磷酸化发生在类囊体膜上。在循环光合磷酸化过程中，电子被循环利用。PS I 吸收光能后产生的激发电子被初级电子受体接受，然后转移到电子传递链（从供体移动到受体）。然后电子返回反应中心，再次重复这个过程。电子用于转运质子，ATPase 利用质子合成 ATP。在这个过程中没有发生 NADP+ 的还原。

辅助色素能够将能量导入反应中心

Chlorophyll A & B can absorb light and funnel the energy to reaction center. Robert Emerson and William Arnold did an experiment on Chlorella cells in 1932. The experiment implies that only 1 molecule of O2 was produced for 2500 chlorophyll molecules excited. Both additional chlorophylls A and B (A has methyl group and B has formyl group) are closely associated with reaction centers.

限制因素

光合作用需要以下 3 个因素

1. 二氧化碳
2. 水
3. 光

有 4 个因素会影响植物通过光合作用制造葡萄糖的速率。

1. 二氧化碳的浓度
2. 光照强度
3. 温度
4. 任何影响叶绿素、酶或能量载体（ATP 和 NADPH）产生的因素。

如果空气中二氧化碳含量更多，我们可以实现更高的光合作用速率，如果二氧化碳含量低于该过程所需的含量，光合作用将无法正常进行。据推测，由于二氧化碳增加而导致的全球变暖可能会促进植物生长。

光照强度是光合作用的另一个速率因素。我们可以增加光照强度以实现更高光合作用。但我们需要知道，当植物达到最高光合作用水平时，任何光照强度的增加都不会对植物造成进一步影响。

光合作用在高温区域会更快。但另一方面，湿度也会影响光合作用。当空气中充满水蒸气时，光合作用就会受到限制。这是因为在饱和水平，当植物打开气孔交换气体时，空气无法从植物中吸收更多水分。

叶片的结构

光合作用发生在植物的叶子中。叶子有许多适应性，以确保尽可能多的光合作用进行。植物光合作用越多，它制造的食物就越多，生长速度就越快。

1. 叶子有蜡质角质层，可以防止它失去水分并干涸。
2. 表皮是保护性的细胞层，不含叶绿体。
3. 栅栏组织含有最多的叶绿体，因为它靠近叶子的顶部。叶绿体含有叶绿素色素。
4. 栅栏组织细胞垂直排列。这意味着光必须沿细胞长度方向穿过，从而增加了光线照射到叶绿体并被吸收的机会。
5. 海绵组织含有较少的叶绿体，足以捕捉栅栏组织无法吸收的光线。
6. 海绵组织有气隙，使气体更容易在叶片中循环。
7. 维管束为叶子提供水分，通过木质部血管运输。在叶片中制造的食物，如糖，通过韧皮部血管运输到叶片的其他部位。
8. 气孔（气孔 - 单数）是微小的孔，允许二氧化碳进入叶片，同时氧气离开叶片。
9. 保卫细胞可以打开或关闭气孔，以调节进入或离开叶片的气体量。晚上气孔关闭，白天打开。

植物的呼吸作用

呼吸作用是指从葡萄糖和氧气中产生能量，并释放二氧化碳和水作为废物。光呼吸作用发生在许多植物的阳光下。它不同于线粒体中发生的细胞呼吸作用。光呼吸作用和细胞呼吸作用的区别在于，光呼吸作用发生时不会释放能量。另一方面，细胞呼吸作用会释放能量。两种呼吸作用的共同点是它们都吸收氧气并释放二氧化碳。光呼吸作用与光合作用同时发生，并利用一些新合成的碳水化合物作为能量，从而降低光合作用的产率，使其更加有效。

呼吸作用最重要的酶是 RuBisCo，它可以使呼吸作用更有效。因为 RuBisCo 缺乏重组能力，它比二氧化碳更倾向于接受氧气，并催化一系列不同的反应，导致碳被释放，能量被消耗，而没有净能量增益。

呼吸作用

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 释放的能量

葡萄糖 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + 释放的能量

光合作用

6CO₂ + 6H₂O + 能量 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

二氧化碳 + 水 + 能量 → 葡萄糖 + 氧气

植物利用呼吸作用产生的能量来驱动生长过程。

葡萄糖的用途

呼吸作用产生的能量用于将葡萄糖转化为许多其他物质。葡萄糖的典型用途是

• 储存产品

- 葡萄糖用于制造淀粉，可以根据需要转化回葡萄糖。土豆和稻米是植物中含有淀粉的部位的例子。

- 葡萄糖转化为脂类，尤其是在种子中。葵花籽油和菜籽油用于烹饪，来自葵花籽和油菜籽。

• 结构产品

- 葡萄糖转化为纤维素，用于制造细胞壁。

• 其他产品

- 葡萄糖和硝酸盐用于制造氨基酸，氨基酸用于制造蛋白质。

- 葡萄糖也是制造叶绿素的基本原料。

- 葡萄糖用于呼吸作用。

将光能转化为化学能的能力是古老的

光系统具有共同的结构，这意味着它们具有共同的进化起源。地质证据表明，大约 20 亿年前，氧光合作用变得重要。在此之前，存在着进行无氧反应的绿硫细菌和紫硫细菌。它们两者都与氧光合作用相似。由于在光合生物中没有发现古细菌，因此得出结论，光合作用不是在生命起源时立即演化的。