Transcript 光合作用
光合作用與呼吸作用 重點大綱 1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 前言 ATP/化學滲透假說 能量與代謝作用─偶聯作用(coupling reaction) 光合作用概論 葉綠體構造 光合作用圖示 光合作用流程說明 影響光合作用之因素 Engleman(英格曼)的光合作用實驗 呼吸作用概論 粒線體的組成與呼吸作用 呼吸作用過程與圖示 無氧呼吸 影響呼吸作用的因素 光合作用與呼吸作用的討論 前言 • 在生態學原理中提到生態 系的組成條件有二：能量 流動和物質循環。前者若 以生命世界與無生物世界 為討論背景，則光合作用 與呼吸作用恰為能量流動 的橋樑。透過光合作用， 生物得以將日光能轉為化 學能儲存起來；再透過呼 吸作用，將能量釋出，並 表現出種種生命現象。 能量貨幣─ATP • ATP(三磷酸腺苷)是細胞新陳 代謝所需能量的直接來源， 可視為細胞的「能量貨幣」 (energy currency) • 分子組成包括一分子腺嘌呤、 一分子核糖和三分子磷酸，能 量儲存在磷酸鍵上，當磷酸鍵 水解時，能量就被釋放。 • ATP＋H2O →ADP＋Pi＋能量 ATP、ADP、AMP的關係 ATP結構式 ATP合成酶與化學滲透假說 • 化學滲透假說 (Chemiosmosis hypothesis） 由英國生化學家米契爾 (Peter Mitchell)提出。簡言 之，透過膜內外的質子濃 度梯度，使ATP合成酶可 以將ADP+Pi轉變成ATP的 理論，可以解釋光反應和 粒線體電子傳遞鏈產生 ATP的過程。 • 1. 磷酸化(ADP+Pi→ATP) 光合磷酸化：ATP的能量 來自光能 氧化磷酸化：ATP的能量 來自其他物質(NADH或 FADH2)的氧化 2. 能量與代謝─coupling reaction • 細胞代謝作用包括分解(異化)與合成(同化)前者釋出能量， 後者需要能量；而能量傳遞者主要就是ATP • 細胞的新陳代謝可促使ATP 分解為ADP，也可使ADP合成ATP，兩者 循環不息，故稱為偶聯作用(coupling reaction) 光合作用概論 葉綠體構造 • 兩層膜的胞器，內有： 葉綠餅：由囊狀膜(葉綠 囊)堆成，為光反應場所。 膜上又有 1. 光系統：由光合色素構 成 2. 電子傳遞鏈：電子載體 3. ATP合成酶 基質：含多種酵素，為 碳反應場所 光合作用圖示 光合作用 產物可以 從葡萄糖 轉為蔗糖 或其他物 質 光合作用流程：第一階段(光反應) 1. 光合色素吸光 2. 葉綠素a電子吸收光 能成激態(高能)電子 3. 電子進入電子傳遞鏈， 能量轉入ATP和 NADPH(電子接受者) 4. 水光解成H+和e-，其 中e-補充葉綠素失去 的電子(故水分子的角 色只是要補充葉綠素 a失去的電子) 光合作用流程： 第二階段(暗反應/碳反應) • 卡爾文循環 1. CO2固定 2. 合成磷酸甘油醛 3. 雙磷酸核酮糖再生 ps.兩個磷酸甘油醛形成一個 葡萄糖 註：學測只需知道卡爾文循 環產生的三碳糖會形成 蔗糖、澱粉或其他有機 物，及光反應產生的能 量在第二階段的利用方 式 影響因素 1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. 生物因素 葉的發育與外形：因為葉綠素、酵素、氣孔數與葉肉組織的成熟度 都和光合作用密切相關 光合作用產物輸出：產物堆積在葉綠體內會迴饋抑制二氧化碳的固 定速率，影響光合作用的光反應速率 非生物因素： 光照：在正常情況下，光照強度愈強，光反應也愈旺盛(如右上圖) 溫度：溫度主要影響酵素的活性，間接影響氣孔的開閉。 水分：水是光反應的原料，亦會影響氣孔的開閉。 二氧化碳：二氧化碳是暗反應的原料。一般而言，二氧化碳濃度愈 高，光合作用愈大，但太高時可能導致氣孔關閉，間接抑制了光合 作用的進行。 無機養分：如鎂和氮是構成葉綠素的基本元素，所以當植物缺乏上 述兩種元素時，葉不能正常合成葉綠素，因此不能進行光合作用。 註：英格曼光合作用實驗 • 實驗目的：色光與光合作 用的關係。 • 實驗設計：利用絲狀水綿 及好氧細菌，以三稜鏡折 射成的光譜照射水綿。 • 實驗結果：發現細菌聚集 在紫光、藍光、紅光部位 • 推論：水綿吸收紫光、藍 光、紅光進行光合作用而 產生氧氣供給好氧細菌。 呼吸作用概論 呼吸作用respiration • 廣義而言，呼吸作用指養分分解釋出ATP的 過程，不論過程是否有無O2參與；由此可 見，呼吸作用包含有氧呼吸和無氧呼吸。 • 狹義解釋時，呼吸作用通常指葡萄糖氧化 分解，產生36~38ATP的過程，簡式如下： C6H12O6+O2→CO2+H2O+36~38ATP 討論呼吸作用時，同學們必須注意： 1. 人類的呼吸運動是氣體交換過程，而非呼吸作用 2. 植物也必須隨時進行呼吸作用，才能提供細胞足夠 的ATP，不像光合作用是受到光線影響 粒線體構造 • 在真核細胞中，粒線 體可以進行呼吸作用 的多數反應。 • 構造包括內外膜與基 質，其中內膜向內凹 陷形成內褶膜(或稱為 嵴，cristae) 粒線體和葉綠體的比較： 1. 都具有雙層膜 2. 都有部分DNA可以製造蛋白質 3. 前者與呼吸作用(能量釋出)有關，後者與光合作 用(能量轉化與儲存)有關 呼吸作用過程 1. 2. 3. 4. 糖解作用：葡萄糖分解成丙酮酸，在細胞質中進行 乙醯輔酶A形成：在粒線體基質中進行 克列伯循環：在粒線體基質中進行 電子傳遞鏈：在粒線體內膜上進行，產生ATP 體質糖雖 有中解然 關進作我 行用們 ；卻說 換是呼 言在吸 之細作 ，胞用 有質在 氧中粒 呼進線 吸行體 的，進 部且行 分無， 過氧不 程呼過 才吸第 會只一 和在階 粒細段 線胞的 無氧呼吸 • 無氧呼吸過程 1. 糖解作用 2. 發酵作用：分 為酒精發酵 (如酵母菌)與 乳酸發酵(如 肌肉細胞)等 有氧與無氧呼吸 比較項目 無氧呼吸 有氧呼吸 作用過程 糖解作用 發酵作用 發生地點 細胞質 產物 乳酸(乳酸發酵) 酒精+二氧化碳 2ATP 糖解作用 克氏循環 電子傳遞鏈 細胞質 粒線體 二氧化碳 水 36~38ATP 釋出能量 光合作用與呼吸作用的討論 光合作用與呼吸作用的比較 比較項目 光合作用 簡式 CO2+H2O→C6H12O6+O2 呼吸作用 C6H12O6+O2→CO2+H2O 作用流程 吸收光能→電子傳 遞鏈→卡爾文循環 →葡萄糖 相關胞器 葉綠體 葡萄糖→克列伯循環 →電子傳遞鏈→釋出 能量 細胞質+粒線體 水與氧氣 水光解成氧氣+電子 氧氣接受電子產生水 除了相關胞器不同之外，其他各項比較，怎麼看都覺得兩者是逆反應。 從目的上可知，生命世界透過光合與呼吸，使生物得以將光能轉為化學能， 並藉以表現出生命現象。 演化的聯想 • 演化上，生物從原始異營生物開始，逐漸演化出 自營生物，大氣中才可能出現氧氣。以此為前提， 則有氧呼吸的演化應在光合作用之後；換言之， 早期的生物只能透過無氧呼吸來產生能量。 無氧呼吸 有氧呼吸 光合作用