光合作用

光合作用

植物能将无机物(二氧化碳和水)转化为有机糖。

生物

关键词

光合作用, 光相, 暗相, 叶绿体, 分解过程, autotróf, 叶子, 光, 阳光, 氧, 有机材料, 二氧化碳, 葡萄糖, 太阳能, 水, 氧气的生成, 碳固定, 内膜, 基粒, 类囊体, 矩阵, 光系统II, 光系统I, 光合色素, ATP, ATP酶, 电子传递链, 甘油酸-3-磷酸, 甘油醛-3-磷酸, 核酮糖-1,5-二磷酸, 能源转化, 循环, 光子, 大气气体, 糖类, 太阳, 代谢, 植物, 生物化学, 生物, _javasolt

相关附加项

场景

光合作用的原理

  • CO₂ - 二氧化碳是一种无机分子,植物用其产生有机分子,也就是糖。 植物是自养生物;它们能够将无机物转化为有机物。而异养生物(动物和真菌)无法做到这点。
  • O₂ - 它作为光合作用的副产品被释放出来。在地球上,异养生物所需的氧气由光合作用产生。
  • - 它的粒子称为光子。植物利用光子的能量从无机二氧化碳中产生有机糖。
  • C₆H₁₂O₆ - 葡萄糖(也称为右旋糖)。植物利用光能从二氧化碳中产生它。
  • H₂O - 植物从土壤中吸收水分。在光合作用中,水分子分解为氧、质子(H⁺)和电子(e⁻)。

叶子的结构

  • 维管束:木质部 - 它输送水和矿物盐。在光合作用中,水分子分解为氧、质子(H⁺)和电子(e⁻)。
  • 维管束:韧皮部 - 它输送溶解于水的有机物。光合作用中产生的糖通过韧皮部被输送到植物的其它部位。
  • 气孔 - 二氧化碳是在同化组织通过气孔进入叶子的光合作用中所必须的,所产生的氧气通过它被释放出来。植物可以关闭这些气孔以避免因蒸发而变干。
  • 同化组织 - 它的细胞含有大量叶绿体,光合作用就发生在叶绿体中。其顶层由垂直拉伸的细胞组成,而底层为海绵状结构。
  • 表皮 - 它由一层细胞组成。它的细胞(除了气孔的保护细胞外)不含有叶绿体。它用来保护植物,并通过气孔与周围环境保持接触。

光合作用

  • 维管束:木质部 - 它输送水和矿物盐。在光合作用中,水分子分解为氧、质子(H⁺)和电子(e⁻)。
  • 维管束:韧皮部 - 它输送溶解于水的有机物。光合作用中产生的糖通过韧皮部被输送到植物的其它部位。
  • 气孔 - 二氧化碳是在同化组织通过气孔进入叶子的光合作用中所必须的,所产生的氧气通过它被释放出来。植物可以关闭这些气孔以避免因蒸发而变干。
  • 叶肉细胞 - 它的细胞含有大量叶绿体,光合作用就发生在叶绿体中。
  • CO₂ - 二氧化碳是一种无机分子,植物用其产生有机分子,也就是糖。 植物是自养生物;它们能够将无机物转化为有机物。而异养生物(动物和真菌)无法做到这点。
  • O₂ - 它作为光合作用的副产品被释放出来。在地球上,异养生物所需的氧气由光合作用产生。
  • - 光的粒子称为光子。植物利用光子的能量从无机二氧化碳中生成有机糖。
  • C₆H₁₂O₆ - 葡萄糖(也称为右旋糖)。植物利用光能从二氧化碳中产生它。
  • H₂O - 植物从土壤中吸收水分。在光合作用中,水分子分解为氧、质子(H⁺)和电子(e⁻)。

细胞

  • 高尔基氏体 - 它在加工蛋白质中起着重要​的​作用。
  • 内质网 - 细胞内的膜囊互相连接的复杂网络。它在蛋白质的合成以及加工,脂类的合成和某些物质的分解过程中起着重要作用。
  • 泡囊 - 细胞内的物质是被包在膜泡内输送的。溶酶体就是其中一类,它里面的某些物质被消化,废物被分解。
  • 细胞质
  • 液泡 - 细胞内的气泡,充满了核液。它在维持细胞里的内部液体静压力或肿胀,储存矿物质及排除废物方面起着重要作用。
  • 叶绿体 - 光合作用在此发生:植物利用太阳能从二氧化碳中产生糖。
  • 细胞壁 - 它由纤维素组成,用于保护细胞,保持其形状并使植物组织坚硬。
  • 细胞核 - 它由DNA和蛋白质的结合——核染色质组成。 动物,植物和真菌的细胞为真核细胞,也就是说,它们含有细胞核。原核细胞(细菌)没有细胞核,它们的DNA位于细胞质中。
  • 细胞膜 - 围绕细胞的脂膜。
  • 细胞骨架 - 它在囊泡和细胞器定位和运动中起着重要作用,为动物细胞提供结构和形状——动物细胞没有细胞壁。
  • 线粒体 - 细胞的发电站:它通过分解有机分子产生ATP。 ATP是细胞能量转移的分子。

光相

  • 叶绿体 - 光合作用(利用太阳能从二氧化碳中生成葡萄糖)在此发生。它有一个双膜;内膜含有光合作用所需的酶。
  • 内膜 - 类囊体盘是由内膜的内陷(内折)形成的。它们含有光合作用光相的关键酶。类囊体盘形成一堆堆的基粒。
  • 基粒
  • 类囊体
  • 矩阵
  • 类囊体膜 - 它含有光合作用光相的关键酶。
  • 类囊体腔(内腔)
  • 光系统II - 它由蛋白质和光吸收色素组成,其最大吸收量为680nm。 它的色素是叶绿素a、叶绿素b和叶黄素。叶绿素a是其反应中心的中心色素。当叶绿素a吸收光子时,它进入活跃状态并释放会进入电子传输系统的电子。
  • 光系统I - 它由蛋白质和光吸收色素组成,其最大吸收量为700nm。 它的色素是叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素。叶绿素a是其反应中心的中心色素。当叶绿素a吸收光子时,它进入活跃状态并释放电子。光系统I用一个电子传递链接收的电子来替换该电子。
  • e⁻
  • H₂O - 植物从土壤中吸收水分。在光合作用中,水分子被分解为氧、质子(H⁺)和电子(e⁻)。
  • O
  • H⁺
  • O₂ - 它作为光合作用的副产品被释放出来。在地球上,异养生物所需的氧气由光合作用产生。
  • PQ - 质体醌。它将光系统II释放的电子输送到细胞色素复合体。
  • cyt - 细胞色素复合体,其中有含铁的蛋白质。它接受来自PQ复合体的电子,并将它们转移到质体蓝素。同时,它通过膜将氢化物离子泵送到类囊体内腔。
  • PC - 质体蓝素。它接受来自细胞色素复合体的电子和并将它们转移到光系统I。
  • Fd - 铁氧化还原蛋白。它接受来自光系统I的电子,并将它们转移到FNR分子。
  • FNR - 铁氧还蛋白还原酶辅酶。它在铁氧还蛋白和NADP之间转移电子,也就是说,它还原了NADP。
  • 磷酸盐
  • ADP
  • ATP - 它由ADP和磷酸盐结合在一起形成。它是细胞主要的能量供应分子。有机糖是由无机二氧化碳利用ATP而产生。
  • NADP - 它通过接受来自FNR的电子(e⁻)和穿过ATP酶的质子(H⁺)被还原为NADPH。
  • NADPH
  • ATP酶 - 产生ATP的酶蛋白。质子(H⁺离子)从类囊体膜内部经由ATP酶进入外部。质子这种从内到外的传递是由于质子浓度高和正电荷过多。在它们经过ATP酶时,释放的能量用于产生ATP。
  • 电子传递链 - 光系统II激发的电子(e⁻)通过电子传递链迁移到光系统I。同时质子穿过膜并在类囊体内部聚积。
  • 力驱动H⁺ 离子

暗相

  • ATP
  • ADP
  • NADPH
  • NADP
  • 5C - 一个含有5个碳分子(磷酸戊糖)的糖分子。
  • CO₂ - 二氧化碳是一种无机分子,植物从中产生有机分子,也就是糖。 它增加戊糖碳原子的数目。催化固碳作用的酶(RuBisCo)是暗相反应的关键酶。
  • 3C
  • 3C - 一个含3个碳原子(3-磷酸甘油醛)的分子。
  • 6C (葡萄糖) - 光合作用的产物,它由一个五碳糖分子和含一个碳原子的无机二氧化碳分子形成。植物使用葡萄糖在其进一步的代谢过程中进行淀粉合成或在其消化过程中产生ATP。
  • CO₂固定,3-二磷酸甘油酸的形成 - 暗相的关键反应。在这里,无机二氧化碳被吸收进有机糖分子里。自养过程的实质是由无机物形成有机物。每个分子的碳原子数目从5个增加为6个;此反应的结果是生成两个三碳甘油酸-3-磷酸分子。此反应的催化剂是加氧酶中的酶。
  • 甘油酸-1,3-二磷酸的形成 - 三碳甘油酸-3-磷酸分子利用ATP被转化成甘油酸-1,3-二磷酸分子。
  • 甘油醛-3-磷酸的形成 - 三碳甘油酸-1,3-二磷酸分子也被转换成三碳3-磷酸甘油分子。该反应使用的是NADPH;分子释放无机磷酸盐。 (为了简单起见,这点未在动画中显示)。
  • 甘油醛 -3-磷酸从循环中释放 - 6个甘油醛-3-磷酸分子之一从循环中释放并在形成葡萄糖的过程中被细胞利用。
  • 核酮糖-1,5-二磷酸的形成 - 在酶催化的反应中使用ATP,三碳甘油醛-3-磷酸分子通过几个步骤转化成五碳核酮糖-1,5-二磷酸(戊糖二磷酸)。该过程也被称为核酮糖-1,5-二磷酸再生。循环再次开始。

人造叶子

  • 氮化物半导体 - 它是一种广泛使用的廉价半导体。它利用相当于光合作用光相的光能分解水分子。
  • 金属催化剂 - 它催化对光合作用的暗相起反应的二氧化碳还原,。它用二氧化碳产生有机物(甲酸)。
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • HCOOH(甲酸)

动画

旁白

在光合作用过程中,植物通过光能用无机物——二氧化碳产生有机物——葡萄糖。氧气也在这个过程中形成。

光合作用发生在植物的绿色部分,也就是在叶子里,通常是在软茎里。植物的绿色源自同化组织细胞内的大量叶绿体。这些叶绿体就是光合作用发生的地方。

叶绿体有双层膜。内膜形成圆盘状的类囊体,它们形成叫做基粒的堆叠膜相结构。类囊体的膜含有光合作用中光相反应所需的关键酶。

其中最重要的是两个光系统和它们之间的电子传递链。

光系统含有与蛋白质结合的光吸收色素,最重要的是叶绿素。光系统II的中新叶绿素a分子被光子激发并释放出电子,从而进入电子传输系统。

缺电子的氧化叶绿素用水分子取代其缺少的电子,也就是说,它分裂水。水分子中的氧原子结合形成分子氧,而质子在膜内堆积。 电子传递链的第一位成员是质体醌,它将电子转移到细胞色素复合物。细胞色素是一种含铁的蛋白质,它在泵送更多的质子到类囊体内腔的同时将电子转移到质体蓝素。 电子从电子传递链转移到光系统1。光系统1的中心叶绿素分子处于缺电子状态,因其先前已释放电子而受到光子刺激。然后电子被铁氧还蛋白分子转移到铁氧还蛋白辅酶2还原酶。 在光相位中,质子在里面聚积,也就是说类囊体内腔的质子浓度增大,从而变成带正电。这产生了一个向外的驱动力。质子通过ATP酶向外传递,而能量被释放,因为由于电荷和浓度的均衡,系统从高能状态进入低能状态,所释放的能量被用于产生ATP。释放的质子和电子被NADP接受,它转换成NADPH。 综上所述,光子的能量导致质子分布不均。这产生了一个驱动力,它被用于产生ATP。

暗相的反应不依赖光。在暗相中,利用ATP的能量和在光相中产生的NADPH氢离子的有机化合物,二氧化碳被吸收进ATP化合物之中。 让我们从3个五碳糖分子开始。它们共有15个碳原子。一个酶蛋白将1个二氧化碳分子吸收进每个糖分子,而产物分裂,6个三碳分子形成,一共有18个碳原子。然后,通过将1个NADPH和1个ATP用于每个分子,6个甘油醛3分子分子形成。其中之一退出循环,而其他的则用3个ATP转换回3个五碳糖分子,然后循环从头再来。也就是说,通过使用ATP和在光相中产生的N​​ADPH,在此循环中产生1个三碳分子。两个周期产生2个三碳分子,它们附着形成1个六碳葡萄糖分子。植物利用葡萄糖在其进一步的代谢过程进行淀粉合成或在其消化过程产生ATP。

人们已经进行了制造模拟光合作用的人工系统的实验。人造叶子里的光反应和暗反应在两个单独的容器中进行。光反应发生在氮化物半导体中, 氮化物半导体见光后会分解水。氧气作为气泡释放出来,而质子和电子被转移到另一个容器中,与后者通过导线被转移。这个容器是暗反应的场所。金属催化剂在这里被用于从二氧化碳和水生成甲酸。该系统使得利用太阳光的能量成为可能,而且它也许还有助于减少大气中的二氧化碳含量,这将对减少温室效应和全球变暖有所帮助。

相关附加项

氧循环

氧循环描述了氧在其三个主要储层内的运动。

温室效应

人类活动增加了温室效应,并导致全球变暖。

叶绿素

叶绿素是在植物中发现的绿色颜料,它在光合作用中起重要作用。

动物和植物细胞,细胞器

真核细胞中含有许多细胞器。

酶是负责催化生化反应的蛋白质分子。其活性可被调节。

空气污染

本动画展示了空气污染的主要来源:农业、工业和城市的空气污染。

转运过程

此动画介绍通过细胞膜发生的主动和被动的转运过程

种子和发芽

双子叶植物有两个胚叶(子叶),而单子叶只有一个。

植物的营养器官

这些器官对植物的生存和生长至关重要。

叶子的结构

该动画演示了主要类型的叶子以及单子叶植物和双子叶植物的叶子之间的差异。

生态位

在生态学中,生态位是描述一个物种生活方式的一个术语。

碳循环

在光合作用中,碳结合到有机物中,而在呼吸过程中,它被释放到大气中。

本动画演示了一朵典型的花的结构。

二磷酸腺苷,三磷酸腺苷

ATP是细胞能量的主要来源。

太阳

太阳的直径约为地球的109倍,其大部分质量由氢气构成。

森林砍伐

砍伐森林对环境造成负面影响。

阿米巴变形虫

分布广泛的异养单细胞生物,形状不断变化。

表面张力

表面张力是让液体可以获得尽可能最小表面积的特性。

氧气(O₂)(中级)

一种无色无味的维持地球生命必不可少的气体,是大气的重要组成部分。

单子叶植物和双子叶植物的比较

被子植物分为单子叶植物和双子叶植物两类。

绿眼虫

生活在淡水中能自养和异养的单细胞真核生物。

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