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光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素,在可見光的照射下,將二氧化碳和水轉化為碳水化合物,並釋放出氧氣的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產者,是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用,食物鏈的消費者可以吸收到植物所貯存的能量,效率為30%左右。對於生物界的幾乎所有生物來説,這個過程是他們賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環,光合作用是其中最重要的一環。
植物與動物不同,它們沒有消化系統,因此它們必須依靠其他的方式來進行對營養的攝取。就是所謂的自養生物。對於綠色植物來説,在陽光充足的白天,它們將利用陽光的能量來進行光合作用,以獲得生長發育必需的養分。
這個過程的關鍵參與者是內部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下,把經由氣孔進入葉子內部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成爲葡萄糖,同時釋放氧氣:
12H2O + 6CO2 + 陽光 → (與葉綠素產生化學作用); C6H12O6 (葡萄糖) + 6O2 + 6H2O
注意:上式中等號兩邊的水不能抵消,雖然在化學上式子顯得很特別。原因是左邊的水,是植物吸收所得,而且用於製造氧氣和提供電子和氫離子。而右邊的水分子的氧原子則是來自二氧化碳。為了更清楚地表達這一原料產物起始過程,人們更習慣在等號左右兩邊都下寫上水分子,或者在右邊的水分子右上角打上星號。
植物的光合作用可分為光反應和暗反應兩個步驟,
[編輯] 光反應
場所:類囊體
影響因素:光強度,水分供給
植物光合作用的兩個吸收峰
葉綠素a,b的吸收峰過程:葉綠體膜上的兩套光合作用系統:光合作用系統一和光合作用系統二,(光合作用系統一比光合作用系統二要原始,但電子傳遞先在光合系統二開始,一二的命名則是按其發現順序)在光照的情況下,分別吸收700nm和680nm波長的光子,作為能量,將從水分子光解光程中得到電子不斷傳遞,其中還有細胞色素b6/f的參與,最後傳遞給輔酶NADP,通過鐵氧環蛋白-NADP還原酶將NADP還原為NADPH。而水光解所得的氫離子則因為順濃度差通過類囊體膜上的蛋白質複合體從類囊體內向外移動到基質,勢能降低,其間的勢能用於合成ATP,以供暗反應所用。而此時勢能已降低的氫離子則被氫載體NADP帶走。一分子NADP可攜帶兩個氫離子。這個NADPH+H離子則在暗反應裡面充當還原劑的作用。
意義:
光解水,產生氧氣。
將光能轉變成化學能,產生ATP,為暗反應提供能量。
利用水光解的產物氫離子,合成NADPH及H離子,為暗反應提供還原劑。
詳細過程如下: [1] [2]
光系統由多種色素組成,如葉綠素a(Chlorophyll a)、葉綠素b(Chlorophyll b)、類胡蘿蔔素(Catotenoids)等組成。既拓寬了光合作用的作用光譜,其他的色素也能吸收過度的強光而產生所謂的光保護作用(Photoprotection)。在此系統裡,當光子打到系統裡的色素分子時,會如圖片所示一般,電子會在分子之間移轉,直到反應中心為止。反應中心有兩種,光系統一吸收光譜於700nm達到高峰,系統二則是680nm為高峰。反應中心是由葉綠素a及特定蛋白質所組成(這邊的葉綠素a是因為位置而非結構特殊),蛋白質的種類決定了反應中心吸收之波長。反應中心吸收了特定波長的光線後,葉綠素a激發出了一個電子,而旁邊的酵素使水裂解成氫離子和氧原子,多餘的電子去補葉綠素a分子上的缺。然後葉綠素a透過如圖所示的過程,生產ATP與NADPH分子,過程稱之為電子傳遞鏈(Electron Transport Chain)。
電子傳遞鏈分為兩種,循環(cyclic)和非循環(noncyclic)