光合作用的过程和能量转变 ➢光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质， 将光合作用分为三个阶段(表1)： ➢1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成； ➢2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成； ➢3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。 表1 光合作用中各种能量转变情况 • 能量转变 光能 电能 活跃的化学能 稳定的化学能 贮能物质 量子 电子 ATP、NADPH2 碳水化合物 等 转变过程 原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化 时间跨度(秒)10-15－10-9 10-10－10-4 100－101 101－102 反应部位 PSⅠ、PSⅡ颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质 是否需光 需光 不一定，但受光促进 不一定，但受光促进
光合作用的过程和能量转变 ➢光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质， 将光合作用分为三个阶段(表1)： ➢1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成； ➢2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成； ➢3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。 表1 光合作用中各种能量转变情况 • 能量转变 光能 电能 活跃的化学能 稳定的化学能 贮能物质 量子 电子 ATP、NADPH2 碳水化合物 等 转变过程 原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化 时间跨度(秒)10-15－10-9 10-10－10-4 100－101 101－102 反应部位 PSⅠ、PSⅡ颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质 是否需光 需光 不一定，但受光促进 不一定，但受光促进
不同层次和时间上的光合作用
不同层次和时间上的光合作用
第三节 原初反应 ➢ 原初反应 是指从光合色素分子被光激发，到引起 第一个光化学反应为止的过程。它包括： 光物理－光能的吸收、传递 光化学－有电子得失 原初反应特点 1) 速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns， 10－9s)内完成； 2) 与温度无关，可在－196℃(77K，液氮温度)或 －271℃(2K，液氦温度)下进行； 3) 量子效率接近1 由于速度快，散失的能量少，所 以其量子效率接近1
第三节 原初反应 ➢ 原初反应 是指从光合色素分子被光激发，到引起 第一个光化学反应为止的过程。它包括： 光物理－光能的吸收、传递 光化学－有电子得失 原初反应特点 1) 速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns， 10－9s)内完成； 2) 与温度无关，可在－196℃(77K，液氮温度)或 －271℃(2K，液氦温度)下进行； 3) 量子效率接近1 由于速度快，散失的能量少，所 以其量子效率接近1
反应中心色素：少数特殊状态的chl a 分子，它具有光化学活性，是光能的 “捕捉器”、“转换器”。 聚光色素（天线色素）：没有光化学 活性，只有收集光能的作用，包括大部 分chla 和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。 概念
反应中心色素：少数特殊状态的chl a 分子，它具有光化学活性，是光能的 “捕捉器”、“转换器”。 聚光色素（天线色素）：没有光化学 活性，只有收集光能的作用，包括大部 分chla 和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。 概念
一 、光能的吸收与传递 (一) 激发态的形成 ➢通常色素分子是处于能量 的最低状态─基态。 ➢色素分子吸收了一个光子 后，会引起原子结构内电子 的重新排列。 ➢其中一个低能的电子获得 能量后就可克服原子核正电 荷对其的吸引力而被推进到 高能的激发态。 ➢下式表示叶绿素吸收光子 转变成了激发态。激发态具 有比基态高的能级，能级的 升高来自被吸收的光能。 ➢ Chl（基态）+hυ 10－15s Chl*（激发态） 图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级
一 、光能的吸收与传递 (一) 激发态的形成 ➢通常色素分子是处于能量 的最低状态─基态。 ➢色素分子吸收了一个光子 后，会引起原子结构内电子 的重新排列。 ➢其中一个低能的电子获得 能量后就可克服原子核正电 荷对其的吸引力而被推进到 高能的激发态。 ➢下式表示叶绿素吸收光子 转变成了激发态。激发态具 有比基态高的能级，能级的 升高来自被吸收的光能。 ➢ Chl（基态）+hυ 10－15s Chl*（激发态） 图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级
叶绿素分子受光激发后的能级变化 ➢叶绿素在可见光部分有二 个吸收区：红光区与蓝光 区。如果叶绿素分子被蓝 光激发，电子就跃迁到能 量较高的第二单线态；如 果被红光激发，电子则跃 迁到能量较低的第一单线 态。 ➢处于单线态的电子，其自 旋方向保持原有状态，即 配对电子的自旋方向相反。 如果电子在激发或退激过 程中，其自旋方向发生了 变化，使原配对的电子自 旋方向相同，那么该电子 就进入了能级较单线态低 的三线态。 图8 叶绿素分子对光的吸收及能 量的释放示意图 虚线表示吸收光子后所产生的电子 跃迁或发光， 实线表示能量的释放， 半箭头表示电子自旋方向
叶绿素分子受光激发后的能级变化 ➢叶绿素在可见光部分有二 个吸收区：红光区与蓝光 区。如果叶绿素分子被蓝 光激发，电子就跃迁到能 量较高的第二单线态；如 果被红光激发，电子则跃 迁到能量较低的第一单线 态。 ➢处于单线态的电子，其自 旋方向保持原有状态，即 配对电子的自旋方向相反。 如果电子在激发或退激过 程中，其自旋方向发生了 变化，使原配对的电子自 旋方向相同，那么该电子 就进入了能级较单线态低 的三线态。 图8 叶绿素分子对光的吸收及能 量的释放示意图 虚线表示吸收光子后所产生的电子 跃迁或发光， 实线表示能量的释放， 半箭头表示电子自旋方向
(二)激发态的命运 1.放热 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量， 此过程又称内转换或无辐射退激。 2.发射荧光与磷光 激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。 3.色素分子间的能量传递 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种 分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。 4.光化学反应 激发态的色素分子把激发的电子传递给受体分子。 激发态是不稳定的状态， 经过一定时间后，就会发生 能量的转变，转变的方式有 以下几种：
(二)激发态的命运 1.放热 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量， 此过程又称内转换或无辐射退激。 2.发射荧光与磷光 激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。 3.色素分子间的能量传递 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种 分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。 4.光化学反应 激发态的色素分子把激发的电子传递给受体分子。 激发态是不稳定的状态， 经过一定时间后，就会发生 能量的转变，转变的方式有 以下几种：
Chl* → Chl+热 Chl* → ChlT +热 ChlT → Chl+热 这些都是无辐射退激。 ➢ 另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽 远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的， 在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态降至第一单线态，多余 的能量在降级过程中也是以热能释放。 ➢ 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。所以一个蓝光光 子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的， 在能量利用上蓝光没有红光高。 1.放热 ➢激发态的叶绿素分子在能级降 低时以热的形式释放能量，此过 程又称内转换或无辐射退激。如 叶绿素分子从第一单线态降至基 态或三线态，以及从三线态回至 基态时的放热：
Chl* → Chl+热 Chl* → ChlT +热 ChlT → Chl+热 这些都是无辐射退激。 ➢ 另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽 远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的， 在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态降至第一单线态，多余 的能量在降级过程中也是以热能释放。 ➢ 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。所以一个蓝光光 子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的， 在能量利用上蓝光没有红光高。 1.放热 ➢激发态的叶绿素分子在能级降 低时以热的形式释放能量，此过 程又称内转换或无辐射退激。如 叶绿素分子从第一单线态降至基 态或三线态，以及从三线态回至 基态时的放热：
2. 发射荧光与磷光 ➢ 激发态的叶绿素分子回 至基态时，可以光子形 式释放能量。 ➢ 处在第一单线态的叶绿 素分子回至基态时所发 出的光称为荧光。 ➢ 而处在三线态的叶绿素 分子回至基态时所发出 的光称为磷光。 ➢ Chl* Chl ＋ hν 荧光发射 (12) ➢ ChlT Chl ＋ hν 磷光发射 (13) ➢ 磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧 光的1%，故需用仪器才能测量到。 10-9s 10-2s
2. 发射荧光与磷光 ➢ 激发态的叶绿素分子回 至基态时，可以光子形 式释放能量。 ➢ 处在第一单线态的叶绿 素分子回至基态时所发 出的光称为荧光。 ➢ 而处在三线态的叶绿素 分子回至基态时所发出 的光称为磷光。 ➢ Chl* Chl ＋ hν 荧光发射 (12) ➢ ChlT Chl ＋ hν 磷光发射 (13) ➢ 磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧 光的1%，故需用仪器才能测量到。 10-9s 10-2s
➢由于叶绿素分子吸收的光能有一 部分消耗在分子内部的振动上，且 荧光又总是从第一单线态的最低振 动能级辐射的，辐射出的光能必定 低于吸收的光能，因此叶绿素的荧 光的波长总要比被吸收的波长长些。 ➢对提取的叶绿体色素浓溶液照光， 在与入射光垂直的方向上可观察到 呈暗红色的荧光。 ➢离体色素溶液为什么易发荧光，这是 因为溶液中缺少能量受体或电子受体的 缘故。 ➢在色素溶液中，如加入某种受体分子， 能使荧光消失，这种受体分子就称为荧 光猝灭剂，常用Q表示，在光合作用的 光反应中，Q即为电子受体。 ➢色素发射荧光的能量与用于光合作用 的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧 光常常被认作光合作用无效指标的依据
➢由于叶绿素分子吸收的光能有一 部分消耗在分子内部的振动上，且 荧光又总是从第一单线态的最低振 动能级辐射的，辐射出的光能必定 低于吸收的光能，因此叶绿素的荧 光的波长总要比被吸收的波长长些。 ➢对提取的叶绿体色素浓溶液照光， 在与入射光垂直的方向上可观察到 呈暗红色的荧光。 ➢离体色素溶液为什么易发荧光，这是 因为溶液中缺少能量受体或电子受体的 缘故。 ➢在色素溶液中，如加入某种受体分子， 能使荧光消失，这种受体分子就称为荧 光猝灭剂，常用Q表示，在光合作用的 光反应中，Q即为电子受体。 ➢色素发射荧光的能量与用于光合作用 的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧 光常常被认作光合作用无效指标的依据