人工光合作用原理

光合作用的原理

光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。其主要包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。

其主要包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

1、光合作用的过程是一个比较复杂的问题，从表面上看，光合作用的总反应式似乎是一个简单的氧化还原过程，但实质上包括一系列的光化学步骤和物质转变问题。

2、根据现代的资料，整个光合作用大致可分为下列3大步骤：

（1）原初反应，包括光能的吸收、传递和转换；

（2）电子传递和光合磷酸化，形成活跃化学能（ATP和NADPH）；

（3）碳同化，把活跃的化学能转变为稳定的化学能（固定CO2，形成糖类）。

3、在介绍光合作用反应过程前，对光合作用过程中涉及的光合色素及光系统进行一定的了解是必要的。

嗜盐菌的菌视紫素和光介导 (Light-mediated)ATP 合成系统：

在厌氧光照条件下培养嗜盐菌时,产生一种菌视紫素嵌入细胞质膜中,成为紫膜,使菌体呈现红紫色紫膜的膜片约占全膜的50%,由 25%的脂类和75%的蛋白质组成这种蛋白质与动物视觉器官的感光细胞中的视紫红质（rhodopsin）相似,也含有视紫素,被称为菌视紫素嗜盐菌的菌视紫素可强烈吸收570nm处的绿色光谱区菌视紫素的视觉色基(发色团)通常以一种全-反式(all trans)结构存在于膜内侧,它可被激发并随着光吸收暂时转换成顺式(cis form)状态这种转型作用的结果使H+质子转移到膜的外面,随着菌视紫素分子的松弛和黑暗时吸收细胞质中的质子,顺式状态又转换成更为稳定的全-反式异构体再次的光吸收又被激发,转移H+如此循环,形成质膜上的H+质子梯度差,产生电化势菌体利用这种电化势在ATP酶的催化下,进行ATP的合成,为菌体贮备生命活动所需要的能量这种由菌视紫素参与的光介导ATP的合成,显然与光合细菌叶绿素的能量产生有本质的区别盐杆菌的这种光介导的H+质子泵还具有通过Na+/K+反向转运(antiport)向细胞外排出Na+的功能,并且驱动为保持细胞渗透压平衡所需要的K+和各种营养物的吸收对于氨基酸的吸收也被证明是间接地通过光来驱动,一种氨基酸Na+泵运输系统被用于运载氨基酸的吸收

紫膜是极端嗜盐古生菌细胞结构的一大特征,除具有光合作用外,还具有光能转换特性,如将太阳能转换为电能紫膜的分子结构在光作用下的变构现象,也有可能作为生物计算机的光开关、存储器等

将太阳能变为化学能。

植物在同化无机碳化物的同时，把太阳能转变为化学能，储存在所形成的有机化合物中。每年光合作用所同化的太阳能约为，约为人能所需能量的10倍。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。

因此可以说，光合作用提供今天的主要能源。绿色植物是一个巨型的能量转换站。

光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。 其主要包括光反应、暗反应两个阶段，   涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

1、光合作用：

光合作用是植物、藻类等生产者和某些细菌，利用光能，将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物。植物被称为食物链的生产者，因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。植物与动物不同，它们没有消化系统，因此它们必须依靠其他的方式来进行对营养的摄取，在阳光充足的白天，它们利用太阳光能来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。

2、光合作用原理：

光合作用的关键参与者是植物体内的叶绿体，叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉等能源物质，同时释放氧气。

3、反应条件：光照、光合色素、光反应酶。

光合作用（Photosynthesis）是绿色植物利用叶绿素等光合色素和某些细菌（如带紫膜的嗜盐古菌）利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气[1] ）的生化过程。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量，效率为10%~20%左右。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。

植物与动物不同，它们没有消化系统，因此它们必须依靠其他的方式来进行对营养的摄取，植物就是所谓的自养生物的一种。对于绿色植物来说，在阳光充足的白天（在光照强度太强的时候植物的气孔会关闭，导致光合作用强度减弱），它们利用太阳光能来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。

这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉等物质，同时释放氧气。

光合作用是将太阳能转化为ATP中活跃的化学能再转化为有机物中稳定的化学能的过程。

化学方程式

CO2+H2O→（CH2O）+O2（反应条件：光能和叶绿体）

6H2O+6CO2+阳光→C6H12O6（葡萄糖）+6O2（与叶绿素产生化学作用）

（化学反应式12H2O+6CO2→C6H12O6（葡萄糖）+6O2+6H2O箭头上标的条件是：酶和光照，下面是叶绿体）

H2O→2H++2e-+1/2O2（水的光解）

NADP++2e-+H+→NADPH（递氢）

ADP+Pi+能量→ATP（递能）

CO2+C5化合物→2C3化合物（二氧化碳的固定）

2C3化合物+4NADPH→C5糖（有机物的生成或称为C3的还原）

C3（一部分）→C5化合物（C3再生C5）

C3（一部分）→储能物质（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的还生成脂肪）

ATP→ADP+Pi+能量（耗能）

C3：某些3碳化合物

C5：某些5碳化合物

能量转化过程：光能→电能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能→ATP中活跃的化学能

注：因为反应中心吸收了特定波长的光后，叶绿素a激发出了一个电子，而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子，多余的电子去补叶绿素a分子上缺的。产生ATP与NADPH分子，这个过程称为电子传递链（Electron Transport Chain）

电子传递链分为循环和非循环。

非循环电子传递链从光系统2出发，会裂解水，释放出氧气，生产ATP与NADPH

循环电子传递链不会产生氧气，因为电子来源并非裂解水。最后会生成ATP

原理是：因为头发上的鳞片遇碱会张开，染发的原理就是利用染发膏中的碱性成分把头发表层的毛鳞片打开，然后让人工色素进入到头发的皮质层，与天然色素中的一部分相结合，最终形成想要的颜色。化学染发改变的是头发的自身结构和腐蚀头皮的过程，氨腐蚀和侵害毛囊。植物染发是物理过程，滋养元素像一层膜一样附着在头发和头皮上，滋养和呵护头发，滋养毛囊。

光反应：

条件：光照、光合色素、光反应酶

场所：叶绿体的类囊体薄膜(色素）

①水的光2H2O→4[H]+O2↑(在光和叶绿体中的色素的催化下）②ATP的合成：ADP+Pi→ATP（在光、酶和叶绿体中的色素的催化下）

影响因素：光照强度、CO2浓度、水分供给、温度、酸碱度等

意义：①光解水,产生氧气②将光能转变成化学能,产生ATP,为暗反应提供能量③利用水光解的产物氢离子,合成NADPH,为暗反应提供还原剂NADPH

暗反应（实质是一系列的酶促反应）

条件：暗反应酶

场所：叶绿体基质

影响因素：温度、CO2浓度、酸碱度等

不同的植物,暗反应的过程不一样,而且叶片的解剖结构也不相同这是植物对环境的适应的结果暗反应可分为C3、C4和CAM三种类型三种类型是因二氧化碳的固定这一过程的不同而划分的对于最常见的C3的反应类型,植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内,通过自由扩散进入叶绿体叶绿体中含有C5起到将CO2固定成为C3的作用C3再与NADPH及ATP提供的能量反应,生成糖类（CH2O）并还原出C5被还原出的C5继续参与暗反应

光合作用的实质是把CO2和H2O转变为有机物（物质变化）和把光能转变成ATP中活跃的化学能再转变成有机物中的稳定的化学能（能量变化）

CO2+H2O(叶绿体、酶、光照）=======O2+（C6H10O5)n

植物呼吸作用过程：有机物+氧（通过线粒体） →二氧化碳+水+能量

化学式：有机物（一般为葡萄糖 C6H12O6）+O2 →（条件：酶）CO2+H2O+能量或者：C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O＋2821kJ

植物在有氧条件下 ,将有机化合物氧化 ,产生CO2和水的过程

此过程中产生的能量可以部分地用于各种生命活动植物组织在供氧不足或无氧时,其中的有机物可以部分分解,产生少量 CO2 并释放少量能量这就是发酵作用 ,有时又称为无氧呼吸与此相区别,氧气供应充分时的呼吸也称为有氧呼吸三碳植物中的绿色部分,在光下以二磷酸核酮糖的氧化产物乙醇酸为底物,继续氧化,产生CO2

光合作用是植物吸收二氧化碳,放出氧气,发生在白天（有阳光）

呼吸作用是植物吸收氧气,放出二氧化碳,发生在晚上（没阳光）

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