高中生物光合作用情景素材

光合作用情景素材 一、C3植物与C4植物 1.分类依据 人们根据光合作用碳素同化的最初光合产物的不同,把高等植物分成两类: (1)C3植物。这类植物的最初产物是3-磷酸甘油酸(三碳化合物),这种反应途径称C3途径,如水稻、小麦、棉花、大豆等大多数植物。 (2) C4植物。这类植物以草酰乙酸(四碳化合物)为最初产物,所以称这种途径为C4途径,如甘蔗、玉米、高粱等。 2.叶片的显微结构区别 C4植物叶片的维管束薄壁细胞较大,其中含有许多较大的叶绿体,叶绿体没有基粒或基粒发育不良;维管束鞘的外侧密接一层成环状或近于环状排列的叶肉细胞,组成了“花环型”结构。这种结构是C4植物叶片所特有的特征。叶肉细胞内的叶绿体数目少,个体小,有基粒。 C3植物的维管束鞘薄壁细胞较小,不含或很少叶绿体,没有“花环型”结构,维管束鞘周围的叶肉细胞排列松散。 植物类型 植物 植物 叶片的解剖结构 无“花环型”结构 维管束鞘细胞及周围的一部分叶肉细胞构成“花环型”结构 叶绿体的类型 有一种类型的叶绿体,主要位于叶肉细胞中 有两种类型的叶绿体,叶肉细胞的叶绿体正常,维管束鞘细胞的叶绿体没有基粒 3.淀粉粒形成的场所 C4植物通过磷酸烯醇式丙酮酸固定二氧化碳的反应是在叶肉细胞中进行的,生成的四碳双羧酸转移到维管束鞘薄壁细胞中,放出二氧化碳,参与卡尔文循环,形成糖类,所以甘蔗、玉米等C4植物进行光合作用时,只有维管束鞘薄壁细胞形成淀粉,在叶肉细胞中没有淀粉。而水稻等C3植物由于仅有叶肉细胞含有叶绿体,整个光合过程都是在叶肉细胞里进行,淀粉亦只是积累在叶肉细胞中,维管束鞘薄壁细胞不积存淀粉。 4、在生理上,C4植物一般比C3植物具有较强的光合作用,这是与C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性较强,光呼吸很弱有关。 卡尔文循环的CO2固定是通过核酮糖二磷酸羧化酶的作用来实现的,C4途径的CO2固定是由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化来完成的。两种酶都可使CO2固定。但它们对CO2的亲和力却差异很大。试验证明,C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性比C3植物的强60倍,因此,C4植物的光合速率比C3植物快许多,尤其是在二氧化碳浓度低的环境下,相差更是悬殊。由于磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶对CO2的亲和力大,所以,C4植物能够利用低浓度的二氧化碳,而C3植物不能。 由于C4植物能利用低浓度的CO2,当外界干旱气孔关闭时,C4植物就能利用细胞间隙里的含量低的CO2,继续生长,C3植物就没有这种本领。所以,在干旱环境中C4植物生长比C3植物好。 C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性较强,对CO2的亲和力很大,这种酶就起一个“二氧化碳泵”的作用,把外界CO2“压”进维管束鞘薄壁细胞中去,增加维管束鞘薄壁细胞的CO2。所以,C4植物在较低CO2浓度时光合速率高于C3植物。 与C3植物相比,C4植物二氧化碳饱和点低,而光饱和点高,光合效率高,这是判断C4物的标准之一。C4植物是通过C4途径同化碳的植物,它同时具备C3和C4两条途径,C4途径本身不能将CO2还原成糖,只能改善CO2的供应,是一种辅助系统。从下图中可知,植物A的光补偿点(即在光照下,植物光合作用吸收的CO2量与呼吸作用释放的CO2量达到动态平衡时外界环境中的CO2浓度)高,它是C3植物。植物B是C4植物。 二、CAM途径: CAM植物夜间吸进CO2,淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下,CO2与PEP结合,生成草酰乙酸,进一步还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少,苹果酸增加,细胞液pH下降。而白天气孔关闭,苹果酸转移到细胞质中脱羧,放出CO2,进入C3途径合成淀粉;形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖,最后合成淀粉或者转移到线粒体,进一步氧化释放CO2,又可进入C3途径。从而表现出白天淀粉增加,苹果酸减少,细胞液pH上升。常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。 三、光呼吸 光呼吸是伴随着光合作用发生的吸收O2、放出CO2的过程。它是在光照条件下发生的呼吸作用,故名光呼吸。虽然也吸收O2放出CO2,但不生成ATP反而消耗物质和能量。 1.酶——Rubisco酶 Rubisco酶是一种双功能酶,它既催化CO2的固定(C5+CO2→2C3),进行光合作用,同时又催化C5的加氧反应(C5+O2→C3+C2)进行光呼吸。其催化反应的方向决定于CO2/O2比值。比值增大,CO2的固定反应增强,进行光合作用;比值减小,加氧反应增强,进入光呼吸途径。 2.光呼吸的场所:叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 3.光呼吸过程C5中碳元素的转移途径:C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2(见图示) 4.二氧化碳的猝发:是指在光照突然停止之后释放出大量的二氧化碳的现象。光合作用停止而光呼吸还在进行