第九讲光合作用的原初反应课件.ppt
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1、第九讲光合作用的原初反应第1页,此课件共28页哦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2页,此课件共28页哦原原初初反反应应 是是指指从从光光合合色色素素分分子子被被光光激激发发,到到引引起起第第一个光化学反应为止的过程。它包括:一个光化学反应为止的过程。它包括:光物理光物理光能的吸收、传递光能的吸收、传递 光化学光化学有电子得失有电子得失 原初反应特点原初反应特点 1)1)速速度度非非常常快快,可可在在皮皮秒秒(ps(ps,10101212s)s)与与纳纳秒秒(ns(ns,10109 9s)s)内完成;内完成;2)2)与与温温度度无无关关,可可在在196(77K196(77K
2、,液液氮氮温温度度)或或271(2K271(2K,液氦温度,液氦温度)下进行;下进行;3)3)量量子子效效率率接接近近1 1 由由于于速速度度快快,散散失失的的能能量量少少,所所以以其量子效率接近其量子效率接近1 1。第3页,此课件共28页哦 反应中心色素反应中心色素:少数特殊状态的少数特殊状态的chl a分子,它具有光化学活性,是光能的分子,它具有光化学活性,是光能的“捕捕捉器捉器”、“转换器转换器”。聚聚光光色色素素(天天线线色色素素):没没有有光光化化学学活活性性,只只有有收收集集光光能能的的作作用用,包包括括大大部部分分chla 和全部和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。、胡萝卜素、叶黄
3、素。概念概念第4页,此课件共28页哦一、光能的吸收与传递一、光能的吸收与传递(一一)激激发态的形成的形成通常色素分子是处于能量的最低状态通常色素分子是处于能量的最低状态基态基态。色色素素分分子子吸吸收收了了一一个个光光子子后后,会会引引起起原原子子结结构构内内电电子子的的重重新排列。新排列。其其中中一一个个低低能能的的电电子子获获得得能能量量后后就就可可克克服服原原子子核核正正电电荷对其的吸引力而被推进到高能的荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态激发态。下下式式表表示示叶叶绿绿素素吸吸收收光光子子转转变变成成了了激激发发态态。激激发发态态具有比基态高的能级,能级的升高来自被吸收的光能。具有比基
4、态高的能级,能级的升高来自被吸收的光能。Chl Chl(基态基态)+h+h 10101515s s Chl Chl*(激发态激发态)第5页,此课件共28页哦图图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图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各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级。第6页,此课件共28页哦叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素分子受光激发后的能级变化叶叶绿绿素素在在可可见见光光部部分分有有二二个个吸吸收收区区:红红光光区区与与蓝蓝光光区区。如如果果叶叶绿绿素素分分子子被被蓝蓝光光激激发发,电电子子就就跃跃迁迁到到能能量量较较高高的
5、的第第二二单单线线态态;如果被红光激发,电子则跃迁到能量较低的第一单线态。如果被红光激发,电子则跃迁到能量较低的第一单线态。处处于于单单线线态态的的电电子子,其其自自旋旋方方向向保保持持原原有有状状态态,即即配配对对电电子子的的自自旋旋方方向向相相反反。如如果果电电子子在在激激发发或或退退激激过过程程中中,其其自自旋旋方方向向发发生生了了变变化化,使使原原配配对对的的电电子子自自旋旋方方向向相相同同,那那么么该该电电子子就就进进入入了能级较单线态低的了能级较单线态低的三线态。三线态。第7页,此课件共28页哦图图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 虚
6、线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光,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,实线表示能量的释放,半箭头表示电子自旋方向半箭头表示电子自旋方向 第8页,此课件共28页哦 (二二)激激发态的命运的命运1.1.1.1.放放放放热热 激激发发态态的的叶叶绿绿素素分分子子在在能能级级降降低低时时以以热热的的形形式式释释放放能能量量,此此过过程程又又称称内转换内转换或或无辐射退激无辐射退激。2.2.2.2.发发射射射射荧荧光与磷光光与磷光光与磷光光与磷光 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。3.3.3.3.色素分子
7、色素分子色素分子色素分子间间的能量的能量的能量的能量传递传递 激激发发态态的的色色素素分分子子把把激激发发能能传传递递给给处处于于基基态态的的同同种种或或异异种种分分子子而而返返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。回基态的过程称为色素分子间能量的传递。4.4.4.4.光化学反光化学反光化学反光化学反应应 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:的转变,转变的方式有以下几种:第9页,此课件共28页哦ChlChl*Chl
8、+Chl+热热 Chl Chl*Chl ChlT T+热热 ChlChlT T Chl+Chl+热热 这些都是无辐射退激。这些都是无辐射退激。另另外外吸吸收收蓝蓝光光处处于于第第二二单单线线态态的的叶叶绿绿素素分分子子,其其具具有有的的能能量量虽虽远远大大于于第第一一单单线线态态的的叶叶绿绿素素分分子子。但但超超过过部部分分对对光光合合作作用用是是无无用用的的,在在极极短短的的时时间间内内叶叶绿绿素素分分子子要要从从第第二二单单线线态态降降至至第第一一单单线线态态,多多余余的的能能量量在在降降级级过程中也是以热能释放。过程中也是以热能释放。由由于于叶叶绿绿素素是是以以第第一一单单线线态态参参加
9、加光光合合作作用用的的。所所以以一一个个蓝蓝光光光光子子所所引引起起的的光光合合作作用用与与一一个个红红光光光光子子所所引引起起的的光光合合作作用用是是相相同同的的,在在能能量量利利用用上上蓝蓝光光没没有有红红光光高。高。1.1.放热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,激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量,此过程又此过程又称称内转换内转换或或无辐射退激无辐射退激。如叶绿素分子从第一单线态降至基态或三线。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:态,以及从三线态回至基态时的放热:第10页,此课件共28页哦2.2.发射射荧光与磷光光与磷光
10、 激发态的叶绿素分子回至基态时,可以光子形式释放能量。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。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。磷光。ChlChl*Chl Chl h h 荧光发射荧光发射 (12)(12)ChlChlT T Chl Chl h h 磷光发射磷光发射 (13)(13)磷磷光光波波长长比比荧荧光光波波长长长长,转转换换的的时时间间也也较较长长,而而强强度度只只有有荧荧光光的的1%1%,故需用
11、仪器才能测量到。,故需用仪器才能测量到。10-9-9s s 10-2-2s s 第11页,此课件共28页哦由于叶绿素分子吸收的光能由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗在分子内部的有一部分消耗在分子内部的振动上,且荧光又总是从第振动上,且荧光又总是从第一单线态的最低振动能级辐一单线态的最低振动能级辐射的,辐射出的光能必定低射的,辐射出的光能必定低于吸收的光能,因此叶绿素于吸收的光能,因此叶绿素的荧光的波长总要比被吸收的荧光的波长总要比被吸收的波长长些。的波长长些。对提取的叶绿体色素浓溶对提取的叶绿体色素浓溶液照光,在与入射光垂直的液照光,在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的方向上可观察到呈暗
12、红色的荧光。荧光。第12页,此课件共28页哦离体色素溶液为什么易发荧光,这是因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为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。故。在色素溶液中,如加入某种受体分子,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能使荧光消失,这种受体分子就称为荧荧光猝灭剂,光猝灭剂,常用常用Q表示,在光合作用的光表示,在光合作用的光反应中,反应中,Q即为电子受体。即为电子受体。色素发射荧光的能量与用于光合作用的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
13、标的依据。常常被认作光合作用无效指标的依据。第13页,此课件共28页哦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而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递色素分子间能量的传递。ChlChl*1 1 Chl Chl2 2 ChlChl1 1ChlChl*2 2 供体分子供体分子 受体分子受体分子3.3.色素分子色素分子间的能量的能量传递色素分子吸收的光能,若通过发热、发荧光与磷光等方式退激,能色素分子吸收的光能,若通过发热、发荧光与磷光等方式退激,能量就被浪费了。量就被浪费了。在光合器里,聚光叶绿素分子在第一单线
14、态的能量水平上,通过在光合器里,聚光叶绿素分子在第一单线态的能量水平上,通过分子间的能量传递,把捕获的光能传到反应中心色素分子,以推分子间的能量传递,把捕获的光能传到反应中心色素分子,以推动光化学反应的进行。动光化学反应的进行。一一般般认认为为,色色素素分分子子间间激激发发能能不不是是靠靠分分子子间间的的碰碰撞撞传传递递的的,也也不不是是靠靠分分子子间间电电荷荷转转移移传传递递的的,可可能能是是通通过过“激激子子传传递递”或或“共共振振传传递递”方式传递的。方式传递的。第14页,此课件共28页哦激子传递激子传递激子通常是指非金属晶体中由电激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子,它能转移能量但
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