上海交大 中文翻译 生物化学课本：第19章 光合成系统的光反应
光化学反应的基本原理
光化学反应的基本原理光化学反应是上述在光照条件下发生的化学反应。
它们是由光的能量推动的，通常涉及光吸收、电子转移和分子重排等多个步骤。
掌握光化学反应的基本原理，对于理解光合作用、光催化以及其他许多生物和化工过程至关重要。
一、光化学反应的定义与背景光化学反应指的是在光的照射下，物质之间发生的化学变化。
其基本过程是在特定波长的光照射下，分子吸收能量，并通过跃迁到激发态，这一过程通常称为光吸收。
这种激发态的不稳定性使得分子能够进行离解、变构、重排或与其他分子发生反应。
1.1 光化学反应的历史光化学反应的研究可以追溯到19世纪，早期的研究集中在阳光对有机物质变化的影响上。
随着科技的发展，特别是20世纪以来，对于色素和催化剂等方面的深入研究，推动了此领域的发展，使得我们对光能的利用有了更深刻的理解。
1.2 光化学反应的重要性光化学反应在自然界中广泛存在，尤其是在植物的光合作用中。
植物通过捕获阳光，将二氧化碳和水转变为葡萄糖和氧气，这一过程不仅为植物提供了生长所需的能量，也为地球上的大多数生物提供了食物和氧气。
此外，光化学反应在许多工业应用中占据重要地位。
例如，太阳能电池、光催化剂等技术直接利用太阳能进行能源转化和环境净化。
因此，深入理解光化学反应，可以为清洁能源与环境保护提供科学依据。
二、光吸收与激发态2.1 光吸收原理分子会在特定波长的光照射下吸收能源，使其电子从基态跃迁到激发态。
不同分子的电子结构决定了其吸收特定波长的能力，这一现象称为选择性吸收。
当分子吸收足够能量后，其内部电子可跃迁至更高能级，从而形成激发态。
2.2 激发态与反应性激发态是一种高能态，通常比基态不稳定。
在此状态下，分子能够唤起一系列可能的化学变化，例如：键断裂：在某些情况下，激发态能提供足够的能量克服键合能，从而导致分子的裂解。
电子转移：激发态中的电子可转移至其他分子，引起氧化还原反应，这也是许多生物和工业反应中的关键步骤。
重排列：在激发态下，一些分子可能会经历空间构型的改变，使其重排列为新的结构，从而形成新产物。
光合作用光反应与暗反应方程式
光合作用光反应与暗反应方程式第一篇嗨，亲爱的小伙伴们！今天咱们来聊聊神奇的光合作用中的光反应和暗反应方程式。
光反应这部分呀，就像是一场超级炫酷的能量派对！方程式写出来是这样的：2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂哇哦，这意味着水在光的作用下分解啦，产生了氢离子、电子和氧气。
就好像水被施了魔法，一下子变出了这么多东西。
光能还把 ADP 和 Pi 变成了厉害的 ATP 呢，方程式是：ADP + Pi + 光能→ ATP这就像是给细胞攒了好多能量小金库，为后面的反应做好准备。
再来说说暗反应，这可是个细致的活儿。
CO₂ + C₅ → 2C₃这一步，二氧化碳和五碳化合物手拉手，变成了两个三碳化合物。
然后呢，2C₃ + [H] + ATP → （CH₂O） + C₅ + ADP + Pi三碳化合物在氢和能量的帮助下，变成了有机物，同时五碳化合物又回来了，准备迎接下一轮反应。
怎么样，是不是觉得光合作用超神奇？光反应和暗反应配合得简直天衣无缝，为植物们制造出了生存所需的物质。
咱们可得好好感谢大自然的这份神奇魔法呀！第二篇嘿，朋友们！今天咱们深入探索一下光合作用里光反应与暗反应的方程式。
先瞧瞧光反应，那简直是光带来的奇迹！水在光照下可激动了，分解成氢离子、电子和氧气，方程式是2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂。
你能想象到水这么活跃地变化吗？还有哦，光能让 ADP 和 Pi 紧紧拥抱，变成能量满满的 ATP，ADP + Pi + 光能→ ATP，就好像给细胞注入了超级能量。
接着说说暗反应，这可有点复杂但又特别有趣。
一开始，二氧化碳和五碳化合物友好地结合，CO₂ + C₅ → 2C₃。
然后呀，在氢和 ATP 的助力下，三碳化合物华丽转身，变成了有机物，2C₃ + [H] + ATP → （CH₂O） + C₅ + ADP + Pi 。
这整个过程就像是一场精心编排的舞蹈，每个步骤都恰到好处。
所以呀，咱们得珍惜大自然的这份馈赠，爱护每一棵植物，让它们能继续欢快地进行光合作用，为我们的地球增添更多的生机和美丽！。
上海交大 中文翻译 生物化学课本：第19章 光合成系统的光反应
第19章：光合成的光反应叶绿体（左边）将光能转化成化学能。
叶绿体的高能电子经过两个光系统（右边）运输。
在这个转运过程使还原能力达到最大值，同时合成ATP。
ATP的合成方式与线粒体类似。
但是，与线粒体电子转移方式不同，叶绿体电子的能量来自光能。
1基本上生物系统所用的所有能量都来自光合成过程所摄取的太阳能量。
光合成的基本化学方程式很简单。
水和CO2结合形成碳水化合物和O2。
CO2 + H2O （CH2O）+ H2O在这个方程式中，（CH2O)表示碳水化合物，主要是蔗糖和淀粉。
光合成机制复杂，有很多蛋白质和小分子参与。
绿色植物的光合成在叶绿体内进行（图19.1）。
叶绿体的色素分子（称为叶绿素，chlorophyl) 捕获光能。
捕获的能量将一些电子激发到更高的能量状态。
实际上光用来制造还原势能。
2图19.1 菠菜（spinach)叶的叶绿素的电镜图谱。
类囊体（thylakoid）膜堆经过一系列反应（通常称为光反应,，因为这些反应需要光），被激活的电子用来制造NADPH和ATP。
随后，光反应形成的NADPH和ATP还原CO2，用一系列反应（通常称为Calvin循环）将二氧化碳转化成3-磷酸甘油酸。
在20章讨论Calvin循环。
光合成储存的能量巨大，每年地球光合作用储存的能量达到4.2 ×1017 kJ，相当于1010吨碳转化成糖和其它形式的生命物质。
如同其它动物，我们也许很容易忽略光合成对我们生物圈的最重3要性。
光合成是所有碳化物和所有氧气的来源。
这些氧气使地球产生有氧代谢生物成为可能。
光合成将光能转化成化学能光合成的光反应非常类似于氧化磷酸化。
两者之间相同之处在于：（1）高能电子也是在电子传递链中传递产生质子驱动力，驱动ATP合成酶作用；（2）光合磷酸化过程中，电子能够直接将NADP+还原成NADPH。
氧化磷酸化和光合磷酸化途径之间的主要差别在于高能电子的来源。
氧化磷酸化的高能电子来自碳化物氧化成CO2。
光合作用光反应与暗反应
光合作用光反应：光反应又称为光系统电子传递反应。
在反应过程中,来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。
然后电子通过在叶绿体类囊体膜中的电子传递链间的移动传递,并将H+质子从叶绿体基质传递到类囊体腔,建立电化学质子梯度,用于ATP的合成。
光反应的最后一步是高能电子被NADP+接受,使其被还原成NADPH。
光反应的场所是类囊体。
准确地说光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能, 并将光能转化为化学能, 形成ATP和NADPH的过程。
光反应包括光能吸收、电子传递、光合磷酸化等三个主要步骤。
光合作用暗反应：在暗反应阶段中，绿叶通过气孔从外界吸进二氧化碳，不能直接被还原氢还原。
它必须首先与植物体内的C5（一种五碳化合物,二磷酸核酮糖）结合，这个过程叫做二氧化碳的固定。
一个二氧化碳分子被一个C5分子固定后，很快形成两个C3（一种三碳化合物, 12甘油醛-3-磷酸）分子。
在有关酶的催化作用下，C3接受ATP释放的能量并且被还原氢还原。
随后，一些接受能量并被还原氢还原的C3经过一系列变化，形成糖类；另一些接受能量并被还原氢还原的C3则经过一系列的化学变化，又形成C5，从而使暗反应阶段的化学反应持续地进行下去。
暗反应发生于叶绿体基质,。
光合磷酸化：光合磷酸化是植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化腺二磷（ADP）与磷酸（Pi）形成腺三磷（ATP）的反应。
有两种类型：循环式光合磷酸化和非循环式光合磷酸化。
前者是在光反应的循环式电子传递过程中同时发生磷酸化，产生ATP。
后者是在光反应的非循环式电子传递过程中同时发生磷酸化，产生ATP。
在非循环式电子传递途径中，电子最终来自于水，最后传到氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）。
因此，在形成ATP的同时，还释放了氧并形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。
化学物理中的光化学反应机制
化学物理中的光化学反应机制光化学反应是指利用光能，实现从光能到化学能的转化过程。
由于光化学反应需要较高的能量，只有波长短于200nm的紫外线和可见光中的某些波长，以及一部分近红外线才能激发物质发生光化学反应。
因此，光化学反应是一种高能反应。
光化学反应不同于热引起的化学反应，它在反应过程中需要吸收光能，以帮助破坏化学键，启动反应。
在光化学反应中，通常需要考虑一个很重要的因素——发生反应的速率是由光子引起的，因此，光强度和波长是影响反应均相和异相体系中光化学反应速率的重要因素。
光化学反应的基本概念1. 光度学光度学是指描述光并分析其相互作用的科学，其中就包括了光化学反应。
在光度学中，普遍采取国际标准比色皿法进行测量和分析，比色皿法简便易行且准确可靠。
在光化学反应中，光是产生化学变化的原动力，而研究光的性质和光与物质相互作用的规律，即是光度学研究的重点。
在光度学中，我们主要研究下列的内容：光谱学：描述光能谱的学科，研究不同波长的光线激发结束的电子跃迁过程，可以给出预测光化学反应机理和反应物的能级分布。
光敏剂：指能够吸收光子并导致光化学反应的物质，寻找适合光化学反应的光敏剂是确保反应成功的关键之一。
发色团：是指固体、液体、气体或溶液中的某种化学结构，可以吸收特定波长的光。
对于知道其结构的物质，可以预测其对特定波长和强度的光的响应，因而可以确定其光吸收特性的范围。
2. 光解反应在光化学反应中，光敏剂吸收电磁辐射，并将光能转化为化学能，使光敏剂分解为新的物质。
这个过程称为“光解反应”。
在光解反应中，产生的新物质可能是一些基团或离子中间体，也可能是一个自由基的系统。
在光化学反应中，自由基是最常见的中间体，而光解反应是光化学反应中最常见的反应类型之一。
3. 化学发光化学发光是指在一些化学反应中，产生的能量激发物或中间体，通过发光释放能量的现象。
化学发光可以用于检测无机和有机物质的存在，如检测特定气溶胶或建立特定类型化学反应的机理。
光合作用名词解释
一、名词解释1.光反应(ligh t reaction )与暗反应(dark reaction):光合作用中需要光的反应过程是一系列光化学反应过程包括水的光解、电子传递及同化力的形成;暗反应是指光合作用中不需要光的反应过程是一系列酶促反应过程包括CO2的固走、还原及碳水化合物的形成。
2 . C3途径(C3pat hway)与C4途径(C4pathway)以RuBP为二氧化碳受体，二氧化碳固走后的最初产物为PGA的光合途径即为C3途径;以P EP为二氧化碳受体，二氧化碳固走后的最初产物为四碳双竣酸的光合途径，即为C4途径。
3 .光系统(photosystem, PS ):由不同的中心色素和一些天线色素、电子供体和电子受体组成的蛋白色素复合体，冥中PS I的中心色素为咔录素a P700 , PSII的中心色素为叶绿素aP680o4 .反应和C'( reaction cen ter):由中心色素、原初电子供体及原初电子受体组成的具有电荷分离功能的色素蛋白复合体结构。
5 .光合"午休"现象(midday depression ):光合作用在中午时下降的现象。
6原初反应(primary reaction):包括光能的吸收、传递以及光能向电能的转变，即由光所引起的氧化还原过程。
7 .磷光现象(phosphorescence phenomenon ):当去掉光源后，叶绿素溶液还能继续辐射出极微弱的红光，它是由三线态回到基态时所产生的光。
这种发光现象称为磷光现象。
8 .荧光现象(fluorescence phenomenon ):叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色，这种现象称为荧光现象。
9红降(red drop):当光波大于685nm时，虽然仍被叶绿素大星吸收，但呈子效率急剧下降，称为红降。
又称量子产额或光合效率。
指吸收一个光呈子后放出(quantum efficiency):呈子效率10 . 的氧分子数目或固走二氧化碳的分子数目。
化学合成中的光化学反应
化学合成中的光化学反应化学合成指的是用化学方法将一种或多种原料经过化学反应得到一种新的物质。
这种方法已在很多领域中得到广泛应用，例如有机合成、药物合成、材料科学等等。
其中，光化学合成是一种较为特殊的化学反应方式。
光化学反应指的是利用光能作为反应驱动力进行化学反应的过程。
这种反应方式已被广泛应用于各种领域中，如药物合成、化学传感器、光合成等等。
相比其他化学反应方式，光化学反应具有无毒、高效率、高选择性、易控制等优点，因此在研究和应用上有着广泛的前景和潜力。
光化学反应的原理光化学反应的原理可以分为两个步骤：光激发和化学反应。
在这个过程中，首先是光激发，即能量从光源中转移到反应物中，使其进入一个高能量的激发态。
然后，化学反应会在激发态中发生，产生不同的化学产物。
光化学反应的速率和产物选择性取决于入射光的波长和强度、反应物的浓度、反应条件和催化剂等因素。
因此，在进行光化学反应时，需要仔细设计反应条件和反应体系以满足需求。
光化学反应的应用在有机合成领域中，光化学反应可以用于产生高选择性的化学产物，比如用于制备手性药物。
例如，手性环氧乙烷的制备就可以通过光催化来增加反应的选择性和效率。
此外，光化学反应还可以用于制备各种具有特定功能的化合物，例如荧光标记剂、医用总结硫酸盐、荧光变色剂等。
除了有机化学合成领域，光化学反应还可以应用于化学传感器、光降解反应、光催化分解等领域。
例如，利用光催化技术可以将水和二氧化碳转化为燃料，从而实现低碳排放，具有重要的环保和能源意义。
光化学反应的研究光化学反应的研究需要涉及多个方面，如反应机理、光源设计、反应体系设计等。
在反应的机理研究中，通过探究反应中产物生成的能量变化，可以进一步了解反应的基本原理和动力学过程。
同时，反应体系的设计也是光化学反应研究的重要组成部分。
反应体系应该实现反应物与反应之间组成的平衡，从而达到稳定的反应条件。
因此，设计反应体系时应该注意反应模型、光源、催化剂、反应温度等因素。
光反应和暗反应的过程
光反应和暗反应的过程
光反应：光反应又称光合作用，是2H2O和CO2参与到光能作用而发生的一组化学反应。
该过程具有光能利用率高、使用反应物简单的特点，可分解二氧化碳、光合甘酸，利用太阳能制造有机物的能量转换过程。
这一过程主要由光激发、光化学分子变化、光气体交换以及光化学合成四个阶段组成。
暗反应：暗反应也称暗呼吸或暗缓慢代谢，是在植物无光条件或受光条件不足下发生的化学反应，它是植物发生糖代谢的主要途径。
暗反应主要包括光合甘酸负调节、Glyceraldehyde- 3-phosphate （GAP）酯酶活性调节、Ribulose 1，5-bisphosphate carboxylase （RUBP C）活性调节、根据环境条件调节碳置换和提高oxygenase （PTOX）gene的表达等过程。
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第19章：光合成的光反应
叶绿体（左边）将光能转化成化学能。
叶绿体的高能电子经过两个光系统（右边）运输。
在这个转运过程使还原能力达到最大值，同时合成ATP。
ATP的合成方式与线粒体类似。
但是，与线粒体电子转移方式不同，叶绿体电子的能量来自光能。
1
基本上生物系统所用的所有能量都来自光合成过程所摄取的太阳能量。
光合成的基本化学方程式很简单。
水和CO2结合形成碳水化合物和O2。
CO2 + H2O （CH2O）+ H2O
在这个方程式中，（CH2O)表示碳水化合物，主要是蔗糖和淀粉。
光合成机制复杂，有很多蛋白质和小分子参与。
绿色植物的光合成在叶绿体内进行（图19.1）。
叶绿体的色素分子（称为叶绿素，chlorophyl) 捕获光能。
捕获的能量将一些电子激发到更高的能量状态。
实际上光用来制造还原势能。
2
图19.1 菠菜（spinach)叶的叶绿素的
电镜图谱。
类囊体（thylakoid）膜堆
经过一系列反应（通常称为光反应,，因为这些反应需要光），被
激活的电子用来制造NADPH和ATP。
随后，光反应形成的NADPH
和ATP还原CO2，用一系列反应（通常称为Calvin循环）将二氧化
碳转化成3-磷酸甘油酸。
在20章讨论Calvin循环。
光合成储存的
能量巨大，每年地球光合作用储存的能量达到4.2 ×1017 kJ，相当
于1010吨碳转化成糖和其它形式的生命物质。
如同其它动物，我们也许很容易忽略光合成对我们生物圈的最重
3
要性。
光合成是所有碳化物和所有氧气的来源。
这些氧气使地球产生有氧代谢生物成为可能。
光合成将光能转化成化学能
光合成的光反应非常类似于氧化磷酸化。
两者之间相同之处在于：（1）高能电子也是在电子传递链中传递产生质子驱动力，驱动ATP合成酶作用；（2）光合磷酸化过程中，电子能够直接将NADP+还原成NADPH。
氧化磷酸化和光合磷酸化途径之间的主要差别在于高能电子的来源。
氧化磷酸化的高能电子来自碳化物氧化成CO2。
而光合磷酸化过程中，电子被光子能量激发成能量更高的电子（图19.2）。
在捕获光能的复合体中，从一个叶绿素分子到达另一个叶绿素分子进行的电子激发，直到激发能量被具有特定性质的叶绿素捕获。
在这样的反应中心，激发电子的能量被转化成具有还原能力的电子。
4
图19.2 光合成的光反应。
吸收光能用来产生跨膜质子梯度（这些质子回流驱动ATP合成)、驱动来自水分子的电子还原NADP+(生成NADPH）。
两类光反应参与绿色植物的光合成。
光系统I产生NADPH，光系统II将水的电子转移给醌，产生副产物氧气。
每个光系统内和两个光系统之间电子传递产生跨膜质子梯度，此梯度驱动ATP合成。
在暗反应，光反应形成的NADPH和ATP驱动CO2还原，形成有用的有机化合物。
19.1 在叶绿体内进行光合成
5
燃料分子产生ATP的主要途径是氧化磷酸化（第18章）。
氧化磷酸化在一个区室（线粒体）内部进行。
类似地，将光能转化成化学能的过程也集中于一个区间进行。
这个区间就是叶绿体。
叶绿体的长度通常是5 um长。
与线粒体一样，叶绿体也有一层外膜和一层内膜，两层膜之间有膜间隙（图19.3）。
内膜围绕的空间叫基质（stroma），是光合成的碳化学所在（20.1节）。
基质内的膜状结构是类囊体，是扁平的囊状结构。
类囊体堆积，形成基粒。
基粒之间用基质片层（stroma lamellae）连接。
类囊体膜将类囊体空间与基质空间分开。
因此叶绿体有三种不同的膜（外膜、内膜、和类囊体膜）；和三种不同的空间（膜间隙、基质、类囊体腔）。
在叶绿体发育过程中，类囊体膜来源于内膜向内折叠，因此相当于线粒体的嵴。
与线粒体嵴类似，类囊体是产生质子驱动力的偶联的氧化-还原反应的场所。
图19.3 叶绿体结构图。
光合成的初始反应在类囊体膜上进行
6
类囊体膜含有能量转化装置：捕获光的蛋白质、反应中心、电子传递链、和ATP合成酶。
内囊体膜的蛋白质和脂质量几乎相等。
膜的脂质分子很有特色：约40%的脂质是半乳糖脂、4%是硫脂、只有10%的磷脂。
类囊体膜和内膜，如同线粒体内膜，对大多数分子和离子不透过。
叶绿体外膜如同线粒体的外膜，对小分子和离子的通透性很高。
基质溶液含有能够利用NADPH和ATP将CO2转化成糖的可溶性酶。
植物叶细胞含有1 ～100 个叶绿体。
具体数目取决于植物种类、细胞种类、和生长条件。
叶绿体源自共生事件
叶绿体有自身DNA和基因复制、表达的机制。
但是叶绿体含有很多细胞核编码蛋白，不能自主生活。
细胞和其叶绿体的内在关系如何建立的？现在认为，叶绿体的发生类似于线粒体，是具有光合成能力的微生物（最可能是蓝藻的祖先）被真核细胞内吞，发生共生的结果。
证据显示高等植物和绿藻的线粒体是同一内吞事件的产物，而红藻和棕藻至少还发生了一次内吞共生事件。
叶绿体基因组比蓝藻基因组小，但是两者基因组的关键特征共同：环状DNA，DNA复制起点单一，两者的基因arranged in操纵
7
子－under common control的功能相关基因（31章）。
在进化过程中，叶绿体祖先的很多基因转移给植物细胞核，或者，在有些情况下完全丧失，因此表现出对宿主完全细胞的依赖关系。
图19.4 蓝藻。
能够进行光合作用的纤维状蓝藻细菌Anabena克隆放大450倍的图像。
这些细菌的祖先进化发展成今天的叶绿体。
19.2 叶绿素吸收光诱导电子转移
8。