植物光合作用

平凡人老媪

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• 光合作用动态视频取自X平台, 致敬原作 Massimo@Rainmaker1973
• 电子传送链Z字方案摄自中国科学院植物生理生态研究所光合作用室
• 致谢美友《梅兰竹菊》传授图片文字提取和翻译的方法

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光合作用是指绿色植物、藻类以及某些细菌，在可见光的照射下，利用光合色素(叶绿素)，将二氧化碳和水转化为储存着能量的有机物（如葡萄糖），并释放出氧气的过程。

这一过程将光能转变为化学能，是地球上所有生命生存的基础。

这是地球上最重要的生物化学反应, 不是之一。

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1. 核心化学方程式

光合作用是一个典型的吸收光能的吸热反应，其总反应式可以简化为：

原料：二氧化碳（CO2 ) ，水（H2O)

产物：葡萄糖（C6 H12 O6 ）， 氧气（O2 )， 水（H2O）

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2. 过程与原理

光合作用主要分为两个阶段，光反应和暗反应:

光反应（Light Reactions）：发生在叶绿体的类囊体膜上。植物叶绿素利用光能将水分子裂解，产生氧气和能量（ATP和NADPH）。

• 光能吸收: 色素吸收光能并激发电子。
• 物质转化：水光解释放氧气 O2，同时将辅酶II（NADP⁺）还原为NADPH。
• 能量转化：光能转化为活跃的化学能，储存在ATP和NADPH中，用于后续暗反应（碳反应）。

暗反应 / 碳反应（Dark / Carbon Reactions）：发生在叶绿体基质中。植物利用光反应产生的能量，将空气中的二氧化碳固定并合成为葡萄糖等碳水化合物。

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3. 为什么光合作用如此重要？

光合作用不仅是植物自身生存的基础，也是维持整个地球生态平衡的基石：

能量的源头：它是地球上几乎所有生物的终极能量来源。植物制造的有机物养活了草食动物，进而养活了肉食动物。没有光合作用，就没有生物圈，就没有人类。

制造氧气：地球大气中的氧气几乎全来源于光合作用，供需动物呼吸使用。

调节碳氧平衡：通过吸收大量的二氧化碳并释放氧气，有效缓解了温室效应。

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光合作用动态视频

视频里的英文提取翻译（一）

视频里的英文提取翻译（二）

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光合作用电子传递 Z 字方案:

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光合作用的Z字方案（Z-scheme）是描述植物光反应中电子传递路径的模型。因其能量图谱按氧化还原电位排列，形似英文字母“Z”而得名。它揭示了电子如何从水分子出发，经过两个光系统传递，最终生成能量驱动生命活动的机制。

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Z 字方案的核心流程拆解与解析：

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阶段一：光系统II (PSⅡ) 与水光解

• 激发： 叶绿体中的光系统 II 吸收光子，其中心色素 P680 释放高能电子。
• 水裂解： 失去电子的 P680 具有极强氧化性，会促使水分子 ( H2O) 分裂，释放出氧气（O2）和质子（H+），并补充电子。
• 公 式表示： 2H2 O —> O2 + 4H+ + 4e-

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阶段二：电子传递链与 ATP 生成

• “Z” 字爬坡（第1次）： 电子被光能提升到高能量状态，随后沿着电子传递链（包括质体醌、细胞色素 b6f 复合体等）下坡。
• 合成 ATP： 电子下坡释放的能量用于将质子泵入类囊体腔内，形成的跨膜梯度驱动 ATP 合酶合成生命必需的能量分子 ATP 。

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阶段三：光系统Ⅰ (PSⅠ) 与 NADPH 生成

• 再次激发： 降至低能量状态的电子进入光系统Ⅰ，吸收光子后再次被激发到高能态（P700）。
• 最终归宿： 电子经过进一步传递，最终将辅酶 NADP+ 还原为高能还原剂 NADPH 。

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总结

整个 Z 字方案展示了能量转换的完整链条：

光能 —> 电能 —> 活跃化学能 ATP 与 NADPH 。

这两个产物随后会进入暗反应（卡尔文循环），用于固定二氧化碳，合成有机物。

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Z 字方案图解，图片摄于植生所光合作用室，（美）伊利诺伊大学提供

图片的文字提取翻译

图底英文解说原文第一部分

图底英文解说原文第二部分

图底英文解说原文第三部分

图底英文解说原文第四部分

图底英文解说原文第五部分

图底英文解说原文第六部分

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合并六部分的文字提取

The electron transport from H2O to nicotinamide adenine dinucleotide (NADP*) is traced from left to right on the diagram that uses two Photosystems (I and II). This process is initiated by the simultaneous absorption of light by two antenna complexes, represented by clusters of colored balls. Transfer of that excitation energy to the reaction center chiorophylls (Chl) P680 and P700 powers the entire process. (Mn.0,Ca) is the manganese center, a complex containing 4 manganese atoms, which participates in the splitting of two water molecules into 4 protons (4H*), 4 electrons (4e) and one oxygen molecule (O2). Tyr is a redox active tyrosine molecule, also sometimes referred to as Yz or simply as Z, which acts as an intermediate between the manganese center and "reaction center" of Photosystem II, PSII (P680), a chlorophyll (Chl) complex. Excited P680* has the energy of the photon, that was captured by and transmitted from its light-gathering antenna complex (cluster of colored balls). Pheo is pheophytin, a chlorophyll with its central magnesium ion (Mg2*) replaced by two protons; it is the primary electron acceptor of PSII, whereas P680* is the primary electron donor. QA is a plastoquinone, which is tightly bound and immovable. It is also known as the primary stable electron acceptor of PSII, and it accepts and transfers one electron at a time. Qe is a loosely bound plastoquinone molecule which accepts two electrons and two protons; bicarbonate (HCO5) and carbonate(CO,2) play an essential role here. QBH2, reduced QB, then detaches, and becomes mobile, shuttling the 2 electrons and 2 protons within the hydrophobic core of the thylakold membrane to the cytochrome be/f complex(blue rectangle). FeS Is the Rleske iron-sulfur protein. Cyt.f is cytochrome f. Cyt.beL and Cyt.beH are two cytochrome b6 molecules (of lower and higher potentials) which participate in the Q cycle. PC is plastocyanin, a highly mobile copper protein. P700 and Excited P700* are the ground and excited energy states of Chl in the reaction center of Photosystem I. Ao is a special chlorophyll a molecule that is the primary electron acceptor of PSI, whereas P700* is the primary electron donor of PSI. A1 is a phylloquinone (vitamin K) molecule. Fx, FA and FB are three separate immobile iron-sulfur protein centers. FD is ferredoxin, a mobile iron-sulfur protein, which can participate, along with other iron-sulfur centers, in cyclic transport (dashed blue line). FNR is the enzyme ferredoxin-NADP oxidoreductase, which enables NADP* to accept two electrons and a proton and become NADPH, the reduced form of NADP*. The overall process concentrates protons into the thylakoid lumen, producing an energy gradient that is used in the production of ATP from ADP and inorganic phosphate (Pi) via ATP synthase (not shown).

（ e-mail: [e-mail])

中文翻译

在使用两个光系统（I和II）的图表上，从H2O到烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP*）的电子传输从左到右追踪。 这个过程是由两个天线复合体同时吸收光开始的，这些天线复合体以彩色球为代表。 将激发能转移到反应中心脊叶（Chl）P680和P700为整个过程提供动力。 （Mn.0,Ca）是锰中心，一个包含4个锰原子的复合物，它参与将两个水分子分解为4个质子（4H*）、4个电子（4e）和一个氧分子（O2）。 Tyr是一种氧化还原活性酪氨酸分子，有时也称为Yz或简称Z，它作为锰中心和光系统II的“反应中心”之间的中间体，PSII（P680）是一种叶绿素（Chl）复合物。 激发的P680*具有光子的能量，由其光收集天线复合体（彩色球簇）捕获并传输。 Pheo是Pheophytin，一种叶绿素，其中心镁离子（Mg2*）被两个质子取代；它是PSII的主要电子受体，而P680*是主要电子供体。 QA是一种质醌，它紧密结合且不可移动。 它也被称为PSII的主要稳定电子受体，它一次接受和传递一个电子。 Qe是一种松散结合的质醌分子，它接受两个电子和两个质子；碳酸氢盐（HCO5）和碳酸盐（CO，2）在这里起着至关重要的作用。 QBH2，还原QB，然后分离并变得流动，将thylakold膜疏水核心内的2个电子和2个质子穿梭到细胞色素be/f复合物（蓝色矩形）。 FeS是Rleske铁硫蛋白。 Cyt.f是细胞色素f。 Cyt.beL和Cyt.beH是參與Q迴圈的兩種細胞色素b6分子（低電位和高電位）。 PC是plastocyanin，一种高度移动的铜蛋白。 P700和激发的P700*是光系统I反应中心中Chl的基态和激发能态。 Ao是一种特殊的叶绿素分子，是PSI的主要电子受体，而P700*是PSI的主要电子供体。 A1是一种叶醌（维生素K）分子。 Fx、FA和FB是三个独立的不动铁硫蛋白中心。 FD是铁毒素，一种流动的铁硫蛋白，它可以与其他铁硫中心一起参与循环运输（蓝线虚线）。 FNR是铁毒素-NADP氧化还原酶，它使NADP*能够接受两个电子和一个质子，并成为NADPH，NADP*的还原形式。 整个过程将质子集中到丝状管腔中，产生能量梯度，用于通过ATP合成酶从ADP和无机磷酸盐（Pi）生产ATP（未显示）。

（电子邮件：[e-mail]）

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全文完