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  雖然一些在光合作用中的步驟仍不能被完全理解,但是整體的光合方程式自19世紀以來是已知的。

  光合作用文字方程式:二氧化碳+水+光能->葡萄糖+氧氣+水 植物與動物不同。對於綠色植物來說,在陽光充足的白天,將利用陽光的能量來進行光合作用,以獲得生長髮育必需的養分,就是所謂的 自營生物。  這個過程的關鍵參與者是內部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下,把經由氣孔進入葉子內部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成為葡萄糖,同時釋放出氧氣:  注意:上式中等號兩邊的水不能抵消,雖然在化學上式子顯得很特別。原因是左邊的水,是植物吸收所得,而且用於製造氧氣和提供電子和氫離子。而右邊的水分子的氧原子則是來自二氧化碳。為了更清楚地表達這一原料產物起始過程,人們更習慣在等號左右兩邊都寫上水分子,或者在右邊的水分子右上角打上星號。  植物的光合作用可分為"光反應"和"碳反應"兩個步驟如下:  12HO +陽光→ 12H + 6O [光反應]  12H (來自光反應) + 6CO → CHO (葡萄糖) + 6HO [碳反應]

  意義:  詳細過程如下:  光系統由多種色素組成,如葉綠素a(Chlorophyll a)、葉綠素b(Chlorophyll b)、類胡蘿蔔素(Carotenoids)等組成。既拓寬了光合作用的作用光譜,其他的色素也能吸收過度的強光而產生所謂的光保護作用(Photoprotection)。在此係統裡,當光子打到系統裡的色素分子時,會如圖片 所示一般,電子會在分子之間移轉,直到反應中心為止。反應中心有兩種,光系統一吸收光譜於700nm達到高峰,系統二則是680nm為高峰。反應中心是由葉綠素a及特定蛋白質所組成(這邊的葉綠素a是因為位置而非結構特殊),蛋白質的種類決定了反應中心吸收之波長。反波長的光線後,葉綠素a激發出了一個電子,而旁邊的酵素使水裂解成氫離子和氧原子,多餘的電子去補葉綠素a分子上的缺。然後葉綠素a透過如圖所示的過程,生產ATP與NADPH分子,過程稱之為電子傳遞鏈。  電子傳遞鏈分為兩種,迴圈(cyclic)和非迴圈(noncyclic)

  非迴圈電子傳遞鏈過程大致如下:  電子從光系統2出發。  光系統2→初級接受者(Primary acceptor)→質體醌(Pq)→細胞色素複合體(Cytochrome Complex)→質體藍素(含銅蛋白質,Pc)→光系統1→初級接受者→鐵氧化還原蛋白(Fd)→NADP+還原酶(NADP+ reductase)  電子傳遞鏈從光系統2出發,會裂解水,釋出氧氣,生產三磷酸腺苷 (ATP)與NADPH。

  迴圈電子傳遞鏈的過程如下:  從光系統1出發。 光系統1→初級接受者(Primary acceptor)→鐵氧化還原蛋白(Fd)→細胞色素複合體(Cytochrome Complex)→質體藍素(含銅蛋 迴圈電子傳遞鏈不會產生氧氣,因為電子來源並非裂解水。最後會生產出三磷酸腺苷(ATP)。  非迴圈電子傳遞鏈中,細胞色素複合體會將氫離子打到類囊體(Thylakoid)裡面。高濃度的氫離子會順著高濃度往低濃度的地方流這個趨勢,向類囊體外擴散。但是類囊體膜是雙層磷脂,所以必須靠通道蛋白進行擴散,這個通道蛋白就是ATP合成酶。

  固碳作用實質上是一系列的酶促反應。生物界有幾種固碳方法,主要是卡爾文迴圈,但並非所有行光合作用的細胞都使用卡爾文迴圈進行碳固定,例如綠硫細菌會使用還原性三羧酸迴圈,綠曲撓菌("Chloroflexus")會使用3-羥基丙酸途徑(3-Hydroxy-Propionate pathway),還有一些生物會使用核酮糖-單磷酸途徑(Ribolose-Monophosphate Pathway)和絲氨酸途徑(Serin Pathway)進行碳固定。

  卡爾文迴圈是光合作用裡碳反應的一部分。反應場所為葉綠體內的基質。迴圈可分為三個階段:羧化、還原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物,會將吸收到的一分子二氧化碳,通過核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的作用,整合到一個五碳糖分子1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的第二位碳原子上。此過程稱為二氧化碳的固定。這一步反應的意義是,把原本並不活潑的二氧化碳分子活化,使之隨後能被還原。但這種六碳化合物極不穩定,會分解為兩分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。後者被在光反應中生成的NADPH+H還原,此過程需要消耗ATP。產物是3-磷酸丙糖。後來經過一系列複雜的生化反應,一個碳原子,將會被用於合成葡萄糖而離開迴圈。剩下的五個碳原子經一系列變化,最後再生成一分子1,5-二磷酸核酮糖,迴圈重新開始。迴圈執行六次,生成一分子的葡萄糖。

  

  二次大戰後,美國加州大學柏克萊分校的梅爾文·卡爾文與他的同事們研究一種綠球藻,以確定植物在光合作用中如何固定CO。此時C示蹤技術和雙向紙層析法技術都已成熟,卡爾文正好在實驗中用上此兩種技術。  他們將培養出來的綠球藻,放置在含有未標記CO的密閉容器中,然後將C標記的CO注入容器,培養相當短時間後,將綠球藻浸入熱的乙醇中殺死細胞,使細胞中的酶變性而失效。接著他們提取到溶液裡的分子。然後將提取物應用雙向紙層析法,分離各種化合物,再通過放射自顯影,分析放射性上面的斑點,並與已知化學成分比較。  卡爾文在實驗中發現,標記有C的CO很快就能轉變成有機物。在幾秒鐘內,層析紙上就出現放射性斑點,經與已知化學物比較,斑點中的化學成分是3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA),是糖酵解的中間體。這第一個被提取到的產物是一個三碳分子,所以將這種CO固定途徑稱為C途徑,將通過這種途徑固定CO的植物稱為C植物。後來研究還發現,CO固定的C途徑是一個迴圈過程。人們稱之為C迴圈。這一迴圈又稱「卡爾文迴圈」。  C類植物,如米和麥,二氧化碳經氣孔進入葉片後,直接進入葉肉進行卡爾文迴圈。而C植物的維管束鞘細胞 (bundle-sheath cells) 很小,不含或含很少葉綠體,卡爾文迴圈不在這裡發生。

  1960年代,澳洲科學家哈奇(M. D. Hatch)和斯萊克(C. R. Slack)發現玉米、甘蔗等熱帶綠色植物,除了和其他綠色植物一樣,具有卡爾文迴圈外,CO首先通過一條特別的途徑被固定。這條途徑也被稱為「哈奇-斯萊克途徑」。  C植物主要是一些生活在乾旱熱帶地區的植物。在這種環境中,植物倘若長時間開放氣孔吸收二氧化碳,會導致水分通過蒸騰作用過快的流失。所以,植物只能短時間開放氣孔,二氧化碳攝入量必然少。植物必須利用這少量的二氧化碳進行光合作用,合成自身所需物質。  在C植物葉片維管束的周圍,有維管束鞘圍繞,這些維管束鞘細胞含有葉綠體,但裡面並無基粒或發育不良。在這裡,就是主要進行卡爾文迴圈的地方。  其葉肉細胞中,含有獨特的酶,即磷酸烯醇式丙酮酸羧基化酶,使得二氧化碳先被一種三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸同化,形成四碳化合物草醯乙酸,這也是該暗反應型別名稱的由來。這草醯乙酸在轉變為蘋果酸鹽後,進入維管束鞘,就會分解釋放二氧化碳和一分子丙酮酸。二氧化碳利用此細胞才進入卡爾文迴圈,後同C程序。而丙酮酸則會被再次合成磷酸烯醇式丙酮酸。此過程消耗ATP。  該型別的優點是,二氧化碳固定效率比C高很多,有利植物在乾旱環境生長。C植物行光合作用所得的澱粉,會貯存在葉肉細胞中,因為這是卡爾文迴圈的場所,而維管束鞘細胞則不含葉綠體。而C植物的澱粉,將會貯存於維管束鞘細胞 (bundle-sheath cells) 內,因為C植物的卡爾文迴圈是在此發生的。

  景天酸代謝(英語:crassulacean acid metabolism, CAM):如果說C植物是空間上錯開二氧化碳的固定和卡爾文迴圈的話,那景天酸迴圈就是時間上錯開這兩者。行使這一途徑的植物,是那些有著膨大肉質葉子的植物,如鳳梨。這些植物晚上開放氣孔,吸收二氧化碳,同樣經哈奇-斯萊克途徑將CO固定。早上的時候氣孔關閉,避免水分流失過快。同時在葉肉細胞中進行卡爾文迴圈。這些植物二氧化碳的固定效率也很高。  意義:二氧化碳的固定,使得原本化學性質不活潑的二氧化碳,化學活性增加,以利於被還原,最後合成葡萄糖。

  真核藻類,如紅藻、綠藻、褐藻等,和植物一樣具有葉綠體,也能夠進行產氧光合作用。光被葉綠素吸收,而很多藻類的葉綠體中還具有其它不同的色素,賦予了它們不同的顏色。  進行光合作用的細菌不具有葉綠體,而直接由細胞本身進行。屬於原核生物的藍細菌(或者稱“藍藻”)同樣含有葉綠素,和葉綠體一樣進行產氧光合作用。事實上,目前普遍認為葉綠體是由藍細菌演化而來的。其它光合細菌具有多種多樣的色素,稱作細菌葉綠素或菌綠素,但不氧化水生成氧氣,而以其它物質(如硫化氫、硫或氫氣)作為電子供體。不產氧光合細菌包括紫硫細菌、紫非硫細菌、綠硫細菌、綠非硫細菌和太陽桿菌等。

  研究光合作用,對農業生產,環保等領域起著基礎指導的作用。知道光反應暗反應的影響因害,如建造溫室,加氣流通,以使農作物增產。人們又瞭解到RuBisCO的兩面性,即既能催化光合作用,又會推動光呼吸作用,正在嘗試行改造,減少後者,避免和能量的消耗,提高農作物的產量。當瞭解到光合作用與植物呼吸的關係,人們就可以佈置好家居植物擺設。比如晚上就不應把植物佈置在室內,以避免因植物呼吸而引起室內二氧化碳濃度增高。 光合作用的重要作用有: 1.把無機物轉化為有機物。植物的光合作用間接或直接的為人類和動物界提供了食物。 2.將太陽能轉化為可利用的化學能。煤、木材、天然氣的等必須的能源都是通過光合作用由太陽能轉化而來的。 3.維持了大氣中二氧化碳和氧氣的平衡。
光合作用是植物、藻類等生產者和某些細菌,利用光能把二氧化碳、水或硫化氫變成碳水化合物的過程。可分為產氧光合作用和不產氧光合作用。