骨化学考古ppt课件 6. 碳循环
62页1、碳循环 Archaeological Bone Chemistry,吉林大学边疆考古中心 蔡大伟,稳定同位素,用值表示,按值的定义,碳元素,碳更是地球上生命赖以存在的基础,有机体中碳含量很高,是生物圈中最重要的元素之一。 氧化形式的碳包括CO2、CO,H2CO3,HCO3-以及碳酸盐矿物CO3-。还原形式的碳,主要存在于有机物和化石燃料中。此外,它还以石墨和金刚石等自然元素形式存在,碳储存库,地球上的碳有四大储存库: 大气圈 生物圈 水圈 岩石圈 各种不同形式的碳在这四大储存库之间进行着无机过程和有机过程的碳交换循环。,大气圈,地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气,占781;氧气占209;氩气占093;还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。 自然界有7种碳同位素:10C、11C、12C、13C、14C*、15C*、16C*。 12C98.89% 13C1.108%稳定同位素 14C1.2x10-10%放射性同位素,生物圈,碳循环生物圈途径,水圈(吸收与释放),岩石圈(沉积与释放),海水里碳元素主要赋存形式是溶解的二氧化碳分子和碳
2、酸根离子。碳酸根离子可以形成一类叫碳酸盐岩的岩石 成为岩石圈的重要组成部分。实际上 ,在地球诞生到现在 海洋一时没有停止过的碳元素的固定。而固定下来的碳 就是以岩石的形式进入岩石圈。在化学和物理作用(风化)下,这些岩石被破坏,所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。,This diagram of the fast carbon cycle shows the movement of carbon between land, atmosphere, and oceans in billions of tons of carbon per year. Yellow numbers are natural fluxes, red are human contributions in billions of tons of carbon per year. White numbers indicate stored carbon.,CO2进入植物体内-碳同化,二氧化碳同化(CO2 assimilation),简称碳同化,是指植物利用光
3、反应中形成的同化力(ATP和NADPH),将CO2转化为碳水化合物的过程。二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的,有许多种酶参与反应。,羧化,光合作用,植物是通过光合作用将空气中的CO2转化为植物组织。 CO2+H2O(CH2O)+O2 光合作用的发生部位叶绿体,光合作用的过程,光反应发生在类囊体生成ATP 和NADPH 暗反应碳同化过程(不直接需要光) 碳素同化是光合作用的一个重要方面。从能量转换角度看,碳同化是将ATP和NADPH中的活跃化学能转换为储存在糖类中稳定的化学能,较长时间供给生命活动的需要;从物质生产角度看,占植物体干重90%以上的有机物基本上都是通过碳同化形成的。,碳同化路径,据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点,将碳同化途径分为三类: C3途径(C3 pathway,卡尔文循环) C4途径(C4 pathway,哈奇途径) CAM(景天科酸代谢,Crassulacean acid metabolism)途径。,巧妙的实验设计 电泳技术和同位素示踪技术 20世纪的50年代,Melvin Calvin 单细胞光合有机体小球藻悬液。持续的光照和CO2,使光
4、合作用处于稳态。接着,他们在短时间内加入放射性同位素标记的CO2以标记循环的中间物。然后,将细胞悬液迅速倾入煮沸的乙醇溶液中杀死细胞,致使酶失活。最后,使用双相纸电泳和放射自显影分离、分析循环中的中间物。,卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖,C3途径,C3途径,卡尔文循环(C3途径):光合作用最先生成的有机物是含有三个碳的3-PGA(3-磷酸甘油酸),称为C3途径。又称卡尔文循环、卡尔文-本生循环或光合环。它是所有植物光合作用碳同化的基本的和共同具有的途径。仅能通过C3途径固定CO2的植物被称为C3植物。,、,小麦,水稻,大豆,棉花,C3类植物叶片特点,维管束鞘细胞(无叶绿体),叶肉细胞 (有叶绿体),C3途径(发生在叶肉细胞中),羧基是由羰基和羟基组成的基团,它是羧酸的官能团,为羧基COOH。,(1)羧化反应,RuBp,(2)还原阶段 3-磷酸甘油酸(PGA)在ATP的参与和3-磷酸甘油酸激酶的催化下,生成1,3-二磷酸甘油酸,再经过3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化,被NADPH还原成3-磷酸甘油醛(GAP)的反应过程。 PGA + ATP + NADPH + H+ GAP + ADP +
5、 NADP+ + Pi 3-磷酸甘油酸是一种有机酸,要达到糖的能级,必须使用同化力(ATP与NADPH)使3-磷酸甘油酸的羧基转变成3-磷酸甘油醛的醛基。当CO2被还原为3-磷酸甘油醛时,光合作用的贮能过程便基本完成。 酶:3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶,(3)再生阶段 3-磷酸甘油醛(GAP)经过一系列的变化,最后转变为5-磷酸核酮糖,再在磷酸核酮糖激酶的作用下发生磷酸化作用重新形成1,5-二磷酸核酮糖(RuBP) 。,ATP,3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPHGAP+6NADP+ +9ADP+3RuBP+9Pi,由CO2合成一个磷酸三糖需消耗6个NADPH和 9个ATP,总反应式:,C4途径,自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来,曾认为光合碳代谢途径已经搞清楚了,不管是藻类还是高等植物,其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。,澳大利亚科学家Hatch(哈奇)和S1ack(斯莱克)在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物时发现,当向这些绿色植物提供14CO2时,光合作用开始后的1s内,竟有90以上的14C出现在含有四个碳原子的有机酸(一种C4化
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