高中生物課件.生物光合作用4

1、光合作用的過程光能CO2色素分子C52C3ADP+PiATPH2OO2H多種酶酶吸收光解光反應(yīng)階段暗反應(yīng)階段水的光解：H2O 2H+1/2 O2 光解CO2的固定: CO2+C5 2C3酶還 原酶固 定供能（CH2O）酶 C3化合物還原：2 C3 （CH2O）6 ATP酶H,ADP+Pi光合磷酸化：ADP+Pi能量 ATP酶光合作用的過程和能量轉(zhuǎn)變 光合作用的實(shí)質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。 根據(jù)能量轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，將光合作用分為三個(gè)階段:1.原初反應(yīng):光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換成電能； 2.電子傳遞和光合磷酸化:電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S化學(xué)能;3.碳同化:活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能。表1 光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變

2、情況 能量轉(zhuǎn)變 光能 電能 活躍的化學(xué)能 穩(wěn)定的化學(xué)能 貯能物質(zhì) 量子 電子 ATP、NADPH2 碳水化合物等 轉(zhuǎn)變過程 原初反應(yīng) 電子傳遞 光合磷酸化 碳同化 時(shí)間跨度(秒)10-1510-9 10-1010-4 100101 101102 反應(yīng)部位 PS、PS顆粒 類囊體膜 類囊體 葉綠體間質(zhì) 是否需光 需光 不一定，但受光促進(jìn) 不一定，但受光促進(jìn)不同層次和時(shí)間上的光合作用第三節(jié) 原初反應(yīng)原初反應(yīng) 是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的過程。它包括：原初反應(yīng)特點(diǎn) 速度非常快，1012s109s內(nèi)完成； 與溫度無關(guān)，(77K，液氮溫度)(2K，液氦溫度)； 量子效率接近1

3、光物理光能的吸收、傳遞 光化學(xué)有電子得失 反應(yīng)中心色素：少數(shù)特殊狀態(tài)的chl a分子，它具有光化學(xué)活性，是光能的“捕捉器”、“轉(zhuǎn)換器”。 聚光色素（天線色素）：沒有光化學(xué)活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla 和全部chlb、胡蘿卜素、葉黃素。概念光合單位光合膜上能進(jìn)行完整光反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)單位一、光能的吸收與傳遞(一) 激發(fā)態(tài)的形成能量的最低狀態(tài)基態(tài)。色素分子吸收了一個(gè)光子后-高能的激發(fā)態(tài)。 Chl（基態(tài)）+h 1015s Chl*圖8 葉綠素分子對(duì)光的吸收及能量的釋放示意圖 各能態(tài)之間因分子內(nèi)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)還表現(xiàn)出若干能級(jí)。（激發(fā)態(tài)）葉綠素分子受光激發(fā)后的能級(jí)變化葉綠素：紅光區(qū):被紅光激發(fā)

4、，電子躍遷到能量較低的第一單線態(tài)藍(lán)光區(qū):被藍(lán)光激發(fā)，電子躍遷到第二單線態(tài)。 配對(duì)電子的自旋方向：單線態(tài)；三線態(tài)；第一單線態(tài)；第二單線態(tài)圖8 葉綠素分子對(duì)光的吸收及能量的釋放示意圖 虛線表示吸收光子后所產(chǎn)生的電子躍遷或發(fā)光， 實(shí)線表示能量的釋放， 半箭頭表示電子自旋方向 (二)激發(fā)態(tài)的命運(yùn)1.放熱 2.發(fā)射熒光與磷光 3.色素分子間的能量傳遞 4.光化學(xué)反應(yīng) Chl* Chl+熱 Chl* ChlT +熱 ChlT Chl+熱 另外吸收藍(lán)光處于第二單線態(tài)的葉綠素分子，其具有的能量雖遠(yuǎn)大于第一單線態(tài)的葉綠素分子。但超過部分對(duì)光合作用是無用的，在極短的時(shí)間內(nèi)以熱能釋放。 由于葉綠素是以第一單線態(tài)參加

5、光合作用的。在能量利用上藍(lán)光沒有紅光高。1.放熱激發(fā)態(tài)的葉綠素分子在能級(jí)降低時(shí)以熱的形式釋放能量，此過程又稱內(nèi)轉(zhuǎn)換或無輻射退激。？2. 發(fā)射熒光與磷光 激發(fā)態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時(shí)，可以光子形式釋放能量。 熒光。磷光。Chl* Chl h 熒光發(fā)射ChlT Chl h 磷光發(fā)射磷光波長比熒光波長長，轉(zhuǎn)換的時(shí)間也較長，而強(qiáng)度只有熒光的1%，故需用儀器才能測量到。10-9s 10-2s 對(duì)提取的葉綠體色素濃溶液照光，在與入射光垂直的方向上可觀察到呈暗紅色的熒光。因?yàn)槿芤褐腥鄙倌芰渴荏w或電子受體的緣故。 熒光猝滅劑：在色素溶液中，如加入某種受體分子，能使熒光消失。常用Q表示。在光合作用的光反應(yīng)中，Q

6、即為電子受體。 色素發(fā)射熒光的能量與用于光合作用的能量是相互競爭的，這就是葉綠素?zé)晒獬３１徽J(rèn)作光合作用無效指標(biāo)的依據(jù)。離體色素溶液為什么易發(fā)熒光？激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)能傳遞給處于基態(tài)的同種或異種分子而返回基態(tài)的過程。 Chl*1 Chl2 Chl1Chl*2 供體分子 受體分子3.色素分子間的能量傳遞一般認(rèn)為，色素分子間激發(fā)能不是靠分子間的碰撞傳遞的，也不是靠分子間電荷轉(zhuǎn)移傳遞的，可能是通過“激子傳遞”或“共振傳遞”方式傳遞。激子傳遞激子通常是指非金屬晶體中由電子激發(fā)的量子，它能轉(zhuǎn)移能量但不能轉(zhuǎn)移電荷。 這種在相同分子內(nèi)依靠激子傳遞來轉(zhuǎn)移能量的方式稱為激子傳遞。共振傳遞在色素系統(tǒng)中，一個(gè)色素

7、分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動(dòng)會(huì)引起附近另一個(gè)分子中某個(gè)電子的振動(dòng)(共振)，當(dāng)?shù)诙€(gè)分子電子振動(dòng)被誘導(dǎo)起來，就發(fā)生了電子激發(fā)能量的傳遞。這種依靠電子振動(dòng)在分子間傳遞能量的方式就稱為“共振傳遞”。共振傳遞示意圖 在共振傳遞過程中，供體和受體分子可以是同種，也可以是異種分子。分子既無光的發(fā)射也無光的吸收，也無分子間的電子傳遞 。圖 光合作用過程中能量運(yùn)轉(zhuǎn)的基本概念 通過上述色素分子間的能量傳遞，聚光色素吸收的光能會(huì)很快到達(dá)并激發(fā)反應(yīng)中心色素分子，啟動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)。圖 聚光系統(tǒng)到反應(yīng)中心能量激發(fā)呈漏斗狀二、光化學(xué)反應(yīng)(一)反應(yīng)中心與光化學(xué)反應(yīng)1.反應(yīng)中心 原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)是在光系統(tǒng)的反應(yīng)

8、中心進(jìn)行的。反應(yīng)中心是發(fā)生原初反應(yīng)的最小單位。由反應(yīng)中心色素分子、原初電子受體、次級(jí)電子受體與供體等電子傳遞體，以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質(zhì)等成分組成的。 反應(yīng)中心中的原初電子受體是指直接接收反應(yīng)中心色素分子傳來電子的電子傳遞體 反應(yīng)中心色素分子是光化學(xué)反應(yīng)中最先向原初電子受體供給電子的，因此反應(yīng)中心色素分子又稱原初電子供體。光系統(tǒng)的反應(yīng)中心 配對(duì)葉綠素 去鎂葉綠素 去鎂葉綠素副葉綠素 副葉綠素 胡蘿卜素 2.光化學(xué)反應(yīng)原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)實(shí)際就是由光引起的反應(yīng)中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應(yīng)，可用下式表示光化學(xué)反應(yīng)過程： PA h P*A P+A基態(tài)反應(yīng)中心 激發(fā)態(tài)

9、反應(yīng)中心 電荷分離的反應(yīng)中心 反應(yīng)中心出現(xiàn)了電荷分離(P+) (A-) ，到這里原初反應(yīng)也就完成了。 原初電子供體P+失去電子，有了“空穴”，成為“陷阱” ，便可從次級(jí)電子供體(D)那里爭奪電子；而原初電子受體得到電子，使電位值升高，供電子的能力增強(qiáng)，可將電子傳給次級(jí)電子受體(A1) 。那么電荷分離后反應(yīng)中心的更新反應(yīng)式可寫為： DP+AA1 D+PAA1 這一過程在光合作用中不斷反復(fù)地進(jìn)行，從而推動(dòng)電子在電子傳遞體中傳遞。(二)PS和PS的光化學(xué)反應(yīng)高等植物的兩個(gè)光系統(tǒng)有各自的反應(yīng)中心。 PS和PSP700、P680紅降現(xiàn)象和雙光增益效應(yīng)圖9 菠菜反應(yīng)中心色素吸收光譜的變化 照光下PS(A)

10、、PS(B)反應(yīng)中心色素氧化，其氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收光譜差值最大變化的波長所在位置分別是700nm(A)和682nm(B)。PS和PS反應(yīng)中心中的原初電子供體很相似，都是由兩個(gè)葉綠素a分子組成的二聚體，分別用P700、P680來表示。 這里P代表色素，700、680則代表P氧化時(shí)其吸收光譜中變化最大的波長位置是近700nm或680nm處。光合作用的兩個(gè)光系統(tǒng)和電子傳遞方案吸收紅光的光系統(tǒng)（PS）產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑和弱還原劑。吸收遠(yuǎn)紅光的光系統(tǒng)（PS）產(chǎn)生弱氧化劑和強(qiáng)還原劑。PS產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑氧化水，同時(shí)，PS產(chǎn)生的強(qiáng)還原劑還原NADP+。 PS和PS的光化學(xué)反應(yīng)PS的原初反應(yīng)： P700A0 h

11、P700*0 P700A0PS的原初反應(yīng)： P680Pheo h P680*Pheo P680+Pheo-在原初反應(yīng)中，受光激發(fā)的反應(yīng)中心色素分子發(fā)射出高能電子，完成了光電轉(zhuǎn)變，隨后高能電子將沿著光合電子傳遞鏈進(jìn)一步傳遞。功能與特點(diǎn) (吸收光能 光化學(xué)反應(yīng))電子最終供體次級(jí)電子供體反應(yīng)中心色素分子 原初電子供體原初電子受體次級(jí)電子受體末端電子受體PS還原NADP+ ，實(shí)現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞PCP700葉綠素分子 (A0)鐵硫中心 NADP+ (電子最終受體)PS使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。水YZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子 (QA)質(zhì)體醌 PQPS和PS的電

12、子供體和受體組成第四節(jié) 電子傳遞和光合磷酸化原初反應(yīng)的結(jié)果: 產(chǎn)生了高能電子推動(dòng)著光合膜上的電子傳遞。 電子傳遞的結(jié)果: 引起水的裂解放氧以及NADP+的還原； 建立了跨膜的質(zhì)子動(dòng)力勢，啟動(dòng)了光合磷酸化，形成ATP。這樣就把電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能。一、電子和質(zhì)子的傳遞（一）光合鏈 指定位在光合膜上的，由多個(gè)電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。 希爾(1960)等人提出并經(jīng)后人修正與補(bǔ)充的“Z”方案。即電子傳遞是在兩個(gè)光系統(tǒng)串聯(lián)配合下完成的，電子傳遞體按氧化還原電位高低排列，使電子傳遞鏈呈側(cè)寫的“Z”形。 (1)電子傳遞鏈主要由光合膜上的PS、Cyt b/f、PS三個(gè)復(fù)合體串聯(lián)組成。 (2)電子傳

13、遞有二處逆電勢梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆電勢梯度的電子傳遞均由聚光色素復(fù)合體吸收光能后推動(dòng)，而其余電子傳遞都是順電勢梯度的。 “Z”方案特點(diǎn)：圖10 葉綠體中的電子傳遞模式 方框代表了蛋白復(fù)合物。LHC和LHC分別是PS和PS各自的聚光色素復(fù)合體，M為含Mn的放氧復(fù)合體，實(shí)線箭頭表示非環(huán)式電子傳遞方向；虛線箭頭表示環(huán)式或假環(huán)式電子傳遞分叉處。(3)水的氧化與PS電子傳遞有關(guān)，NADP+的還原與PS電子傳遞有關(guān)。電子最終供體為水，水氧化時(shí)，向PS傳交4個(gè)電子，使2H2O產(chǎn)生1個(gè)O2和4個(gè)H+。電子的最終受體為NADP+。 (4)PQ是雙電子雙H+傳遞體，它伴隨電子傳遞

14、，把H+從類囊體膜外帶至膜內(nèi)，連同水分解產(chǎn)生的H+一起建立類囊體內(nèi)外的H+電化學(xué)勢差。(二)光合電子傳遞體的組成與功能1.PS復(fù)合體 PS的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。 (1)PS復(fù)合體的組成與反應(yīng)中心中的電子傳遞 PS是含有多亞基的蛋白復(fù)合體。組成：聚光色素復(fù)合體、中心天線、反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體、細(xì)胞色素和多種輔助因子。PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式圖 組成中心天線的CP47和CP43是指分子量分別為47 000、43 000并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復(fù)合體，它們圍繞P680，比LHC更快地把吸收的光能傳至PS反應(yīng)中心，所以被稱

15、為中心天線或“近側(cè)天線”。PS反應(yīng)中心的核心部分是分子量分別為32 000和34 000的D1和D2兩條多肽。D1很容易受到光化學(xué)破壞，會(huì)發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。 反應(yīng)中心的次級(jí)電子供體Z、中心色素P680、原初電子受體Pheo、次級(jí)電子受體QA、QB等都結(jié)合在D1和D2上。其中與D1結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QB，與D2結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QA。Q有雙重涵義，既是醌(quinone)的字首，又是熒光猝滅劑(quencher)的字首。QA是單電子體傳遞體，每次反應(yīng)只接受一個(gè)電子生成半醌。它的電子再傳遞至QB，QB是雙電子傳遞體，QB可兩次從QA接受電子以及從周圍介質(zhì)中接受2個(gè)H+而還原成氫醌(QH2 ) 。這樣生

16、成的氫醌可以與醌庫的PQ交換，生成PQH2。(2)水的氧化與放氧CO+2HO* 光 葉綠體 (CHO)+ O2*+ HO放氧復(fù)合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PS靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。 水的氧化反應(yīng)是生物界中植物光合作用特有的反應(yīng)，也是光合作用中最重要的反應(yīng)之一。每釋放1個(gè)O需要從2個(gè)H2O中移去 4 個(gè) e-，同時(shí)形成 4 個(gè) H。20世紀(jì)60年代，法國的喬利爾特(P. Joliot)發(fā)明了能靈敏測定微量氧變化的極譜電極，用它測定小球藻的光合放氧反應(yīng)。 他們將小球藻預(yù)先保持在暗中，然后給以一系列的瞬間閃光照射(如每次閃光510s，間隔300ms)。 發(fā)現(xiàn)閃光

17、后氧的產(chǎn)量是不均量的，是以4為周期呈現(xiàn)振蕩，即第一次閃光后沒有O的釋放，第二次釋放少量O，第三次O的釋放達(dá)到高峰，每4次閃光出現(xiàn)1次放氧峰用高等植物葉綠體實(shí)驗(yàn)得到同樣的結(jié)果。圖12 系列閃光對(duì)小球藻放氧量的影響 在第三個(gè)閃光階段氧形成量最大，以后每四個(gè)閃光都可以看到一個(gè)周期性的峰值。氧形成量大約在第20個(gè)閃光后體系放O的周期性會(huì)逐漸消失，放O量達(dá)到某一平穩(wěn)的數(shù)值。 (Joliot，1965 )科克(B.Kok，1970)等人根據(jù)這一事實(shí)提出了關(guān)于HO裂解放氧的“四量子機(jī)理假說”： PS的反應(yīng)中心與HO之間存在一個(gè)正電荷的貯存處(S) 每次閃光，S交給PS反應(yīng)中心1個(gè)e； 當(dāng)S失去4e帶有4個(gè)正

18、電荷時(shí)能裂解2個(gè)HO釋放1個(gè)O(圖13)， 圖中S即為M，按照氧化程度(即帶正電荷的多少)從低到高的順序，將不同狀態(tài)的M分別稱為S、S、S、S和S。即S不帶電荷，S帶 1 個(gè)正電荷，S4帶4個(gè)正電荷。 每一次閃光將狀態(tài) S 向前推進(jìn)一步，直至S。然后S從 2 個(gè) HO中獲取 4 個(gè)e，并回到S。 圖13 在水裂解放氧中的S狀態(tài)變化 (修改過的Kok水氧化鐘模型，注明了H的釋放部位)2.質(zhì)醌 質(zhì)醌(PQ)也叫質(zhì)體醌，是PS反應(yīng)中心的末端電子受體，也是介于PS復(fù)合體與Cyt b/f復(fù)合體間的電子傳遞體。 “PQ庫” ； 葉綠素的5%10%。 質(zhì)體醌為脂溶性分子，質(zhì)體醌有一個(gè)醌的頭和一個(gè)長的非極性的

19、尾，尾部使質(zhì)體醌定位于膜中，能在類囊體膜中自由移動(dòng)，轉(zhuǎn)運(yùn)電子與質(zhì)子。PQ庫作為電子、質(zhì)子的緩沖庫，能均衡兩個(gè)光系統(tǒng)間的電子傳遞(如當(dāng)一個(gè)光系統(tǒng)受損時(shí)，使另一光系統(tǒng)的電子傳遞仍能進(jìn)行)，可使多個(gè)PS復(fù)合體與多個(gè)Cyt b/f 復(fù)合體發(fā)生聯(lián)系，使得類囊體膜上的電子傳遞成網(wǎng)絡(luò)式地進(jìn)行。 質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子傳遞體，對(duì)類囊體膜內(nèi)外建立質(zhì)子梯度起著重要的作用。Cytb6/f3.Cytb/f復(fù)合體Cytb/f 復(fù)合體作為連接PS與PS兩個(gè)光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由4個(gè)多肽組成，即Cytf、Cytb 、Rieske (鐵-硫蛋白)、17kD的多肽等。PQH+2PC(Cu) Cyt b

20、/f PQ +2PC(Cu)+ 2HCyt b/f 復(fù)合體主要催化PQH的氧化和PC的還原，并把質(zhì)子從類囊體膜外間質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)腔中。因此Cyt b/f 復(fù)合體又稱PQHPC氧還酶。關(guān)于Cytb/f 復(fù)合體介導(dǎo)的跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)理，Mitchell曾提出Q循環(huán)的假設(shè)：1.還原的PQH2將2個(gè)電子中的一個(gè)傳給 Cytb6/f 復(fù)合體中的FeSR，再交給Cytf，進(jìn)而傳給 PC，2.與此同時(shí)，PQH2又將第二個(gè)電子交給低電位的b，并釋放2個(gè)H+到膜腔內(nèi)，電子由低電位的b傳至高電位的b，再將電子傳至PQ。經(jīng)過兩次電子循環(huán)后，PQ兩次被還原，雙還原的PQ又從膜外結(jié)合兩個(gè)質(zhì)子，并將其貯入質(zhì)醌庫中。Q

21、 循環(huán)4.質(zhì)藍(lán)素質(zhì)藍(lán)素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時(shí)呈藍(lán)色。它是介于Cyt b/f復(fù)合體與PS之間的電子傳遞成員。通過蛋白質(zhì)中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。 PS復(fù)合體存在類囊體非堆疊的部分，PS復(fù)合體存在堆疊部分，而Cyt b/f 比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內(nèi)擴(kuò)散移動(dòng)來傳遞電子。5.PS復(fù)合體PS的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的還原劑，用于還原NADP+，實(shí)現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞。高等植物的PS由反應(yīng)中心和LHC等組成。PSI反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心A0A1FX、FA、FB是PS中3個(gè)鐵硫蛋白，都具有4鐵

22、-4硫中心結(jié)構(gòu)，其中4個(gè)硫與蛋白質(zhì)的4個(gè)半胱氨酸殘基連接，它們主要依4鐵-4硫中心中的鐵離子的氧化還原來傳遞電子。圖14 鐵-硫中心的模型 左：4鐵-4硫型； 右：2鐵-2硫型6.鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白-NADP還原酶鐵氧還蛋白(Fd)和鐵氧還蛋白-NADP還原酶(FNR)都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。 Fd是通過它的2鐵-2硫活性中心中的鐵離子的氧化還原傳遞電子的。 FNR 含1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黃素的氧化還原來傳遞H+。FNR是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶，接收Fd傳來的電子和基質(zhì)中的H，還原NADP為NADPH，反應(yīng)式可用下式表示： 2Fd還原+NADP+ H FN

23、R 2Fd氧化 + NADPHFd也是電子傳遞的分叉點(diǎn)。電子從PS傳給Fd后, Fdred去向： 傳給FNR進(jìn)行非環(huán)式電子傳遞； 傳給Cyt b/f 或經(jīng)NADPH再傳給PQ進(jìn)行環(huán)式電子傳遞； 傳給氧進(jìn)行假環(huán)式電子傳遞； 交給硝酸參與硝酸還原； 傳給硫氧還蛋白(Td)進(jìn)行光合酶的活化調(diào)節(jié)。7.光合膜上的電子與H+的傳遞圖15 光合膜上的電子與質(zhì)子傳遞 圖中經(jīng)非環(huán)式電子傳遞途徑傳遞4個(gè)e-產(chǎn)生2個(gè)NADPH和3個(gè)ATP是根據(jù)光合作用總方程式推算出的。在光反應(yīng)中吸收8個(gè)光量子(PS與PS各吸收4個(gè))，傳遞4個(gè)e能分解2個(gè)H2O，釋放1 個(gè)O2，同時(shí)使類囊體膜腔增加8個(gè)H，又因?yàn)槲?個(gè)光量子能同化

24、1個(gè)CO2，而在暗反應(yīng)中同化1個(gè)CO2需消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPH，也即傳遞4個(gè)e-， 可還原2個(gè)NADPH，經(jīng)ATP酶流出8個(gè)H+要合成3個(gè)ATP。LHC等受光激發(fā)后將接受的光能傳到PS反應(yīng)中心P680，并在那里發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)將激發(fā)出的e傳到原初電子受體Pheo，再傳給靠近基質(zhì)一邊的結(jié)合態(tài)的質(zhì)體醌(QA)，從而推動(dòng)了PS的最初電子傳遞。P680失去e后，變成一個(gè)強(qiáng)的氧化劑，它向位于膜內(nèi)側(cè)的電子傳遞體YZ爭奪電子而引起水的分解，并將產(chǎn)生的氧氣和H+釋放在內(nèi)腔。另一方面，QA的e經(jīng)QB傳給PQ，PQ的還原需要2e-和來自基質(zhì)的2H+。還原的PQH2向膜內(nèi)轉(zhuǎn)移，傳2e-給Cyt b6/f

25、復(fù)合體，其中1個(gè)e-交給Cyt b/f ，進(jìn)而傳給PQ，另1個(gè)e-則傳給Fe-SR。因?yàn)镃yt b/f 的氧化還原僅涉及電子，所以2H+就釋放到膜腔。還原的Cyt f將e-經(jīng)位于膜內(nèi)側(cè)表面的PC傳至位于膜內(nèi)側(cè)的PS反應(yīng)中心P700。 與PS一樣，P700受光激發(fā)后，把e-傳給A，經(jīng)A、FX、FA和FB，再把e-交給位于膜外側(cè)的Fd與FNR，最后由FNR使NADP+還原，NADP+還原時(shí)，還要消耗基質(zhì)中的H+。NADPH留在基質(zhì)中，用于光合碳的還原。 在電子傳遞的同時(shí)，H+從基質(zhì)運(yùn)向膜內(nèi)腔，產(chǎn)生了膜內(nèi)外的H+電化學(xué)勢梯度。依電化學(xué)勢梯度，H+經(jīng)ATP酶流出時(shí)偶聯(lián)ATP的產(chǎn)生，形成的ATP留在基質(zhì)

26、中，用于各種代謝反應(yīng)。 光合膜上的電子與質(zhì)子傳遞概況紅線表示電子傳遞，黑線表示質(zhì)子傳遞，藍(lán)線質(zhì)子越膜運(yùn)輸(三) 光合電子傳遞的類型根據(jù)電子傳遞到Fd后去向，將光合電子傳遞分為三種類型。 1.非環(huán)式電子傳遞 HO PSPQCyt b/fPCPSFdFNR NADP 4個(gè)e-，2個(gè)H2O，1個(gè)O2，2個(gè)NADP+，8個(gè)光量子，8個(gè)H+2.環(huán)式電子傳遞(1) PS中環(huán)式電子傳遞： PSFdPQCytb/fPCPS 環(huán)式電子傳遞不發(fā)生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜運(yùn)輸，可產(chǎn)生ATP，每傳遞一個(gè)電子需要吸收一個(gè)光量子。 (2) PS中環(huán)式電子傳遞： P680PheoQAQBCytb55

27、9P680 也有實(shí)驗(yàn)指出PS中環(huán)式電子傳遞為： P680 Cytb559 Pheo P680Cytb5593.假環(huán)式電子傳遞也叫做梅勒反應(yīng)(Mehlers reaction)。 HOPSPQCytb/fPC PSFd O Fd還原 + O2 Fd氧化 + O2- 超氧化物歧化酶(SOD) O2 - + O2 - + 2H2 SOD 2H2O2 + O2光合磷酸化的發(fā)現(xiàn)1954，Arnon等發(fā)現(xiàn)向菠菜葉綠體加入ADP、Pi和NADP+，在光下不加入CO2時(shí)，在體系中有ATP和NADPH產(chǎn)生。完整葉綠體黃色上清液離心破碎綠色上清液含暗反應(yīng)的酶ADP、 Pi和NADP+ATP和NADPH二、光合磷酸

28、化光合磷酸化：光下在葉綠體(或載色體)中發(fā)生的由ADP與Pi合成ATP的反應(yīng)概念(一) 光合磷酸化的類型.非環(huán)式光合磷酸化 與非環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。 2NADP+3ADP3Pi 8h葉綠體 2NADPH3ATPO2+2H+HO在進(jìn)行非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)中，體系除生成ATP外，同時(shí)還有NADPH的產(chǎn)生和氧的釋放。含有基粒片層的放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位。 .環(huán)式光合磷酸化 與環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。 ADP Pi 光 葉綠體 ATP HO非光合放氧生物光能轉(zhuǎn)換的唯一形式，主要在基質(zhì)片層內(nèi)進(jìn)行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能起著補(bǔ)充ATP不足的作用

29、。.假環(huán)式光合磷酸化 與假環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。既放氧又吸氧。 HO + ADP Pi 光 葉綠體 ATP + O2-4H+(二)光合磷酸化的機(jī)理.光合磷酸化與電子傳遞的關(guān)系-偶聯(lián) 三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯(lián)： 如在葉綠體體系中加入電子傳遞抑制劑,光合磷酸化就會(huì)停止； 在偶聯(lián)磷酸化時(shí)，電子傳遞則會(huì)加快，所以在體系中加入磷酸化底物會(huì)促進(jìn)電子的傳遞和氧的釋放。 (解偶聯(lián):發(fā)生電子傳遞而不伴隨磷酸化作用) 磷酸化和電子傳遞的關(guān)系偶聯(lián)可用ATP/e或P/O來表示。 ATP/e:表示每對(duì)電子通過光合電子傳遞鏈而形成的ATP分子數(shù)P/O：表示光反應(yīng)中每釋放1個(gè)氧原子所能形成的ATP分

30、子數(shù)。比值越大，表示磷酸化與電子傳遞偶聯(lián)越緊密。 2.光合磷酸化的機(jī)理中間產(chǎn)物學(xué)說變構(gòu)學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic theory)由英國的米切爾(Mitchell1961)提出，該學(xué)說假設(shè)能量轉(zhuǎn)換和偶聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 由磷脂和蛋白構(gòu)成的膜對(duì)離子和質(zhì)子的透過具有選擇性 具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜上 膜上有偶聯(lián)電子傳遞的質(zhì)子轉(zhuǎn)移系統(tǒng) 膜上有轉(zhuǎn)移質(zhì)子的ATP酶 在解釋光合磷酸化機(jī)理時(shí)，該學(xué)說強(qiáng)調(diào)：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會(huì)伴隨膜內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)力(proton motive force,pmf)，并由質(zhì)子動(dòng)力推動(dòng)的合成。許多實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了這一學(xué)說的正確

31、性。(1)化學(xué)滲透學(xué)說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)兩階段光合磷酸化實(shí)驗(yàn) 指光合磷酸化可以相對(duì)分成照光階段和暗階段來進(jìn)行，照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而斷光時(shí)再加入底物能形成ATP的實(shí)驗(yàn)。 1962年，中國的沈允鋼等人，用此實(shí)驗(yàn)探測到光合磷酸化高能態(tài)(Z*)的存在。 1963年賈格道夫(Jagendorf)等也觀察到了光合磷酸化高能態(tài)的存在。起初認(rèn)為Z*是一種化學(xué)物質(zhì)，以此提出了光合磷酸化中間物學(xué)說?，F(xiàn)在知道高能態(tài)即為膜內(nèi)外的H+電化學(xué)勢。所謂兩階段光合磷酸化，其實(shí)質(zhì)是光下類囊體膜上進(jìn)行電子傳遞產(chǎn)生了跨膜的H+電化學(xué)勢，暗中利用H+電化學(xué)勢將加入的ADP與Pi合成ATP。 酸-堿磷酸化實(shí)驗(yàn)賈格道夫等(19

32、63)在暗中把葉綠體的類囊體放在p4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的下降至4，然后加進(jìn)pH8和含有ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內(nèi)外之間產(chǎn)生一個(gè)H+梯度。 這個(gè)H梯度能使ADP與Pi生成ATP，而這時(shí)并沒照光，也沒有電子傳遞。這種驅(qū)動(dòng)ATP合成的類囊體內(nèi)外的pH差在活體中正是由光合電子傳遞和H+轉(zhuǎn)運(yùn)所形成的。這一酸-堿磷酸化實(shí)驗(yàn)給化學(xué)滲透假說以最重要的支持證據(jù)。酸-堿磷酸化實(shí)驗(yàn)光下類囊體吸收質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)對(duì)無pH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用pH計(jì)可測到懸浮液的pH升高。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質(zhì)子向類囊體膜腔運(yùn)輸，使得膜內(nèi)H+濃度高而膜外較低的緣故。 電子傳遞產(chǎn)

33、生了質(zhì)子梯度后，質(zhì)子就有反向跨膜轉(zhuǎn)移的趨向，質(zhì)子反向轉(zhuǎn)移時(shí)，質(zhì)子梯度所貯藏的能量就被用去合成ATP。 以上實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了米切爾的化學(xué)滲透學(xué)說的正確性，因而米切爾獲得了1978年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。(2)H+電化學(xué)勢與質(zhì)子動(dòng)力e傳遞與H+向膜內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn),還會(huì)引起類囊體膜的電勢變化，從而產(chǎn)生H+電化學(xué)勢差(H+) (kJmol-1) ： H+=H+內(nèi)-H+外 =2.3RTpH+FE 式中R氣體常數(shù)，T絕對(duì)溫度(K)，F(xiàn)法拉第常數(shù)，E膜電勢(V)25時(shí)，H+ =5.7pH+96.5E將兩邊用F(96.5kJmol1V1)除，規(guī)定H+/F為質(zhì)子動(dòng)力，其單位為電勢(V)。在25時(shí)：pmf=0.059pH+E

34、質(zhì)子動(dòng)力大部分是來自pH部分E ？葉綠體類囊體膜上ATP的生成3.ATP合成的部位ATP酶 ATP酶(ATPase)又叫ATP合成酶，也稱偶聯(lián)因子或CF1-CFo復(fù)合體。質(zhì)子反向轉(zhuǎn)移和合成ATP是在ATP酶上進(jìn)行的。葉綠體的ATP酶由兩個(gè)蛋白復(fù)合體組成ATP酶由九種亞基組成，分子量為550 000左右H+ transport orientation？合成ATP水解ATPCF1的分子量約400000，它含有,和5種亞基。 :3:3:1:1:1突出于膜表面親水性CFo 含有四個(gè)亞基： 、和。是多聚體，可能含有15個(gè)多肽。 質(zhì)子泄漏：類囊體膜失去CF1后。加進(jìn)CFo的抑制劑后，就停止了。表明CFo是

35、質(zhì)子的“通道”，供應(yīng)質(zhì)子給CF1去合成ATP。CF1如何利用H越膜所釋放的能量來合成ATP？結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制的變構(gòu)學(xué)說，由Paul Boyer提出埋置于膜中疏水性結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制的變構(gòu)學(xué)說 該學(xué)說認(rèn)為，在ATP形成過程中，與ATP合成酶的3個(gè)亞基各具一定的構(gòu)象，分別稱為緊繃(tight)、松馳(loose)和開放(open)，各自對(duì)應(yīng)于底物結(jié)合、產(chǎn)物形成和產(chǎn)物釋放的三個(gè)過程(見圖) 。ATP合成的結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制-亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)引起亞基的構(gòu)象依緊繃(T)、松馳(L)和開放(O)的順序變化，完成ADP和Pi的結(jié)合、 ATP的形成以及ATP的釋放三個(gè)過程。構(gòu)象的相互依次轉(zhuǎn)化是和質(zhì)子的通過引起亞基的旋轉(zhuǎn)相偶聯(lián)的。當(dāng)

36、質(zhì)子順質(zhì)子電化學(xué)梯度流過Fo，使亞基轉(zhuǎn)動(dòng)，亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)引起亞基的構(gòu)象依緊繃(T)、松馳(L)和開放(O)的順序改變，使ATP得以合成并從復(fù)合體上釋放。具體說， ADP和Pi與開放狀態(tài)的亞基結(jié)合；在質(zhì)子流的推動(dòng)下亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)使亞基轉(zhuǎn)變?yōu)樗神Y狀態(tài)并在較少能量變化情況下， ADP和Pi自發(fā)地形成ATP，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榫o繃狀態(tài)； 亞基繼續(xù)變構(gòu)成松馳狀態(tài)，使ATP的釋放，并可以再次結(jié)合ADP和Pi進(jìn)行下一輪的ATP合成。在ATP合成的整個(gè)過程中，能量消耗的步驟主要在ATP的釋放，而不是ATP的合成。按照Boyer的結(jié)合改變機(jī)理或旋轉(zhuǎn)理論，CF1的3個(gè)亞基應(yīng)是均等地參與催化反應(yīng)。但有人對(duì)此持有不同看法，并已發(fā)現(xiàn)了一些CF1的3個(gè)亞基不是均等地參與催化反應(yīng)的證據(jù)，于是提出了非旋轉(zhuǎn)的2