【精品】植物光合作用講義

1、 /46第三章植物的光合作用自養(yǎng)生物吸收二氧化碳轉變成有機物的過程叫碳素同化作用(carbonassim訂ation)生物的碳素同化作用包括細菌光合作用、綠色植物光合作用和化能合成作用三種類型，其中以綠色植物光合作用最為廣泛，合成有機物最多，與人類的關系也最密切,因此，本章重點介紹綠色植物的光合作用。光合作用(photosynthesis)是指綠色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機物質并釋放氧氣的過程光合作用對整個生物界產生巨大作用:一是把無機物轉變成有機物每年約合成5X1011噸有機物，可直接或間接作為人類或動物界的食物，據估計地球上的自養(yǎng)植物一年中通過光合作用約同化2X1011噸碳素

2、,其中40%是由浮游植物同化的，余下的60%是由陸生植物同化的；二是將光能轉變成化學能，綠色植物在同化二氧化碳的過程中，把太陽光能轉變?yōu)榛瘜W能，并蓄積在形成的有機化合物中。人類所利用的能源，如煤炭、天然氣、木材等都是現在或過去的植物通過光合作用形成的；三是維持大氣0和C0的相對平衡。在22地球上，由于生物呼吸和燃燒，每年約消耗3o15X10n噸0,以這樣的速度計算，大氣層2中所含的將在3000年左右耗盡。然而，綠色植物在吸收匹的同時每年也釋放出535X1011噸0,所以大氣中含的0含量仍然維持在21%o由此可見，光合作用是地球上規(guī)模最大的把22太陽能轉變?yōu)榭少A存的化學能的過程，也是規(guī)模最大的將

3、無機物合成有機物和釋放氧氣的過程。目前人類面臨著食物、能源、資源、環(huán)境和人口五大問題，這些問題的解決都和光合作用有著密切的關系，因此，深入探討光合作用的規(guī)律，弄清光合作用的機理,研究同化物的運輸和分配規(guī)律，對于有效利用太陽能、使之更好地服務于人類，具有重大的理論和實際意義。一、光合作用的早期研究直到18世紀初，人們仍然認為植物是從土壤中獲取生長發(fā)育所需的全部元素的。1727年S.Hales提出植物的營養(yǎng)有一部分可能來自于空氣，并且光以某種方式參與此過程。那時人們已經知道空氣含不同的氣體成分。1771年英國牧師、化學家JoPriestley發(fā)現將薄荷枝條和燃燒著的蠟燭放在一個密封的鐘罩內，蠟燭不

4、易熄滅；將小鼠與綠色植物放在同一鐘罩內，小鼠也不易窒息死亡。因此，他在1776年提出植物可以“凈化”由于燃燒蠟燭和小鼠呼吸弄“壞的空氣接著，荷蘭醫(yī)生J.Ingenhousz證實，植物只有在光下才能“凈化”空氣。于是，人們把1771年定為發(fā)現光合作用的年代。1782年瑞士的J。Senebier用化學分析的方法證明，CO是光合作用必需的，0是光合22作用的產物。1804年N.T.DeSaussure進行了光合作用的第一次定量測定，指出水參與光合作用，植物釋放O的體積大致等于吸收CO的體積。221864年J.V。Sachs觀測到照光的葉片生成淀粉粒，從而證明光合作用形成有機物。到了19世紀末，人們寫

5、出了如下的光合作用的總反應式:光6C0+6H0CH0+602261262（31）綠色植物資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /46由(31)式可以看出，光合作用本質上是一個氧化還原反應，H0是電子供體(還2原劑)，CO是電子受體(氧化劑)。20世紀30年代末，英國人R.Hill發(fā)現光照射離體葉2綠體可以將水分解釋放氧氣，并且在任何氧化劑存在下，同時可以將CO還原為糖。如上所2述，光合作用的突出特點是：HO被氧化到O的水平；CO被還原到糖的水平；氧化還原反應222所需的能量來自光能,即發(fā)生光能的吸收、轉換與貯存

6、.幾十年后,(31)式被進一步簡化成下式：光CO+HO(CHO)+222O(32)2葉綠體(3-2)式用(CHO)表示一個糖類分子的基本單位，用葉綠體代替綠色植物，說明葉2綠體是進行光合作用的基本單位與場所。隨著研究的不斷深入，1941年美國科學家S.Ruben和M.D。Kamen通過即和C18O同位素標記實驗，證明光合作用中釋放的O來自于HO。為了2222把CO中的氧和HO中的氧在形式上加以區(qū)別，用下式作為光合作用的總反應式：22光CO+2H0*-(CH0)+0*+2222H02(33)葉綠體至此，人們已清楚地知道光合作用的反應物和生成物，并依據光合產物和o2釋放的增加或co2的減少來計算光

7、合速率。例如，用改良半葉法測定有機物質的積累，用紅外線CO氣體分析2儀法測定C0的變化，用氧電極測定0的變化等由于植物體含水量高，光合作用所利用的22水分只占體內總含水量的極小部分，一般不用含水量的變化來衡量植物的光合速率.二、光合色素光合色素即葉綠體色素,主要有三類:葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素.高等植物葉綠體中含有前兩類,藻膽素僅存在于藻類。（一）光合色素的結構與性質1。葉綠素高等植物葉綠素（chlorophyll,chl）主要有葉綠素a和葉綠素b兩種。它們不溶于水，而溶于有機溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用80的丙酮或丙酮:乙醇：水（4.5：4。5:1）的混合液來提取葉綠素。在顏色

8、上,葉綠素a呈藍綠色,而葉綠素b呈黃綠色。按化學性質來說,葉綠素是葉綠酸的酯,能發(fā)生皂化反應。葉綠酸是雙羧酸,其中一個羧基被甲醇所酯化,另一個被葉醇所酯化。葉綠素a和葉綠素b的分子式如下：COOCH33資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /46葉綠素aCHONMg或CHONMg55725432304COOCH2039COOCH3葉綠素bCHONMg或CHONMg557064322824COOCH2039葉綠素a與b很相似，不同之處僅在于葉綠素a第二個吡咯環(huán)上的一個甲基（CH）3被醛基（一CHO）所取代，即為葉

9、綠素b（圖31a）。葉綠素分子含有一個卟啉環(huán)的“頭部”和一個葉綠醇（植醇，phytol）的“尾巴”。卟啉環(huán)由四個吡咯環(huán)以四個甲烯基（一CH=）連接而成。鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，偏向于帶正電荷，與其相聯的氮原子則偏向于帶負電荷,因而卟啉具有極性，是親水的,可以與蛋白質結合。另外還有一個含羰基和羧基的同素環(huán)，羧基以酯鍵和甲醇結合。環(huán)W上的丙酸基側鏈以酯鍵與葉醇相結合.葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是一個親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性.卟啉環(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子易被光激發(fā)而引起電子得失，從而使葉綠素具有特殊的光化學性質.以氫的同位素氘或氚試驗證明，葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原,

10、而僅以電子傳遞（即電子得失引起的氧化還原）及共軛傳遞（直接能量傳遞）的方式參與能量的傳遞。卟啉環(huán)中的鎂原子可被H+、吐+、Ze+所置換。用酸處理葉片，H+易進入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩(wěn)定。人們常根據這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標本。2。類胡蘿卜素類胡蘿卜素（carotenoid）是一類由八個異戊二烯單位組成的，含有40個碳原子的化合物（圖3-1b），不溶于水而溶于有機溶劑。葉綠體中的類胡蘿卜素含有兩種色素，即胡蘿卜素（carotene）和葉黃素（lutein），前者呈橙黃色，后者呈黃色。胡蘿卜素是不飽和的碳

11、氫化合物，分子式是CH,有a、B、丫三種同分異構體。在一些真核4056藻類中還含有一類胡蘿卜素。葉子中常見的是B-胡蘿卜素，它在動物體內水解后即轉變?yōu)榫S生素A。葉黃素是由胡蘿卜素衍生的醇類，分子式是CH0。40562一般情況下,葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為3:1,所以正常的葉子呈現綠色。秋天，葉片中的葉綠素較易降解，數量減少，而類胡蘿卜素比較穩(wěn)定，所以葉片呈現黃色。全部的葉綠素和類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，并以非共價鍵與蛋白質結合在一起,組成色素蛋白復合體(pigmentproteincomplex),各色素分子在蛋白質中按一定的規(guī)律排列和取向，以便于吸收和傳遞光能。資料內容僅供您學習

12、參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /463。藻膽素藻膽素(phycobilin)是藻類主要的光合色素，僅存在于紅藻和藍藻中,常與蛋白質結合為藻膽蛋白，主要有藻紅蛋白(phycoerythrin)、藻藍蛋白(phycocyanin)和別藻藍蛋白(allophycocyanin)三類。它們的生色團與蛋白質以共價鍵牢固地結合只有用強酸煮沸時，才能把它們分開。它們均溶于稀鹽溶液中。藻膽素的四個吡咯環(huán)形成直鏈共軛體系，不含鎂和葉醇鏈，具有收集和傳遞光能的作用。(二)光合色素的光學特性太陽輻射到地面的光，波長大約為3002600nm,對

13、光合作用有效的可見光的波長在400700nm之間。光是一種電磁波，同時又是運動著的粒子流，這些粒子叫光子(photon)或光量子(quantum)。光子攜帶的能量與光的波長成反比。它們的關系如下：q=hvvp/入(3-4)式中q為每個光量子所持有的能量，h為普朗克常數(66262X10-34JS),v為頻率(si),c是光速(2.9979X108ms-i),入是波長(nm)。光量子的能量通常是以每摩爾光量子具有的千卡或愛因斯坦來表示。E=Nhv=Nhc/X(3-5)式中E為能量(kJ),N為亞伏加德羅常數(6o02X1023).N個量子就相當于1摩爾量子或1愛因斯坦量子。不同波長的光，每個愛因

14、斯坦所持的能量不同(表3-1)o表31不同波長的光子所持有的能量波長(nm)每個愛因斯坦(摩爾)的能量(kJmol-i)400289500259600197700172800161光合色素的吸收光譜當光束通過三棱鏡后，可把白光(混合光)分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7色連續(xù)光譜。如果把葉綠體色素溶液放在光源和分光鏡之間，就可以看到光譜中有些波長的光線被吸收了，光譜上出現了暗帶，這就是葉綠體色素的吸收光譜(absorptionspectra）。用分光光度計可精確測定葉綠體色素的吸收光譜（圖3-2）。葉綠素對光波最強的吸收區(qū)有兩個：一個在波長為640660nm的紅光部分，另一個在波長為430450

15、nm的藍紫光部分。此外，葉綠素對橙光、黃光吸收較少，其中尤以對綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜很相似，但也略有不同:葉綠素a在紅光區(qū)的吸收帶偏向長波方面，吸收帶較寬，吸收峰較高；而在藍紫光區(qū)的吸收帶偏向短光波方面，吸收帶較窄，吸收峰較低。葉綠素a對藍紫光的吸收為對紅光吸收的1.3倍，而葉綠素b則為3倍，說明葉綠素b吸收短波藍紫光的能力比葉綠素a強。絕大多數的葉綠素a分子和全部的葉綠素b分子具有吸收光能的功能，并把光能傳遞給極少數特殊狀態(tài)的葉綠素a分子，發(fā)生光化學反應。胡蘿卜素和葉黃素的吸收光譜與葉綠素不同，它們的最大吸收帶在400500nm的藍紫光區(qū)（圖3-

16、2），不吸收紅光等長波光。藻藍蛋白的吸收光譜最大值在橙紅光部分，藻紅蛋白在綠光、黃光部分。類胡蘿卜素和藻膽素均具有吸收和傳遞光能的作用。（三）光合色素的熒光現象和磷光現象葉綠素溶液在透射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色，這種現象稱為葉綠素熒光現象.葉綠素為什么會發(fā)熒光呢？當葉綠素分子吸收光量子后，就由最穩(wěn)定的、能量的最低狀態(tài)一基態(tài)（groundstate）上升到不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一激發(fā)態(tài)（excitedstate）（圖3-3）葉綠素分子有紅光和藍光兩個最強吸收區(qū)。如果葉綠素分子被藍光激發(fā)，電子躍遷到能量較高的第二單線態(tài)；如果被紅光激發(fā)，電子躍遷到能量較低的第一單線態(tài)。處于單線態(tài)的電子，其自旋方向保

17、持原來狀態(tài)，如果電子在激發(fā)或退激過程中自旋方向發(fā)生變化，該電子就進入能級較單線態(tài)低的三線態(tài).由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，迅速向較低能級chl+hchl（36）基態(tài)光子能量激發(fā)態(tài)狀態(tài)轉變，能量有的以熱的形式釋放，有的以光的形式消耗.從第一單線態(tài)回到基態(tài)所發(fā)射的光就稱為熒光。處在第一三線態(tài)的葉綠素分子回到基態(tài)時所發(fā)出的光為磷光。熒光的壽命很短，只有10-810-10S。由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗于分子內部的振動上，發(fā)射出的熒光的波長總是比被吸收的波長要長一些。所以葉綠素溶液在入射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色。在葉片或葉綠體中發(fā)射熒光很弱，肉眼難以觀測出來，耗能很少，一般不超過吸收能量的5，因為大

18、部分能量用于光合作用。色素溶液則不同，由于溶液中缺少能量受體或電子受體，在照光時色素會發(fā)射很強的熒光。另外，吸收藍光后處于第二單線態(tài)的葉綠素分子，其貯存的能量雖遠大于吸收紅光處于第一單線態(tài)的狀態(tài)，但超過的部分對光合作用是無用的，在極短的時間內葉綠素分子要從第二單線態(tài)返回第一單線態(tài)，多余的能量也是以熱的形式耗散.因此，藍光對光合作用而言，在能量利用率上不如紅光高。葉綠素的熒光和磷光現象都說明葉綠素能被光所激發(fā)，而葉綠素分子的激發(fā)是將光能轉變?yōu)榛瘜W能的第一步?，F在，人們用葉綠素熒光儀能精確測量葉片發(fā)出的熒光，而熒光的變化可以反映光合機構的狀況，因此，葉綠素熒光被稱為光合作用的探針。四）葉綠素的生物

19、合成及其與環(huán)境條件的關系植物體內的葉綠素是不斷地進行代謝的，有合成，也有分解，用1N研究證明，燕麥幼苗在72小時后,葉綠素幾乎全部被更新，而且受環(huán)境條件影響很大。資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /461.葉綠素的生物合成葉綠素是在一系列酶的作用下形成的(圖34)。高等植物葉綠素的生物合成是以谷氨酸與a酮戊二酸作為原料的，然后合成一氨基酮戊酸(aminolevulinicacid,ALA)。2分子ALA脫水縮合形成一分子具有吡咯環(huán)的膽色素原；4分子膽色素原脫氨基縮合形成一分子尿卟啉原HI,合成過程按A-B-

20、C-D環(huán)的順序進行，尿卟啉原皿的四個乙酸側鏈脫羧形成具有四個甲基的糞卟啉原皿，以上的反應是在厭氧條件下進行的.在有氧條件下，糞卟啉原III再脫羧、脫氫、氧化形成原卟啉氐，原卟啉氐是形成葉綠素和亞鐵血紅素的分水嶺。如果與鐵結合，就生成亞鐵血紅素；若與鎂結合,則形成Mg-原卟啉氐。由此可見，動植物的兩大色素最初是同出一源的，以后在進化的過程中分道揚鑣，結構和功能各異.Mg-原卟啉區(qū)的一個羧基被甲基酯化，在原卟啉氏上形成第五個環(huán),接著B環(huán)上的一CH2=CH2側鏈還原為-CH2CH3,即形成原葉綠酸酯。2223原葉綠酸酯經光還原變?yōu)槿~綠酸酯a，然后與葉醇結合形成葉綠素a，葉綠素b是由葉綠素a轉化而成的

21、.2、影響葉綠素形成的條件光照：光是葉綠體發(fā)育和葉綠素合成必不可少的條件。從原葉綠酸酯轉變?yōu)槿~綠酸酯是需要光的還原過程，如果沒有光照，一般植物葉子會發(fā)黃，這種因缺乏某些條件而影響葉綠素形成，使葉子發(fā)黃的現象，稱為黃化現象。然而,藻類、苔蘚、蕨類和松柏科植物在黑暗中可合成葉綠素，柑桔種子的子葉和蓮子的胚芽可在暗中合成葉綠素，其合成機理尚不清楚.溫度：葉綠素的生物合成是一系列酶促反應，因此受溫度影響很大.葉綠素形成的最低溫度約為24C,最適溫度是2030C，最高溫度為40C左右.溫度過高或過低均降低合成速率，原有葉綠素也會遭到破壞。秋天葉子變黃和早春寒潮過后秧苗變白等現象，都與低溫抑制葉綠素形成有

22、關。礦質元素：氮和鎂是葉綠素的組成成分，鐵、銅、錳、鋅是葉綠素合成過程中酶促反應的輔因子。這些元素缺乏時不能形成葉綠素，植物出現缺綠癥(chlorosis)，其中尤以氮素的影響最大.水分：植物缺水會抑制葉綠素的生物合成，且與蛋白質合成受阻有關。嚴重缺水時,還會加速原有葉綠素的分解，而且是合成大于分解，所以干旱時葉片呈黃褐色。此外,葉綠素的形成還受遺傳因素的控制.即使在條件適宜的情況下，水稻、玉米的白化苗以及花卉中的花葉仍不能合成葉綠素。氧氣:在強光下，植物吸收的光能過剩時，氧參與葉綠素的光氧化；缺氧會引起Mg原卟啉IX及Mg-原卟啉甲酯積累,而不能合成葉綠素。三、光合作用的機理光合作用機理是復

23、雜的，迄今仍然未完全查清楚。已有研究表明，光合作用的總反應,包括一系列復雜的光化學反應和酶促反應過程。20世紀初O.Warburg等人在研究外界條件對光合作用的影響時發(fā)現，在弱光下增加光強能提高光合速率，但當光強增加到一定值時，光合速率便不再隨光強的增加而提高，此時只有提高溫度或CO2濃度2才能增加光合速率；由此推理，光合作用至少有兩個步驟，其一需要光；另一個則與溫度相關。在其后對光合作用機理有重大意義的研究是希爾反應的發(fā)現和水氧化鐘模型的提出（詳見3。3。2。3）。后來有人又用藻類進行閃光試驗，在光能量相同的情況下，一種用連續(xù)光照，另一種用閃光照射，中間隔一暗期，發(fā)現后者的光合效率比連續(xù)照光

24、的高.上述試驗表明光合作用不是任何步驟都需要光。根據需光與否，將光合作用分為兩個反應光反應（lightreaction）和暗反應（darkreaction）。光反應是必須在光下才能進行的、由光推動的光化學反應，在類囊體膜（光合膜）上進行；暗反應是在暗處（也可以在光下）進行的、由一系列酶催化的化學反應，在葉綠體基質中進行。近年來的研究表明，光反應的過程并不都需要光，而暗反應過程中的一些關鍵酶活性也受光的調節(jié)。光合作用是能量轉化和形成有機物的過程。在這個過程中首先是吸收光能并把光能轉變?yōu)殡娔?，進一步形成活躍的化學能，最后轉變?yōu)榉€(wěn)定的化學能，貯藏于碳水化合物中。整個光合作用可大致分為三個步驟:原初反

25、應；電子傳遞（含水的光解、放氧）和光合磷酸化；碳同化過程。第一、二兩個步驟基本屬于光反應，第三個步驟屬于暗反應（表32）。表3-2光合作用中各種能量轉變情況能量轉變光能電能-活躍化學能穩(wěn)定化學能貯存能量量子電子ATP，NADPH碳水化合物等轉變過程原初反應電子傳遞與光合磷酸化碳同化時間跨度（秒）101510-9101010411010100反應部位基粒類囊體膜基粒類囊體膜葉綠體基質光、溫條件需光，與溫度不都需要光，但受光促不需光，但受光、溫促進反應無關進，與溫度無關，光、暗反應光反應光反應暗反應一）、原初反應原初反應是指光合色素分子對光能的吸收、傳遞與轉換過程.它是光合作用的第一步，速度非?？?/p>

26、，可在皮秒(ps,10-12秒)與納秒(ns,10-9秒)內完成，且與溫度無關，可在-196c(液氮溫度)或-271C(液氦溫度)下進行。根據功能來區(qū)分，類囊體膜上的光合色素可為二類：(1)反應中心色素(reactioncentrepigments),少數特殊狀態(tài)的葉綠素a分子屬于此類，它具有光化學活性，既能捕獲光能，又能將光能轉換為電能(稱為陷阱”)。(2)聚光色素(lightharvestingpigments)，又稱天線色素(antenna資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /46pigments)，它

27、沒有光化學活性能吸收光能，并把吸收的光能傳遞到反應中心色素，絕大多數色素，包括絕大部分葉綠素a和全部的葉綠素b、胡蘿卜素、葉黃素等都屬于此類.聚光色素位于光合膜上的色素蛋白復合體上，反應中心色素存在于反應中心(reactioncenter)。但二者是協同作用的，若干個聚光色素分子所吸收的光能聚集于1個反應中心色素分子而起光化學反應。一般來說，約250300個色素分子所聚集的光能傳給一個反應中心色素。每吸收與傳遞1個光量子到反應中心完成光化學反應所需起協同作用的色素分子數，稱為光合單位(photosyntheticunit)(圖35).實際上，光合單位包括了聚光色素系統(tǒng)和光合反應中心兩部分。因此

28、也可以把光合單位定義為：結合于類囊體膜上能完成光化學反應的最小結構的功能單位。當波長范圍為400700nm的可見光照射到綠色植物時，天線色素分子吸收光量子而被激發(fā)，以“激子傳遞(excitontransfer)和“共振傳遞(resonancetransfer)兩種方式進行能量傳遞。所謂激子是指由高能電子激發(fā)的量子，可以轉移能量，但不能轉移電荷.而共振傳遞則是依賴高能電子振動在分子間傳遞能量。兩種激發(fā)能傳遞方式的傳遞速率都很快，例如，振動一個壽命為5x10-9S的紅光量子在葉綠體中可傳遞經過幾百個葉綠素a分子。能量可在相同色素分子之間傳遞，也可在不同色素分子之間傳遞，但總是沿著波長較長即能量水平

29、較低的方向傳遞。傳遞的效率很高，幾乎接近100。于是，大量的光能通過天線色素吸收、傳遞到反應中心色素分子，引起光化學反應。光化學反應是在光合反應中心進行的。而反應中心是進行原初反應的最基本的色素蛋白復合體，它至少包括一個反應中心色素分子即原初電子供體(primaryelectrondonor,P)、一個原初電子受體(primaryelectronacceptor，A)和一個次級電子供體(secondaryelectrondonor,D),以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質，才能導致電荷分離，將光能轉換為電能。反應中心的原初電子受體是指直接接受反應中心色素分子傳來電子的物質(A)。反應

30、中心次級電子供體，是指將電子直接供給反應中心色素分子的物質.在光下,光合作用原初反應是連續(xù)不斷地進行的，因此，必須不斷有最終電子供體和最終電子受體的參與,構成電子的“源”和“庫。高等植物的最終電子供體是水，最終電子受體是NADP+.光化學反應實質上是由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體和次級供體之間的氧化還原反應。天線色素分子將光能吸收和傳遞到反應中心后，使反應中心色素分子(P)激發(fā)而成為激發(fā)態(tài)(P*),釋放電子給原初電子受體(A),同時留下了“空穴，成為陷井(trap)。反應中心色素分子被氧化而帶正電荷(P+),原初電子受體被還原而帶負電荷(A-).這樣，反應中心發(fā)生了電荷分離，反應中心

31、色素分子失去電子，便可從次級電子供體)那里奪取電子，于是反應中心色素恢復原來狀態(tài)(P),而次級電子供體卻被氧化(D+)。這就發(fā)生了氧化還原反應，完成了光能轉變?yōu)殡娔艿倪^程。huDpaDP*ADP+AD+PA(3-7)基態(tài)反應中心激發(fā)態(tài)反應中心電荷分離的反應中心這一氧化還原反應在光合作用中不斷地反復進行，原初電子受體A-要將電子傳給次級電子受體，直到最終電子受體NADP+。同樣，次級電子供體D+也要向它前面的電子供體奪取電子，依次直到最終電子供體水。資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除 /46 /46(二)電子傳遞與光合

32、磷酸化反應中心色素受光激發(fā)而發(fā)生電荷分離，將光能變?yōu)殡娔埽a生的電子經過一系列電子傳遞體的傳遞，引起水的裂解放氧和NADP+還原，并通過光合磷酸化形成ATP,把電能轉化為活躍的化學能.1、光系統(tǒng)20世紀40年代，當以綠藻為材料，研究不同光波的量子產額(quantumyield),(即每吸收一個光量子后釋放出的氧分子數),發(fā)現用波長大于685nm的遠紅光照射材料時,雖然光量子仍被葉綠素大量吸收，但量子產額急劇下降,這種現象被稱為紅降(reddrop).1957年，羅伯特愛默生(R.Emerson)觀察到，在遠紅光(波長大于685nm)條件下，如補充紅光(波長650nm)，則量子產額大增，并且比這

33、兩種波長的光單獨照射時的總和還要大。這樣兩種波長的光促進光合效率的現象叫做雙光增益效應或愛默生效應(Emersoneffect)。我們可以認為是遠紅光幫助了短波長的光，或者是短波長的光幫助了遠紅光.這些現象使人們設想,光合作用可能包括兩個光化學反應接力進行。后來，進一步的研究證實光合作用確實有兩個光化學反應，分別由兩個光系統(tǒng)完成。一個是吸收短波紅光(680nm)的光系統(tǒng)II(photosystemII,PSII)，另一個是吸收長波紅光(700nm)的光系統(tǒng)I(photosystemI,PSI)。這兩個光系統(tǒng)是以串聯的方式協同作用的。目前已從葉綠體的片層結構中分離出兩個光系統(tǒng),它們都是蛋白復合物

34、，其中既有光合色素，又有電子傳遞體PSI顆粒較小，直徑為11nm，位于類囊體膜的外側；PSII顆粒較大，直徑為17.5nm，位于類囊體膜的內側。PSII蛋白復合體至少含12種不同的多肽，多數為內在蛋白。最大的蛋白質是結合葉綠素的天線蛋白(antennaprotein)CP47和CP43，還有D1和D”兩條多12肽，是PSII復合體的基本組成部分,P680、去鎂葉綠素(pheophytin；pheo)和質體醌(plastoquinone,PQ)，都結合在幾和d2上。在光合反應中心外層是光合色素與蛋白質結合構成PSII聚光色素復合體(PSIIlightharvestingpigmentcomple

35、x，LHCII).PSI蛋白復合體也包含反應中心和聚光色素復合體(PSIlightharvestingpigmentcomplex,LHCI).敵草隆(DCMU,一種除草劑)能抑制PSII的光化學反應，卻不抑制PSI的光化學反應.PSI的光化學反應是長光波反應，其主要特征是NADP+的還原。當PSI的反應中心色素分子(P700)吸收光能而被激發(fā)后，把電子傳遞給各種電子受體，經Fd(鐵氧還蛋白)，在NADP還原酶的參與下，把NADP+還原成NADPH。反應中心色素P700中的P表示色素，700是指色素的最大吸收波長。PSII的光化學反應是短光波反應，其主要特征是水的光解和放氧。PSII的反應中心

36、色素分子(P680)吸收光能，把水分解，奪取水中的電子供給PSI.2、光合鏈光合鏈是指定位在光合膜上的、一系列互相銜接著的電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道?，F在被廣泛接受的光合電子傳遞途徑是“Z”方案(“Z”scheme)，即電子傳遞是由兩個光系統(tǒng)串聯進行，其中的電子傳遞體按氧化還原電位高低排列，使電子傳遞鏈呈側寫的“Z形(圖3-6)。“Z”方案最早是由希爾(R.Hill)等在I960年提出的，經過后人的不斷修正與補充，日臻完善。PSI和PSII以串聯方式協同完成電子從H0向NADP+的傳遞。由氧化還原電位的高低可以看出，這一電子2傳遞途徑是不能自發(fā)進行的，有二處(P680-P680*和P70

37、0fP700*)是逆電勢梯度的“上坡電子傳遞，需要聚光色素復合體吸收與傳遞的光能來推動。除此之外，電子都是從低電勢向高電勢的自發(fā)“下坡運動光合鏈中的電子傳遞體是質體釀(plastoquinone,PQ)，細胞色素(cytochrome,Cyt)b6/f復合體，6鐵氧還蛋白(ferredoxin,Fd)和質藍素(plastocyanin,PC)。其中以PQ最受重視，因為它不僅數量多(菠菜葉綠體內PQ含量達全葉綠素干重的七分之一)，而且它是雙電子雙H+傳遞體，它既可傳遞電子，也可傳遞質子，在傳遞電子的同時，把H+從類囊體膜外帶入膜內，在類囊體膜內外建立跨膜質子梯度以推動ATP的合成。光合鏈中PSI

38、、Cytbf和PSI在類囊體膜上，難以移動，而PQ、PC和Fd可以在膜內或膜表面移動,在三者間傳遞電子。3、水的光解和放氧水的光解(waterphotolysis)是希爾(R。Hill)于1937年發(fā)現的.他將離體的葉綠體加到具有氫受體(A)的水溶液中，照光后即發(fā)生水的分解而放出氧氣.光2H0+2A2AH+0(3-8)222葉綠體此反應稱為希爾反應(Hillreaction).氫的接受體被稱為希爾氧化劑(Hilloxidant)，如2,6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP+、NAD+等.是希爾第一個用離體葉綠體作試驗，把光合作用的研究深入到細胞器的水平.水的光解反應是植物光合作用重要的反應之一，其機

39、理尚不完全清楚。但已查明，在類囊體腔一側有3條外周多肽，其中一條33kD的多肽為錳穩(wěn)定蛋白(manganesestablizingprotein,MSP)，它們與Mn、Ca+2、Cl一起參與氧的釋放，稱為放氧復合體(oxygenevolvingcomplex,OEC)。而且對于水是如何通過OEC給出電子的問題目前已有部分答案.在1969年，法國的學者P。Joliot給已經暗適應的葉綠體極快的閃光處理，發(fā)現閃光后放氧量是不均等的，是以4為周期呈現振蕩.第一次閃光后無02產生，第二次閃光釋放少量02,第三次閃光放02最多，第四次閃光放02次之。然后每四次閃光出現一次放氧高峰。已知每釋放1個02，需

40、要氧化2分子水，并移去4個e-,同時形成4個H+,而閃光恰巧以4為周2期.Kok等(1970)據此提出了H20氧化機制的模型：放氧復合體(0EC)在每次閃光后可以積累一個正電荷，2直至積累4個正電荷，才一次用于2個H20的氧化(圖3-7)。該圖中不同狀態(tài)的S代表了0EC中不同氧化狀態(tài)的放氧復合體(含錳蛋白)，含有4個Mn,包括血2+、Mn3+和Mm+。按照氧化程度從低到高的順序，將不同狀態(tài)的含錳蛋白分別稱為s0、S1s2、和S4.即$0不帶電荷，q帶1個正電荷,依次到S4帶有401234014個正電荷。每一次閃光將S狀態(tài)向前推進一步，直至S.然后，S從2個H0中獲取4個e-,并回到S。4420

41、此模型稱為水氧化鐘(wateroxidizingclock)或心*鐘(Kokclock)。這個模型還認為，S。和S】是穩(wěn)定狀態(tài)，4和S3可在暗中退回到S1,S4不穩(wěn)定.這樣在葉綠體暗適應后，有3/4的含錳蛋白處于S1,231411/4處于S0,因此最大放氧量出現在第三次閃光后。4、光合電子傳遞光合電子傳遞有三種類型：非環(huán)式電子傳遞(noncyclicelectrontransport):指水光解放出的電子經PSII和PSI兩個光系統(tǒng)，最終傳給NADP+的電子傳遞。HOfPSIIPQfCytb/fPCPSIFdFNRNADP+(3-9)26按非環(huán)式電子傳遞,每傳遞4個電子，分解2分子嗎0,釋放1

42、個02,還原2個NADP+，需要吸收8個光量子，量子產額為1/8.同時運轉8個H+進入類囊體腔.環(huán)式電子傳遞(cyclicelectrontransport):指PSI產生的電子傳給Fd,再到Cytb/f復合6體,然后經PC返回PSI的電子傳遞。環(huán)式電子傳遞途徑可能不止一條，電子可由Fd直接傳給Cytb/f,6也可經FNR傳給質體醌，還可以經過NADPH再傳給PQ.PSIfFdf(NADPHfPQ)fCytb6/ffPCPSI(310)假環(huán)式電子傳遞(pseudocyclicelectrontransport):指水光解放出的電子經PSII和PSI兩個光系統(tǒng)，最終傳給02的電子傳遞。由于這一電

43、子傳遞途徑是Mehler提出的，故亦稱為Mehler反應.它與非環(huán)式電子傳遞的區(qū)別只是電子的最終受體是02而不是NADP+2HOfPSIIPQfCytb/ffPCPSIFdO(311)262因為Fd是單電子傳遞體，02得到一個電子生成超氧陰離子自由基(0:)，它是一種活性氧。葉綠2體中的超氧化物歧化酶(SOD)可清除0乙。這一過程往往是在強光照射下,NADP+供應不足的情況下發(fā)生的。這是植物光合細胞產生02的主要途徑。5、光合磷酸化葉綠體在光照下把無機磷(Pi)與ADP合成ATP的過程稱為光合磷酸化(photophosphorylation).與三種光合電子傳遞的類型類同，光合磷酸化也被分為三

44、種類型，即非環(huán)式光合磷酸化(noncyclicphotophosphorylation)、環(huán)式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)和假環(huán)式光合磷酸化(pseudocyclicphotophosphorylation)。電子傳遞是如何偶聯著ATP的合成呢?大量研究表明，光合磷酸化與電子傳遞是通過ATP酶聯系在一起的(圖38).ATP酶又叫ATP合成酶、偶聯因子(couplingfactor).葉綠體的ATP酶與線粒體膜上的ATP酶結構相似，是一種球莖結構，由兩個蛋白復合體構成:一個是突出于膜表面的親水性的“CF”復合體，另一個是埋置于膜內的疏水性的“CF0復合體。酶

45、的催化部位在CF上，CF結合在CFo上。CF/很容易被EDTA溶液除去，而CF。則需要去污劑才能除去。ATP酶由9種亞基組成,分子量為550kD左右，催化的反應為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。關于光合磷酸化的機理，可由英國的米切爾(P.Mitchell)提出的化學滲透學說來解釋。該學說認為，在類囊體膜上的電子傳遞體中，PQ具有親脂性，含量多，被稱為PQ庫，它可傳遞電子和質子，而其它傳遞體只能傳遞電子.在光下，PQ在將電子向下傳遞的同時，又把膜外基質中的質子轉運至類囊體膜內，PQ在類囊體膜上的這種氧化還原往復變化稱PQ穿梭。此外，水在膜內側分解也釋放出H+,膜內H+濃度增高，則膜內

46、電位較正”，膜外H+濃度降低，則膜外電位較“負”，于是膜內外產生電位差(厶)和質子濃度差(ApH)，兩者合稱質子動力勢(protonmotiveforce,pmf)，是光合磷酸化的動力H+沿著濃度梯度返回膜外時，在ATP酶催化下，合成ATP。(三)碳同化二氧化碳同化(CO2assimilation)，簡稱碳同化，是指植物利用光反應中形成的同化力(ATP和2NADPH)，將CO2轉化為碳水化合物的過程。二氧化碳同化是在葉綠體的基質中進行的，有許多種酶參與反2應。高等植物的碳同化途徑有三條，即C途徑、C途徑和CAM(景天酸代謝)途徑。341、C3途徑如前所述，早在十九世紀末，人們就知道光合作用需要

47、82和h2o,產物是糖和淀粉，但是對于82是如222何被還原成碳水化合物的具體步驟尚不清楚。直到20世紀40年代中期，美國加州大學的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)采用當時的兩項新技術：放射性同位素示蹤和雙向紙層析，以單細胞藻類作為試驗材料，用14CO2飼喂,照光從數秒到幾十分鐘不等，然后在沸騰的酒精中殺死材料以終止生化反2應，用紙層析技術分離同位素標記物，以標記物出現的先后順序來確定二氧化碳同化的每一步驟。經十年的系統(tǒng)研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循環(huán)途徑，故稱為卡爾文循環(huán)(TheCalvincycle)。由于這個循環(huán)中CO2的受體是一種戊糖(核酮糖二磷酸)，故又稱

48、為還原戊糖磷酸途徑2(reductivepentosephosphatepathway,RPPP)。這個途徑中二氧化碳被固定形成的最初產物是一種三碳化合物，故稱為c3途徑。卡爾文循環(huán)具有合成淀粉等產物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途徑，大致可分為三個階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。(1)羧化階段:核酮糖-1,5二磷酸(RuBP)在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulosebisphosphatecarboxylase/oxygenase,Rubisco)催化下，與CO結合，產物很快水解為二分子3磷酸2甘油酸(3PGA)反應過程.Rubisco是植物體內含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋

49、白質總量的40%以上，由8個大亞基(約56KD)和8個小亞基(約14KD)構成，活性部位位于大亞基上。大亞基由葉綠體基因編碼，小亞基由核基因編碼。(2)還原階段：3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)催化下，形成1，3-二磷酸甘油酸(DPGA)，然后在甘油醛磷酸脫氫酶作用下被NADPH還原，變?yōu)楦视腿?3磷酸(GAP),這就是CO2的還原階段.2羧化階段產生的PGA是一種有機酸，尚未達到糖的能級，為了把PGA轉化成糖，要消耗光反應中產生的同化力.ATP提供能量，NADPH提供還原力使PGA的羧基轉變成GAP的醛基，這也是光反應與暗反應的聯結點。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過

50、程即告完成。2(3)再生階段：是由GAP經過一系列的轉變，重新形成CO2受體RuBP的過程.這里包括了形成磷酸化的3、4-、5-、6、7-碳糖的一系列反應(見圖310).最后一步由核酮糖一5磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP,再形成RuBP，構成了一個循環(huán)。C途徑的總反應式為：33C0+5H0+9ATP+6NADPH+6H+GAP+9ADP+8Pi+6NADP+(3-12)22出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖。若按每同化ImolCO可貯能478kJ,每水解ImolATP和氧化ImolNADPH可分別釋放能量32kJ和2

51、17kJ計算，2則通過卡爾文循環(huán)同化C02的能量轉換效率為90%。(即478/(32X3+217X2),由此可見，其能量轉2換效率是非常高的.由上式可見，每同化一個C0,要消耗3個ATP和2個NADPHo還原3個CO可輸出一個磷酸丙糖(GAP22或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內形成淀粉或運出葉綠體,在細胞質中合成蔗糖。若按每同化1molC02可2貯能478kJ，每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環(huán)同化C02的能量轉換效率為90%o(即478/(32X3+217X2)，由可見，其能量轉換效率是非常高的。2在20世紀60年代以后，人

52、們對光合碳循環(huán)的調節(jié)已有了較深入的了解.C3途徑的調節(jié)有以下幾方面：自動催化調節(jié)作用：C02的同化速率，在很大程度上決定于C3途徑的運轉狀況和中間產物的數量23水平.將暗適應的葉片移至光下,最初階段光合速率很低，需要經過一個“滯后期”(一般超過20min，取決于暗適應時間的長短)才能達到光合速率的“穩(wěn)態(tài)”階段.其原因之一是暗中葉綠體基質中的光合中間產物(尤其是RuBP)的含量低。在C3途徑中存在一種自動調節(jié)RuBP水平的機制，即在RuBP含量低時，最初同化C02形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP再生，以加快C02固定速率；當循環(huán)達到“穩(wěn)態(tài)”22后,磷酸丙糖才輸出.這種調節(jié)RuBP等中間產

53、物數量，使C02的同化速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機制，稱為2C3途徑的自動催化調節(jié).2。光調節(jié)作用：碳同化亦稱為暗反應。然而，光除了通過光反應提供同化力外還調節(jié)著暗反應的一些酶活性。例如Rubisco、PGAK、FBPase、SBPase、Ru5PK屬于光調節(jié)酶。在光反應中，H+被從葉綠體基質中轉移到類囊體腔中，同時交換出Mg2+。這樣基質中的pH值從7增加到8以上，Mg2+的濃度也升高，而Rubisco在pH8時活性最高,對C0親和力也高。其他的一些酶,如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8時2比pH7時高。在暗中,pHW7.2時，這些酶活性降低，甚至喪失.Rubisco活性部位中的一個賴氨

54、酸的NH2基在pH較高時不帶電荷，可以與在光下由Rubisco活化酶(activase)催化，與C02形成帶負電荷的氨2基酸，后者再與Mg2+結合，生成酶C02Mg2+活性復合體(ECM)，酶即被激活。光還通過還原態(tài)Fd產生效應物一一硫氧還蛋白(thioredoxin,Td)又使FBPase和Ru5PK的相鄰半胱氨酸上的巰基處于還原狀態(tài)，酶被激活；在暗中，巰基則氧化形成二硫鍵,酶失活。光合產物輸出速率的調節(jié)：光合作用最初產物磷酸丙糖從葉綠體運到細胞質的數量，受細胞質中Pi水平的調節(jié)。磷酸丙糖通過葉綠體膜上的Pi運轉器運出葉綠體，同時將細胞質中等量的Pi運入葉綠體.當磷酸丙糖在細胞質中合成為蔗糖

55、時，就釋放出Pi.如果蔗糖從細胞質的外運受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，Pi的釋放也隨之減少，會使磷酸丙糖外運受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響q光合碳還原循環(huán)的正常運轉。2、C途徑4在20世紀60年代，發(fā)現有些起源于熱帶的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它植物一樣具有卡爾文循環(huán)以外，還存在一條固定co2的途徑。它固定co2的最初產物是含四個碳的二羧酸，故稱為c4二224羧酸途徑(Cdicarboxylicacidpathway),簡稱C途徑。由于這個途徑是M.D.Hatch和C。R.Slack44發(fā)現的，也叫HatchSlack途徑.現已知被子植物中有20多個科近2000種植物按

56、C途徑固定CO,這些42植物被稱為C植物。4C途徑的CO受體是葉肉細胞胞質中的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)，在磷酸烯42醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的催化下，固定HCO(CO溶解于水)，生成草酰乙酸(oxaloaceticacid，OAA)。32草酰乙酸由NADP蘋果酸脫氫酶(malicaciddehydrogenase)催化，被還原為蘋果酸(malicacid，Mal)，反應在葉綠體中進行。但是，也有植物，其草酰乙酸與谷氨酸在天冬氨酸轉氨酶Qspartateaminotransferase)作用下,OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸(aspartica

57、cid，Asp)，反應在細胞質中進行.這些蘋果酸或天冬氨酸接著被運到維管束鞘細胞(bundlesheathcell,BSC)中去.四碳二羧酸在BSC中脫羧后變成的丙酮酸(pyruvicacid)，再從維管束鞘細胞運回葉肉細胞在葉綠體中，經丙酮酸磷酸雙激酶(pyruvatephosphatedikinase，PPDK)催化和ATP作用，生成CO的受體PEP，使反應循環(huán)進行，而四碳2二羧酸在BSC葉綠體中脫羧釋放的CO2,由BSC中的C3途徑同化.根據運入維管束鞘的C4二羧酸的種類以及參與脫羧反應的酶類,C4途徑又分三種類型。一是依賴44NADP蘋果酸酶(malicenzyme)的蘋果酸型(NAD

58、PME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即屬此類；二是依賴NAD-蘋果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)(PCK型)，龍爪稷、蟋蟀草、狗芽根、馬齒莧等屬于此類三是具有PEP羧激酶(PEPcarboxykinase，PCK)的天冬氨酸型，羊草、無芒虎尾草、衛(wèi)茅、鼠尾草等屬于此類NADPME型的初期產物是MAL,而NADME型和PCK型的初期產物是Asp。C4二羧酸從葉肉細胞轉移到BSC內脫羧釋放CO2,使BSC內的CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，相當于422一個“CO2泵的作用，能有效抑制Rubisc。的加氧反應，提高迥同化速率。同時PEPC對C02的Km值為2227umol,而Rubisco對CO

59、的Km值為450umol，即PEPC對CO的親和力高，因此，C途徑的CO同化速率2242高于C途徑。C途徑的酶活性受光、代謝物運輸的調節(jié).光可活化C途徑中的PEPC、NADP-蘋果酸脫氫酶344和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)，在暗中這些酶則被鈍化。蘋果酸和天冬氨酸抑制PEPC活性，而G6P、PEP則增加其活性。Mn2+和Mg2+是C植物NADP蘋果酸酶、NAD蘋果酸酶、PEP羧化激酶的活化劑。43、景天酸代謝途徑在干旱地區(qū)生長的景天科、仙人掌科等植物有一個特殊的CO2同化方式:夜間氣孔開放，吸收CO222,在PEPC作用下與糖酵解過程中產生的PEP結合形成OAA,OAA在NADP-蘋果酸脫氫酶

60、作用下進一步還原為蘋果酸，積累于液胞中，表現出夜間淀粉、糖減少，蘋果酸增加，細胞液變酸。白天氣孔關閉，液胞中的蘋果酸運至細胞質在NAD或ANDP蘋果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脫羧釋放CO”，再由C3途23徑同化;脫羧后形成的丙酮酸和PEP則轉化為淀粉（圖3-12）。丙酮酸也可進入線粒體，也被氧化脫羧生成CO2進入c3途徑，同化為淀粉。所以白天表現出蘋果酸減少，淀粉、糖增加，酸性減弱。這種有機酸23合成日變化的光合碳代謝類型稱為景天科酸代謝（crassulaceanacidmetabolism,CAM）途徑（圖3-12）。CAM途徑最早是在景天科植物中發(fā)現的，目前已知在近30個科，100多個