復(fù)旦大學(xué)生化課件-光合作用

光合作用

Photosynthesis2021/5/9118世紀(jì)初以前，人們?nèi)匀徽J(rèn)為植物是從土壤中獲取生長(zhǎng)發(fā)育所需要的全部元素。1727年S.Hales提出植物的營(yíng)養(yǎng)有一部分可能來(lái)自于空氣，并且光以某種方式參與此過(guò)程。2021/5/921771年英國(guó)牧師、化學(xué)家J.Priestley發(fā)現(xiàn)將薄荷枝條和燃燒著的蠟燭放在一個(gè)密封的鐘罩內(nèi)，蠟燭不易熄滅；將小鼠與綠色植物放在同一鐘罩內(nèi)，小鼠也不易窒息死亡。1776年他提出植物可以“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(shí)，植物只有在光下才能“凈化”空氣。人們把1771年定為發(fā)現(xiàn)光合作用的年代。2021/5/931782年瑞士的J.Senebier用化學(xué)分析方法證明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的產(chǎn)物。1804年N.T.DeSaussure進(jìn)行了光合作用的第一次定量測(cè)定，指出水參與光合作用，植物釋放O2的體積大致等于吸收CO2的體積。1864年J.V.Sachs觀測(cè)到照光的葉片生成淀粉粒，證明了光合作用形成有機(jī)物。到了19世紀(jì)末，人們寫出了光合作用的總反應(yīng)式：2021/5/941941年美國(guó)科學(xué)家S.Ruben和M.D.Kamen通過(guò)18O2和C18O2同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，證明光合作用中釋放的O2來(lái)自于H2O。為了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以區(qū)別，通常用下式作為光合作用的總反應(yīng)式：

CO2+2H2O*→(CH2O)+O*2

＋H2O

至此，人們已清楚地知道光合作用的反應(yīng)物和生成物，并依據(jù)光合產(chǎn)物和O2釋放的增加或CO2的減少來(lái)計(jì)算光合速率。例如，用改良半葉法測(cè)定有機(jī)物質(zhì)的積累，用紅外線CO2氣體分析儀法測(cè)定CO2的變化，用氧電極測(cè)定O2的變化等。由于植物體含水量高，光合作用所利用的水分只占體內(nèi)總含水量的極小部分，一般不用含水量的變化來(lái)衡量植物的光合速率。2021/5/95Chlorophyll：葉綠素Haemin：氯化血紅素瑞士德德美美美英美、英、丹麥德德美2021/5/96光合作用(Photosynthesis)

綠色植物或光合細(xì)菌利用太陽(yáng)的光能把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，并把CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過(guò)程。

H2O+CO2

(CH2O)+O2

（產(chǎn)氧生物）

2H2D+CO2

(CH2O)+H2O+2D（通式）

光合細(xì)菌以其它化合物代替水作為電子供體，不產(chǎn)氧。

2H2S+CO2

（CH2O）+2S

Lactate+CO2(CH2O)+H2O+CH3COCOOH光能2021/5/97太陽(yáng)能是生物能量的最初來(lái)源

光合有機(jī)體吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原有機(jī)物的化學(xué)能，是幾乎所有生物能量的最初來(lái)源。 大量的能量以光合產(chǎn)物的形式被貯存，每年大約有1018KJ的來(lái)自太陽(yáng)的自由能被光合生物所捕獲，相當(dāng)于全球人類每年消耗化石燃料能量的100倍。2021/5/98太陽(yáng)光能是所有生物能的最初來(lái)源2021/5/99光合作用的意義合成有機(jī)物，據(jù)估計(jì)地球上自養(yǎng)植物每年約同化7×1011tCO2，如以葡萄糖計(jì)算，每年同化的碳素相當(dāng)于四五千億噸有機(jī)物質(zhì)。蓄積太陽(yáng)能量，把太陽(yáng)投射到地球表面的一部分輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，貯藏在形成的有機(jī)物中。據(jù)計(jì)算綠色植物每年貯存的太陽(yáng)能量為7.1×10l8kJ，約為全人類日常生活、工業(yè)等方面所需能量的100倍。調(diào)節(jié)大氣成分，在光合作用中，綠色植物每年大約向大氣釋放5.35×1011t氧，它是地球上一切需氧生物生存所必須的氧源。其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞?，在大氣上層形成屏障吸收?qiáng)的紫外輻射，保護(hù)生物。2021/5/910光反應(yīng)與暗反應(yīng)

RobertHill(1939)發(fā)現(xiàn)葉綠體照光后產(chǎn)生O2并不需要CO2，把光合作用分為兩個(gè)階段：

I、光反應(yīng)(lightreaction)，需光，光合色素把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，光解H2O放出O2、并產(chǎn)生ATP和NADPH。

II、暗反應(yīng)(darkreaction)，不需光，利用光反應(yīng)的ATP和NADPH將CO2固定、還原為糖或其他有機(jī)物的一系列酶促反應(yīng)。

2021/5/911光反應(yīng)產(chǎn)生的能量用于暗反應(yīng)的固定和同化2021/5/9122021/5/913葉綠體(Chloroplast)2021/5/914類囊體膜上分布著許多電子載體蛋白，包括4種細(xì)胞色素、質(zhì)體醌(PQ)、質(zhì)體藍(lán)素(PC)和鐵氧還蛋白(Fd)。類囊體膜的形成大大增加了膜片層的總面積，更有效地收集光能、加速光反應(yīng)。類囊體膜含有葉綠素，是光合作用的基地。2021/5/915葉綠素(Chlorophylla)葉綠素a和細(xì)菌葉綠素是主要色素，其他為輔助色素四個(gè)吡咯環(huán)組成1個(gè)大的卟啉環(huán)2021/5/916其他色素(OtherPigments)葉黃素-胡蘿卜素藻紅素2021/5/917電磁輻射光譜及可見光

光子能量分布2021/5/918葉綠素的吸收光譜吸收紅光和藍(lán)光，反射綠光645nm663nm4254502021/5/919光合色素的光吸收Phycoerythrin(PE):藻紅蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Lutein:葉黃素2021/5/920葉綠素與光反應(yīng)中心Phycoerythrin(PE):藻紅蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Allophycocyanin(AP):異藻青蛋白2021/5/921光反應(yīng)系統(tǒng)(PhotoreactionSystem)

葉綠素分子或/和輔助色素吸收光量子后將光能匯集到一小部分葉綠素分子上，只有這一小部分葉綠素分子能參與光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，這種由色素分子裝配成的系統(tǒng)稱為光（反應(yīng)）系統(tǒng)。 有兩類光系統(tǒng)，即PSI,PSII。每個(gè)光系統(tǒng)都含有不同的光化學(xué)反應(yīng)中心和天線（色素）分子。

2021/5/922光系統(tǒng)II

(PhotoreactionSystemII,PSII)

包括三個(gè)部分：

1．捕獲光能的復(fù)合體，有200個(gè)葉綠素分子和12個(gè)跨膜的多肽組成。

2．光反應(yīng)中心核，有50個(gè)葉綠素a分子組成，激發(fā)電子的光能就由這些天線分子流入反應(yīng)中心，又稱P680。

3.

產(chǎn)生O2的復(fù)合體，即光反應(yīng)的水裂解酶。水裂解酶內(nèi)由4個(gè)錳離子組成簇，位于催化中心，從S0到S4有5種氧化狀態(tài)。2021/5/923PhotoreactionSystemII[PSII]

PSII是強(qiáng)氧化劑，通過(guò)Z形中間物使錳中心失去四個(gè)電子，斷裂2H2O得到4個(gè)電子，產(chǎn)生O2，釋放4個(gè)H+。不放O2的光合細(xì)菌無(wú)PSII，產(chǎn)氧的光合細(xì)菌含有PSII。

2021/5/924光系統(tǒng)I(PhotoreactionSystemI)

為跨膜復(fù)合物，含13條多肽鏈，由70個(gè)Chla和Chlb組裝而成，光反應(yīng)中心(P700)有130個(gè)Chla分子，PSI在700nm附近被激活，不產(chǎn)生O2，與一系列的載體相連，最終產(chǎn)生NADPH。

PSI與PSII互相補(bǔ)充（分別由700nm和680nm激活），前者產(chǎn)生NADPH，后者產(chǎn)生O2。2021/5/925PSIandPSII2021/5/926光系統(tǒng)與ATP2021/5/927光合電子傳遞鏈

（PhotosyntheticChain）

光反應(yīng)中心周圍的天線色素吸收光能，匯集到反應(yīng)中心，色素分子受光照激發(fā)由基態(tài)P激發(fā)為激發(fā)態(tài)P*，通常吸收一個(gè)光子可使一個(gè)電子的能量提高1V(1ev)。被激發(fā)的電子沿類囊體膜中一系列電子傳遞體傳遞，組成了光合作用的電子傳遞鏈--光合鏈。光合鏈的能量有兩次起落，涉及兩個(gè)光系統(tǒng)，組成Z字形光合鏈。分為兩階段：2021/5/928光合電子傳遞鏈—PSII（PhotosyntheticChain）

PSII被激發(fā)為強(qiáng)氧化劑，從H2O得電子產(chǎn)生O2，通過(guò)Cytb6f還原質(zhì)藍(lán)素并產(chǎn)生質(zhì)子梯度[用于ATP生成]。

PSII是一個(gè)脫鎂葉綠素-醌類型的含有幾乎等量葉綠素a和b的系統(tǒng)，P680的激發(fā)驅(qū)動(dòng)了電子通過(guò)細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的流動(dòng)，并伴隨質(zhì)子的跨類囊體膜的轉(zhuǎn)移。2021/5/929光合電子傳遞鏈—PSI

PSI光照激發(fā)變?yōu)镻700*(弱氧化劑)，還原的PC捕獲電子變?yōu)镻700，并再一次激發(fā)電子，受體A0接受P700*發(fā)出的電子變?yōu)锳0-(強(qiáng)還原劑)，最終傳至NADP+形成NADPH。

PSI是鐵氧還蛋白型的光系統(tǒng)，高的葉綠素a/b。激發(fā)的P700的電子通過(guò)Fe-S中心蛋白—鐵氧還蛋白、NADP+，產(chǎn)生NADPH。2021/5/930光合電子傳遞鏈Plastoquinone：質(zhì)體醌Phylloquinone：葉綠醌Pheophytin：脫鎂葉綠素2021/5/931光合磷酸化（Photophosphorylation）

由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過(guò)程。

非循環(huán)光合磷酸化（non-cyclicphotophosphorylation）

光照激發(fā)Chl分子P680*從H2O得到電子傳遞給NADP+，電子流動(dòng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)PS，兩次激發(fā)生成的高能電子呈Z字傳遞，產(chǎn)生的質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)ATP形成，產(chǎn)物還有NADPH和O2。

2021/5/932光合磷酸化（續(xù)）（Photophosphorylation）

循環(huán)光合磷酸化（Cyclicphotophosphorylation），電子流動(dòng)的途徑從PSI

（P700）至Fd（鐵氧還蛋白）后又傳給Cytb6/f

復(fù)合物，而不傳給NADP+，前者又將電子通過(guò)PC（質(zhì)藍(lán)素）傳給PSI

（P700），電子循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)子梯度，驅(qū)動(dòng)ATP形成，不伴隨NADPH的產(chǎn)生。PSII不參與循環(huán)，也不產(chǎn)生O2。

2021/5/933光合磷酸化作用的機(jī)制

化學(xué)滲透假說(shuō)可以科學(xué)地解釋光合磷酸化作用的機(jī)制。人為在類囊體膜兩側(cè)形成pH梯度，也能產(chǎn)生ATP。

2021/5/934光合作用的質(zhì)子梯度可以被用于合成ATP2021/5/935CF0-CF1ATP合成酶2021/5/936暗反應(yīng)DarkReaction卡爾文循環(huán)：CalvincycleC3循環(huán)、三碳循環(huán)2021/5/937暗反應(yīng)(DarkReaction)

綠色植物和光合細(xì)菌通過(guò)光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能（即NADPH的還原能和ATP的水解能），并以此促進(jìn)CO2還原為糖，CO2的固定和還原主要靠卡爾文循環(huán)（Calvincycle，又稱三碳或碳三循環(huán)）。

2021/5/938暗反應(yīng)(DarkReaction)

MelvinCalvin(1911-1997)(1940年）通過(guò)同位素標(biāo)記[14C-CO2]和雙向紙層析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)光合作用最早標(biāo)記的產(chǎn)物是3-P-甘油酸，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CO2首先與RUBP(1,5-二磷酸核酮糖)縮合為六碳糖，然后迅速裂解為2分子三碳糖（3-P-甘油酸），催化CO2與RUBP縮合反應(yīng)的酶是Ribulose1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase--rubisco。

Calvin循環(huán)固定和同化6CO2生成1分子葡萄糖消耗18ATP和12NADPH。

2021/5/939RUBP羧化酶[Carboxylase]

葉綠體中催化CO2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或稱RUBP羧化酶/加氧酶，縮寫為rubisco。

Rubisco是植物光合作用的關(guān)鍵酶，為復(fù)合物，8個(gè)大亞基[Mr56000]，每個(gè)含一個(gè)活性位點(diǎn)；8個(gè)小亞基[Mr14000]，功能還不完全清楚。植物中酶位于葉綠體的基質(zhì)，占葉綠體總蛋白的60%，是生物圈中最豐富的酶。2021/5/940光合生物二氧化碳同化的三個(gè)階段固定還原受體再生2021/5/941卡爾文循環(huán)的受體再生2021/5/942CO2還原生成糖2021/5/9436-P-果糖的合成2021/5/944CO2還原生成糖2021/5/945蔗糖的生物合成2021/5/946卡爾文循環(huán)2021/5/947由二氧化碳合成三碳糖需6NADPH和9ATP2021/5/948光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH是二氧化碳還原的必需底物2021/5/949暗反應(yīng)的調(diào)節(jié)

限速反應(yīng)是由rubisco催化的CO2的固定反應(yīng)，酶是別構(gòu)酶，光照葉綠體產(chǎn)生的三個(gè)因素可刺激酶的活性：葉綠體光照后，質(zhì)子流向類囊體腔，基質(zhì)pH升高，由7升至8，刺激酶活；光照時(shí)質(zhì)子泵入類囊體腔，伴隨Cl-和Mg2+的轉(zhuǎn)移，[Mg2+]升高也刺激酶活；NADPH刺激暗反應(yīng)，光照PSI時(shí)產(chǎn)生NADPH，加速反應(yīng)活性；葉綠體中幾個(gè)酶由于二硫鍵的還原被活化。2021/5/950Rubisco的調(diào)節(jié)2021/5/951光通過(guò)調(diào)節(jié)硫氧還蛋白活化

卡爾文循環(huán)2021/5/952光呼吸[Photorespiration]植物的綠色細(xì)胞在光下消耗氧氣，放出二氧化碳的過(guò)程稱為光呼吸。僅在光下發(fā)生，與光合作用密切相關(guān)。通常細(xì)胞的呼吸在光照和黑暗中都可以進(jìn)行，對(duì)光照沒(méi)有特殊要求的呼吸--暗呼吸。光呼吸速率比暗呼吸速率高3-5倍。光呼吸是一個(gè)氧化過(guò)程，被氧化的底物是乙醇酸，乙醇酸的產(chǎn)生則以RuBP為底物，催化這一反應(yīng)的酶是Rubisco，具有催化羧化反應(yīng)和加氧反應(yīng)兩種功能。其催化方向取決于CO2和O2的分壓。當(dāng)CO2分壓高而O2分壓低時(shí)，RuBP與CO2經(jīng)羧化活性生成2分子的PGA；反之，則RuBP與O2經(jīng)加氧生成1分子PGA和1分子磷酸乙醇酸(C2化合物)，后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下變成乙醇酸。2021/5/953乙醇酸生成—光呼吸低CO2、高O2RUBP進(jìn)入過(guò)氧化物酶體Gly轉(zhuǎn)氨酶線粒體脫羧酶SerH2O+O22021/5/9542021/5/955光光呼吸暗呼吸底物在光下由Rubisco加氧反應(yīng)形成的乙醇酸，底物是新形成的?？梢允翘妓衔?，脂肪或蛋白質(zhì)，但最常見的底物是葡萄糖。底物可以是新形成的，也可以是貯存物。代謝途徑乙醇酸代謝途徑，或稱C2途徑。糖酵解，三羧酸循環(huán)，磷酸戊糖途徑。發(fā)生部位只發(fā)生在光合細(xì)胞里，在葉綠體、過(guò)氧化物酶體和線粒體三種細(xì)胞器協(xié)同作用下進(jìn)行。在所有活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和線粒體中進(jìn)行。對(duì)O2和CO2

濃度的反應(yīng)在O2濃度1-100%范圍內(nèi)，光呼吸隨氧濃度提高而增強(qiáng)，高濃度的CO2抑制光呼吸。一般而言，O2和CO2濃度對(duì)暗呼吸無(wú)明顯影響。反應(yīng)部位、條件光下、綠色細(xì)胞。光、暗處活細(xì)胞。2021/5/956光呼吸的生理作用

光呼吸將光合作用固定的20％-40%的碳變?yōu)镃O2放出；從能量的角度看，每釋放1分子CO2需要消耗6.8個(gè)ATP和3個(gè)NADPH。顯然，光呼吸是一種浪費(fèi)。

CO2和O2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco的同一活性部位，并互為加氧與羧化反應(yīng)的抑制劑。Rubisco催化反應(yīng)的方向，是進(jìn)行光合作用還是光呼吸，取決于外界CO2與O2濃度的比值。大氣中CO2/O2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表現(xiàn)出來(lái)。

其主要生理功能如下:1.消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的產(chǎn)生在代謝中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代謝作用，避免了乙醇酸積累，使細(xì)胞免受傷害。2021/5/957光呼吸的生理作用[續(xù)]2.維持C3途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)：在葉片氣孔關(guān)閉或外界CO2濃度降低時(shí)，光呼吸釋放的CO2能被C3途徑再利用，以維持C3途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)。3.防止強(qiáng)光對(duì)光合機(jī)構(gòu)的破壞：在強(qiáng)光下，光反應(yīng)中形成的同化力會(huì)超過(guò)暗反應(yīng)的需要，葉綠體NADPH/NADP+的比值增高，最終電子受體NADP+不足，由光激發(fā)的高能電子會(huì)傳遞給O2，形成超氧陰離子自由基O2-.，O2-.對(duì)光合機(jī)構(gòu)具有傷害作用，而光呼吸可消耗過(guò)剩的同化力，減少O2-.的形成，從而保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。4.氮代謝的補(bǔ)充：光呼吸代謝中涉及多種氨基酸(甘氨酸、絲氨酸等)的形成和轉(zhuǎn)化過(guò)程，它對(duì)綠色細(xì)胞的氮代謝是一個(gè)補(bǔ)充。2021/5/958四碳(碳四)途徑

(CO2固定循環(huán)、C4二羧酸途徑)

1965年，M.D.Hatch和C.R.Slack研究熱帶和亞熱帶植物如甘蔗光合作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記的CO2首先被標(biāo)記在蘋果酸、草酰乙酸及Asp等四碳二羧酸物質(zhì)上，命名之，又稱Hatch-Slackpathway。后來(lái)在玉米、高粱、其他禾本科及莎草科植物中也發(fā)現(xiàn)有這一途徑。

2021/5/959C4植物的葉肉結(jié)構(gòu)有兩類葉綠體進(jìn)行兩類循環(huán)，葉肉細(xì)胞中進(jìn)行C4代謝，微管束鞘細(xì)胞進(jìn)行C3循環(huán)。2021/5/960C4植物的葉片與C3植物有不同的解剖學(xué)特征。C4植物的維管束鞘細(xì)胞中含有大量的葉綠體，其葉綠體中的內(nèi)膜系統(tǒng)主要由基質(zhì)片層組成，基粒很少，在維管束鞘細(xì)胞外面有一圈整齊排列的葉肉細(xì)胞。2021/5/961葉肉細(xì)胞中，PEP羧化酶催化PEP羧化生成OAA（草酰乙酸），再轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸或天冬氨酸C4二羧酸從葉肉