第三章植物的光合作用(12学时) 自养生物吸收C02转变成有机物的过程叫碳素同化作用。碳素同化作用包括细菌光合作用 绿色植物光合作用和化能合成作用三种类型,其中以绿色植物光合作用最为广泛,合成有机 物最多,与人类关系也最密切,因此,本章重点介绍绿色植物光合作用。 光合作用( photos ynthes is)是指绿色植物吸收光能,把C02和H20同化成有机物,并放出 氧气的过程 光合作用对整个生物界产生巨大作用,具有多方面的意义 一是把无机物转变成有杋物。据估计地球上的自养植物每年通过光合作用约同化2×1011 吨碳素,其中40%是由浮游植物同化的,余下的60%是由陆生植物同化的; 二是将光能转变成化学能,绿色植物在同化二氧化碳的过程中,把太阳光能转变为化学能 并蓄积在形成的有杋化合物中。人类所利用的能源,如煤炭、天然气、木材等都是现在或过 去的植物通过光合作用形成的 三是维持大气02和C02的相对平衡 由此可见,光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程,也是规模 最大的将无杋物合成有机物和释放氧气的过程。目前人类面临着食物、能源、资源、环境和 人口五大问题,这些问题的解决都和光合作用有着密切的关系,因此,深入探讨光合作用的 规律,弄清光合作用的杋理,研究冋化物的运输和分配规律,对于有效利用太阳能、使之更 好地服务于人类,具有重大的理论和实际意义 第一节叶绿体和叶绿体色素 、叶绿体 (一)叶绿体的发育、形态及分布 叶绿体是光合作用的场所,叶绿体色素在光能的吸收、传递和转换中起着重要作用 高等植物的叶绿体是由前质体发育而来的。叶绿体大多呈扁平椭圆形其长3~7μm,厚2 3μm。叶肉细胞中叶绿体一般沿细胞壁排列,较多分布在与空气接触的细胞壁一边。这样 的分布有利于叶绿体与外界进行气体交换,也有利于细胞间的物质运输和光合产物向维管束 的输送。 叶绿体在细胞中可随光照的方向和强度而运动。在弱光下,叶绿体的扁平面向光,以接受较 多的光能;而在强光下,叶绿体的扁平面与光照方向平行,减少对强光的吸收,以免引起结 构和功能的破坏。 (二)叶绿体的结构 在电子显微镜下,可观察到叶绿体是由叶绿体被膜、基质和类囊体三部分组成(图3-1) 1.叶绿体被膜 叶绿体被膜由两层单位膜组成。被膜上无叶绿素,其主要功能是控制物质进出叶绿体,维持 光合作用的微环境。外膜为非选择透性膜,内膜为选择透性膜,CO2、O2、HO、Pi、磷酸 丙糖、双羧酸、甘氨酸和丝氨酸等较易透过;ATP、ADP、己糖和磷酸己糖等透过速度较慢; 蔗糖、C5~C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等则不能透过。蔗糖不能透过叶绿体被膜,可 断定细胞质中的蔗糖是在细胞质中合成的,而不是在叶绿体中合成后运至细胞质的。 2.基质及内含物 叶绿体被膜以内的基础物质称为基质,基质以水为主体,内含多种离子、低分子的有机物以 及可溶性蛋白质等。基质是碳同化的场所,它含有还原CO2与合成淀粉的全部酶系,其中
第三章 植物的光合作用(12 学时) 自养生物吸收 CO2 转变成有机物的过程叫碳素同化作用。碳素同化作用包括细菌光合作用、 绿色植物光合作用和化能合成作用三种类型，其中以绿色植物光合作用最为广泛，合成有机 物最多，与人类关系也最密切，因此，本章重点介绍绿色植物光合作用。 光合作用（photosynthesis）是指绿色植物吸收光能，把 CO2 和 H2O 同化成有机物，并放出 氧气的过程。 光合作用对整个生物界产生巨大作用，具有多方面的意义。 一是把无机物转变成有机物。据估计地球上的自养植物每年通过光合作用约同化 2×1011 吨碳素，其中 40％是由浮游植物同化的，余下的 60％是由陆生植物同化的； 二是将光能转变成化学能，绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能， 并蓄积在形成的有机化合物中。人类所利用的能源，如煤炭、天然气、木材等都是现在或过 去的植物通过光合作用形成的； 三是维持大气 O2 和 CO2 的相对平衡。 由此可见，光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程，也是规模 最大的将无机物合成有机物和释放氧气的过程。目前人类面临着食物、能源、资源、环境和 人口五大问题，这些问题的解决都和光合作用有着密切的关系，因此，深入探讨光合作用的 规律，弄清光合作用的机理，研究同化物的运输和分配规律，对于有效利用太阳能、使之更 好地服务于人类，具有重大的理论和实际意义。 第一节 叶绿体和叶绿体色素 一、叶绿体 （一）叶绿体的发育、形态及分布 叶绿体是光合作用的场所，叶绿体色素在光能的吸收、传递和转换中起着重要作用。 高等植物的叶绿体是由前质体发育而来的。叶绿体大多呈扁平椭圆形其长 3～7μm，厚 2～ 3μm。叶肉细胞中叶绿体一般沿细胞壁排列，较多分布在与空气接触的细胞壁一边。这样 的分布有利于叶绿体与外界进行气体交换，也有利于细胞间的物质运输和光合产物向维管束 的输送。 叶绿体在细胞中可随光照的方向和强度而运动。在弱光下，叶绿体的扁平面向光，以接受较 多的光能；而在强光下，叶绿体的扁平面与光照方向平行，减少对强光的吸收，以免引起结 构和功能的破坏。 （二） 叶绿体的结构 在电子显微镜下，可观察到叶绿体是由叶绿体被膜、基质和类囊体三部分组成（图 3-1）。 1．叶绿体被膜 叶绿体被膜由两层单位膜组成。被膜上无叶绿素，其主要功能是控制物质进出叶绿体，维持 光合作用的微环境。外膜为非选择透性膜，内膜为选择透性膜，CO2、O2、H2O、Pi、磷酸 丙糖、双羧酸、甘氨酸和丝氨酸等较易透过；ATP、ADP、己糖和磷酸己糖等透过速度较慢； 蔗糖、C5～C7 糖的二磷酸酯、NADP+、PPi 等则不能透过。蔗糖不能透过叶绿体被膜，可 断定细胞质中的蔗糖是在细胞质中合成的，而不是在叶绿体中合成后运至细胞质的。 2．基质及内含物 叶绿体被膜以内的基础物质称为基质，基质以水为主体，内含多种离子、低分子的有机物以 及可溶性蛋白质等。基质是碳同化的场所，它含有还原 CO2 与合成淀粉的全部酶系，其中
1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶( Rubisco)占基质总蛋白的一半以上。 高等植物的 Rubisco由8个大亚基和8个小亚基组成。此外,基质含有氨基酸、蛋白质、DNA RNA、脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素、细胞色素类)代谢的酶类,还含有亚 硝酸和硫酸还原的酶类,以及参与这些反应的底物与产物。因而,在基质中可进行有关C、 N、P、S的多种代谢反应。 基质中有淀粉粒和质体颗粒两种颗粒。 叶绿体基质中含有DNA,其含量约占叶肉细胞中全部DNA的10%~20%叶绿体DNA能 编码 Rubisco的大亚基,编码光合膜上的光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、ATP酶、细胞色素b6/f(Cytb6f) 等复合体的部分亚基以及rRNA、tRNA、核糖体大、小亚基、RNA聚合酶等 然而,叶绿体只有半自主性,它不能独立地合成叶绿体中的全部蛋白质,只能协同核基因工 作。因为叶绿体中的大部分蛋白质受核基因控制,需要在细胞质中合成。如 Rubisco的小亚 基由核基因编码,它的前体在细胞质中合成后运进叶绿体,经修饰后在分子伴侣的媒介下, 与叶绿体DNA编码的大亚基结合,组装成为 Rubisco全酶 3.类囊体 是由单层膜围起的扁平小囊。主要成分为蛋白质和由色素、醌类、磷脂、糖脂组成的脂类, 蛋白质与脂类的比例为1 根据类囊体堆叠的情况,将类囊体分为二类 类是基质类囊体,又称为基质片层,伸展在基质中彼此不重叠; 一类是基粒类囊体,或称基粒片层,可自身或与基质类囊体重叠,组成基粒 类囊体是光能吸收、传递与转换的场所,所以类囊体膜也称光合膜。 叶绿体色素 植物叶绿体色素主要有三类:叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。高等植物叶绿体中含有前两类, 藻胆素仅存在于藻类 (一)叶绿体色素的结构与性质 1.叶绿素 高等植物叶绿素( chlorophyll)包括叶绿素a、b两种。它们不溶于水,而溶于有机溶剂, 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 合液来提取叶绿素。 叶绿素a呈蓝绿色,而叶绿素b呈黄绿色。按化学性质,叶绿素是叶绿酸的酯,能发生皂化 反应。叶绿酸是双羧酸,其中一个羧基被甲醇所酯化,另一个被叶醇所酯化。 叶绿素a与b很相似,不同之处仅在于叶绿素a第二个吡咯环上的一个甲基(-CH3)被醛 基(-CHO)所取代,即为叶绿素b(图3-2a)。 叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇, phytol)的“尾巴”。卟啉环 具有极性,是亲水的,可以与蛋白质结合。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜,是一个 亲脂的脂肪链,它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子易被光激发而 引起电子得失,从而使叶绿素具有特殊的光化学性质。 卟啉环中的镁原子可被H、Cu2+、Zn2所置换。用酸处理叶片,H易进入叶绿体,置换镁 原子形成去镁叶绿素,叶片呈褐色。去镁叶绿素易再与铜离子结合,形成铜代叶绿素,颜色 比原来更稳定。人们常根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。 2.类胡萝卜素 类胡萝卜素( carotenoid)是一类由八个异戊二烯单位组成的,含有40个碳原子的化合物(图 3-2b),不溶于水而溶于有机溶剂 叶绿体中的类胡萝卜素包括胡萝卜素( carotene)和叶黄素( lutein)两种,前者呈橙黄色, 后者呈黄色。胡萝卜素是不饱和的碳氢化合物,有α、β、Y三种同分异构体,其中以β
1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）占基质总蛋白的一半以上。 高等植物的 Rubisco 由 8 个大亚基和 8 个小亚基组成。此外，基质含有氨基酸、蛋白质、DNA、 RNA、脂类（糖脂、磷脂、硫脂）、四吡咯（叶绿素、细胞色素类）代谢的酶类，还含有亚 硝酸和硫酸还原的酶类，以及参与这些反应的底物与产物。因而，在基质中可进行有关 C、 N、P、S 的多种代谢反应。 基质中有淀粉粒和质体颗粒两种颗粒。 叶绿体基质中含有 DNA，其含量约占叶肉细胞中全部 DNA 的 10％～20%。叶绿体 DNA 能 编码 Rubisco 的大亚基，编码光合膜上的光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、ATP 酶、细胞色素 b6/f（Cytb6/f） 等复合体的部分亚基以及 rRNA、tRNA、核糖体大、小亚基、RNA 聚合酶等。 然而，叶绿体只有半自主性，它不能独立地合成叶绿体中的全部蛋白质，只能协同核基因工 作。因为叶绿体中的大部分蛋白质受核基因控制，需要在细胞质中合成。如 Rubisco 的小亚 基由核基因编码，它的前体在细胞质中合成后运进叶绿体，经修饰后在分子伴侣的媒介下， 与叶绿体 DNA 编码的大亚基结合，组装成为 Rubisco 全酶。 3．类囊体 是由单层膜围起的扁平小囊。主要成分为蛋白质和由色素、醌类、磷脂、糖脂组成的脂类， 蛋白质与脂类的比例为 1：1。 根据类囊体堆叠的情况，将类囊体分为二类： 一类是基质类囊体，又称为基质片层，伸展在基质中彼此不重叠； 一类是基粒类囊体，或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。 类囊体是光能吸收、传递与转换的场所，所以类囊体膜也称光合膜。 二、叶绿体色素 植物叶绿体色素主要有三类：叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。高等植物叶绿体中含有前两类， 藻胆素仅存在于藻类。 （一） 叶绿体色素的结构与性质 1．叶绿素 高等植物叶绿素（chlorophyll）包括叶绿素 a、b 两种。它们不溶于水，而溶于有机溶剂， 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 合液来提取叶绿素。 叶绿素 a 呈蓝绿色，而叶绿素 b 呈黄绿色。按化学性质，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化 反应。叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶醇所酯化。 叶绿素 a 与 b 很相似，不同之处仅在于叶绿素 a 第二个吡咯环上的一个甲基（-CH3）被醛 基（-CHO）所取代，即为叶绿素 b（图 3-2a）。 叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇（植醇，phytol）的“尾巴”。卟啉环 具有极性，是亲水的，可以与蛋白质结合。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜，是一个 亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子易被光激发而 引起电子得失，从而使叶绿素具有特殊的光化学性质。 卟啉环中的镁原子可被H＋ 、Cu2＋ 、Zn2＋ 所置换。用酸处理叶片，H＋ 易进入叶绿体，置换镁 原子形成去镁叶绿素，叶片呈褐色。去镁叶绿素易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色 比原来更稳定。人们常根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。 2．类胡萝卜素 类胡萝卜素（carotenoid）是一类由八个异戊二烯单位组成的，含有 40 个碳原子的化合物（图 3-2b），不溶于水而溶于有机溶剂。 叶绿体中的类胡萝卜素包括胡萝卜素（carotene）和叶黄素（lutein）两种，前者呈橙黄色， 后者呈黄色。胡萝卜素是不饱和的碳氢化合物，有α、β、γ三种同分异构体，其中以β－
胡萝卜素在植物体内含量最多。叶黄素是由胡萝卜素衍生的醇类。 一般情况下,叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3:1,所以正常的叶子呈现绿色。秋 天,叶片中的叶绿素较易降解,数量减少,而类胡萝卜素比较稳定,所以叶片呈现黄色。 全部的叶绿素和类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中,并以非共价键与蛋白质结合在一起,组成 色素蛋白复合体( pigment protein complex),各色素分子在蛋白质中按一定的规律排列和取 向,以便于吸收和传递光能 3.藻胆素 藻胆素( phycobilin)是藻类主要的光合色素,仅存在于红藻和蓝藻中,常与蛋白质结合为 藻胆蛋白,主要有藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白三类。它们的生色团与蛋白质以共价键 牢固地结合,只有用强酸煮沸时,才能把它们分开。它们不溶于有机溶剂。藻胆素的四个吡 咯环形成直链共轭体系,不含镁和叶醇链,具有收集光能的作用。 (二)叶绿体色素的光学特性 1.辐射能量 太阳辐射到地面的光,波长大约为300~2600nm,对光合作用有效的可见光的波长在400~ 700nm之间。光子携带的能量与光的波长成反比。 E=n hu=Nhc/ 当日光束通过三棱镜后被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色连续光谱。如果把叶绿体色 素溶液放在光源和分光镜之间,就可以看到光谱中有些波长的光线被吸收了,光谱上出现了 暗带,这就是叶绿体色素的吸收光谱。用分光光度计可精确测定叶绿体色素的吸收光谱。 叶绿素对光波最强的吸收区有两个:一个在波长为640~660nm的红光部分,另一个在波长 为430~450nm的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少,其中尤以对绿光的吸收最少, 所以叶绿素的溶液呈绿色。 叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似,也略有不同:叶绿素a在红光区的吸收带偏向长波 方面,吸收带较宽,吸收峰较高;而在蓝紫光区的吸收带偏向短光波方面,吸收带较窄,吸 收峰较低。叶绿素a对蓝紫光的吸收为对红光吸收的1.3倍,而叶绿素b则为3倍,说明叶 绿素b吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素a强。绝大多数的叶绿素a分子和全部的叶绿素b分 子具有吸收光能的功能,并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素a分子,发生光化学反应。 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素不同,它们的最大吸收带在400~500nm的蓝紫光区 (图3-3),不吸收红光等长波光。藻蓝蛋白的吸收光谱最大值在橙红光部分,藻红蛋白在 绿光部分。类胡萝卜素和藻胆素均具有吸收和传递光能的作用。 (三)荧光现象和磷光现象 叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色,这种现象称为叶绿素荧光现象。 叶绿素为什么会发荧光呢?当叶绿素分子吸收光量子后,就由最稳定的、能量最低状态一基 态( ground state)上升到不稳定的高能状态一激发态( excited state)(图3-4)。叶绿素分子 有红光和蓝光两个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝光激发,电子跃迁到能量较高的第二单 线态;如果被红光激发,电子跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子,其自旋方 向保持原来状态,如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化,该电子就进入能级较单 线态低的三线态。由于激发态不稳定,迅速向较低能级状态转变,能量有的以热的形式释放, 有的以光的形式消耗。从第一单线态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶 绿素分子回到基态时所发出的光为磷光 荧光的寿命很短,只有10-8~10-10s。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部 的振动上,发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下 呈绿色,而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱,肉眼难以观测出来,耗能 很少,一般不超过吸收能量的5%,因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同,由于
胡萝卜素在植物体内含量最多。叶黄素是由胡萝卜素衍生的醇类。 一般情况下，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为 3：1，所以正常的叶子呈现绿色。秋 天，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。 全部的叶绿素和类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，并以非共价键与蛋白质结合在一起，组成 色素蛋白复合体（pigment protein complex），各色素分子在蛋白质中按一定的规律排列和取 向，以便于吸收和传递光能。 3．藻胆素 藻胆素（phycobillin）是藻类主要的光合色素，仅存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合为 藻胆蛋白，主要有藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白三类。它们的生色团与蛋白质以共价键 牢固地结合，只有用强酸煮沸时，才能把它们分开。它们不溶于有机溶剂。藻胆素的四个吡 咯环形成直链共轭体系，不含镁和叶醇链，具有收集光能的作用。 （二）叶绿体色素的光学特性 1．辐射能量 太阳辐射到地面的光，波长大约为 300～2600nm，对光合作用有效的可见光的波长在 400～ 700nm 之间。光子携带的能量与光的波长成反比。 E=N hυ=Nhc/λ 当日光束通过三棱镜后被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 7 色连续光谱。如果把叶绿体色 素溶液放在光源和分光镜之间，就可以看到光谱中有些波长的光线被吸收了，光谱上出现了 暗带，这就是叶绿体色素的吸收光谱。用分光光度计可精确测定叶绿体色素的吸收光谱。 叶绿素对光波最强的吸收区有两个：一个在波长为 640～660nm 的红光部分，另一个在波长 为 430～450nm 的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少， 所以叶绿素的溶液呈绿色。 叶绿素 a 和叶绿素 b 的吸收光谱很相似，也略有不同：叶绿素 a 在红光区的吸收带偏向长波 方面，吸收带较宽，吸收峰较高；而在蓝紫光区的吸收带偏向短光波方面，吸收带较窄，吸 收峰较低。叶绿素 a 对蓝紫光的吸收为对红光吸收的 1.3 倍，而叶绿素 b 则为 3 倍，说明叶 绿素 b 吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素 a 强。绝大多数的叶绿素 a 分子和全部的叶绿素 b 分 子具有吸收光能的功能，并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素 a 分子，发生光化学反应。 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素不同，它们的最大吸收带在 400～500nm 的蓝紫光区 （图 3-3），不吸收红光等长波光。藻蓝蛋白的吸收光谱最大值在橙红光部分，藻红蛋白在 绿光部分。类胡萝卜素和藻胆素均具有吸收和传递光能的作用。 （三）荧光现象和磷光现象 叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象。 叶绿素为什么会发荧光呢？当叶绿素分子吸收光量子后，就由最稳定的、能量最低状态－基 态（ground state）上升到不稳定的高能状态－激发态（excited state）（图 3-4）。叶绿素分子 有红光和蓝光两个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子跃迁到能量较高的第二单 线态；如果被红光激发，电子跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子，其自旋方 向保持原来状态，如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化，该电子就进入能级较单 线态低的三线态。由于激发态不稳定，迅速向较低能级状态转变，能量有的以热的形式释放， 有的以光的形式消耗。从第一单线态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶 绿素分子回到基态时所发出的光为磷光。 荧光的寿命很短，只有 10-8～10-10s。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部 的振动上，发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下 呈绿色，而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱，肉眼难以观测出来，耗能 很少，一般不超过吸收能量的 5％，因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同，由于
溶液中缺少能量受体或电子受体,在照光时色素会发射很强的荧光。 另外,吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子,其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第 单线态的状态,但超过的部分对光合作用是无用的,在极短的时间内叶绿素分子要从第二单 线态返回第一单线态,多余的能量也是以热的形式耗散。因此,蓝光对光合作用而言,在能 量利用率上不如红光高。 叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发,而叶绿素分子的激发是将光能转变为 化学能的第一步。现在,人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光,而荧光的变化可 以反映光合机构的状况,因此,叶绿素荧光被称为光合作用的探针 (四)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 1.叶绿素的生物合成 叶绿素是在一系列酶的作用下形成的(图3-5)。高等植物叶绿素的生物合成以谷氨酸与a 酮戊二酸作为原料,然后合成δ一氨基酮戊酸(ALA)。 2分子ALA脱水缩合形成一分子具有吡咯环的胆色素原;4分子胆色素原脱氨基缩合形成 一分子尿卟啉原Ⅲ,合成过程按A→B→C→D环的顺序进行尿卟啉原Ⅲ四个乙酸侧链脱羧 形成具有四个甲基的粪卟啉原Ⅲ,以上的反应是在厌氧条件下进行的。 在有氧条件下,粪卟啉原Ⅲ再脱羧、脱氢、氧化形成原卟啉Ⅸ,原卟啉Ⅸ是形成叶绿素和亚 铁血红素的分水岭。如果与铁结合,就生成亚铁血红素;若与镁结合,则形成Mg-原卟啉Ⅸ。 由此可见,动植物的两大色素最初是同出一源的,以后在进化的过程中分道扬镳,结构和功 能各异。Mg-原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基酯化,在原卟啉Ⅸ上形成第五个环,接着B环上的 -CH2=CH2侧链还原为-CH2-CH3,即形成原叶绿酸酯。原叶绿素酸酯经光还原变为叶绿酸 酯a,然后与叶醇结合形成叶绿素a,叶绿素b是由叶绿素a转化而成的。 2.影响叶绿素形成的条件 (1)光:光是叶绿体发育和叶绿素合成的主要条件。从原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯是需要 光的还原过程,如果没有光照,植物叶片会发黄,这种因缺乏光照条件而影响叶绿素形成使 叶片发黄的现象,称为黄化现象。然而,藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成叶 绿素,柑桔种子的子叶和莲子的胚芽可在暗中合成叶绿素,其合成机理尚不清楚。 (2)温度:叶绿素生物合成是一系列酶促反应,因此受温度影响。温度过高或过低均降低 合成速率,原有叶绿素也会遭到破坏。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象,都与 低温抑制叶绿素形成有关。 (3)矿质元素:氮和镁是叶绿素的组成成分,铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反 应的辅因子。缺乏这些元素时不能形成叶绿素,植物出现缺绿症,其中尤以氮素的影响最大 (4)氧气:缺氧会引起Mg原卟啉Ⅸ及Mg原卟啉甲酯积累,而不能合成叶绿素;在强 光下,植物吸收的光能过剩时,氧参与叶绿素的光氧化 (5)水分:缺水抑制叶绿素的生物合成,且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时还会加速 叶绿素的分解,而且是分解大于合成,所以干早时叶片呈黄褐色 此外,叶绿素的形成还受遗传因素的控制。即使在条件适宜的情况下,水稻、玉米的白化 苗以及花卉中的花叶仍不能合成叶绿素 第二节光合作用的机理 从光合作用的总反应式看,似乎是一个简单的氧化还原过程,但实质上包括一系列复杂的光 化学反应和酶促反应过程。 根据需光与否,将光合作用分为两个反应
溶液中缺少能量受体或电子受体，在照光时色素会发射很强的荧光。 另外，吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子，其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第一 单线态的状态，但超过的部分对光合作用是无用的，在极短的时间内叶绿素分子要从第二单 线态返回第一单线态，多余的能量也是以热的形式耗散。因此，蓝光对光合作用而言，在能 量利用率上不如红光高。 叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发，而叶绿素分子的激发是将光能转变为 化学能的第一步。现在，人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光，而荧光的变化可 以反映光合机构的状况，因此，叶绿素荧光被称为光合作用的探针。 （四） 叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 1．叶绿素的生物合成 叶绿素是在一系列酶的作用下形成的（图 3-5）。高等植物叶绿素的生物合成以谷氨酸与α- 酮戊二酸作为原料，然后合成δ－氨基酮戊酸（ALA）。 2 分子 ALA 脱水缩合形成一分子具有吡咯环的胆色素原；4 分子胆色素原脱氨基缩合形成 一分子尿卟啉原Ⅲ，合成过程按 A→B→C→D 环的顺序进行,尿卟啉原Ⅲ四个乙酸侧链脱羧 形成具有四个甲基的粪卟啉原Ⅲ，以上的反应是在厌氧条件下进行的。 在有氧条件下，粪卟啉原Ⅲ再脱羧、脱氢、氧化形成原卟啉Ⅸ，原卟啉Ⅸ是形成叶绿素和亚 铁血红素的分水岭。如果与铁结合，就生成亚铁血红素；若与镁结合，则形成 Mg-原卟啉Ⅸ。 由此可见，动植物的两大色素最初是同出一源的，以后在进化的过程中分道扬镳，结构和功 能各异。Mg-原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基酯化，在原卟啉Ⅸ上形成第五个环，接着 B 环上的 -CH2=CH2 侧链还原为-CH2-CH3，即形成原叶绿酸酯。原叶绿素酸酯经光还原变为叶绿酸 酯 a，然后与叶醇结合形成叶绿素 a，叶绿素 b 是由叶绿素 a 转化而成的。 2．影响叶绿素形成的条件 （1）光：光是叶绿体发育和叶绿素合成的主要条件。从原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯是需要 光的还原过程，如果没有光照，植物叶片会发黄，这种因缺乏光照条件而影响叶绿素形成使 叶片发黄的现象，称为黄化现象。然而，藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成叶 绿素，柑桔种子的子叶和莲子的胚芽可在暗中合成叶绿素，其合成机理尚不清楚。 （2）温度：叶绿素生物合成是一系列酶促反应，因此受温度影响。温度过高或过低均降低 合成速率，原有叶绿素也会遭到破坏。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与 低温抑制叶绿素形成有关。 （3）矿质元素：氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反 应的辅因子。缺乏这些元素时不能形成叶绿素，植物出现缺绿症，其中尤以氮素的影响最大。 （4）氧气： 缺氧会引起 Mg-原卟啉 IX 及 Mg-原卟啉甲酯积累，而不能合成叶绿素；在强 光下，植物吸收的光能过剩时，氧参与叶绿素的光氧化。 （5）水分：缺水抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时还会加速 叶绿素的分解，而且是分解大于合成，所以干旱时叶片呈黄褐色。 此外，叶绿素的形成还受遗传因素的控制。即使在条件适宜的情况下，水稻、玉米的白化 苗以及花卉中的花叶仍不能合成叶绿素。 第二节 光合作用的机理 从光合作用的总反应式看，似乎是一个简单的氧化还原过程，但实质上包括一系列复杂的光 化学反应和酶促反应过程。 根据需光与否，将光合作用分为两个反应：
光反应( light reaction)和暗反应( dark reaction)。 光反应是必须在光下才能进行的、由光推动的光化学反应,在类囊体膜(光合膜)上进行; 暗反应是在暗处(也可以在光下)进行的、由一系列酶催化的化学反应,在叶绿体基质中进 行。研究表明,光反应过程并不都需要光,而暗反应过程中的一些关键酶活性受光的调节 光合作用是能量转化和形成有机物的过程。在这个过程中首先是把光能转变为电能,进 步形成活跃的化学能,最后转变为稳定的化学能,贮藏于碳水化合物中。 整个光合作用过程可大致分为三个步骤 ①光能的吸收、传递和转换为电能的过程(通过原初反应完成) ②电能转变为活跃化学能的过程(通过电子传递和光合磷酸化完成) ③活跃的化学能转变为稳定化学能的过程(通过碳同化完成)。第一、二两个步骤基本属 于光反应,第三个步骤属于暗反应(表3-2)。 、原初反应 原初反应是指叶绿体色素分子对光能的吸收、传递与转换过程。它是光合作用的第一步,速 度非常快,可在皮秒(ps,10-12秒)与纳秒(ns,10-9秒)内完成,且与温度无关,可 在-196℃(7K,液氮温度)或-271℃(2K,液氦温度)下进行。 根据功能来区分,叶绿体色素可为二类 (1)反应中心色素( reaction centre pigments),少数特殊状态的叶绿素a分子属于此类, 它具有光化学活性,既能捕获光能,又能将光能转换为电能(称为“陷阱”) (2)聚光色素( light- harvesting pigments),又称天线色素( antenna pigments),它没有 光化学活性,只能吸收光能,并把吸收的光能传递到反应中心色素,包括绝大部分 叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素等都属于此类。 聚光色素存在于类囊体膜的色素蛋白复合体上,反应中心色素存在于反应中心( reaction center)。但二者是协同作用的,若干个聚光色素分子所吸收的光能聚集于1个反应中心色素 分子而起光化学反应。 般来说,约250~300个色素分子所聚集的光能传给一个反应中心色素。每吸收与传递1 个光量子到反应中心完成光化学反应所需起协同作用的色素分子数,称为光合单位。实际上, 光合单位包括了聚光色素系统和光合反应中心两部分。因此也可把光合单位定义为结合于类 囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的功能单位。 当可见光(400~700mm)照射到绿色植物时,天线色素分子吸收光量子而被激发,以“激 子传递”( exciton transfer)和“共振传递”( resonance transfer)两种方式进行能量传递。 所谓激子是指由高能电子激发的量子,可以转移能量,但不能转移电荷。而共振传递则是依 赖高能电子振动在分子间传递能量。能量可在相同色素分子之间传递,也可在不同色素分子 之间传递,但都是沿着波长较长即能量水平较低的方向传递。传递的效率很高,几乎接近 100%于是,大量的光能通过天线色素吸收、传递到反应中心色素分子,并引起光化学反 反应中心是进行原初反应的最基本的色素蛋白复合体,它至少包括一个反应中心色素即原初 电子供体( primary electron donor,P)、一个原初电子受体( primary electron acceptor,A) 和一个次级电子供体( secondary electron donor,D),以及维持这些电子传递体的微环境所 必须的蛋白质,才能导致电荷分离,将光能转换为电能。反应中心的原初电子受体,是指直 接接受反应中心色素分子传来电子的物质(A)。反应中心次级电子供体,是指将电子直接 供给反应中心的物质。在光下,光合作用原初反应是连续不断地进行的,因此,必须不断有 最终电子供体和最终电子受体的参与,构成电子的“源”和“库”。高等植物的最终电子供 体是水,最终电子受体是NADP 光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体和次级供体之间的氧化
光反应（light reaction）和暗反应（dark reaction）。 光反应是必须在光下才能进行的、由光推动的光化学反应，在类囊体膜（光合膜）上进行； 暗反应是在暗处（也可以在光下）进行的、由一系列酶催化的化学反应，在叶绿体基质中进 行。研究表明，光反应过程并不都需要光，而暗反应过程中的一些关键酶活性受光的调节。 光合作用是能量转化和形成有机物的过程。在这个过程中首先是把光能转变为电能， 进一 步形成活跃的化学能，最后转变为稳定的化学能，贮藏于碳水化合物中。 整个光合作用过程可大致分为三个步骤： ① 光能的吸收、传递和转换为电能的过程（通过原初反应完成）； ② 电能转变为活跃化学能的过程（通过电子传递和光合磷酸化完成）； ③ 活跃的化学能转变为稳定化学能的过程（通过碳同化完成）。第一、二两个步骤基本属 于光反应，第三个步骤属于暗反应（表 3-2）。 一、原初反应 原初反应是指叶绿体色素分子对光能的吸收、传递与转换过程。它是光合作用的第一步，速 度非常快，可在皮秒（ps，10-12 秒）与纳秒（ns，10－9 秒）内完成，且与温度无关，可 在-196℃（77K，液氮温度）或-271℃（2K，液氦温度）下进行。 根据功能来区分，叶绿体色素可为二类： （1） 反应中心色素（reaction centre pigments），少数特殊状态的叶绿素 a 分子属于此类， 它具有光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能（称为“陷阱”）。 （2） 聚光色素（light－harvesting pigments），又称天线色素（antenna pigments），它没有 光化学活性，只能吸收光能，并把吸收的光能传递到反应中心色素，包括绝大部分 叶绿素 a 和全部的叶绿素 b、胡萝卜素、叶黄素等都属于此类。 聚光色素存在于类囊体膜的色素蛋白复合体上，反应中心色素存在于反应中心（reaction center）。但二者是协同作用的，若干个聚光色素分子所吸收的光能聚集于 1 个反应中心色素 分子而起光化学反应。 一般来说，约 250～300 个色素分子所聚集的光能传给一个反应中心色素。每吸收与传递 1 个光量子到反应中心完成光化学反应所需起协同作用的色素分子数，称为光合单位。实际上， 光合单位包括了聚光色素系统和光合反应中心两部分。因此也可把光合单位定义为结合于类 囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的功能单位。 当可见光（400～700nm）照射到绿色植物时，天线色素分子吸收光量子而被激发，以“激 子传递”（exciton transfer）和“共振传递”（resonance transfer）两种方式进行能量传递。 所谓激子是指由高能电子激发的量子，可以转移能量，但不能转移电荷。而共振传递则是依 赖高能电子振动在分子间传递能量。能量可在相同色素分子之间传递，也可在不同色素分子 之间传递，但都是沿着波长较长即能量水平较低的方向传递。传递的效率很高，几乎接近 100％。于是，大量的光能通过天线色素吸收、传递到反应中心色素分子，并引起光化学反 应。 反应中心是进行原初反应的最基本的色素蛋白复合体，它至少包括一个反应中心色素即原初 电子供体（primary electron donor，P）、一个原初电子受体（primary electron acceptor，A） 和一个次级电子供体（secondary electron donor，D），以及维持这些电子传递体的微环境所 必须的蛋白质，才能导致电荷分离，将光能转换为电能。反应中心的原初电子受体，是指直 接接受反应中心色素分子传来电子的物质（A）。反应中心次级电子供体，是指将电子直接 供给反应中心的物质。在光下，光合作用原初反应是连续不断地进行的，因此，必须不断有 最终电子供体和最终电子受体的参与，构成电子的“源”和“库”。高等植物的最终电子供 体是水，最终电子受体是NADP+ 。 光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体和次级供体之间的氧化
还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后,使反应中心色素(P)激发而成 为激发态(P*),释放电子给原初电子受体(A),同时留下了“空穴”,成为陷井(trap) 反应中心色素被氧化而带正电荷(P+),原初电子受体被还原而带负电荷(A-)。这样,反 应中心发生了电荷分离。反应中心色素失去电子,便可从次级电子供体(D)那里夺取电子, 于是反应中心色素恢复原来状态(P),而次级电子供体却被氧化(D+)。这就发生了氧化 还原反应,完成了光能转变为电能的过程 D·P·A →D·P*·A →D·P+·A 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行,原初电子受体A一要将电子传给次级电 子受体,直到最终电子受体NADP+。同样,次级电子供体D+也要向它前面的电子供体夺 取电子,依次到最终电子供体水。 、电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光能激发而发生电荷分离,产生的高能电子经过一系列电子传递体的传递, 一方面引起水的裂解释放出O2和NADP+还原,另一方面建立跨类囊体膜的质子动力势, 通过光合磷酸化形成ATP,把电能转化为活跃的化学能。 (一)电子传递 1.光系统 (1)证明光系统存在的两种现象 20世纪40年代,当以绿藻和红藻为材料,研究不同光波的量子产额(每吸收一个光量子后 释放出的氧分子数),发现用波长大于685mm的远红光照射材料时,虽然光量子仍然被叶绿 体大量吸收,但量子产额急剧下降,这种现象被称为红降现象( red drop)。 1957年罗伯特·爱默生( R.Emerson)观察到,在远红光(波长大于685nm)条件下,如补 充红光(波长650mm)则量子产额大增,比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样 两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应( Emerson effect)(图 3-7)。上述现象使人们设想,光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来,进一步 的研究证实光合作用确实有两个光化学反应,分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光 (680nm)的光系统Ⅱ(PSⅢ),另一个是吸收长波红光(700nm)的光系统I(PSI)。这 两个光系统是以串联的方式协同作用的。 (2)光系统 目前已从叶绿体类囊体膜上分离出两个光系统,都是色素蛋白复合体。PSⅠ颗粒较小,直 径为llnm,在类囊体膜的外侧:PSⅡ颗粒较大,直径为175nm,位于类囊体膜的内侧 PSI蛋白复合体至少含12种不同的多肽,最大的是CP47和CP43,与叶绿体色素结合构成 PSI的捕光色素复合体( PSII light harvesting complex,LHCI),还有反应中心D1和D2两 条多肽,是PSⅡ复合体的基本组成部分,其上排列有P680、去镁叶绿素(pheo)和质体醌 ( plastoquinone)。PSI蛋白复合体也包含反应中心和捕光色素复合体( PSI light complex,LHCI。 敌草隆(DCMU,一种除草剂)能与DI蛋白结合,抑制PSI的光化学反应,却不抑制PSI 的光化学反应。此外,阿特拉津等除草剂抑制光合作用,杀死植物,是由于它们在DI蛋白 的QB位点结合,阻止了QB的电子向PQ传递。目前人们通过分子生物学的手段使D1上 易于与阿特拉津结合的位点发生个别氨基酸突变,失去其与阿特拉津的结合能力,但不影响 光合电子传递,从而获得抗阿特拉津的植物。 PSI的光化学反应是长光波反应,其主要特征是NADP+的还原。当PSI的反应中心色素分
还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后，使反应中心色素（P）激发而成 为激发态（P*），释放电子给原初电子受体（A），同时留下了“空穴”，成为陷井（trap）。 反应中心色素被氧化而带正电荷（P+），原初电子受体被还原而带负电荷（A-）。这样，反 应中心发生了电荷分离。反应中心色素失去电子，便可从次级电子供体（D）那里夺取电子， 于是反应中心色素恢复原来状态（P），而次级电子供体却被氧化（D＋）。这就发生了氧化 还原反应，完成了光能转变为电能的过程。 hυ D·P·A ────→D·P*·A ─────→D· P+·A-──────→D+· P·A- 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行，原初电子受体 A－要将电子传给次级电 子受体，直到最终电子受体 NADP+。同样，次级电子供体 D+也要向它前面的电子供体夺 取电子，依次到最终电子供体水。 二、电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光能激发而发生电荷分离，产生的高能电子经过一系列电子传递体的传递， 一方面引起水的裂解释放出 O2 和 NADP+还原，另一方面建立跨类囊体膜的质子动力势， 通过光合磷酸化形成 ATP，把电能转化为活跃的化学能。 （一）电子传递 1．光系统 （1） 证明光系统存在的两种现象 20 世纪 40 年代，当以绿藻和红藻为材料，研究不同光波的量子产额（每吸收一个光量子后 释放出的氧分子数），发现用波长大于 685nm 的远红光照射材料时，虽然光量子仍然被叶绿 体大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为红降现象（red drop）。 1957 年罗伯特·爱默生（R.Emerson）观察到，在远红光（波长大于 685nm）条件下，如补 充红光（波长 650nm）则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样 两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应（Emerson effect）（图 3-7）。 上述现象使人们设想，光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来，进一步 的研究证实光合作用确实有两个光化学反应，分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光 （680nm）的光系统Ⅱ（PSⅡ），另一个是吸收长波红光（700nm）的光系统Ⅰ（PSⅠ）。这 两个光系统是以串联的方式协同作用的。 （2） 光系统 目前已从叶绿体类囊体膜上分离出两个光系统，都是色素蛋白复合体。PSⅠ颗粒较小，直 径为 11nm，在类囊体膜的外侧；PSⅡ颗粒较大，直径为 17.5nm，位于类囊体膜的内侧。 PSII 蛋白复合体至少含 12 种不同的多肽，最大的是 CP47 和 CP43，与叶绿体色素结合构成 PSII 的捕光色素复合体（PSII light harvesting complex，LHCII），还有反应中心 D1 和 D2 两 条多肽，是 PSII 复合体的基本组成部分，其上排列有 P680、去镁叶绿素（pheo）和质体醌 （plastoquinone）。PSI 蛋白复合体也包含反应中心和捕光色素复合体（PSI light harvesting complex，LHCI）。 敌草隆（DCMU，一种除草剂）能与 D1 蛋白结合，抑制 PSII 的光化学反应，却不抑制 PSI 的光化学反应。此外，阿特拉津等除草剂抑制光合作用，杀死植物，是由于它们在 D1 蛋白 的 QB 位点结合，阻止了 QB 的电子向 PQ 传递。目前人们通过分子生物学的手段使 D1 上 易于与阿特拉津结合的位点发生个别氨基酸突变，失去其与阿特拉津的结合能力，但不影响 光合电子传递，从而获得抗阿特拉津的植物。 PSⅠ的光化学反应是长光波反应，其主要特征是 NADP+的还原。当 PSⅠ的反应中心色素分
子(P700吸收光能而被激发后,把电子传递给各种电子受体,经Fd(铁氧还蛋白),在 NADP还原酶(FNR)的参与下,把NADP+还原成 NADPH2反应中心色素P700中的P表 示色素,700是指色素的最大吸收波长。 PSⅡ的光化学反应是短光波反应,其主要特征是水的光解和放氧。PSⅡ的反应中心色素分 子(P680)吸收光能,把水分解,夺取水中的电子供给PSI。 光合链 光合链是指光合膜上的一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道 现在被广泛接受的光合电子传递途径是“Z”方案(“Z” scheme),即电子传递是由两个光 系统串联进行,其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列,使电子传递链呈侧写的“Z 形(图3-8)。 Z”方案最早是由希尔(RHl)等在1960年提出的,经过不断修正与补充,日臻完善。 由氧化还原电位的高低可以看出,这一电子传递途径是不能自发进行的,有二处(P680→ P680*和P700→P700*)是逆电势梯度的“上坡”电子传递,需要聚光色素复合体吸收与传 递的光能来推动。光合链中的电子传递体是质体醌( plastoquinone,PQ),细胞色素 ( cytochrome,Cyt)b6/f复合体,铁氧还蛋白( ferredoxin,Fd)和质蓝素( plastocyanin,PC)。 其中PQ是双电子双H+传递体,它既可传递电子,也可传递质子,在传递电子的同时,把 H+从类囊体膜外的基质中带入膜内,在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动ATP的合 3.水的光解和放氧 水的光解( water photolysis)是希尔(1937)发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体(A) 的水溶液中,照光后即发生水的分解而放出氧气。此反应称为希尔反应( Hill reaction)。 光 2H20+2A 2AH2+02 叶绿体 氢受体被称为希尔氧化剂,如2,6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP+、NAD+等。是希尔第 个用离体叶绿体做试验,把光合作用的研究深入到细胞器的水平 近年来,水光解反应机理的研究已有较大进展。已知放氧复合体( oxygen-evolving complex, OEC)由3条外周多肽组成,其中一条33kD的多肽为锰稳定蛋白( manganese stablizing protein,MsP),它们与Mn、Ca2+、Cl-一起参与氧的释放。 给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理,闪光后放氧量是不均等的,是以4为周期呈现振荡 第一次闪光后无O2产生,第二次闪光释放少量O2,第三次闪光放O2最多,第四次闪光放 O2次之,每隔四次闪光出现一次放氧高峰 已知每释放1个O2,需要氧化2分子水,并移去4个e-,同时形成4个H+,而闪光恰 巧以4为周期。Kok等(1970)据此提出了HO氧化机制的模型:放氧复合体(OEC)在 每次闪光后可以积累一个正电荷,直至积累4个正电荷,才一次用于2个H2O的氧化(图 3-9)。图3-9中不同状态的S代表了OEC中不同氧化状态的放氧复合体(含锰蛋白),含有 4个Mn,包括Mn2+、Mn3+和Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序,将不同状态的含锰 蛋白分别称为S0、S1、S2、S3和S4。即S0不带电荷,S1带1个正电荷,依次到S4带有 个正电荷。每一次闪光将S状态向前推进一步,直至S4。然后,S4从2个H2O中获取4 个e-,并回到S0。此模型称为水氧化钟( water oxidizing clock)或Kok钟( Kok clock)。 这个模型还认为,S0和S1是稳定状态,S2和S3可在暗中退回到S1,s4不稳定。这样叶 绿体在暗适应后,有3/4的含锰蛋白处于S1,14处于S0,因此最大放氧量出现在第三次闪 光后。 4.电子传递的类型
子（P700）吸收光能而被激发后，把电子传递给各种电子受体，经 Fd（铁氧还蛋白），在 NADP 还原酶（FNR）的参与下，把 NADP+还原成 NADPH。反应中心色素 P700 中的 P 表 示色素，700 是指色素的最大吸收波长。 PSⅡ的光化学反应是短光波反应，其主要特征是水的光解和放氧。PSⅡ的反应中心色素分 子（P680）吸收光能，把水分解，夺取水中的电子供给 PSⅠ。 2．光合链 光合链是指光合膜上的一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道。 现在被广泛接受的光合电子传递途径是“Z”方案（“Z” scheme），即电子传递是由两个光 系统串联进行，其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z” 形（图 3-8）。 “Z”方案最早是由希尔（R.Hill）等在 1960 年提出的，经过不断修正与补充，日臻完善。 由氧化还原电位的高低可以看出，这一电子传递途径是不能自发进行的，有二处（P680→ P680*和 P700→P700*）是逆电势梯度的“上坡”电子传递，需要聚光色素复合体吸收与传 递的光能来推动。光合链中的电子传递体是质体醌（plastoquinone，PQ），细胞色素 （cytochrome，Cyt）b6/f 复合体，铁氧还蛋白（ferrdoxin，Fd）和质蓝素（plastocyanin，PC）。 其中 PQ 是双电子双 H＋传递体，它既可传递电子，也可传递质子，在传递电子的同时，把 H＋从类囊体膜外的基质中带入膜内，在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动 ATP 的合 成。 3．水的光解和放氧 水的光解（water photolysis）是希尔（1937）发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体（A） 的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出氧气。此反应称为希尔反应（Hill reaction）。 光 2H2O + 2A ───→ 2AH2 + O2 叶绿体 氢受体被称为希尔氧化剂，如 2，6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP＋、NAD＋等。是希尔第一 个用离体叶绿体做试验，把光合作用的研究深入到细胞器的水平。 近年来，水光解反应机理的研究已有较大进展。已知放氧复合体（oxygen-evolving complex， OEC）由 3 条外周多肽组成，其中一条 33kD 的多肽为锰稳定蛋白（manganese stablizing protein，MSP），它们与 Mn、Ca2+、Cl－一起参与氧的释放。 给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理，闪光后放氧量是不均等的，是以 4 为周期呈现振荡。 第一次闪光后无 O2 产生，第二次闪光释放少量 O2，第三次闪光放 O2 最多，第四次闪光放 O2 次之，每隔四次闪光出现一次放氧高峰。 已知每释放 1 个 O2，需要氧化 2 分子水，并移去 4 个 e－，同时形成 4 个 H＋，而闪光恰 巧以 4 为周期。Kok 等（1970）据此提出了 H2O 氧化机制的模型：放氧复合体（OEC）在 每次闪光后可以积累一个正电荷，直至积累 4 个正电荷，才一次用于 2 个 H2O 的氧化（图 3-9）。图 3-9 中不同状态的 S 代表了 OEC 中不同氧化状态的放氧复合体（含锰蛋白），含有 4 个 Mn，包括 Mn2+、Mn3+和 Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序，将不同状态的含锰 蛋白分别称为 S0、S1、S2、S3 和 S4。即 S0 不带电荷，S1 带 1 个正电荷，依次到 S4 带有 4 个正电荷。每一次闪光将 S 状态向前推进一步，直至 S4。然后，S4 从 2 个 H2O 中获取 4 个 e－，并回到 S0。此模型称为水氧化钟（water oxidizing clock）或 Kok 钟（Kok clock）。 这个模型还认为，S0 和 S1 是稳定状态，S2 和 S3 可在暗中退回到 S1，S4 不稳定。这样叶 绿体在暗适应后，有 3/4 的含锰蛋白处于 S1，1/4 处于 S0，因此最大放氧量出现在第三次闪 光后。 4．电子传递的类型
(1)非环式电子传递( noncyclic electron transport):指水光解放出的电子经PSⅡ和PSI 两个光系统,最终传给NADP+的电子传递 H2O→PS→PQ→Cytb6f→PC→PSI→Fd→FNR→NADP+ 按非环式电子传递,每传递4个电子,分解2分子H2O,释放1个O2,还原2个NADP+ 需要吸收8个光量子,量子产额为1/8。同时运转8个H+进入类囊体腔 (2)环式电子传递( cyclic electron transport):指PSI产生的电子传给Fd,再到Cytb6/f 复合体,然后经PC返回PSI的电子传递。环式电子传递途径可能不止一条,电子可由Fd 直接传给Cytb6/f,也可经FNR传给质体醌,还可以经过 NADPH再传给PQ。 PSI→Fd→( NADPH→PQ)→Cytb6/f→PC→PSI (3)假环式电子传递( pseudocyclic electron transport):指水光解放出的电子经PS和PS 两个光系统,最终传给O2的电子传递。由于这一电子传递途径是 Mehler提出的,故亦称 为 Mehler反应。它与非环式电子传递的区别只是电子的最终受体是O2而不是NADP H2O→PSI→PQ→Cytb6/f→PC→PSI→Fd→O2(3-11) 因为Fd是单电子传递体,O2得到一个电子生成超氧阴离子自由基(O2-),它是一种活性 氧,具有极为活泼的氧化能力,会对植物造成危害。例如,灭生型除草剂百草枯(主要成分 为甲基紫精,MV)对植物的损伤作用即来自O2-。不过,O2-可被叶绿体中的超氧化物歧化 酶(SOD)歧化形成HO2,后者经抗坏血酸过氧化物酶(APX)等催化形成H2O,这样电 子从HO到H2O,没有O2的净损伤,被称为水一水循环( water- water cycle)或 Asada途 径。这种电子传递很少发生,只在强光、低温等逆境抑制碳同化,使 NADPH积累而NADP+ 缺乏时才发生。 (二)光合磷酸化 1.光合磷酸化及其类型 叶绿体在光下把无机磷(P)与ADP合成ATP的过程称为光合磷酸化( photosynthetic phosphorylation)。它是与电子传递相偶联的反应,电子传递停止,光合磷酸化反应便很快停 止。分为三种类型,即非环式光合磷酸化( noncyclic photophosphorylation)、环式光合磷酸 化( cyclic photophosphorylation)和假环式光合磷酸化( pseudocyclic photophosphorylation) 大量研究表明,光合磷酸化与电子传递是通过ATP酶联系在一起的 2.ATP藤 ATP酶又叫ATP合成酶、偶联因子(图3-10)。叶绿体的ATP酶与线粒体膜上的ATP酶结 构相似,是一种球茎结构,由两个蛋白复合体构成。一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1” 复合体,另一个是埋置于膜内的疏水性的“CF0”复合体。酶的催化部位在CF1上,CF1结 合在CF0上。CF1很容易被EDTA溶液除去,而CF0则需要去污剂才能除去。ATP酶由9 种亚基组成,分子量约为550kD,催化的反应为磷酸酐键的形成,即把ADP和P合成ATP 3.光合磷酸化机理 关于光合磷酸化的机理,可由英国的米切尔( P. Mitchel)提出的化学渗透学说来解释。该 学说认为,在光合链传递电子的过程中,形成跨类囊体膜的质子动力势差,在H通过ATP 酶返回膜外时,推动ADP和P形成ATP。在类囊体膜上的电子传递体中,PQ具有亲脂性, 含量多,被称为PQ库,它可传递电子和质子,而其它传递体只能传递电子。在光下,PQ 在将电子向下传递的同时,又把膜外基质中的质子转运至类囊体膜内,PQ在类囊体膜上的 这种氧化还原往复变化称为PQ穿梭。此外,水在膜内侧光解也释放出H+,于是膜内外产 生电位差(△E)和质子浓度差(△pH),两者合称质子动力势( proton motive force,pmf 是光合磷酸化的动力。H+沿着浓度梯度返回膜外时,在ATP酶催化下,合成ATP 化学渗透学说已经得到了许多实验证据 (1)光合电子传递伴随着质子转移。当对叶绿体悬浮液照光时,立即会引起叶绿体的外部
（1）非环式电子传递（noncyclic electron transport）：指水光解放出的电子经 PSⅡ和 PSⅠ 两个光系统，最终传给 NADP＋的电子传递。 H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋ 按非环式电子传递，每传递 4 个电子，分解 2 分子 H2O，释放 1 个 O2，还原 2 个 NADP＋， 需要吸收 8 个光量子，量子产额为 1/8。同时运转 8 个 H＋进入类囊体腔。 （2）环式电子传递（cyclic electron transport）：指 PSⅠ产生的电子传给 Fd，再到 Cytb6/f 复合体，然后经 PC 返回 PSⅠ的电子传递。环式电子传递途径可能不止一条，电子可由 Fd 直接传给 Cytb6/f，也可经 FNR 传给质体醌，还可以经过 NADPH 再传给 PQ。 PSⅠ→Fd→（NADPH→PQ）→Cytb6/f→PC→PSⅠ （3）假环式电子传递（pseudocyclic electron transport）：指水光解放出的电子经PSⅡ和PS Ⅰ两个光系统，最终传给O2 的电子传递。由于这一电子传递途径是Mehler提出的，故亦称 为Mehler反应。它与非环式电子传递的区别只是电子的最终受体是O2 而不是NADP＋ H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f→PC→PSⅠ→Fd→O2 （3-11） 因为 Fd 是单电子传递体，O2 得到一个电子生成超氧阴离子自由基（O2-），它是一种活性 氧，具有极为活泼的氧化能力，会对植物造成危害。例如，灭生型除草剂百草枯（主要成分 为甲基紫精，MV）对植物的损伤作用即来自 O2-。不过，O2-可被叶绿体中的超氧化物歧化 酶（SOD）歧化形成 H2O2, 后者经抗坏血酸过氧化物酶（APX）等催化形成 H2O，这样电 子从 H2O 到 H2O，没有 O2 的净损伤，被称为水－水循环（water-water cycle）或 Asada 途 径。这种电子传递很少发生，只在强光、低温等逆境抑制碳同化，使 NADPH 积累而 NADP+ 缺乏时才发生。 （二）光合磷酸化 1．光合磷酸化及其类型 叶绿体在光下把无机磷（Pi）与 ADP 合成 ATP 的过程称为光合磷酸化（photosynthetic phosphorylation）。它是与电子传递相偶联的反应，电子传递停止，光合磷酸化反应便很快停 止。分为三种类型，即非环式光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）、环式光合磷酸 化（cyclic photophosphorylation）和假环式光合磷酸化（pseudocyclic photophosphorylation）。 大量研究表明，光合磷酸化与电子传递是通过 ATP 酶联系在一起的。 2．ATP 酶 ATP 酶又叫 ATP 合成酶、偶联因子（图 3-10）。叶绿体的 ATP 酶与线粒体膜上的 ATP 酶结 构相似，是一种球茎结构，由两个蛋白复合体构成。一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1” 复合体，另一个是埋置于膜内的疏水性的“CF0”复合体。酶的催化部位在 CF1 上，CF1 结 合在 CF0 上。CF1 很容易被 EDTA 溶液除去，而 CF0 则需要去污剂才能除去。ATP 酶由 9 种亚基组成，分子量约为 550kD，催化的反应为磷酸酐键的形成，即把 ADP 和 Pi 合成 ATP。 3．光合磷酸化机理 关于光合磷酸化的机理，可由英国的米切尔（P.Mitchell）提出的化学渗透学说来解释。该 学说认为，在光合链传递电子的过程中，形成跨类囊体膜的质子动力势差，在 H+通过 ATP 酶返回膜外时，推动 ADP 和 Pi 形成 ATP。在类囊体膜上的电子传递体中，PQ 具有亲脂性， 含量多，被称为 PQ 库，它可传递电子和质子，而其它传递体只能传递电子。在光下，PQ 在将电子向下传递的同时，又把膜外基质中的质子转运至类囊体膜内，PQ 在类囊体膜上的 这种氧化还原往复变化称为 PQ 穿梭。此外，水在膜内侧光解也释放出 H+，于是膜内外产 生电位差（ΔE）和质子浓度差（ΔpH），两者合称质子动力势（proton motive force，pmf）， 是光合磷酸化的动力。H+沿着浓度梯度返回膜外时，在 ATP 酶催化下，合成 ATP。 化学渗透学说已经得到了许多实验证据： （1）光合电子传递伴随着质子转移。当对叶绿体悬浮液照光时，立即会引起叶绿体的外部
溶液质子浓度急剧下降,p升高;闭光后则外液的质子浓度又恢复到原来的水平; (2)光下跨膜△pH的产生。当对叶绿体悬浮液照光时,在不加入磷酸化底物,不形成ATP 的条件下,光照可以诱导叶绿体吸收质子,吸收作用可以继续到跨膜ΔpH达到4个pH单 位为止。在光下或闭光后立即加入磷酸化底物,都可以形成ATP。如加入解偶联剂二硝基苯 酚(DNP)可以破坏跨膜ΔpH,则无ATP形成,这说明△pH是ATP形成的原动力 (3)酸碱磷酸化实验。在暗中把叶绿体类囊体放入plH4的溶液中平衡,让类囊体腔的pH 下降至4,然后加进pH8和含有ADP、Pi及镁盐的缓冲液,这样人工造成的瞬间的跨膜Δ pH就导致了ATP的形成 在电子传递的同时,从基质中向膜内运送H,结果产生膜内外的H动力势梯度,H依动力 势梯度经ATP酶流出时,偶联ATP的产生 在电子传递和光合磷酸化作用中形成的ATP和 NADPH是重要的中间产物。一方面两者都 能暂时贮存能量;另一方面 NADPH的H又能进一步还原CO2,这样就把光反应和暗反应 联系起来了。由于ATP和 NADPH在暗反应中用于CO2的同化,故合称为同化力。 三、碳同化 碳同化是指植物利用光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,有多种酶参与反应。高等植物的碳同化途 径有三条,即C3途径、C4途径和CAM(景天酸代谢)途径 (一)C3途径 直到20世纪40年代中期,美国加州大学的卡尔文( M. Calvin)和本森( A. Benson)采用当 时的两项新技术一放射性同位素示踪和双向纸层析,以单细胞藻类为试材,经过十年的系统 研究,在20世纪50年代提出了二氧化碳同化的循环途径,故称为卡尔文循环( The Calvin cycle)。由于这个循环中CO2的受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸),故又称为还原戊糖磷酸 途径( reductive pentose phosphate pathway,RPPP)。这个途径中二氧化碳被固定形成的最初 产物是一种三碳化合物,故称为C3途径。卡尔文循环具有合成淀粉等产物的能力,是所有 植物光合碳同化的基本途径,大致可分为三个阶段,即羧化阶段、还原阶段和再生阶段(图 3-12) 1.羧化阶段 CO2与受体核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)结合,并在RuBP羧化酶的催化下水解产生二分子 磷酸甘油酸(PGA)的反应过程 2.还原阶段 3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶(PGA激酶)催化下,形成1,3-二磷酸甘油酸(DPGA), 然后在甘油醛磷酸脱氢酶作用下被 NADPH还原,变为甘油醛-3-磷酸(GAP)。 羧化阶段产生的PGA是一种有机酸,尚未达到糖的能级,为了把PGA转化成糖,要消耗光 反应中产生的同化力。ATP提供能量, NADPH提供还原力使PGA的羧基转变成3一磷酸甘 油醛的醛基,这也是光反应与暗反应的联结点。当CO2被还原为3一磷酸甘油醛时,光合 作用的贮能过程即告完成。 3.再生阶段 是由3-磷酸甘油醛经过一系列的转变,重新形成CO2受体RuBP的过程 这里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反应(见图3-12)。最后一步由核 酮糖一5一磷酸激酶(Ru5PK)催化,并消耗1分子ATP,再形成RuBP,构成了一个循环 每同化一个CO2,要消耗3个ATP和2个 NADPH还原3个CO2可输出一个磷酸丙糖(GAP 或DHAP)。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉,或运出叶绿体在细胞质中合成蔗糖。 3C02 +5H20+9ATP+6NADPH+6H+- GAP+ 9ADP+ 8Pi+6NADP
溶液质子浓度急剧下降，pH 升高；闭光后则外液的质子浓度又恢复到原来的水平； （2）光下跨膜ΔpH 的产生。当对叶绿体悬浮液照光时，在不加入磷酸化底物，不形成 ATP 的条件下，光照可以诱导叶绿体吸收质子，吸收作用可以继续到跨膜ΔpH 达到 4 个 pH 单 位为止。在光下或闭光后立即加入磷酸化底物，都可以形成 ATP。如加入解偶联剂二硝基苯 酚（DNP）可以破坏跨膜ΔpH，则无 ATP 形成，这说明ΔpH 是 ATP 形成的原动力； （3）酸-碱磷酸化实验。在暗中把叶绿体类囊体放入 pH 4 的溶液中平衡，让类囊体腔的 pH 下降至 4，然后加进 pH 8 和含有 ADP、Pi 及镁盐的缓冲液，这样人工造成的瞬间的跨膜Δ pH 就导致了 ATP 的形成。 在电子传递的同时，从基质中向膜内运送H＋，结果产生膜内外的H＋动力势梯度，H＋依动力 势梯度经ATP酶流出时，偶联ATP的产生。 在电子传递和光合磷酸化作用中形成的 ATP 和 NADPH 是重要的中间产物。一方面两者都 能暂时贮存能量；另一方面 NADPH 的 H 又能进一步还原 CO2，这样就把光反应和暗反应 联系起来了。由于 ATP 和 NADPH 在暗反应中用于 CO2 的同化，故合称为同化力。 三、碳同化 碳同化是指植物利用光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，有多种酶参与反应。高等植物的碳同化途 径有三条，即 C3 途径、C4 途径和 CAM（景天酸代谢）途径。 （一）C3 途径 直到 20 世纪 40 年代中期，美国加州大学的卡尔文（M.Calvin）和本森（A.Benson）采用当 时的两项新技术－放射性同位素示踪和双向纸层析，以单细胞藻类为试材，经过十年的系统 研究，在 20 世纪 50 年代提出了二氧化碳同化的循环途径，故称为卡尔文循环（The Calvin cycle）。由于这个循环中 CO2 的受体是一种戊糖（核酮糖二磷酸），故又称为还原戊糖磷酸 途径（reductive pentose phosphate pathway，RPPP）。这个途径中二氧化碳被固定形成的最初 产物是一种三碳化合物，故称为 C3 途径。卡尔文循环具有合成淀粉等产物的能力，是所有 植物光合碳同化的基本途径，大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段（图 3-12）。 1．羧化阶段 CO2 与受体核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）结合，并在 RuBP 羧化酶的催化下水解产生二分子 3-磷酸甘油酸（PGA）的反应过程。 2．还原阶段 3-磷酸甘油酸在 3-磷酸甘油酸激酶（PGA 激酶）催化下，形成 1,3-二磷酸甘油酸（DPGA）， 然后在甘油醛磷酸脱氢酶作用下被 NADPH 还原，变为甘油醛-3-磷酸（GAP）。 羧化阶段产生的 PGA 是一种有机酸，尚未达到糖的能级，为了把 PGA 转化成糖，要消耗光 反应中产生的同化力。ATP 提供能量，NADPH 提供还原力使 PGA 的羧基转变成 3－磷酸甘 油醛的醛基，这也是光反应与暗反应的联结点。当 CO2 被还原为 3－磷酸甘油醛时，光合 作用的贮能过程即告完成。 3．再生阶段 是由 3-磷酸甘油醛经过一系列的转变，重新形成 CO2 受体 RuBP 的过程。 这里包括了形成磷酸化的 3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反应（见图 3-12）。最后一步由核 酮糖－5－磷酸激酶（Ru5PK）催化，并消耗 1 分子 ATP，再形成 RuBP，构成了一个循环。 每同化一个 CO2，要消耗 3 个 ATP 和 2 个 NADPH。还原 3 个 CO2 可输出一个磷酸丙糖（GAP 或 DHAP）。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉，或运出叶绿体在细胞质中合成蔗糖。 3CO2 + 5H2O + 9ATP + 6NADPH+6H+ → GAP + 9ADP + 8Pi + 6NADP+
4.C3途径的调节 ①自动催化调节:CO2的同化速率,在很大程度上决定于C3途径的运转状况和中间产物的 数量水平。将暗适应的叶片移至光下,最初阶段光合速率很低,需要经过一个“滞后期”( 般超过20min,取决于暗适应时间的长短)才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一 是暗中叶绿体基质中的光合中间产物(尤其是RuBP)的含量低。在C3途径中存在一种自 动调节RuBP水平的机制,即在RuBP含量低时,最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循 环,而用于RuBP再生,以加快CO2固定速率;当循环达到“稳态”后,磷酸丙糖才输出。 这种调节RuBP等中间产物数量,使CO2的同化速率处于某一“稳态”的机制,称为C3 途径的自动催化调节。 ②光调节:碳同化亦称为暗反应。然而,除了通过光反应提供同化力外,光还调节着暗反应 的一些酶活性。例如, Rubisco、甘油酸-3-磷酸激酶、果糖-1,6-二磷酸酯酶、景天庚酮糖-1, 7-二磷酸酯酶、核酮糖-5-磷酸激酶属于光调节酶,在光下活性提髙,暗中活性降低甚至丧失 ③光合产物输出速率的调节:磷酸丙糖是运出叶绿体的光合产物,它通过叶绿体膜上的Pi 运转器运出叶绿体,同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。因此,磷酸丙糖从叶绿体运到 细胞质的数量,受细胞质中Pi水平的调节。当磷酸丙糖在细胞质中合成为蔗糖时,就释放 出Pi。如果蔗糖从细胞质的外运受阻,或利用减慢,则其合成速度降低,Pi的释放也随之 减少,会使磷酸丙糖外运受阻。这样,磷酸丙糖在叶绿体中积累,从而影响C3光合碳还原 循环的正常运转。 (二)C4途径 在20世纪60年代中期,人们发现有些起源于热带的植物,如甘蔗、玉米等,除了和其它 植物一样具有卡尔文循环以外,还存在一条固定CO2的途径。它固定CO2的最初产物是含 四个碳的二羧酸,故称为C4一二羧酸途径(C4- dicarboxylic acid pathway),简称C4途 径,也叫 Hatch- Slack途径。现已知被子植物中有20多个科近2000种植物按C4途径固定 CO2,这些植物被称为C4植物 1.生化途径 C4途径基本上可分为CO2固定、还原(或转氨作用)、脱羧和PEP再生四个阶段 PEPC为PEP羧化酶;PPDK为丙酮酸磷酸双激酶 (1)CO2的固定CO2在叶肉细胞中变为HCO3-,在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC) 催化下,PEP固定HCO3-生成草酰乙酸( oxaloacetic acid,OAA)。 (2)还原或转氨作用草酰乙酸由NADP-苹果酸脱氢酶催化,被还原为苹果酸( malic acid, Ma),反应在叶绿体中进行。 但是,也有些植物,其草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶作用下,OAA接受谷氨酸的氨 基,形成天冬氨酸( aspartic acid,Asp),反应在细胞质中进行 (3)脱浚苹果酸或天冬氨酸被运到维管束鞘细胞( bundle sheath cell,BSC)中去,在那 里脱羧变成丙酮酸( pyruvic acid)。根据运入维管束鞘的C4二羧酸的种类以及参与脱羧反 应的酶类,C4途径又分三种类型。一是依赖NADP苹果酸酶的苹果酸型( NADP-ME型), 如玉米、甘蔗、高粱等即属此类;二是依赖NAD-苹果酸酶的天冬氨酸型( NAD-ME型), 龙爪稷、蟋蟀草、狗芽根、马齿苋等属于此类;三是具有PEP羧激酶(PCK)的天冬氨酸 型,羊草、无芒虎尾草、卫茅、鼠尾草等属于此类。 NADP-ME型的初期产物是MAL,而 NAD-ME型和PCK型的初期产物是Asp(图3-4) (4)PEP再生四碳二羧酸在BSC中脱羧后变成的丙酮酸,从维管束鞘细胞运回叶肉细胞 在叶绿体中经丙酮酸磷酸双激酶催化和ATP作用,生成CO2的受体PEP,使反应循环进行, 而四碳二羧酸在BSC叶绿体中脱羧释放的CO2,由BSC中的C3途径同化(图3-14) (三)景天酸代谢途径
4．C3 途径的调节 ①自动催化调节：CO2 的同化速率，在很大程度上决定于 C3 途径的运转状况和中间产物的 数量水平。将暗适应的叶片移至光下，最初阶段光合速率很低，需要经过一个“滞后期”（一 般超过 20min，取决于暗适应时间的长短）才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一 是暗中叶绿体基质中的光合中间产物（尤其是 RuBP）的含量低。在 C3 途径中存在一种自 动调节 RuBP 水平的机制，即在 RuBP 含量低时，最初同化 CO2 形成的磷酸丙糖不输出循 环，而用于 RuBP 再生，以加快 CO2 固定速率；当循环达到“稳态”后，磷酸丙糖才输出。 这种调节 RuBP 等中间产物数量，使 CO2 的同化速率处于某一“稳态”的机制，称为 C3 途径的自动催化调节。 ②光调节：碳同化亦称为暗反应。然而，除了通过光反应提供同化力外，光还调节着暗反应 的一些酶活性。例如，Rubisco、甘油酸-3-磷酸激酶、果糖-1，6-二磷酸酯酶、景天庚酮糖-1， 7-二磷酸酯酶、核酮糖-5-磷酸激酶属于光调节酶，在光下活性提高，暗中活性降低甚至丧失。 ③光合产物输出速率的调节：磷酸丙糖是运出叶绿体的光合产物，它通过叶绿体膜上的 Pi 运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的 Pi 运入叶绿体。因此，磷酸丙糖从叶绿体运到 细胞质的数量，受细胞质中 Pi 水平的调节。当磷酸丙糖在细胞质中合成为蔗糖时，就释放 出 Pi。如果蔗糖从细胞质的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，Pi 的释放也随之 减少，会使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响 C3 光合碳还原 循环的正常运转。 （二）C4 途径 在 20 世纪 60 年代中期，人们发现有些起源于热带的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它 植物一样具有卡尔文循环以外，还存在一条固定 CO2 的途径。它固定 CO2 的最初产物是含 四个碳的二羧酸，故称为 C4－二羧酸途径（C4－dicarboxylic acid pathway），简称 C4 途 径，也叫 Hatch-Slack 途径。现已知被子植物中有 20 多个科近 2 000 种植物按 C4 途径固定 CO2，这些植物被称为 C4 植物。 1．生化途径 C4 途径基本上可分为 CO2 固定、还原（或转氨作用）、脱羧和 PEP 再生四个阶段。 PEPC 为 PEP 羧化酶；PPDK 为丙酮酸磷酸双激酶 （1）CO2 的固定 CO2 在叶肉细胞中变为 HCO3-，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC） 催化下，PEP 固定 HCO3-生成草酰乙酸（oxaloacetic acid，OAA）。 （2）还原或转氨作用 草酰乙酸由 NADP-苹果酸脱氢酶催化，被还原为苹果酸（malic acid， Mal），反应在叶绿体中进行。 但是，也有些植物，其草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶作用下，OAA 接受谷氨酸的氨 基，形成天冬氨酸（aspartic acid，Asp），反应在细胞质中进行。 （3）脱羧 苹果酸或天冬氨酸被运到维管束鞘细胞（bundle sheath cell，BSC）中去，在那 里脱羧变成丙酮酸（pyruvic acid）。根据运入维管束鞘的 C4 二羧酸的种类以及参与脱羧反 应的酶类，C4 途径又分三种类型。一是依赖 NADP-苹果酸酶的苹果酸型（NADP-ME 型）， 如玉米、甘蔗、高粱等即属此类；二是依赖 NAD-苹果酸酶的天冬氨酸型（NAD-ME 型）， 龙爪稷、蟋蟀草、狗芽根、马齿苋等属于此类；三是具有 PEP 羧激酶（PCK）的天冬氨酸 型，羊草、无芒虎尾草、卫茅、鼠尾草等属于此类。NADP-ME 型的初期产物是 MAL，而 NAD-ME 型和 PCK 型的初期产物是 Asp（图 3-14）。 （4）PEP 再生 四碳二羧酸在 BSC 中脱羧后变成的丙酮酸，从维管束鞘细胞运回叶肉细胞， 在叶绿体中经丙酮酸磷酸双激酶催化和 ATP 作用，生成 CO2 的受体 PEP，使反应循环进行， 而四碳二羧酸在 BSC 叶绿体中脱羧释放的 CO2，由 BSC 中的 C3 途径同化（图 3-14）。 （三）景天酸代谢途径