《光合作用》课件.ppt

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1、第三章 植物的光合作用,光合作用(photosynthesis)概念,CO+2HO*光 绿色植物(CHO)+O2*+HO(2),CO+HO 光 绿色植物(CHO)O(1),绿色植物 利用光能把CO和水合成有机物，同时释放氧气的过程。,第一节 光合作用的概念及其意义,光合作用的意义,1.把无机物变为有机物的重要途径 吸收2.01011t/y 碳素(6400t/s)约合成51011t/y 有机物“绿色工厂”2.巨大的能量转换过程 将3.21021J/y的日光能转化为化学能3.维持大气中O2和CO2的相对平衡 释放出5.351011t氧气/y“环保天使”,光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途

2、径光合作用是“地球上最重要的化学反应”,厂房,叶绿体,动力,光能,原料,二氧化碳和水,产物,有机物和氧,光合作用的过程和能量转变,光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段(表1)：1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成；2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。表1 光合作用中各种能量转变情况 能量转变 光能 电能 活跃的化学能 稳定的化学能贮能物质 量子 电子 ATP、NADPH2 碳水化合物等转变过程 原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化时间跨度(秒)10-1510-9 10

3、10104 100101 101102反应部位 PS、PS颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质是否需光 需光 受光促进 不一定，但受光促进,第二节 叶绿体及其叶绿体色素,叶片是光合作用的主要器官，而叶绿体是光合作用最重要的细胞器。,一、叶绿体,Chlor被膜完整度较高,（一）叶绿体的分离,.从叶片中直接分离(机械法),叶 片,匀 浆,细胞液,叶绿体,匀 浆 化 0.4mol/L糖醇 pH7.6,04,过 滤 匀浆48层纱布或100目尼龙纱布,分级离心 500rpm离心2min，去沉淀，3000rpm离心5min，去上清液，沉淀悬浮，冰浴保存,.从原生质体分离(酶解法),酶解,果胶酶,纤维素酶0.

4、5molL甘露醇pH5.0pH5.5 40,振荡,叶组织,原生质体,质膜与细胞器,叶绿体,20m尼龙网,离心,挤压,叶绿体在荧光显微镜下呈红色,（二）叶绿体的发育、形态及分布,1.发育 2.形态3.分布4.运动,高等植物的叶绿体由前质体发育而来。当茎端分生组织形成叶原基时，前质体的双层膜中的内膜在若干处内折并伸入基质扩展增大，在光照下逐渐排列成片，并脱离内膜形成类囊体，同时合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。,1.发育 2.形态3.分布4.运动,高等植物的叶绿体大多呈扁平椭圆形，每个细胞中叶绿体的大小与数目依植物种类、组织类型以及发育阶段而异。一个叶肉细胞中约有10至数百个叶绿体，其长37m，厚

5、23m。,1.发育 2.形态3.分布4.运动,叶肉细胞中的叶绿体较多分布在与空气接触的质膜旁，在与非绿色细胞(如表皮细胞和维管束细胞)相邻处，通常见不到叶绿体。这样的分布有利于叶绿体同外界进行气体交换。,1.发育 2.形态3.分布4.运动,随原生质环流运动，随光照的方向和强度而运动。在弱光下，叶绿体以扁平的一面向光；在强光下，叶绿体的扁平面与光照方向平行。,叶绿体随光照的方向和强度而运动,侧视图,俯视图,显微照片,（三）叶绿体的基本结构,叶绿体,被膜,基质,类囊体,1.叶绿体被膜,2.基质及内含物,基质中能进行多种多样复杂的生化反应基质是淀粉和脂类等物的贮藏库 淀粉粒与质体小球,基质：被膜以内

6、的基础物质。以水为主体，内含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白质等。,3.类囊体,由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度57nm，囊腔空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向,各种植物类囊体片层堆叠情况不一样,牧草,玉米,（四）类囊体膜上的蛋白复合体,1.蛋白复合体的概念和种类蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。主要有四类：即光系统（PSI）、光系统（PS）、Cytb/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。,类囊体膜是光合膜,类囊体膜的蛋白质复合体参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类囊体

7、膜为光合膜。,ATP酶,2.蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点,PS主要存在于基粒片层的堆叠区，PS与ATPase存在于基质片层与基粒片层的非堆叠区，Cytb6/f复合体分布较均匀。蛋白复合体及其亚基的这种分布，有利于电子传递、H+的转移和ATP合成,二、叶绿体色素（光合色素）（一）分类叶绿素:类胡萝卜素=3:1 所以叶片一般呈绿色叶绿素a:叶绿素b=3:1叶黄素:胡萝卜素=2:1解释：为什么正常情况下，叶片呈绿色，而秋后或衰老的叶片多呈黄色。,（二）光合色素化学结构与性质1、叶绿素（chlorophyll)叶绿素不溶于水，但能溶于酒精、丙酮和石油醚等有机溶剂。其化学组成如下：chla:C55H

8、72O5N4Mg chlb:C55H70O6N4Mg叶绿素是叶绿酸的酯。叶绿酸是双羧酸，其羧基中的羟基分别被甲醇和叶绿醇所酯化。所以其分子式为：,4个吡咯环和4个甲烯基连成一个大环卟啉环,镁原子居卟啉环的中央,1个含羰基和羧基的副环（同素环），羧,基以酯键和甲醇结合,叶绿醇则以酯键与在第吡珞环侧键上的丙酸结合,庞大的共轭体系,起着吸收光能,传递电子,以诱导共振的方式传递能量,但不参与H的传递或氧化还原,疏水尾部,H+,Cu2+可取代Mg,2、胡萝卜素和叶黄素：四萜类、有-、-、-三种异构体。不溶于水，但能溶于有机溶剂。胡萝卜素：是一不饱和的碳氢化合物，分子式为C40H56。它的两头具有一个对称

9、排列的紫罗兰酮环，它们中间以共轭双键（4个异戊二烯）相联接。叶黄素由胡萝卜素衍生而来，分子式为C40H56O2，是个醇类物质，它在叶绿体的结构中与脂类物质相结合。3、藻胆素藻类进行光合作用的主要色素，不溶于有机溶剂，溶于水。常与蛋白质结合为藻胆蛋白（藻红蛋白和藻蓝蛋白）。,-胡萝卜素,叶黄素,图-胡萝卜素和叶黄素结构式,（三）光合色素的光学特性1、辐射能量 光波是一种电磁波，对光合作用有效的可见光的波长是400700nm之间。光同时又是运动着的粒子流，这些粒子称为光子，或光量子。光子携带的能量和光的波长的关系如下：E=N h c/E=(6.021023)(6.6310-34)频率=()阿伏伽德

10、罗常数 普朗克常数上式表明：光子的能量与波长成反比。,-,太阳光谱,2、吸收光谱,叶绿素的吸收光谱 叶绿素吸收光的能力很强，如果把叶绿素溶液放在光源和分光镜之间，就可以看到有些波长的光线被吸收了。在光谱中就出现了暗带，这种光谱叫吸收光谱。两个最强烈的吸收区，一个是波长为640660的红光部分，另一个是430450的蓝紫光部分。此外，在光谱的橙光，黄光和绿光部分只有不明显的吸收带，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。chla和chlb的吸收光谱很相似，但略有不同。,类胡萝卜素的的吸收光谱,最大吸收在蓝紫光部分，不吸收红光等波长的光。,3、作用光谱 指在能量相同而波长不同的光下，测定

11、其光合强度所得的变化曲线。作用光谱与叶绿素a的吸收光谱基本一致，说明光合作用吸收的光一般是由叶绿素a吸收的，其它色素吸收的光都传递给叶绿素a，然后引起光化学反应。4、荧光现象和磷光现象荧光现象：叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反 射光下呈红色的现象。10-810-9秒(寿命短)磷光现象：叶绿素除了在照光时能辐射出荧光外，当去掉光源后，还能继续辐射出极微弱的红光(用精密仪器可测知)，这个现象叫。10-2秒(寿命长)这两种现象说明叶绿素能被光激发，而被光激发是将光能转变为化学能的第一步。,叶绿素的荧光现象和磷光现象,（四）叶绿素的生物合成1、合成原料：谷氨酸、-酮戊二酸 谷氨酸或-酮戊二酸 氨基酮

12、戊二酸（ALA)2ALA 含吡咯环的胆色素原4个胆色素原 尿卟啉原 粪吡啉原粪吡啉原 原卟啉 镁原卟啉 原脱植基叶绿素a 脱植基叶绿素a 叶绿素a 叶绿素b2、影响因素（1）需氧气和光（2）矿质营养 N、Mg；Fe、Mn、Cu、Zn（3）温度（4）水分 影响蛋白质合成,厌氧条件下,有氧条件下,第三节 光合作用的机制,一、原初反应原初反应 是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过程。它包括：光物理光能的吸收、传递光化学有电子得失原初反应特点：速度非常快，可在皮秒(ps，1012s)与纳秒(ns，109s)内完成与温度无关，可在196(77K，液氮温度)或271(2K，液氦温度)

13、下进行量子效率接近1，由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1。,（一）光能的吸收与传递,1、激发态的形成通常色素分子是处于能量的最低状态基态。色素分子吸收了一个光子后，会引起原子结构内电子的重新排列。其中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核正电荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态。下式表示叶绿素吸收光子转变成了激发态。激发态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的光能。,Chl（基态）+h 1015S Chl*（激发态）,叶绿素分子受光激发后的能级变化,2、激发态的命运,（1）放热 激发态叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量。此过程又称内转换或无辐射退激。（2）发射荧光与磷光激

14、发态叶绿素分子回至基态时，以光子形式释放能量。（3）色素分子间的能量传递激发态色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程。（4）发生光化学反应激发态色素分子把激发的电子传递给受体分子。,激发态是不稳定的状态，会发生能量的转变。,转变的方式：,对提取的叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的荧光。,指激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程。Chl*1 Chl2 Chl1Chl*2 供体分子 受体分子,色素分子间的能量传递,色素分子吸收的光能，若通过发热、发荧光与磷光等方式退激，能量就被浪费了。在光合器里，聚光叶绿素分子在第

15、一单线态的能量水平上，通过分子间的能量传递，把捕获的光能传到反应中心色素分子，以推动光化学反应的进行。一般认为，色素分子间激发能不是靠分子间的碰撞传递的，也不是靠分子间电荷转移传递的，可能是通过“激子传递”或“共振传递”方式传递的。,作用中心色素分子 指具有光学活性的特殊状态存在的少数叶绿素a分子。光学活性：指这种色素吸收光能之后即被激发，可引起自身的氧化还原反应（得失电子），同时将接受的光能转变成电能的性质。特殊状态：以水结合起来的叶绿素a的二聚体，吸收高峰为680nm，700nm。,聚光色素 除作用中心色素以外的大多数叶绿素a、全部叶绿素b、类胡萝卜素。它们都只能将吸收的光聚集起来传递给作

16、用中心色素，它们无光学活性，只能捕捉光能，因此叫聚光色素。它们又象收音机的天线一样，因此又叫“天线色素”。两种色素共同作用，才能将光能 电能,反应中心 指在类囊体中进行光合作用原初反应的最基本的色素蛋白结构。反应中心=作用中心色素分子+原初电子供体+原初电子受体原初电子供体：以电子直接供给作用中心色素分子的物体。原初电子受体：直接接受作用中心色素分子传来电子的物体。DPA DP*A DP+A-D+PA-反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的，因此反应中心色素分子又称为原初电子供体。,激子传递,激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但不能转移电荷。在由相同分子

17、组成的聚光色素系统中，其中一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被另一色素分子吸收。这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。,共振传递,在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态，第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这种依靠电子振动在分子间传

18、递能量的方式就称为“共振传递”。,共振传递示意图,在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递。,图 光合作用过程中能量运转的基本概念,通过上述色素分子间的能量传递，聚光色素吸收的光能会很快到达并激发反应中心色素分子，启动光化学反应。,（二）光化学反应,1、反应中心与光化学反应 反应中心 发生原初反应的最小单位,反应中心组成：,反应中心色素分子(P)原初电子供体(D)：光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的。原初电子受体(A)：直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体次级电子受体(A1)与供体(D1)等电子传递体维持电子

19、传递体的微环境所必需的蛋白质,光化学反应,由光引起的反应中心色素分子与原初电子供体与受体间的氧化还原反应可用下式表示光化学反应过程：DPA h DP+A DP+A D+PA基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 反应中心出现了电荷分离，到这里原初反应也就完成了。原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”，便可从次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给原初电子供体的还原剂叫做次级电子供体(D1)，从原初电子受体接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：D1 D+P

20、A A1 D1+DPAA1 这一过程在光合作用中反复地进行，推动电子在电子传递体中传递。,量子产额：吸收一个光量子后放出的氧分子数目或固定CO2分子数目。红降现象：以绿藻和红藻为材料，研究其不同光波的光合效率，发现当用光波大于685nm（远红光）的光照射时，虽然仍被叶绿素大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为。双光增益现象（爱默生效应）：爱默生等发现，在用远红光（光波大于685nm）照射条件下，如补充红光（约650nm)，则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射的总和还要多。这种两种光波促进光合效率的现象，叫双光增益现象（爱默生效应）。所以，认为光合作用包括两个光系统，后来证明确实如此。

21、,2、PS和PS的光化学反应,高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PS和PS反应中心中的原初电子供体很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的二聚体，分别用P700、P680来表示。这里P代表色素分子，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近700nm或680nm处，也即用氧化态吸收光谱与还原态吸收光谱间的差值最大处的波长来作为反应中心色素的标志。,图 菠菜反应中心色素氧化态与还原态的差示光谱照光下PS(A)、PS(B)反应中心色素氧化(P+)，其氧化态与(黑暗中)还原态(P)的吸收光谱差值最大变化的波长所在位置分别是700nm(A)和682nm(B)。,PS和PS的光化学反

22、应,PS的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PS的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子。PS的原初反应：P700A0 h P700*0 P700A0 PS的原初反应：P680Pheo h P680*Pheo P680+Pheo-,在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。,PS和PS的电子供体和受体组成,二、电子传递和光合磷酸化,原初反应的结果:使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递。电子传递的结果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；

23、另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。,（一）电子和质子的传递,指定位在光合膜上的，由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。较为公认的是：“Z”方案由希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充。电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列。电子传递链呈侧写的“Z”形。,PSII和PSI共同参与从水到NADP+电子传递的Z-方案模式图,1、光合链,“Z”方案特点：,2、光合电子传递体的组成与功能,（1）PS复合体PS的生理功能吸收光能，进行光化学反应，产生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。,

24、PSII反应中心结构模式图示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。D1很容易受到光化学破坏。电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。,QA是单电子传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌，它的电子再传递至QB，QB是双电子传递体，QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H+而还原成氢醌(QH2)。这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，生成PQH2。,（2）质醌,质醌(PQ)也叫质体醌，是PS反应中心的末端电子受体，也是介于PS复合体与Cyt b/f复合体间的电子传递体。质

25、体醌为脂溶性分子，能在类囊体膜中自由移动，转运电子与质子。质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的5%10%，故有“PQ库”之称。,PQ库作为电子、质子的缓冲库，能均衡两个光系统间的电子传递；质体醌是双电子、双质子传递体，这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。,（3）Cytb/f复合体,Cyt b/f 复合体作为连接PS与PS两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由几个多肽组成，即Cyt f、Cyt b、Rieske 铁-硫蛋白、亚基、光合电子传递体(Pet)G、M、L等。,PQH+2PC(Cu)Cyt b/f PQ+2PC(Cu)+2H,Cyt b/f 复合体主要催化PQH

26、的氧化和PC的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt b/f 复合体又称PQHPC氧还酶。,（4）质蓝素,质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b/f复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。,（5）PS复合体,PS的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递。,（6）铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP还原酶,铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-NADP还原酶(FNR)都是存在类囊体膜表面的蛋白质。Fd是通过它的铁硫活性中心中的铁离子的氧化

27、还原传递电子的。FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化还原来传递H+。因其与Fd结合在一起，所以称Fd-NADP还原酶。FNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收Fd传来的电子和基质中的H，还原NADP为NADPH。,3、光合电子传递的类型,根据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型。（1）非环式电子传递指水中的电子经PS与PS一直传到NADP的电子传递途径HO PSPQCyt b/fPCPSFdFNR NADP 按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。

28、,（2）环式电子传递,PS中环式电子传递：由经Fd经PQ，Cyt b6/f PC等传递体返回到PS而构成的循环电子传递途径。即：PSFdPQCytb/fPCPS 环式电子传递不发生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。PS中环式电子传递：电子是从QB经Cytb559，然后再回到P680。即：P680PheoQAQBCytb559P680 也有实验指出PS中环式电子传递为：P680 Cytb559 Pheo P680,Cytb559,（3）假环式电子传递,指水中的电子经PS与PS传给Fd后再传给O的电子传递途径，这也叫做梅勒反应(M

29、ehlers reaction)。HOPSPQCytb/fPC PSFd O Fd为单电子传递体，其氧化时把电子交给O2，使O2生成超氧阴离子自由基。Fd还原+O2 Fd氧化+O2-叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-。O2-+O2-+2H2 SOD 2H2O2+O2假环式电子传递的结果造成O的消耗与H2O2的生成。假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输，只是电子的最终受体不是NADP而是O。,百草枯,（二）光合磷酸化,1954年阿农等人用菠菜叶绿体，弗伦克尔(A.M.Frenkel)用紫色细菌的载色体相继观察到，光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有A

30、TP产生。从此，人们把光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光合磷酸化。,1、光合磷酸化的类型,（）非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反应。非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。2NADP+3ADP3Pi 8h叶绿体 2NADPH3ATPO2+2H+HO在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。（）环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ATP的反应。ADP Pi 光 叶绿体 ATP HO环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转

31、换的唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用。,（）假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。HO+ADP Pi 光 叶绿体 ATP+O2-4H+,NADP+供应量较低，例如NADPH的氧化受阻，则有利于假环式电子传递的进行。非环式光合磷酸化与假环式光合磷酸化均被DCMU(二氯苯基二甲基脲，敌草隆)除草剂所抑制，而环式光合磷酸化则不被DCMU抑制。,2、光合磷酸化的机理,有多种学说，如中间产物学说、变构学说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。化学渗透学说

32、(chemiosmotic theory)由英国的米切尔(Mitchell1961)提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜上膜上有偶联电子传递的质子转移系统膜上有转移质子的ATP酶,在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive force,pmf)，并由质子动力推动的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。,3.光合磷酸化的抑制剂,叶绿体进行光合磷酸化，必须：(1)类囊体膜上进行电子传递；(2)类囊体膜内外有质子梯度；

33、(3)有活性的ATP酶。破坏这三个条件之一的试剂都能使光合磷酸化中止，这些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂。电子传递抑制剂 指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到PS的电子流，DCMU抑制从PS上的Q到PQ的电子传递解偶联剂 指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。常见的这类试剂有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonyl cyanide-3-chlorophenyl hydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH等能量传递抑制剂 指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB),它们都抑制了ATP酶活

34、性从而阻断光合磷酸化。,三、碳 同 化,根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、C4途径和CAM(景天科酸代谢)途径。,植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化或碳同化,类囊体,基质,（一）C3途径,1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：,(1)14C同位素标记与测定技术 可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的(2)双向纸层析技术 能把光合产物分开,选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不

35、仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。,1、C途径的反应过程,C途径是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径。整个循环如图所示，由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。全过程分为羧化、还原、再生3个阶段。,一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP,光合碳还原循环,羧化,还原,再生,C3途径的总反应式：,3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+3H+,可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出

36、1个磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。,再,C3途径能量转化效率：,则C3途径的能量转化效率为 1460/(329+2206)=91%,光合产物中所贮存的化学能占消耗同化力中贮能的百分率。同化3个CO2形成1个磷酸丙糖为例，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH。在标准状态下每形成1mol GAP贮能1460 kJ，每水解1mol ATP放能32 kJ，每氧化1mol NADPH放能220 kJ，,2、C3途径的调节,（1）

37、自(动)催化作用植物同化CO2速率，很大程度上决定于光合碳还原循环的运转状态，以及光合中间产物的数量。在C3途径中存在一种自动调节RuBP浓度的机制，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的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳还原循环到达“稳态”时，形成的磷酸丙糖再输出。这种调节RuBP等光合中间产物含量，使同化CO2速率处于某一“稳态”的机制，就称为C3途径的自(动)催化作用。,C3途径的自(动)催化作用示意图15个RuBP固定15个CO2，可再生18个RuBP，即产生3个额外RuBP，当到达“稳态”时产生5个TP(磷酸丙糖)输出,（2）光调节作用,光除

38、了通过光反应对CO2同化提供同化力外，还调节着光合酶的活性。光下酶活性提高，暗中活性降低或丧失。,(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK),光调节酶,（3）光合产物输出速率的调节,根据质量作用定律，产物浓度的增加会减慢化学反应的速度。,（二）光呼吸,1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warbur

39、g effect)。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。,光呼吸：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应。,1、光呼吸的发现,2、光呼吸的生化途径,光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢乙醇酸的生成反应是从Rubisco加氧催化的反应开始的：,以上两步反应在叶绿体中进行,乙醇酸代谢要经过三种细胞器：叶绿体、过氧化酶体和线粒体。,光呼吸的主要反应：,光合作用和光呼吸都由Rubisco开始。光合作用的电子运输提供ATP和NADPH；光呼吸消耗 ATP和FdxRED。C3循环中的一种底物CO2是C2循环的产物；同样地，C2循环的底物O2是C3光合作用的产物。,光合作用和光呼吸的联系,3、光呼吸与“暗呼

40、吸”的区别,光呼吸需在光下进行，而一般的呼吸作用，光下与暗中都能进行，所以相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸”。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高35倍。,4、光呼吸的特点,光呼吸随反应环境中氧浓度的增加而加速。光呼吸与光合作用关系密切。光呼吸底物乙醇酸来源于光合作用中的RuBP光合生成的有机物的1/3以上要消耗在光呼吸底物上光呼吸消耗能量光呼吸是在叶绿体、过氧化物酶体、线粒体3 种细胞器联系作用下进行的。光呼吸的吸O2和排CO2不在同一个细胞器里，吸收O2是在叶绿体、过氧化物酶体中，放出CO2在线粒体中。,1.回收碳素 通过C2碳氧化环可回收乙醇酸中3/4的碳(2个乙醇酸转化1个

41、PGA，释放1个CO2)。2.维持C3光合碳还原循环的运转 在叶片气孔关闭或外界CO2浓度低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持光合碳还原循环的运转。,3.防止强光对光合机构的破坏作用 在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-2会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子，降低O-2的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合机构的破坏。,5、光呼吸的生理意义,4.消除乙醇酸的积累 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细

42、胞免遭毒害。,另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下(抑制光呼吸)才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。,三、C4 途 径,(一)C4 途径的发现自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为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。1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H.P.Kortschak)等人报道，甘

43、蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack)重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。,C4植物,高梁,甘蔗田,粟(millet)的穗形,“谷子”，去皮后称“小米”,

44、苋菜,玉米,(二)C4途径的反应过程,C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段。羧化反应 在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；还原或转氨作用 OAA被还原为苹果酸(Mal)，或经转氨作用 形成天冬氨酸(Asp)；脱羧反应 C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3 途径同化；底物再生 脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。,图 C4植物叶的结构以及 C4 植物光合碳代谢的基本反应,1、羧化阶段,由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(

45、PEP)与HCO3-羧化，形成OAA。空气中的CO2进入叶肉细胞后先由碳酸酐酶(CA)转化为HCO3，HCO3被PEP固定在OAA的C4羧基上 CO2+H2O CA HCO3+H+PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 000，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。,2、还原或转氨阶段,OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。(1)还原反应 由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行：苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。(2)转氨作用 由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH

46、2基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。,3、脱羧阶段,根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，可把C4途径分为三种亚类型：依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME型)；依赖NAD的苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)；具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。,叶绿体,线粒体,细胞质,NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp。,这三种亚类型植物叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BS

47、C中叶绿体的基粒不发达，PS活性低。,(1)NADP-ME型 在BSC的叶绿体内苹果酸脱羧生成丙酮酸(Pyr)，反应由NADP苹果酸酶催化。(2)NAD-ME型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用下转氨基形成OAA，再经NAD-苹果酸脱氢酶作用下生成苹果酸，然后在NAD-苹果酸酶催化下脱羧生成丙酮酸并释放CO2，这些过程都在BSC的线粒体中进行(3)PCK型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用变成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下变为PEP并释放CO2。生成的PEP可能直接进入叶肉细胞，也可能先转变成丙酮酸，再形成丙氨酸进入叶肉细胞。上述三类反应脱羧释放的CO2都进入BSC的叶绿体中，由C3途径同化。

48、C4二羧酸脱羧释放CO2，使BSC内CO2浓度可比空气中高出20倍左右，所以C4途径中的脱羧起“CO2泵”作用。C4植物这种浓缩CO2的效应，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。,图 C4途径的三种类型,三种亚类型,4、底物再生阶段,C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。PPDK在体内存在钝化与活化两种状态，它易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗

49、2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。,(四)C途径的意义,在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C植物显示出高的光合效率。C4植物具较高光合速率的因素有 C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3的亲和力极高，细胞中的HCO3浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物循环对ATP的额外需求；鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免

50、了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。但是C4植物同化CO2消耗的能量比C植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C植物。可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。,(五)C4途径的调节,NADP-苹果酸脱氢酶的活性通过Fd-Td系统调节；PEPC和PPDK的活性通过酶蛋白的磷酸化-脱磷酸反应来调节。当PEPC上某一Ser被磷酸化时，PEPC就活化，对底物PEP的亲和力就增加，脱磷酸时PEPC就钝化。因而C4植物的PEPC光下活性高。,1、酶活性的调节(1)光调节 C4途径中的PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷