08葉綠體與光合作用

1、第八章. 葉綠體與光合作用葉綠體(chloroplast)是植物細(xì)胞所特有的能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器(圖8-1), 其功能是進(jìn)行光合作用, 即利用光能同化二氧化碳和水, 生成糖, 同時(shí)產(chǎn)生分子氧。圖8-1 葉綠體的結(jié)構(gòu)域功能俯瞰 8.1 葉綠體的來(lái)源、形態(tài)與分布  8.1.1 葉綠體與質(zhì)體葉綠體是質(zhì)體的一種, 由光誘導(dǎo)前質(zhì)體而來(lái)。 前質(zhì)體(proplastid)前質(zhì)體的直徑約為1m，或更小一些，它是由雙層膜包被著未分化的基質(zhì)(stroma)所組成。植物中的前質(zhì)體隨著在發(fā)育過(guò)程中所處的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各異的質(zhì)體(plastid)。 質(zhì)體(plastid)是植物細(xì)胞中

2、一類膜結(jié)合細(xì)胞器的總稱,這類細(xì)胞器都是由共同的前體:前質(zhì)體分化發(fā)育而來(lái)(圖8-2)。圖8-2 前質(zhì)體分化途徑  白色體(etioplast)質(zhì)體的一種，不含色素, 具有制造和儲(chǔ)藏淀粉、蛋白質(zhì)和油脂的功能。這類質(zhì)體是由于前質(zhì)體在發(fā)育分化過(guò)程中一直處于黑暗中，發(fā)育的順序發(fā)生了改變，使內(nèi)部的膜結(jié)構(gòu)形成了片層體。  有色體(chromoplast)有色體含有葉黃素、胡蘿卜素和類胡蘿卜素，不含葉綠素, 無(wú)類囊體結(jié)構(gòu)。分布于高等植物的某些器官, 如花瓣、果實(shí)和根細(xì)胞中, 使其呈現(xiàn)黃色或桔黃色。不進(jìn)行光合作用, 功能是富集淀粉和脂類。  光誘導(dǎo)前質(zhì)體分化成葉綠體葉綠體是惟一含有

3、類囊體膜結(jié)構(gòu)的質(zhì)體, 是前質(zhì)體在光照條件下誘導(dǎo)發(fā)育而來(lái)。 (圖8-3)。 葉綠體是怎樣形成的? 與其他質(zhì)體的主要差異是什么?( 葉綠體是怎樣形成的? 與其他質(zhì)體的主要差異是什么?（答案） 答: 葉綠體是前質(zhì)體在光照條件下誘導(dǎo)發(fā)育而來(lái)。在光的誘導(dǎo)下, 激發(fā)了葉綠體蛋白的合成,并跨過(guò)前質(zhì)體的內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)角百|(zhì)體內(nèi)。同時(shí)內(nèi)膜向內(nèi)出芽形成膜泡,這些膜泡能夠自我成堆排列,通過(guò)攝取必要的蛋白和葉綠素, 最后形成成熟的類囊體。詳細(xì)過(guò)程包括:(a)光觸發(fā)葉綠素、磷脂、葉綠體基質(zhì)蛋白和類囊體蛋白的合成, 然后從葉綠體內(nèi)膜出芽形成小泡;(b)前質(zhì)體變大,某些球形的小泡融合,最后形成連成一體的扁平的類囊體小泡,某些類囊

4、體小泡堆積起來(lái)并在光誘導(dǎo)下大量合成LHC蛋白;(d)葉綠體進(jìn)一步變大,當(dāng)更多的類囊體小泡形成基粒時(shí),葉綠體成熟。葉綠體是惟一含有類囊體膜結(jié)構(gòu)的質(zhì)體,能夠進(jìn)行光合作用, 這是葉綠體與其他質(zhì)體的根本區(qū)別。)圖8-3 光誘導(dǎo)前質(zhì)體分化成葉綠體的過(guò)程8.1.2 葉綠體的形態(tài)大小、數(shù)量和分布 形態(tài)大小 形態(tài):高等植物中的葉綠體為球形、橢圓形或卵圓形，為雙凹面。有些葉綠體呈棒狀，中央?yún)^(qū)較細(xì)小而兩端膨大(圖8-4)。圖8-4 植物葉細(xì)胞中的葉綠體 大小葉綠體的大小變化很大, 高等植物葉綠體通常寬為25m,長(zhǎng)510m。對(duì)于特定的細(xì)胞類型來(lái)說(shuō)，葉綠體的大小相對(duì)穩(wěn)定, 但受遺傳和環(huán)境的影響。例如多倍體細(xì)胞內(nèi)的葉綠

5、體就比單倍體細(xì)胞的要大些。  數(shù)量和分布 數(shù)量不同植物中葉綠體的數(shù)目相對(duì)穩(wěn)定, 大多數(shù)高等植物的葉肉細(xì)胞含有幾十到幾百個(gè)葉綠體, 可占細(xì)胞質(zhì)體積的40%。 分布葉綠體在細(xì)胞質(zhì)中的分布有時(shí)是很均勻的，但有時(shí)也常集聚在核的附近， 或者靠近細(xì)胞壁。葉綠體在細(xì)胞內(nèi)的分布和排列因光能量的不同而有所變化。葉綠體可隨植物細(xì)胞的胞質(zhì)環(huán)流而改變位置和形狀。8.2 葉綠體的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成葉綠體是由葉綠體膜(chloroplast membrane或稱之為外被out envelope)、類囊體(thylakoid)和基質(zhì)(stroma)組成(圖8-5)。葉綠體的結(jié)構(gòu)比較特殊, 它含有3種不同的膜(外膜、內(nèi)

6、膜和類囊體膜)以及3種彼此分隔的區(qū)室(膜間隙、葉綠體基質(zhì)和類囊體腔)。圖8-5 葉綠體的膜與區(qū)室 8.2.1 葉綠體被膜的結(jié)構(gòu)及特性葉綠體是由外膜、內(nèi)膜和類囊體膜等3種不同類型的膜將其內(nèi)部分隔成3個(gè)不同的區(qū)室: 膜間隙、葉綠體基質(zhì)和類囊體腔。因此,葉綠體是一種特別的膜結(jié)合細(xì)胞器。  葉綠體膜的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成 被膜: 葉綠體的外膜和內(nèi)膜合稱為被膜(membrane envelope)。每層膜的厚度為68nm, 內(nèi)外兩膜間有1020nm寬的間隙, 稱為膜間隙。葉綠體的內(nèi)膜并不向內(nèi)折成嵴, 但在某些植物中，內(nèi)膜可皺折形成相互連接的泡狀或管狀結(jié)構(gòu)，稱為周質(zhì)網(wǎng)(peripheral

7、reticulum)。這種結(jié)構(gòu)的形成可增加內(nèi)膜的表面積。葉綠體內(nèi)膜含有較多的膜整合蛋白, 因此內(nèi)膜的蛋白與脂的比值比外膜高(表8-1)。表8-1 菠菜葉綠體膜的脂含量總脂的百分?jǐn)?shù)脂 外膜 內(nèi)膜 類囊體膜 糖脂 單半乳糖二乙酰甘油 17 55 40 二半乳糖二乙酰甘油 29 29 19 硫醌二乙酰甘油 6 5 5 磷脂 磷脂酰甘油 10 9 5 磷脂酰膽堿 32 0 0 磷脂酰肌醇 5 1 1 光吸收色素 葉綠素 0 0 20 類胡蘿卜素 1 1 6 醌 0 0 3 蛋白質(zhì)/脂的比值 0.35 0.9 1.5 內(nèi)膜參與脂的合成內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)大多是與糖脂、磷脂合成有關(guān)的酶類。研究結(jié)果表明葉綠體的被

8、膜不僅是葉綠體脂合成的場(chǎng)所，也是整個(gè)植物細(xì)胞的脂合成的主要場(chǎng)所。這一點(diǎn)與動(dòng)物細(xì)胞有很大的不同,在動(dòng)物細(xì)胞中,脂類的合成主要是在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進(jìn)行的。 膜間隙葉綠體膜間隙將葉綠體的內(nèi)外膜分開，間隔約為210nm。由于外膜的通透性大，所以膜間隙的成分幾乎同胞質(zhì)溶膠的一樣。尚不了解在膜間隙中有哪些蛋白的存在。  葉綠體被膜的通透性與內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 外膜的通透性葉綠體外膜上也有孔蛋白的存在,不過(guò)與線粒體外膜中的孔蛋白稍有不同, 葉綠體孔蛋白的通道孔徑要大一些,最大可允許相對(duì)分子質(zhì)量在1000013000道爾頓的分子通過(guò)。由于胞質(zhì)溶膠中的大多數(shù)分子都能通過(guò)孔蛋白,所以葉綠體膜間隙的環(huán)境與細(xì)胞質(zhì)中的

9、環(huán)境相差無(wú)幾。 內(nèi)膜的通透性葉綠體內(nèi)膜的通透性較差,是葉綠體的界膜。除了葉綠體功能必需的三種分子,即氧、水和二氧化碳能自由通過(guò)內(nèi)膜外,其他都不能自由通過(guò)。 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(translocator)與磷酸交換載體(phosphate exchange carrier)在葉綠體內(nèi)膜上有很多運(yùn)輸?shù)鞍?稱為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。葉綠體中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一個(gè)重要運(yùn)輸機(jī)制是通過(guò)交換進(jìn)行的,葉綠體內(nèi)膜中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-磷酸交換載體能夠通過(guò)交換將細(xì)胞質(zhì)膜中的無(wú)機(jī)Pi轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體基質(zhì),并將葉綠體基質(zhì)中形成的3PGAL釋放到細(xì)胞質(zhì)(圖8-6)。圖8-6 葉綠體內(nèi)膜中Pi-3PGAL轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(dicarboxylate ex

10、change carrier)這種運(yùn)輸?shù)鞍椎闹饕δ苁菂⑴c各種穿梭活動(dòng)。葉綠體基質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)間NADP的電子傳遞就是靠這種穿梭作用進(jìn)行的,主要是將葉綠體基質(zhì)中的蘋果酸和細(xì)胞質(zhì)中的延胡索酸進(jìn)行交換,將葉綠體膜兩側(cè)的反應(yīng)結(jié)合起來(lái)就形成了NADP的氧化和還原的反應(yīng)對(duì)(圖8-7)。圖8-7 葉綠體內(nèi)膜中蘋果酸/延胡索酸穿梭轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸/延胡索酸穿梭轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是典型的二羧酸交換載體。通過(guò)穿梭交換含有兩個(gè)羧基的不同有機(jī)酸,并且是一對(duì)一的交換。交換的結(jié)果是將葉綠體基質(zhì)中的高能電子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)膜中。葉綠體內(nèi)膜中還有其他一些轉(zhuǎn)運(yùn)載體和穿梭轉(zhuǎn)運(yùn)載體(表8-2)。表8-2 葉綠體內(nèi)膜中的運(yùn)輸系統(tǒng)載體 功能 ADP/A

11、TP交換載體 進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)間的ADP/ATP交換 二羧酸交換載體 進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)間二羧酸的交換 葡萄糖載體 將葉綠體基質(zhì)中的葡萄糖運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)溶膠 乙醇酸載體 將葉綠體基質(zhì)中的乙醇酸運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)溶膠 磷酸交換載體 將細(xì)胞質(zhì)中的無(wú)機(jī)磷與葉綠體基質(zhì)中的三碳糖進(jìn)行交換 什么是交換載體? 運(yùn)輸時(shí)有什么特點(diǎn)?( 什么是交換載體? 運(yùn)輸時(shí)有什么特點(diǎn)?（答案） 答: 存在于葉綠體內(nèi)膜中一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白, 參與葉綠體的物質(zhì)運(yùn)輸。此類蛋白運(yùn)輸?shù)闹饕攸c(diǎn)是通過(guò)交換進(jìn)行的, 并且不消耗能量, 而是靠濃度梯度進(jìn)行的。交換是一對(duì)一的交換, 如磷酸交換載體、二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(dicarboxylate excha

12、nge carrier)等。)8.2.2 類囊體(thylakoid)與線粒體不同,葉綠體基質(zhì)中有第三種膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng),稱為類囊體,是由內(nèi)膜發(fā)展而來(lái)的, 由單位膜封閉而成的扁平小囊。它是葉綠體內(nèi)部組織的基本結(jié)構(gòu)單位,上面分布著許多光合作用色素, 是光合作用的光反應(yīng)場(chǎng)所。 類囊體的結(jié)構(gòu)葉綠體中的類囊體有兩種類型基粒類囊體(granum thylakoid)和基質(zhì)類囊體(stroma thylakoid)(圖8-8)?；旧?所有參與光合作用的色素、光合作用所需的酶類、參與電子傳遞的載體、以及將電子傳遞與質(zhì)子泵和ATP合成偶聯(lián)的蛋白都定位在類囊體膜上。圖8-8 基粒和基質(zhì)類囊體立體結(jié)構(gòu)(a) 切開的葉

13、綠體模式圖; (b) 兩種類型的類囊體模式圖由類囊體膜封閉的區(qū)室稱為類囊體腔(thylakoid lumen),類囊體腔與葉綠體基質(zhì)是分隔的,它在電化學(xué)梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。在光反應(yīng)過(guò)程中,由光驅(qū)動(dòng)的電子傳遞釋放出的能量將氫質(zhì)子泵進(jìn)類囊體腔從而建立氫質(zhì)子梯度。  類囊體膜的化學(xué)組成 類囊體膜脂 主要是含半乳糖的一些糖脂和具有光吸收功能的脂類色素,而磷脂只占5%20%(線粒體中為90%, 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中為80%)。葉綠體膜脂中的脂肪酸主要是不飽和的亞麻酸, 約占87%, 因此,類囊體膜的脂雙層流動(dòng)性特別大。 類囊體膜膜蛋白類囊體膜上的蛋白質(zhì)與脂的比值很高(表8-1)。類囊體的

14、蛋白分為內(nèi)在蛋白和外周蛋白兩類。外周蛋白在類囊體膜的向葉綠體基質(zhì)面的較多。內(nèi)在蛋白鑲嵌在脂雙層中, 如質(zhì)體蘭素、細(xì)胞色素等。  葉綠體基質(zhì)(stroma)葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間的區(qū)室，稱為葉綠體基質(zhì)?；|(zhì)中含有大量的可溶性蛋白, 其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白總量的60%。此外,基質(zhì)中還含有CO2固定反應(yīng)的所有酶類。葉綠體基質(zhì)中還有核糖體、DNA和RNA等。葉綠體的DNA大約編碼100種多肽,涉及葉綠體DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、遺傳信息的翻譯。基質(zhì)是光合作用固定CO2的場(chǎng)所。8.2.3 葉綠體蛋白的定位構(gòu)成葉綠體的蛋白質(zhì),大約有90%是由核基因編碼的,10%是葉綠體DNA編碼的。所有葉綠體

15、DNA編碼的蛋白質(zhì)都是在葉綠體基質(zhì)中合成后再運(yùn)送到目的地。而核基因編碼的蛋白質(zhì)則是在細(xì)胞質(zhì)中合成后,通過(guò)與線粒體蛋白類似的轉(zhuǎn)運(yùn)方式運(yùn)入葉綠體。  葉綠體基質(zhì)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn) Rubisc的分子組成核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行CO2固定的重要酶類，總共有16個(gè)亞基,其中8個(gè)大亞基含有催化位點(diǎn),8個(gè)小亞基是全酶活性所必需的。Rubisco的小亞基由核基因編碼,在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后被運(yùn)送到葉綠體基質(zhì)中。 Rubisc的信號(hào)肽結(jié)構(gòu)小亞基前體蛋白的N-端有一段引導(dǎo)肽序列,長(zhǎng)為44

16、個(gè)氨基酸殘基,作為定位運(yùn)輸?shù)男盘?hào); Rubisc小亞基蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)受體在Rubisco小亞基蛋白運(yùn)輸中, 與通道形成和打開有關(guān)的受體蛋白有三種:Toc86主要是識(shí)別信號(hào)序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是調(diào)節(jié)蛋白, 與GTP結(jié)合后可改變Toc75的構(gòu)型使通道打開(圖8-9)。 Rubisc小亞基蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的能量與線粒體基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)不同的是, 葉綠體基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的能量?jī)H僅是ATP, 不需要電化學(xué)梯度的驅(qū)動(dòng)。圖8-9 Rubisco小亞基蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)及全酶裝配舉例說(shuō)明葉綠體基質(zhì)蛋白定位的機(jī)理與特點(diǎn)。(舉例說(shuō)明葉綠體基質(zhì)蛋白定位的機(jī)理與特點(diǎn)（答案） 答: 核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(ribulose

17、-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行CO2固定的重要酶類，相對(duì)分子質(zhì)量為550 kDa，總共有16個(gè)亞基,其中8個(gè)大亞基(每個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為55kDa)含有催化位點(diǎn),8個(gè)小亞基(每個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量12 kDa)是全酶活性所必需的。Rubisco的大亞基由葉綠體基因編碼,而小亞基則由核基因編碼,在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后被運(yùn)送到葉綠體基質(zhì)中。通過(guò)離體實(shí)驗(yàn)表明,小亞基前體蛋白的N-端有一段引導(dǎo)肽序列,長(zhǎng)為44個(gè)氨基酸殘基,運(yùn)輸過(guò)程也需要分子伴侶Hsc70的參與,運(yùn)輸?shù)饺~綠體基質(zhì)后,引導(dǎo)肽要被切除,最后8個(gè)小亞基與葉綠體基因編碼的8個(gè)大亞

18、基結(jié)合形成全酶。在Rubisco小亞基蛋白運(yùn)輸中, 與通道形成和打開有關(guān)的受體蛋白有三種:Toc86主要是識(shí)別信號(hào)序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是調(diào)節(jié)蛋白, 與GTP結(jié)合后可改變Toc75的構(gòu)型使通道打開。與線粒體基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)不同的是, 葉綠體基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的能量?jī)H僅是ATP, 不需要電化學(xué)梯度的驅(qū)動(dòng)。)  類囊體蛋白的定位定位于類囊體膜或腔的蛋白質(zhì)除了要有葉綠體基質(zhì)引導(dǎo)序列外,還須有插入類囊體膜或跨過(guò)類囊體膜的引導(dǎo)序列。類囊體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)需要兩個(gè)導(dǎo)肽, 進(jìn)入葉綠體基質(zhì)后切除一個(gè), 另一個(gè)引導(dǎo)肽進(jìn)入類囊體。已知有四種轉(zhuǎn)運(yùn)方式, 圖8-10 給出了兩種,其中質(zhì)體藍(lán)素(plast

19、ocyanin,PC)一直保持非折疊狀態(tài), 直到進(jìn)入類囊體腔。而金屬結(jié)合蛋白(metal-binding protein)進(jìn)入葉綠體基質(zhì)后要進(jìn)行折疊, 然后以折疊的方式進(jìn)入類囊體腔。圖8-10 質(zhì)體藍(lán)素和金屬結(jié)合蛋白在類囊體腔中的定位過(guò)程8.2.4 葉綠體組分的分離為了更好地研究和了解葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能，分離葉綠體的各個(gè)結(jié)構(gòu)組分是必要的。已經(jīng)發(fā)展了幾種方法從植物細(xì)胞中分離葉綠體及其各部分結(jié)構(gòu)。請(qǐng)你設(shè)計(jì)一種方法分離葉綠體的各個(gè)組分(被膜、類囊體、基質(zhì)), 并簡(jiǎn)要說(shuō)明原理？(請(qǐng)你設(shè)計(jì)一種方法分離葉綠體的各個(gè)組分(被膜、類囊體、基質(zhì)), 并簡(jiǎn)要說(shuō)明原理?（答案） 答: 葉綠體組份的分離首先要考慮用何

20、種方法破碎細(xì)胞壁。有些分離方法使用了劇烈的勻漿技術(shù)，例如通過(guò)研磨破壞細(xì)胞壁讓葉綠體釋放到溶液中，然后通過(guò)差速離心分離葉綠體。也可用纖維素酶或果膠酶水解細(xì)胞壁獲得原生質(zhì)體，再用溫和的方法破壞細(xì)胞質(zhì)膜，然后通過(guò)離心分離葉綠體。用劇烈方法分離的葉綠體能夠在光誘導(dǎo)下產(chǎn)生氧、ATP、NADPH、但是不能固定CO2。在電子顯微鏡下觀察這種有缺陷的葉綠體，發(fā)現(xiàn)它含有很少或者根本沒有葉綠體基質(zhì)，并且葉綠體外被是破損的或者沒有外被,將這種葉綠體稱為型葉綠體。相比之下，用溫和方法分離的葉綠體具有完整的被膜，將它稱為類葉綠體，它能夠完成整個(gè)光合作用，包括CO2的固定。 可以用型或型葉綠體作為分離葉綠體各組分的出發(fā)材

21、料，常用型葉綠體分離葉綠體的亞組分。將葉綠體懸浮在低滲溶液中，破裂外被，接著用等密度離心分離葉綠體基質(zhì)、外被、類囊體。如果用型葉綠體作為分離葉綠體亞組分的出發(fā)材料，需要弗氏細(xì)胞壓碎器(French pressure cell), 分離到組成葉綠體的亞組分之后，便可對(duì)這些組分化學(xué)組成和功能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)流程見圖8E-1。圖8E-1 葉綠體各組分的分離用溫和勻漿技術(shù)分離型葉綠體,這種類型的葉綠體保留完整的被膜。然后在低滲條件下破壞葉綠體,使葉綠體的膜、葉綠體基質(zhì)、類囊體相互分開。)  8.3 光合作用的光反應(yīng)葉綠體的主要功能是進(jìn)行光合作用(photosynthesis),它是綠

22、色植物利用體內(nèi)的葉綠素吸收光能，然后固定CO2，并與H2O同化成有機(jī)物,同時(shí)釋放出氧的反應(yīng)過(guò)程。 8.3.1 光合作用概述18世紀(jì)末就已經(jīng)知道光合作用能夠?qū)⑺虲O2轉(zhuǎn)變成有機(jī)物和氧，并很快確定了光合作用的反應(yīng)式6CO2 + 6H2O+ 光 C6H12O6 + 6O2 + 化學(xué)能(674000千卡)。早在1905年，F(xiàn).Blackman就提出光合作用可分為兩個(gè)不同的階段，即光反應(yīng)(light reaction)和暗反應(yīng)(dark reaction)。光反應(yīng)是對(duì)光的吸收，并產(chǎn)生氧。暗反應(yīng)涉及到CO2的固定(圖8-11)。圖8-11 光反應(yīng)與暗反應(yīng)間的關(guān)系光合作用利用光能和動(dòng)物釋放的廢氣

23、CO2合成糖作為其他反應(yīng)的能源和結(jié)構(gòu)分子, 光合作用釋放的O2則是好氧生物生存的基本條件。據(jù)估計(jì),地球上的植物每年將600×1012公斤的CO2轉(zhuǎn)變成糖, 同時(shí)釋放400×1012公斤的O2。8.3.2 光吸收(light absorption) 概念光吸收又稱原初反應(yīng), 指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的過(guò)程，包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換。即光能被聚光色素分子吸收, 并傳遞至作用中心, 在作用中心發(fā)生最初的光化學(xué)反應(yīng), 使電荷分離從而將光能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。 光子(photon)光吸收就是固定光子, 光子是光線中攜帶能量的粒子。一個(gè)光子能量的多少與波長(zhǎng)相關(guān),

24、 波長(zhǎng)越短, 能量越高。 基態(tài)(ground state)與激發(fā)態(tài)(exited state)當(dāng)一個(gè)光子被分子吸收時(shí),就有一個(gè)電子獲得足夠的能量并從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的,推測(cè)只能維持10-9秒。這樣,由于環(huán)境的不同,激發(fā)的電子會(huì)有幾種不同的結(jié)果。以葉綠素為例,如果激發(fā)態(tài)的葉綠素分子的電子又回到低能軌道,它就必須釋放所吸收的能量。如果能量是以熱或光(熒光)的形式被釋放,葉綠素分子就會(huì)恢復(fù)到原始的基態(tài),那么吸收光子的能量就沒有被利用。實(shí)際上,葉綠素分子由激發(fā)態(tài)變?yōu)榛鶓B(tài)時(shí),它的高能電子并沒有回落到低能軌道,而是在葉綠素分子回落到基態(tài)之前被

25、傳遞給了受體,時(shí)間約為10-12秒。這實(shí)際上將吸收的光子的光能轉(zhuǎn)變成了電能。  光合作用色素色素(pigments)是含有特定化學(xué)基團(tuán)的分子,這些化學(xué)基團(tuán)能夠吸收可見光譜中特定波長(zhǎng)的光，能夠吸收光的色素稱為捕光色素(light-harvesting pigment)或光吸收色素(light-absorbing pigment),此類色素位于類囊體的膜上，只具有吸收聚集光能的作用, 而無(wú)光化學(xué)活性, 故此又稱為天線色素。 葉綠素(chlorophylls)植物中進(jìn)行光合作用的主要色素是葉綠素(圖8-12a),它是一類含脂的色素家族，位于類囊體膜，并且賦予植物的綠色。葉綠素吸收的光主要是

26、藍(lán)色和紅色而不是綠色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。 類胡蘿卜素(carotenoids)類胡蘿卜素(圖6-12b) 也是一個(gè)含脂的分子家族, 類胡蘿卜素吸收紫色和藍(lán)色光(400500nm), 它可幫助葉綠素提高對(duì)光吸收的效應(yīng)。 藻膽素(phycobillins)藻膽素(圖8-12c),存在于紅藻和藍(lán)細(xì)菌中。圖8-12 葉綠素、類胡蘿卜素和膽紅素的結(jié)構(gòu)類胡蘿卜素和藻膽素吸收了一些葉綠素不能吸收的雜色光, 起了過(guò)濾作用(圖8-13), 同時(shí), 這些色素吸收的光能也能轉(zhuǎn)移給葉綠素, 從而幫助葉綠素提高了光吸收效應(yīng)。圖8-13 光合作用的作用光譜圖中的作用光譜是指不同波長(zhǎng)光對(duì)植物葉光合作用的影

27、響;吸收光譜是三種色素聯(lián)合起來(lái)的吸收光譜,三種不同色素的吸收光譜用不同的線表示。  光合作用單位和反應(yīng)中心 葉綠素必須組成功能單位才能吸收足夠的光能用于固定CO2實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉綠體在光合作用中，每固定一個(gè)CO2分子(或者說(shuō)每釋放一分子O2)需要2500個(gè)葉綠素分子，也就是說(shuō)2500個(gè)分子的葉綠素吸收的光能才能用于一分子CO2的固定，后來(lái)發(fā)現(xiàn)每固定一分子CO2，需要消耗8個(gè)光子，由此推算固定一個(gè)光子大約需要300個(gè)分子的葉綠素(2500÷8300)，為什么說(shuō)在進(jìn)行光合作用時(shí)，葉綠素分子必須組成功能單位?( 為什么說(shuō)在進(jìn)行光合作用時(shí), 葉綠素分子必須組成功能單位?（答案） 答: 因

28、為在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)每固定一個(gè)CO2分子(或者說(shuō)每釋放一分子O2)需要2500個(gè)葉綠素分子，也就是說(shuō)2500個(gè)分子的葉綠素吸收的光能才能用于一分子CO2的固定，后來(lái)發(fā)現(xiàn)每固定一分子CO2，需要消耗8個(gè)光子，由此推算固定一個(gè)光子大約需要300個(gè)分子的葉綠素(2500÷8300)，由此看來(lái)，葉綠素分子單槍匹馬是不行的,必須由幾百個(gè)葉綠素分子組成的功能單位才能進(jìn)行光子的固定和進(jìn)行光能的吸收。) 光系統(tǒng)(photosystem)進(jìn)行光吸收的功能單位稱為光系統(tǒng), 是由葉綠素、類胡蘿卜素、脂和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物。每一個(gè)光系統(tǒng)含有兩個(gè)主要成分捕光復(fù)合物(light -harvesting complex

29、)和光反應(yīng)中心復(fù)合物(reaction-center complex)。光系統(tǒng)中的光吸收色素的功能像是一種天線，將捕獲的光能傳遞給中心的一對(duì)葉綠素a,由葉綠素a激發(fā)一個(gè)電子，并進(jìn)入光合作用的電子傳遞鏈。 捕光復(fù)合物典型的捕光復(fù)合物是由幾百個(gè)葉綠素分子、數(shù)量不等但都與蛋白質(zhì)連接在一起的類胡蘿卜素分子所組成。當(dāng)一個(gè)光子被捕光復(fù)合物中的一個(gè)葉綠素或類胡蘿卜素分子吸收時(shí), 就有一個(gè)電子被激活，激發(fā)狀態(tài)從一個(gè)色素向另一個(gè)色素傳遞,直到傳遞給反應(yīng)中心：一對(duì)特別的葉綠素a (圖8-14)。捕光復(fù)合物中色素激發(fā)狀態(tài)的傳遞,實(shí)際是光能的傳遞,這種能稱為共振能(resonance energy) 。 光反應(yīng)中心復(fù)

30、合物反應(yīng)中心復(fù)合物是由幾種與葉綠素a相關(guān)的多肽，以及一些與脂相連的蛋白質(zhì)所構(gòu)成，它們的作用是作為電子供體和受體。圖8-14 天線色素和反應(yīng)中心葉綠素間的關(guān)系  光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)變光的吸收和光能的傳遞是由光系統(tǒng)完成的, 整個(gè)過(guò)程如圖8-15所示。圖8-15 光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)變(a)反應(yīng)中心的起始過(guò)程。一對(duì)特別的葉綠素分子緊緊地與色素-蛋白復(fù)合物結(jié)合在一起, 左右兩側(cè)分別是低電動(dòng)勢(shì)和高電動(dòng)勢(shì)的供體和受體。一旦葉綠素中的電子被光能激發(fā),就能傳遞到電子受體,并作為高能電子被穩(wěn)定下來(lái)。帶正電荷的葉綠素分子很快從供體中獲取一個(gè)低能電子,從而回復(fù)到靜息狀態(tài)。整個(gè)反應(yīng)不到10-6秒。(

31、b)從低能電子到形成高能電子過(guò)程。在此過(guò)程中使整個(gè)反應(yīng)中心回復(fù)到靜息狀態(tài),其中需從水中獲得低能電子并使之成為類囊體膜中的高能電子。8.3.3 電子傳遞電子傳遞是光反應(yīng)的第二步。通過(guò)電子傳遞,將光吸收產(chǎn)生的高能電子的自由能貯備起來(lái), 同時(shí)使光反應(yīng)中心的葉綠素分子獲得低能電子以補(bǔ)充失去的電子, 回復(fù)靜息狀態(tài)。在電子傳遞過(guò)程中, 涉及水的光解、還涉及兩對(duì)偶聯(lián)氧還對(duì): O2-H2O、NADP+-NADPH。其中H2O作為原初電子供體, NADP+作為最終電子受體。水被光解釋放電子的同時(shí)還釋放O2和H+,因此伴隨電子傳遞的同時(shí)也會(huì)建立H+質(zhì)子電化學(xué)梯度,以供ATP的合成。  電子載體和電子傳遞

32、復(fù)合物光合作用的電子傳遞是通過(guò)光合作用電子傳遞鏈(photosynthetic electron transfer chain)傳遞的。該傳遞鏈?zhǔn)怯梢幌盗械碾娮虞d體構(gòu)成的，同線粒體呼吸鏈中電子載體的作用基本相似。光合作用的電子傳遞鏈與氧化磷酸化作用的電子傳遞鏈有什么異同? 電子載體象線粒體的呼吸鏈一樣，光合作用的電子傳遞鏈中的電子載體也是細(xì)胞色素、鐵氧還蛋白、黃素蛋白和醌等。細(xì)胞色素 植物細(xì)胞有幾個(gè)特殊的細(xì)胞色素參與光合作用的電子傳遞。其中主要的兩種: 細(xì)胞色素b6和細(xì)胞色素f的吸收波長(zhǎng)都已非常清楚，一個(gè)是563nm，另一個(gè)為553nm。細(xì)胞色素f是細(xì)胞色素c的一種, 中等電位型；細(xì)胞色素b6

33、是下等電位型。鐵氧還蛋白 鐵氧還蛋白(ferredoxin)含有一個(gè)氧化-還原的位點(diǎn)，該位點(diǎn)有兩個(gè)同硫結(jié)合的鐵原子。如同其它的鐵硫蛋白，鐵氧還蛋白也是通過(guò)Fe3+ Fe2+的循環(huán)傳遞電子。在氧化狀態(tài),對(duì)波長(zhǎng)在420nm和463nm的光有較強(qiáng)的吸收作用, 能夠增強(qiáng)NADP+的還原能力。NADP+還原酶(NADP+ reductase) NADP+還原酶是參與光合作用電子傳遞的主要黃素蛋白，這是一種含有FAD的酶，催化電子從鐵氧還蛋白傳遞給NADP+。質(zhì)體藍(lán)素(plastocyanin, PC) 一種含銅的蛋白質(zhì), 氧化型呈藍(lán)色, 吸收光譜為600nm。在還原狀態(tài)時(shí)藍(lán)色消失；傳遞電子時(shí)靠Cu2+

34、Cu+ 的狀態(tài)循環(huán)。質(zhì)體醌(plastoquinone, PQ): 質(zhì)子和電子載體,同線粒體的電子傳遞鏈的泛醌一樣，也是通過(guò)醌和醌醇循環(huán)來(lái)傳遞電子和氫質(zhì)子,不過(guò)質(zhì)體醌與泛醌的結(jié)構(gòu)是不同的(圖8-16)。NADP+ 是光合作用中的最后一個(gè)電子受體，是NAD+的衍生物。NADP+接受兩個(gè)電子成為還原型的NADPH。圖8-16 質(zhì)體醌的氧化和還原狀態(tài) 電子傳遞復(fù)合物在光合作用的電子傳遞鏈上有三種復(fù)合物,其中兩種是光系統(tǒng)(光系統(tǒng)和光系統(tǒng))的組成部分, 另一種是細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物。細(xì)胞色素b/f復(fù)合物(cytochrome b6-f complex)是類囊體膜上可分離出來(lái)的復(fù)合物, 由四個(gè)多肽組成:

35、 即細(xì)胞色素f、細(xì)胞色素b6、一個(gè)鐵硫蛋白和一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為17kDa的多肽。前三個(gè)都是電子載體。細(xì)胞色素f也是c型的細(xì)胞色素,與線粒體的細(xì)胞色素c1關(guān)系密切。該復(fù)合物位于基質(zhì)面, 功能是參與電子傳遞。  光系統(tǒng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)及功能光系統(tǒng)(photosystem complex, PScomplex)是類囊體膜中的一種光合作用單位,它含有兩個(gè)捕光復(fù)合物和一個(gè)光反應(yīng)中心。構(gòu)成PS的捕光復(fù)合物稱為L(zhǎng)HC, 而將PS的光反應(yīng)中心色素稱為P680, 這是由于PS反應(yīng)中心色素(pigment,P)吸收波長(zhǎng)為680nm的光。PS的功能是利用從光中吸收的能量將水裂解,并將其釋放的電子傳遞給質(zhì)體醌,

36、同時(shí)通過(guò)對(duì)水的氧化和PQB2-的還原在類囊體膜兩側(cè)建立H+質(zhì)子梯度(圖8-17)。圖8-17 光系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)PS是怎樣進(jìn)行光能吸收、轉(zhuǎn)換和電子傳遞的?( PS是怎樣進(jìn)行光能吸收、轉(zhuǎn)換和電子傳遞的?（答案） 答: 光系統(tǒng)含有兩個(gè)捕光復(fù)合物和一個(gè)光反應(yīng)中心。首先LHC中的天線色素吸收光,然后將光能從LHC傳遞給反應(yīng)中心葉綠素P680,P680 是一個(gè)二聚體。P680吸收了光能激發(fā)了一個(gè)電子,并傳遞給PS的原初電子受體脫鎂葉綠素(Pheo),然后將電子傳遞給質(zhì)體醌PQA.再傳遞給PQB,形成負(fù)電的游離PQB·- 。當(dāng)以同樣的方式吸收第二個(gè)光子并傳遞第二個(gè)電子到達(dá)PQB·-后,將

37、PQB·- 轉(zhuǎn)變成PQB2-,從葉綠體基質(zhì)中攝取兩個(gè)氫質(zhì)子后,產(chǎn)生了PQH2,并被釋放到膜的脂雙層中,留下的空缺被新的PQB取代。在電子被傳遞時(shí),來(lái)自水的電子經(jīng)Tyrz傳遞到反應(yīng)中心色素(步驟B和A)。總的看來(lái),PS催化電子從水傳遞給質(zhì)體醌,并且建立了氫質(zhì)子梯度,這是因?yàn)樗趸尫诺臍滟|(zhì)子進(jìn)入類囊體腔,使類囊體腔中氫質(zhì)子濃度升高,同時(shí)又從基質(zhì)中攝取H+將PQB2-還原,降低了葉綠體基質(zhì)中氫質(zhì)子的濃度,從而建立了類囊體膜兩側(cè)的H+質(zhì)子梯度。)  水裂解反應(yīng)與電子向PS的傳遞 水裂解反應(yīng)(water-splitting reaction) 在實(shí)驗(yàn)條件下裂解水需要極強(qiáng)的電流或近乎

38、2000的高溫,而植物細(xì)胞對(duì)水的裂解僅僅是利用可見光的能量。PS在光反應(yīng)中, 反應(yīng)中心色素被氧化成P680+, 這是一個(gè)很好的氧化劑, 它的氧還電位為+1.1V, 足以將水裂解 (水的氧還電位是+0.82V)。水裂解反應(yīng)(water-splitting reaction)中, 每裂解兩分子的H2O, 釋放4個(gè)電子、1分子O2和4個(gè)H+ 質(zhì)子: 2H2O O2 + 4H+ + 4e- , 這一反應(yīng)又稱為水的光解作用(photolysis)。 水裂解釋放的電子傳遞值得注意的是水的光解釋放出了4個(gè)電子，而P680+一次只能接受一個(gè)電子，如何解釋這種現(xiàn)象? 可能的機(jī)制是(圖8-18): 圖8-18 M

39、n的電子傳遞與水的光解。S表示Mn集團(tuán)的正電荷數(shù)水光解中釋放的四個(gè)電子是如何被傳遞的?( 水光解中釋放的四個(gè)電子是如何被傳遞的?（答案） 答: 是由含錳的蛋白復(fù)合物介導(dǎo)的。該復(fù)合物中四個(gè)錳離子與PS的D1蛋白緊密地靠在一起,每個(gè)錳離子可以傳遞一個(gè)電子。四個(gè)錳離子可以連續(xù)四次,每次傳遞一個(gè),共傳遞四個(gè)電子給鄰近的P680+,使Mn帶上正電荷。Mn傳遞的電子經(jīng)過(guò)帶正電荷的酪氨酸(Tyr+z)才能傳給P680+, Tyrz也可寫成TyrZ,它是反應(yīng)中心的一種含酪氨酸殘基的蛋白。Mn集團(tuán)每傳遞一個(gè)電子給P680+,使其成為還原型的P680后,PS又可吸收一個(gè)光子, P680 又被氧化成P680+,以此

40、反復(fù),直到四個(gè)Mn都釋放了電子成為氧化型之后, PS的氧釋放復(fù)合物(oxygen-release complex) 才能從2分子水中移去四個(gè)電子,形成一分子氧,并使Mn回復(fù)到原始狀態(tài)(S0 state)。從水光解釋放的電子傳遞給PS的P680,再?gòu)腜680傳遞給QB的路線綜合如下:H2OMnP680脫鎂葉綠素(Pheo)QAQB。)  光系統(tǒng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)及電子傳遞光系統(tǒng)復(fù)合物(photosystem complex, PScomplex)含有一個(gè)捕光復(fù)合物和一個(gè)光反應(yīng)中心。構(gòu)成PS的捕光復(fù)合物稱為L(zhǎng)CH, 而將PS的光反應(yīng)中心色素稱為P700, 這是由于PS反應(yīng)中心色素吸收波長(zhǎng)為70

41、0 nm的光。PS的功能是將電子從質(zhì)體藍(lán)素傳遞給鐵氧還蛋白(ferredoxin), 一種與類囊體膜表面松散結(jié)合的小分子蛋白。電子從質(zhì)體藍(lán)素傳遞給鐵氧還蛋白在熱力學(xué)上是不利的,需要光能去驅(qū)動(dòng)(圖8-19)。圖8-19 光系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)PS是怎樣進(jìn)行電子傳遞的?( PS是怎樣進(jìn)行電子傳遞的?（答案） 答: PS的LCH吸收一個(gè)光子,然后將吸收的光能傳遞給反應(yīng)中心的一對(duì)特別的葉綠素P700,使其中一個(gè)成為激發(fā)態(tài)從而釋放一個(gè)電子,釋放的電子經(jīng)一系列與蛋白結(jié)合的電子載體:A0、A1、FeSx、FeSA、FeSB傳遞給鐵氧還蛋白。其中A0是一種葉綠素a, A1是一種醌,稱為葉綠醌(或維生素K1)。而Fe

42、Sx、FeSA、FeSB都是鐵-硫中心,可分別簡(jiǎn)稱寫成FX、FA、FB 在PS的電子傳遞中,P700釋放的電子被傳遞給鐵氧還蛋白,同時(shí)從質(zhì)體藍(lán)素中接收一個(gè)低能電子得以補(bǔ)充。PS參與的電子傳遞路線是:質(zhì)體藍(lán)素(Cu2+)P700:A0A1FeSxFeSAFeSB 鐵氧還蛋白)  電子從PS向PS傳遞上面討論了電子從水傳遞到PQH2,以及從PC傳遞給鐵氧還蛋白,那么電子是如何從PS傳遞到PS的呢?PQH2是一種脂溶性的分子, 在脂雙層中通過(guò)擴(kuò)散, 將PQH2中的電子傳遞給細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物,同時(shí)將氫質(zhì)子釋放到類囊體的腔,由于PQH2的氫質(zhì)子來(lái)源于葉綠體基質(zhì),所以這一過(guò)程實(shí)際上是將H+

43、進(jìn)行了跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),有利于質(zhì)子梯度的建立。細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物接受電子后,經(jīng)Cyt b6FeSCyt f,再傳遞給另一個(gè)可動(dòng)的水溶性的電子載體質(zhì)體藍(lán)素, 這是一種含銅的蛋白,位于類囊體膜的腔面,然后再傳遞給PS的P700+(圖8-20)。圖8-20 電子在PS與PSI之間的傳遞  電子傳遞的兩種途徑:非循環(huán)式與循環(huán)式由于在光合作用的電子傳遞鏈中有兩個(gè)光系統(tǒng)，它們都能吸收光能進(jìn)行光反應(yīng)，所以會(huì)形成兩個(gè)高峰(hill),通常用Z形圖來(lái)表示電子傳遞過(guò)程。根據(jù)電子的最后去向,分為兩種方式:非循環(huán)式電子傳遞途徑(noncyclic electron transfer pathway)和循環(huán)式電子

44、傳遞途徑(cyclic electron transfer pathway)。 非循環(huán)式電子傳遞 在這種方式中,電子從水開始,經(jīng)PS、質(zhì)體Q、PC、復(fù)合物b6/f、PS、Fd,最后傳遞給NADP+(圖6-21), 這種方式又稱為線性電子流, 或Z型路線。可以將線性電子流分為四個(gè)階段:電子從PS的P680傳遞給PQ,生成PQH2；水光解釋放的電子經(jīng)Mn傳遞給PS的P680+；電子從PQH2經(jīng)復(fù)合物b6/f傳遞給質(zhì)體藍(lán)素(PC),即電子從PS傳遞給PS；電子經(jīng)P700+傳遞給鐵氧還蛋白(Fd),最后在鐵氧還蛋白-NADP+還原酶的作用下，電子被NADP+接收。圖8-21 光合作用中線性電子傳遞Z形

45、圖在非循環(huán)式電子傳遞途徑中,電子的最終受體是NADP+, 有兩個(gè)原初受體Pheo和A0。電子供體是來(lái)自光解的水。什么是非循環(huán)式電子傳遞?可分為幾個(gè)階段?( 什么是非循環(huán)式電子傳遞?可分為幾個(gè)階段?（答案） 答: 在這種方式中,電子從水開始,經(jīng)PS、質(zhì)體Q、PC、復(fù)合物b6/f、PS、Fd,最后傳遞給NADP+, 這種方式又稱為線性電子流, 或Z型路線?？梢詫⒕€性電子流分為四個(gè)階段:電子從PS的P680傳遞給PQ,生成PQH2；水光解釋放的電子經(jīng)Mn傳遞給PS的P680+；電子從PQH2經(jīng)復(fù)合物b6/f傳遞給質(zhì)體藍(lán)素(PC),即電子從PS傳遞給PS；電子經(jīng)P700+傳遞給鐵氧還蛋白(Fd),最后

46、在鐵氧還蛋白-NADP+還原酶的作用下,電子被NADP+接收。) 循環(huán)式電子傳遞途徑在循環(huán)式電子傳遞途徑中,被傳遞的電子經(jīng)PS傳遞給Fd之后,不是進(jìn)一步傳遞給NADP+,而是重新傳遞給細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物,再經(jīng)PC又回到PS,形成了閉路循環(huán)(圖8-22)。圖8-22 循環(huán)式電子流電子傳遞到Fd之后,又重新傳遞給Cys b6/f,再經(jīng)PC傳遞給PS的P700+,形成回路。什么是非循環(huán)式電子傳遞? 對(duì)光合作用有什么意義?( 什么是循環(huán)式電子傳遞? 對(duì)光合作用有什么意義?（答案） 答: 在循環(huán)式電子傳遞途徑中,被傳遞的電子經(jīng)PS傳遞給Fd之后,不是進(jìn)一步傳遞給NADP+,而是重新傳遞給細(xì)胞色素b6

47、/f復(fù)合物,再經(jīng)PC又回到PS,形成了閉路循環(huán)。造成循環(huán)式電子流的主要原因是NADP+的濃度不足,或者說(shuō)NADPH的濃度過(guò)高,所以Fd只能將電子傳回給Cyt b6/f。這種電子流對(duì)光合作用具有重要的調(diào)節(jié)作用,主要是調(diào)節(jié)光反應(yīng)中合成的ATP與還原的NADPH的比值,因?yàn)樵诎捣磻?yīng)中,固定CO2時(shí)既需要ATP也需要NADPH,二者間應(yīng)有一個(gè)合適的比例,保持平衡。)8.3.4 光合磷酸化(photophosphorylation)在光合作用的光反應(yīng)中,除了將一部分光能轉(zhuǎn)移到NADPH中暫時(shí)儲(chǔ)存外,還要利用另外一部分光能合成ATP,將光合作用與ADP的磷酸化偶聯(lián)起來(lái),這就是光合磷酸化。光合磷酸化同樣需要

48、建立電化學(xué)質(zhì)子梯度、ATP合酶,其機(jī)理也可用化學(xué)滲透假說(shuō)來(lái)解釋。  電子傳遞與H+質(zhì)子電化學(xué)梯度的建立在葉綠體進(jìn)行的光反應(yīng)中,類囊體的膜在進(jìn)行電子傳遞的同時(shí),會(huì)在類囊體膜兩側(cè)建立H+質(zhì)子梯度。類囊體膜兩側(cè)H+質(zhì)子梯度的建立,主要有三種因素:首先是水的光解,釋放4個(gè)H+；Cyt b6/f復(fù)合物具有質(zhì)子泵的作用,當(dāng)P680將電子傳遞給PQ時(shí),則要從基質(zhì)中攝取四個(gè)H+,并全被泵入類囊體的腔；當(dāng)電子最后傳遞給NADP+時(shí),需從基質(zhì)中攝取兩個(gè)H+質(zhì)子將NADP+還原成NADPH,這樣又降低了基質(zhì)中的H+質(zhì)子的濃度(圖8-23)。圖8-23 類囊體膜進(jìn)行的電子傳遞與H+梯度的建立  C

49、F0-CF1 ATP合酶 結(jié)構(gòu)組成和功能光合磷酸化的能量轉(zhuǎn)換單位是ATP酶復(fù)合體(CF1-CF0 -ATPase complex),或稱ATP合酶,位于基粒和基質(zhì)類囊體膜上，朝向葉綠體基質(zhì)(圖8-24)，簡(jiǎn)稱CF1顆粒,C代表葉綠體,以便與線粒體ATP合酶相區(qū)別。同線粒體的F1顆粒一樣, CF1顆粒也是由兩部分組成, 即頭部(CF1)和膜部(CF0)。CF1有五種亞基: 、, 相對(duì)分子質(zhì)量分別是59、56、37、17、13kDa.在、亞基上有ATP、ADP結(jié)合和催化位點(diǎn)。亞基與CF0結(jié)合。亞基控制質(zhì)子流動(dòng)。CF0 至少有四種亞基，分別稱為、。CF1, CF0 要提供H+質(zhì)子通道。ATP合酶的激

50、活與線粒體的不同,需要-SH化合物,同時(shí)還要Mg2+。另外, F1ATP合酶只要通過(guò)兩個(gè)H+就可以合成一個(gè)ATP,而CF1需要通過(guò)三個(gè)H+才能合成一分子ATP。圖8-24 基粒和基質(zhì)類囊體膜中CF1ATP合酶及其它復(fù)合物的分布 CF1-CF0功能的離體鑒定通過(guò)對(duì)分離的類囊體的研究, 證明了CF1顆粒就是ATP合酶,是偶聯(lián)光合磷酸化的裝置。另外,通過(guò)體外實(shí)驗(yàn), 還證明了CF1ATP合酶在類囊體膜中合成ATP時(shí),除了需要ADP和Pi,還需要pH梯度。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明類囊體的CF1顆粒能夠在pH梯度驅(qū)動(dòng)下合成ATP。(請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明類囊體的CF1顆粒能夠在pH梯度驅(qū)動(dòng)下合成ATP（答案） 播放

51、動(dòng)畫 答: 首先用溫和法分離純化含有CF1CF0的類囊體小泡, 將分離的類囊體置于pH7.5 的溶液中平衡后,再于暗處置于pH4.0的溶液中,使類囊體小泡膜內(nèi)外的pH平衡(pH達(dá)到4,0),最后將類囊體小泡置于含有ADP和Pi的溶液中,測(cè)定ATP的合成,及H+質(zhì)子從類囊體小泡中輸出。流程如圖8E-2。圖8E-2 CF1利用人工pH梯度合成ATP)  電子傳遞與光合磷酸化由于伴隨電子傳遞在類囊體膜兩側(cè)建立了pH梯度(H+質(zhì)子梯度),同時(shí)在類囊體膜中有ATP合成裝置,這樣,H+質(zhì)子電化學(xué)梯度有了將自由能轉(zhuǎn)變成ATP,即光合磷酸化的基本條件。 非循環(huán)式光合磷酸化(non-cyclic ph

52、otophosphorylation) 在線性電子傳遞中,光驅(qū)動(dòng)的電子經(jīng)兩個(gè)光系統(tǒng)最后傳遞給NADP+,并在電子傳遞過(guò)程中建立H+質(zhì)子梯度,驅(qū)使ADP磷酸化產(chǎn)生ATP。非循環(huán)式電子傳遞和光合磷酸化的最終產(chǎn)物有ATP、NADPH、分子氧(圖8-25)。圖8-25 電子傳遞與光合磷酸化(非循環(huán)式) 循環(huán)式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation) 在循環(huán)式電子傳遞中,光驅(qū)動(dòng)的電子從PS傳遞給鐵氧化還原蛋白后不是進(jìn)一步傳遞給NADP+，而是傳遞給細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物，再經(jīng)由質(zhì)體藍(lán)素(PC)而流回到PS（圖8-22）。在此過(guò)程中, 電子循環(huán)流動(dòng),同樣促進(jìn)質(zhì)子梯度的建立,并與

53、磷酸化相偶聯(lián),產(chǎn)生ATP,故稱為循環(huán)式光合磷酸化。圖8-26是典型的紫細(xì)菌的循環(huán)式光合磷酸化。圖8-26 紫細(xì)菌中的循環(huán)式光合磷酸化, 細(xì)菌中每通過(guò)4個(gè)H+合成一分子ATP什么是循環(huán)式光合磷酸化?產(chǎn)物是什么?對(duì)光合作用有什么意義?( 什么是循環(huán)式光合磷酸化?產(chǎn)物是什么?對(duì)光合作用有什么意義?（答案） 答: 將光合作用的循環(huán)式電子傳遞中建立的質(zhì)子梯度與ADP的磷酸化相偶聯(lián),合成ATP的過(guò)程稱為循環(huán)式光合磷酸化。循環(huán)式光合磷酸化的產(chǎn)物僅為ATP, 無(wú)NADPH和分子氧。循環(huán)式光合磷酸化約占光合磷酸化的1020%，特別是NADP+不足時(shí)，所占的比例更大, 因此它對(duì)光反應(yīng)中產(chǎn)生的ATP和NADPH的比

54、例具有調(diào)節(jié)作用。由于NADP+接收電子被還原時(shí),同時(shí)需要從葉綠體基質(zhì)中攝取一個(gè)H+,如果基質(zhì)中NADP+濃度不高,或NADPH的濃度過(guò)高,說(shuō)明NADPH與ATP的比例失調(diào),需要加以調(diào)整。調(diào)整的機(jī)制是將電子回傳給細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物, 細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物是一種質(zhì)子泵,得到電子從而有足夠的自由能將基質(zhì)中的H+跨膜傳遞到類囊體腔,使類囊體腔中質(zhì)子梯度升高,高濃度的H+質(zhì)子通過(guò)CF1CF0-ATP合酶的H+通道返回葉綠體基質(zhì),從而促進(jìn)了ATP的合成。其結(jié)果,調(diào)整了光反應(yīng)中ATP和NADPH的比值,有利于CO2的固定。)8.4 二氧化碳的固定和碳水化合物的合成光合作用的第二階段是進(jìn)行CO2的固定,

55、合成碳水化合物。葉綠體利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP的化學(xué)能, 將CO2還原合成糖。由于這一過(guò)程不需要光, 故稱為暗反應(yīng)(dark reaction),暗反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。 8.4.1 C3途徑: 卡爾文循環(huán)(Calvin cycle) 卡爾文循環(huán)的發(fā)現(xiàn)二次世界大戰(zhàn)之后,美國(guó)加州大學(xué)貝克利分校的 Melvin Calvin和他的同事們用14C示蹤和雙向紙層析技術(shù),研究Chlorella藻在光合作用中怎樣固定CO2的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了C3途徑。由于該途徑是一中循環(huán)途徑, 并且是卡爾文發(fā)現(xiàn)的, 所以稱為卡爾文循環(huán)(圖8-27)。什么是卡爾文循環(huán)? 是如何發(fā)現(xiàn)的(實(shí)驗(yàn)要點(diǎn))？(什么是卡

56、爾文循環(huán)? 是如何發(fā)現(xiàn)的(實(shí)驗(yàn)要點(diǎn))?（答案） 答: 卡爾文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的CO2在光合作用中被固定的一種途徑, 由于這一途徑中CO2的固定是一個(gè)循環(huán)過(guò)程, 并且是卡爾文發(fā)現(xiàn)的, 故稱為卡爾文循環(huán)。 二次世界大戰(zhàn)之后,美國(guó)加州大學(xué)貝克利分校的 Melvin Calvin和他的同事們使用14C示蹤和雙向紙層析技術(shù),研究一種藻:Chlorella在光合作用中怎樣固定CO2,。他們將培養(yǎng)的藻生長(zhǎng)在含有未標(biāo)記CO2的密閉容器中,然后將標(biāo)記的CO2注入培養(yǎng)基,培養(yǎng)合適時(shí)間后,將培養(yǎng)的藻浸入熱的乙醇中,這種處理有三種功效:殺死細(xì)胞、終止酶的作用、提取溶解的分子。然后將提取物點(diǎn)在層析紙上進(jìn)行雙向紙層析,最后通

57、過(guò)放射自顯影分析放射性斑點(diǎn),并同已知化學(xué)成份進(jìn)行比較。在卡爾文的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的CO2轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的速度很快,幾秒鐘之內(nèi),在層析紙上就有放射性的斑點(diǎn),經(jīng)測(cè)定,斑點(diǎn)中的化學(xué)成份是三磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA),是糖酵解的中間體。由于被鑒定到的第一個(gè)中間體是三碳分子, 所以將CO2的這種固定途徑稱為C3途徑,將通過(guò)這種途徑固定CO2的植物稱為C3植物。最終的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), CO2固定的C3途徑是一個(gè)循環(huán)過(guò)程,稱為C3循環(huán),由于這一循環(huán)是卡爾文發(fā)現(xiàn)的,故又稱卡爾文循環(huán),可分為三個(gè)階段: 羧化、還原和RuBP的再生。)圖8-27 卡爾文循環(huán) CO2的羧化(carboxylation)CO2的受體是一個(gè)5碳糖:核酮糖1,5二磷酸(RuBP), CO2 在被還原之前,在RuBP羧化酶(ribulose bisphosphate carboxylase)