8葉綠體與光合作用

1、學習指導錄像超8.葉綠體與光合作用8.1 葉綠體的來源、形態(tài)與分布8.1.1 葉綠體與質體8.1.2 葉綠體的形態(tài)大小、數(shù)量和分布8.2 葉綠體的結構與化學組成8.2.1 葉綠體被膜的結構及特性8.2.2 類囊體8.2.3 葉綠體蛋白的定位8.2.4 葉綠體組分的分離8.3 光合作用的光反應8.3.1 光合作用概述8.3.2 光吸收8.3.3 電子傳遞8.3.4 光合磷酸化8.4 二氧化碳的固定和碳水化合物的合成8.4.1 C3途徑：卡爾文循環(huán)8.4.2 光呼吸和C4植物8.5 葉綠體遺傳8.5.1 葉綠體遺傳8.5.2 葉綠體的發(fā)生和起源8.5.3 葉綠體與線粒體結構與功能的比較8.葉綠體與

2、光合作用葉綠體(chloroplast)是植物細胞所特有的能量轉換細胞器(圖8-1),其功能是進行光合作用，即利用光能同化二氧化碳和水，生成糖，同時產生分子氧。基質、胞質溶膠k外膜1內界膜包被甘油醛3-瞬酸Vi02-4NAOPHNMPP>H+i+H20ATP合成圖8-1葉綠體的結構域功能俯瞰8.1葉綠體的來源、形態(tài)與分布8. 1.1葉綠體與質體葉綠體是質體的一種，由光誘導前質體而來。前質體（proplastid）前質體的直徑約為1師，或更小一些，它是由雙層膜包被著未分化的基質（stroma）所組成。植物中的前質體隨著在發(fā)育過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體（pla

3、stid）o 質體（plastid）是植物細胞中一類膜結合細胞器的總稱，這類細胞器都是由共同的前體：前質體分化發(fā)育而來（圖8-2（有色）;G白質”，儲存蛋白）圖8-2?）。弋二u色。光4/、粉質不）（儲存淀粉）（儲存脂）前質體分化途徑白色體(etioplast)質體的一種，不含色素，具有制造和儲藏淀粉、蛋白質和油脂的功能。這類質體是由于前質體在發(fā)育分化過程中一直處于黑暗中，發(fā)育的順序發(fā)生了改變，使內部的膜結構形成了片層體。 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，無類囊體結構。分布于高等植物的某些器官，如花瓣、果實和根細胞中，使其呈現(xiàn)黃色或桔黃色。不

4、進行光合作用，功能是富集淀粉和脂類。 光誘導前質體分化成葉綠體葉綠體是惟一含有類囊體膜結構的質體，是前質體在光照條件下誘導發(fā)育而來。(圖8-3)。葉綠體是怎樣形成的？與其他質體的主要差異是什么？前質體(b)外膜肉膜內膜出聚形成小泡圖8-3光誘導前質體分化成葉綠體的過程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，中央區(qū)較細小而兩端膨大（圖8-4）細胞唯淀粉粒劑胞核葉綠體圖8-4植物葉細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510師。對于特定的細胞類型來說，葉綠體的大小相對穩(wěn)定，但受遺傳和

5、環(huán)境的影響。例如多倍體細胞內的葉綠體就比單倍體細胞的要大些。數(shù)量和分布數(shù)量不同植物中葉綠體的數(shù)目相對穩(wěn)定，大多數(shù)高等植物的葉肉細胞含有幾十到幾百個葉綠體，可占細胞質體積的40%。分布葉綠體在細胞質中的分布有時是很均勻的，但有時也常集聚在核的附近，或者靠近細胞壁。葉綠體在細胞內的分布和排列因光能量的不同而有所變化。葉綠體可隨植物細胞的胞質環(huán)流而改變位置和形狀。8.2葉綠體的結構與化學組成葉綠體是由葉綠體膜（chloroplastmembrane或稱之為外被outenvelope）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）組成（圖8-5）。葉綠體的結構比較特殊，它含有3種不同的膜（外膜、

6、內膜和類囊體膜）以及3種彼此分隔的區(qū)室（膜間隙、葉綠體基質和類囊體腔）。外展內界膜基質片層基粒類囊體區(qū)室圖8-5葉綠體的膜與區(qū)室8.2.1葉綠體被膜的結構及特性葉綠體是由外膜、內膜和類囊體膜等3種不同類型的膜將其內部分隔成3個不同的區(qū)室：膜間隙、葉綠體基質和類囊體腔。因此，葉綠體是一種特別的膜結合細胞器。葉綠體膜的結構與化學組成被膜：葉綠體的外膜和內膜合稱為被膜(membraneenvelope)。每層膜的厚度為68nm,內外兩膜間有1020nm寬的間隙，稱為膜間隙。葉綠體的內膜并不向內折成崎，但在某些植物中，內膜可皺折形成相互連接的泡狀或管狀結構，稱為周質網(peripheralreticu

7、lum)。這種結構的形成可增加內膜的表面積。葉綠體內膜含有較多的膜整合蛋白，因此內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脂外膜總脂的百分數(shù)內膜類囊體膜糖脂單半乳糖二乙酰甘油175540二半乳糖二乙酰甘油292919硫釀二乙酰甘油655磷脂磷脂酰甘油1095磷脂酰膽堿3200磷脂酰肌醇511光吸收色素葉綠素0020類胡蘿卜素<1<16血003蛋白質/脂的比值0.350.91.5內膜參與脂的合成內膜上的蛋白質大多是與糖脂、磷脂合成有關的酶類。研究結果表明葉綠體的被膜不僅是葉綠體脂合成的場所，也是整個植物細胞的脂合成的主要場所。這一點與動物細胞有很大的不同，

8、在動物細胞中，脂類的合成主要是在光面內質網上進行的。葉綠體膜間隙將葉綠體的內外膜分開，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膜轉運蛋白 外膜的通透性葉綠體外膜上也有孔蛋白的存在，不過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，最大可允許相對分子質量在1000013000道爾頓的分子通過。由于胞質溶膠中的大多數(shù)分子都能通過孔蛋白，所以葉綠體膜間隙的環(huán)境與細胞質中的環(huán)境相差無幾。 內膜的通透性葉綠體內膜的通透性較差，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

9、能自由通過內膜外，其他都不能自由通過。 轉運蛋白（translocato。與磷酸交換載體（phosphateexchangecarrier）在葉綠體內膜上有很多運輸?shù)鞍?，稱為轉運蛋白。葉綠體中轉運蛋白的一個重要運輸機制是通過交換進行的，葉綠體內膜中的轉運蛋白-磷酸交換載體能夠通過交換將細胞質膜中的無機Pi轉運到葉綠體基質，并將葉綠體基質中形成的3PGAL釋放到細胞質（圖8-6）。內界膜細胞質88葉綠體基質.:一3-PGAL或二飛Q籠丙陽磷酸圖8-6葉綠體內膜中Pi-3PGAL轉運蛋白竣酸轉運載體(dicarboxylateexchangecarrier)這種運輸?shù)鞍椎闹饕δ苁菂⑴c各種穿梭活動

10、。葉綠體基質和細胞質間NADP的電子傳遞就是靠這種穿梭作用進行的，主要是將葉綠體基質中的蘋果酸和細胞質中的延胡索酸進行交換，將葉綠體膜兩側的反應結合起來就形成了NADP的氧化和還原的反應對（圖8-7）。圖8-7葉綠體內膜中蘋果酸/延胡索酸穿梭轉運蛋白蘋果酸/延胡索酸穿梭轉運蛋白是典型的二竣酸交換載體。通過穿梭交換含有兩個竣基的不同有機酸，并且是一對一的交換。交換的結果是將葉綠體基質中的高能電子轉運到細胞質膜中。葉綠體內膜中還有其他一些轉運載體和穿梭轉運載體（表8-2）表8-2葉綠體內膜中的運輸系統(tǒng)載體功能ADP/ATP交換載體進行細胞質和葉2體基質間的ADP/ATP交換二竣酸交換載體進行細胞質

11、和葉綠體基質間二竣酸的交換葡萄糖載體將葉綠體基質中的葡萄糖運輸?shù)桨|溶膠乙醇酸載體將葉綠體基質中的乙醇酸運輸?shù)桨|溶膠磷酸交換載體將細胞質中的無機磷與葉綠體基質中的三碳糖進行交換什么是交換載體？運輸時有什么特點？8.2.2類囊體（thylakoid）與線粒體不同，葉綠體基質中有第三種膜結構系統(tǒng)，稱為類囊體，是由內膜發(fā)展而來的，由單位膜封閉而成的扁平小囊。它是葉綠體內部組織的基本結構單位，上面分布著許多光合作用色素，是光合作用的光反應場所類囊體的結構葉綠體中的類囊體有兩種類型：基粒類囊體(granumthylakoid)和基質類囊體(stromathylakoid)(圖8-8)?；旧?，所有參與

12、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基粒和基質類囊體立體結構(a)切開的葉綠體模式圖；(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(thylakoidlumen),類囊體腔與葉綠體基質是分隔的，它在電化學梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。在光反應過程中由光驅動的電子傳遞釋放出的能量將氫質子泵進類囊體腔從而建立氫質子梯度。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%,內質網中為80%)。葉綠體膜脂中的脂肪酸主要是不飽和的亞麻酸，約

13、占87%,因此，類囊體膜的脂雙層流動性特別大。類囊體膜膜蛋白類囊體膜上的蛋白質與脂的比值很高(表8-1)。類囊體的蛋白分為內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面的較多。內在蛋白鑲嵌在脂雙層中，如質體蘭素、細胞色素等。葉綠體基質(stroma)葉綠體內膜與類囊體之間的區(qū)室，稱為葉綠體基質?；|中含有大量的可溶性蛋白，其中RuBP竣化酶占可溶性蛋白總量的60%。此外，基質中還含有CO2固定反應的所有酶類。葉綠體基質中還有核糖體、DNA和RNA等。葉綠體的DNA大約編碼100種多肽，涉及葉綠體DNA的復制、轉錄、遺傳信息的翻譯。基質是光合作用固定CO2的場所。8.2.3葉綠體蛋白

14、的定位構成葉綠體的蛋白質，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DNA編碼的蛋白質都是在葉綠體基質中合成后再運送到目的地而核基因編碼的蛋白質則是在細胞質中合成后，通過與線粒體蛋白類似的轉運方式運入葉綠體。 葉綠體基質蛋白的轉運 Rubisc的分子組成核酮糖1,5-二磷酸竣化酶(ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase,Rubisco)是葉綠體基質中進行CO2固定的重要酶類，總共有16個亞基，其中8個大亞基含有催化位點，8個小亞基是全酶活性所必需的。Rubisco的小亞基由核基因編碼，在細胞質的游離核糖體上合成后被運送到葉綠體基質中

15、Rubisc的信號肽結構小亞基前體蛋白的N-端有一段引導肽序歹U,長為44個氨基酸殘基，作為定位運輸?shù)男盘枺?Rubisc小亞基蛋白轉運受體在Rubisco小亞基蛋白運輸中，與通道形成和打開有關的受體蛋白有三種：Toc86主要是識別信號序列，Toc75是通道蛋白，Toc34是調節(jié)蛋白，與GTP結合后可改變Toc75的構型使通道打開（圖8-9）。 Rubisc小亞基蛋白轉運的能量與線粒體基質蛋白轉運不同的是，葉綠體基質蛋白轉運的能量僅僅是ATP,不需要電化學梯度的驅動。某質圖8-9Rubisco小亞基蛋白的轉運及全酶裝配舉例說明葉綠體基質蛋白定位的機理與特點。 類囊體蛋白的定位定位于類囊體膜或腔

16、的蛋白質除了要有葉綠體基質引導序列外，還須有插入類囊體膜或跨過類囊體膜的引導序列。類囊體蛋白的轉運需要兩個導肽，進入葉綠體基質后切除一個，另一個引導肽進入類囊體。已知有四種轉運方式，圖8-10給出了兩種，其中質體藍素(plastocyanin,PC)一直保持非折疊狀態(tài)，直到進入類囊體腔。而金屬結合蛋白(metal-bindingprotein)進入葉綠體基質后要進行折疊，然后以折疊的方式進入類囊體腔。國艇體收索向金屬結合密白圖8-10質體藍素和金屬結合蛋白在類囊體腔中的定位過程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構和功能，分離葉綠體的各個結構組分是必要的。已經發(fā)展了幾種方

17、法從植物細胞中分離葉綠體及其各部分結構。請你設計一種方法分離葉綠體的各個組分(被膜、類囊體、基質)，并簡要說明原理？9. 3光合作用的光反應葉綠體的主要功能是進行光合作用(photosynthesis),它是綠色植物利用體內的葉綠素吸收光能，然后固定CO2,并與H2O同化成有機物，同時釋放出氧的反應過程。10. 3.1光合作用概述18世紀末就已經知道光合作用能夠將水和CO2轉變成有機物和氧，并很快確定了光合作用的反應式：6CO2+6H2O+光-C6H12O6+602+化學能(674000千卡)。早在1905年，F(xiàn).Blackman就提出光合作用可分為兩個不同的階段，即光反應(lightreac

18、tion)和暗反應(darkreaction)。光反應是對光的吸收，并產生氧。暗反應涉及到CO2的固定(圖8-11)。物和翔I的有機物圖8-11光反應與暗反應間的關系光合作用利用光能和動物釋放的廢氣C。2合成糖作為其他反應的能源和結構分子，光合作用釋放的02則是好氧生物生存的基本條件。據估計，地球上的植物每年將600X1012公斤的CO2轉變成糖，同時釋放400X1012公斤的。2。8. 3.2光吸收(lightabsorption)概念光吸收又稱原初反應，指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個光化學反應為止的過程，包括光能的吸收、傳遞和轉換。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

19、發(fā)生最初的光化學反應，使電荷分離從而將光能轉化為電能的過程。 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。一個光子能量的多少與波長相關，波長越短，能量越高。 基態(tài)(groundstate)與激發(fā)態(tài)(exitedstate)當一個光子被分子吸收時，就有一個電子獲得足夠的能量并從內軌道躍遷到外軌道，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，推測只能維持10-9秒。這樣，由于環(huán)境的不同，激發(fā)的電子會有幾種不同的結果。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，葉綠素分子就會恢

20、復到原始的基態(tài)，那么吸收光子的能量就沒有被利用。實際上，葉綠素分子由激發(fā)態(tài)變?yōu)榛鶓B(tài)時，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)之前被傳遞給了受體，時間約為10-12秒。這實際上將吸收的光子的光能轉變成了電能。 光合作用色素色素(pigments)是含有特定化學基團的分子，這些化學基團能夠吸收可見光譜中特定波長的光，能夠吸收光的色素稱為捕光色素(light-harvestingpigment)或光吸收色素(light-absorbingpigment),此類色素位于類囊體的膜上，只具有吸收聚集光能的作用，而無光化學活性，故此又稱為天線色素。 葉綠素(chlorophylls)

21、植物中進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藍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）也是一個含脂的分子家族，類胡蘿卜素吸收紫色和藍色光（400500nm）,它可幫助葉綠素提高對光吸收的效應 藻膽素（phycobi11ins）藻膽素（圖8-12c）,存在于紅藻和藍細菌中葉維索CHO（葉蟆素b）已吃（葉綠素a）葉麻環(huán)'英胡羅卜索葉綠醇例苗葉綠素，則是飽和的藻紅素En-3ci釐破今代在中工取在藻藍素中是不飽和的圖8-12葉綠素

22、、類胡蘿卜素和膽紅素的結構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，起了過濾作用（圖8-13）,同時，這些色素吸收的光能也能轉移給葉綠素，從而幫助葉綠素提高了光吸收效應Aw500600HM)一15會耕孝笊北毛一一泳1圖黑電一皿波性.M)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光對植物葉光合作用的影響；吸收光譜是三種色素聯(lián)合起來的吸收光譜，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實驗發(fā)現(xiàn)葉綠體在光合作用中，每固定一個CO2分子(或者說每釋放一分子O2)需要2500個葉綠素分子，也就是說2500個

23、分子的葉綠素吸收的光能才能用于一分子。02的固定，后來發(fā)現(xiàn)每固定一分子CO2,需要消耗8個光子，由此推算固定一個光子大約需要300個分子的葉綠素(2500+8-300),為什么說在進行光合作用時，葉綠素分子必須組成功能單位？ 光系統(tǒng)(photosystem)進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、脂和蛋白質組成的復合物。每一個光系統(tǒng)含有兩個主要成分：捕光復合物(light-harvestingcomplex)和光反應中心復合物(reaction-centercomplex)。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葉綠素a,由葉綠素a激發(fā)一個電子，并

24、進入光合作用的電子傳遞鏈。捕光復合物典型的捕光復合物是由幾百個葉綠素分子、數(shù)量不等但都與蛋白質連接在一起的類胡蘿卜素分子所組成。當一個光子被捕光復合物中的一個葉綠素或類胡蘿卜素分子吸收時，就有一個電子被激活，激發(fā)狀態(tài)從一個色素向另一個色素傳遞，直到傳遞給反應中心：一對特別的葉綠素a（圖8-14）。捕光復合物中色素激發(fā)狀態(tài)的傳遞，實際是光能的傳遞，這種能稱為共振能（resonanceenergy）。光反應中心復合物反應中心復合物是由幾種與葉綠素a相關的多肽，以及些與脂相連的蛋白質所構成，它們的作用是作為電子供體和受體。電受體電子傳遞能量轉移反應中心葉綠素日捕光亞合物中（葉煤素和類胡羅卜素）圖8-

25、14天線色素和反應中心葉綠素間的關系光能吸收、傳遞與轉變光的吸收和光能的傳遞是由光系統(tǒng)完成的，整個過程如圖8-15所示。育肥6F，它于黑哥建電子低偏*r-電子傳述冢鼻電子U葉中北說電子反應中心葉瑪分子好血于壯門星狀態(tài)圖8-15光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞與轉變(a)反應中心的起始過程。一對特別的葉綠素分子緊緊地與色素-蛋白復合物結合在一起,左右兩側分別是低電動勢和高電動勢的供體和受體。一旦葉綠素中的子被光能激發(fā),就能傳遞到電子受體,并作為高能電子被穩(wěn)定下來。帶正電荷的葉綠素分子很快從供體中獲取一個低能電子,從而回復到靜息狀態(tài)。整個反應不到10-6秒。(b)從低能電子到形成高能電子過程。在此過程中使

26、整個反應中心回復到靜息狀態(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的第二步。通過電子傳遞,將光吸收產生的高能電子的自由能貯備起來,同時使光反應中心的葉綠素分子獲得低能電子以補充失去的電子,回復靜息狀態(tài)。在電子傳遞過程中,涉及水的光解、還涉及兩對偶聯(lián)氧還對: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還釋放O2和H+,因此伴隨電子傳遞的同時也會建立H+質子電化學梯度，以供ATP的合成。電子載體和電子傳遞復合物光合作用的電子傳遞是通過光合作用電子傳遞鏈(photosynthe

27、ticelectrontransferchain)傳遞的。該傳遞鏈是由一系列的電子載體構成的，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胞色素、鐵氧還蛋白、黃素蛋白和醌等。細胞色素植物細胞有幾個特殊的細胞色素參與光合作用的電子傳遞。其中主要的兩種：細胞色素be和細胞色素f的吸收波長都已非常清楚，一個是563nm,另一個為553nm。細胞色素f是細胞色素c的一種，中等電位型；細胞色素b6是下等電位型。鐵氧還蛋白鐵氧還蛋白(ferredoxin)含有一個氧化-還原的位點，該

28、位點有兩個同硫結合的鐵原子。如同其它的鐵硫蛋白，鐵氧還蛋白也是通過Fe3+-Fe2+的循環(huán)傳遞電子。在氧化狀態(tài)，對波長在420nm和463nm的光有較強的吸收作用，能夠增強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+。質體藍素(plastocyanin,PC)一種含銅的蛋白質，氧化型呈藍色，吸收光譜為2600nm。在還原狀態(tài)時藍色消失；傳遞電子時靠Cu-Cu的狀態(tài)循環(huán)。質體酶(plastoquinone,PQ):質子和電子載體洞線粒體的電子傳遞鏈的泛酶一樣

29、，也是通過醍和醍醇循環(huán)來傳遞電子和氫質子，不過質體醍與泛醍的結構是不同的(圖8-16)。NADP+是光合作用中的最后一個電子受體，是NAD+的衍生物。NADP+接受兩個電子成為還原型的NADPH。圖8-16質體酶的氧化和還原狀態(tài)電子傳遞復合物在光合作用的電子傳遞鏈上有三種復合物，其中兩種是光系統(tǒng)(光系統(tǒng)口和光系統(tǒng)I)的組成部分，另一種是細胞色素be/f復合物。細胞色素b/f復合物(cytochromeb6-fcomplex)是類囊體膜上可分離出來的復合物，由四個多肽組成：即細胞色素f、細胞色素be、一個鐵硫蛋白和一個相對分子質量為17kDa的多肽。前三個都是電子載體。細胞色素f也是c型的細胞色

30、素，與線粒體的細胞色素c1關系密切。該復合物位于基質面，功能是參與電子傳遞。 光系統(tǒng)口復合物的結構及功能光系統(tǒng)口(photosystem口complex,PS口complex)是類囊體膜中的一種光合作用單位，它含有兩個捕光復合物和一個光反應中心。構成PSII的捕光復合物稱為LHCU,而將PSII的光反應中心色素稱為P680,這是由于PSII反應中心色素(pigment,P)吸收波長為680nm的光。PS口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體血，同時通過對水的氧化和PQB2-的還原在類囊體膜兩側建立H+質子梯度(圖8-17)圖8-17光系統(tǒng)口的功能結構PSII是怎樣進

31、行光能吸收、轉換和電子傳遞的？ 水裂解反應與電子向PSII的傳遞 水裂解反應(water-splittingreaction)在實驗條件下裂解水需要極強的電流或近乎2000c的高溫，而植物細胞對水的裂解僅僅是利用可見光的能量。PSII在光反應中，反應中心色素被氧化成P680+,這是一個很好的氧化劑，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(water-splittingreaction)中，每裂解兩分子的H2O,釋放4個電子、1分子。2和4個H+質子：2H2。-O2+4H+4e-,這一反應又稱為水的光解作用(photolysis)。 水裂解釋放的電子傳遞

32、值得注意的是水的光解釋放出了4個電子，而P680+一次只能接受一個電子，如何解釋這種現(xiàn)象？可能的機制是(圖8-18):4H+2H:O%嗎5彩&與名嗎Sq圖8-18Mn的電子傳遞與水的光解。S表示Mn集團的正電荷數(shù)水光解中釋放的四個電子是如何被傳遞的？ 光系統(tǒng)I復合物的結構及電子傳遞光系統(tǒng)I復合物(photosystemIcomplex,PSIcomplex)含有一個捕光復合物和一個光反應中心。構成PSI的捕光復合物稱為LCHI,而將PSI的光反應中心色素稱為P700,這是由于PSI反應中心色素吸收波長為700nm的光。PSI的功能是將電子從質體藍素傳遞給鐵氧還蛋白(ferredoxin

33、),一種與類囊體膜表面松散結合的小分子蛋白。電子從質體藍素傳遞給鐵氧還蛋白在熱力學上是不利的，需要光能去驅動(圖8-19)H*«V3P*圖8-19光系統(tǒng)I的功能結構PSI是怎樣進行電子傳遞的？ 電子從PS口向PSI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口傳遞至IPSI的呢？PQH2是一種脂溶性的分子，在脂雙層中通過擴散，將PQH2中的電子傳遞給細胞色素b6/f復合物，同時將氫質子釋放到類囊體的腔，由于PQH2的氫質子來源于葉綠體基質，所以這一過程實際上是將H+進行了跨膜轉運，有利于質子梯度的建立。細胞色素b6/f復合物接受電子后，經Cy

34、tb6-FeS-Cytf,再傳遞給另一個可動的水溶性的電子載體質體藍素，這是一種含銅的蛋白，位于類囊體膜的腔面，然后再傳遞給PSI的P700+（圖8-20）。圖8-20電子在PSII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光系統(tǒng)，它們都能吸收光能進行光反應，所以會形成兩個高峰（hill）,通常用Z形圖來表示電子傳遞過程。根據電子的最后去向，分為兩種方式：非循環(huán)式電子傳遞途徑（noncyclicelectrontransferpathway）和循環(huán)式電子傳遞途徑（cyclicelectrontransferpathway）。 非循環(huán)式電子傳遞在這

35、種方式中，電子從水開始，經PS口、質體Q、PC、復合物b6/f、PSI、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階段：電子從PSD的P680傳遞給PQ,生成PQH2;水光解釋放的電子經Mn傳遞給PSII的P680+;電子從PQH2經復合物b6/f傳遞給質體藍素（PC）,即電子從PSII傳遞給PSI;電子經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+,有兩個原初受體Pheo和A0。電子供體

36、是來自光解的水。什么是非循環(huán)式電子傳遞？可分為幾個階段？ 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PSI傳遞給Fd之后，不是進一步傳遞給NADP+,而是重新傳遞給細胞色素b6/f復合物，再經pc又回到PSI,形成了閉路循環(huán)(圖8-22)。電r激發(fā)庾子附械泵進內囊體腔圖8-22循環(huán)式電子流電子傳遞到Fd之后，又重新傳遞給Cysb6/f,再經PC傳遞給PSI的P700+,形成回路。什么是非循環(huán)式電子傳遞？對光合作用有什么意義？8.3.4光合磷酸化(photophosphorylation)在光合作用的光反應中，除了將一部分光能轉移到NADPH中暫時儲存外，還要利用另外一部分光能合成

37、ATP,將光合作用與ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，這就是光合磷酸化。光合磷酸化同樣需要建立電化學質子梯度、ATP合酶，其機理也可用化學滲透假說來解釋 電子傳遞與H+質子電化學梯度的建立在葉綠體進行的光反應中，類囊體的膜在進行電子傳遞的同時，會在類囊體膜兩側建立H+質子梯度。類囊體膜兩側H+質子梯度的建立，主要有三種因素：首先是水的光解，釋放4個H+;Cytb6/f復合物具有質子泵的作用，當P680將電子傳遞給PQ時，則要從基質中攝取四個H+,并全被泵入類囊體的腔；當電子最后傳遞給NADP+時，需從基質中攝取兩個H+質子將NADP+還原成NADPH，這樣又降低了基質中的H+質子的濃度（圖8-23）。圖

38、8-23類囊體膜進行的電子傳遞與H+梯度的建立 CF0-CF1ATP合酶 結構組成和功能光合磷酸化的能量轉換單位是ATP酶復合體（CF1-CF0-ATPasecomplex）,或稱ATP合酶，位于基粒和基質類囊體膜上，朝向葉綠體基質（圖8-24）,簡稱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）。CFi有五種亞基：a、0、丫、6、£,相0亞基上有ATP、ADP結合和對分子質量分別是59、56、37、17、13kDa.在a、催化位點。S亞基與CF0結合。T亞基控制質子流動。CF0至少有四種亞

39、基，分別稱為I、口、皿、IVoCFi,CF0要提供H+質子通道。ATP合酶的激活與線粒體的不同，需要-SH化合物，同時還要Mg2+。另外，F(xiàn)iATP合酶只要通過兩個H+就可以合成一個ATP,而CF1需要通過三個H+才能合成一分子ATPoPSIPSUSfr*不斷果凄悻ATPWj（若卷班德也融力圖8-24基粒和基質類囊體膜中CF1ATP合酶及其它復合物的分布 CF1-CF0功能的離體鑒定通過對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，通過體外實驗，還證明了CFiATP合酶在類囊體膜中合成ATP時，除了需要ADP和Pi,還需要pH梯度。請設計一個實驗證明類囊體

40、的CF上顆粒能夠在pH梯度驅動下合成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建立了pH梯度（H+質子梯度），同時在類囊體膜中有ATP合成裝置，這樣，H+質子電化學梯度有了將自由能轉變成ATP,即光合磷酸化的基本條件。 非循環(huán)式光合磷酸化（non-cyclicphotophosphorylation）在線性電子傳遞中，光驅動的電子經兩個光系統(tǒng)最后傳遞給NADP+,并在電子傳遞過程中建立H+質子梯度，驅使ADP磷酸化產生ATP。非循環(huán)式電子傳遞和光合磷酸化的最終產物有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（cycli

41、cphotophosphorylation）在循環(huán)式電子傳遞中，光驅動的電子從PSI傳遞給鐵氧化還原蛋白后不是進一步傳遞給NADP+,而是傳遞給細胞色素b6/f復合物，再經由質體藍素（PC）而流回到PSI（圖8-22）o在此過程中，電子循環(huán)流動，同樣促進質子梯度的建立，并與磷酸化相偶聯(lián)，產生ATP,故稱為循環(huán)式光合磷酸化。圖8-26是典型的紫細菌的循環(huán)式光合磷酸化圖8-26紫細菌中的循環(huán)式光合磷酸化，細菌中每通過4個H+合成一分子ATP什么是循環(huán)式光合磷酸化？產物是什么？對光合作用有什么意義？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行CO2的固定，合成碳水化合物。葉綠體利

42、用光反應產生的NADPH和ATP的化學能，將CO2還原合成糖。由于這一過程不需要光，故稱為暗反應（darkreaction）,暗反應在葉綠體基質中進行。9. 4.1C3途徑：卡爾文循環(huán)(Calvincycle)卡爾文循環(huán)的發(fā)現(xiàn)二次世界大戰(zhàn)之后，美國加州大學貝克利分校的MelvinCalvin和他的同事們用14C示蹤和雙向紙層析技術，研究Chlorella藻在光合作用中怎樣固定CO?的實驗中發(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（實驗要點）？*|CA,4t工性展KIM*XpJ卡爾文年環(huán)>ladDd產4.

43、梅敏蔚除Jt-sc然|13FtfHWt，m|g-0CH/JPOfHCflHCCiOM.Ht)-C=01iCC-G'0O'-C-OC-CHH*r(X中何體3PGA圖8-28RuBP竣化酶催化固定CO2還原階段®:-p-tihiwii41-COH4»,ft門*/-1評.-iCOHR>>Q-ewcfHH.n-W7VtriAAKMM，曝飛-«|圖8-27卡爾文循環(huán)CO2的竣化(carboxylation)CO2的受體是一個5碳糖：核酮糖1,5二磷酸（RuBP）,CO2在被還原之前，在?CH,OPOfRtiBT（處二函式）RuBP竣化酶（門bul

44、osebisphosphatecarboxylase）的催化下，以RuBP作為CO2受體,首先被固定形成竣基，然后裂解形成兩分子的3-磷酸甘油酸（圖8-28）o3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油酸激酶的催化下被ATP磷酸化形成1,3二磷酸甘油酸，然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被NADPH還原成3-磷酸甘油醛。這是一個吸能反應，光反應中合成的ATP和NADPH主要是在這一階段被利用。還原反應是光反應和暗反應的連接點，一旦CO?被還原成3-磷酸甘油醛，光合作用便完成了貯能過程。RuBP的再生利用已形成的3-磷酸甘油醛經一系列的相互轉變最終再生成5-磷酸核酮糖，然后在磷酸核酮糖激酶的作用下，發(fā)生磷酸化作用

45、生成RuBP,再消耗一個ATPo綜上所述，三碳循環(huán)是靠光反應形成的ATP及NADPH作為能源，推動CO?的固定、還原，每循環(huán)一次只能固定一個CO2,循環(huán)6次，才能把6個CO2分子同化成一個己糖分子：6CO2+18ATP+12NADPHfC6H12O6+18ADP+18P8.4.2光呼吸和C4植物 光呼吸與乙醇酸途徑 光呼吸(photorespiration)1920年，德國生化學家OttoWarburg最先注意到提高。2的濃度會抑制CO?的固定，這種抑制作用是光呼吸引起的。光呼吸是一種依靠光來消耗。2,放出CO2的作用。在光存在下，光呼吸降低了光合作用的效率，因為它氧化光合作用中產生的還原型的

46、碳原子，同時消耗了大量的能量。 Rubisco加氧酶活性及磷酸乙醇酸的產生Rubisco除了作為竣化酶催化將CO2添加到核酮糖1,5二磷酸，生成兩分子3-磷酸甘油酸外，也可作為加氧酶，利用分子氧催化核酮糖1,5二磷酸裂解成3-磷酸甘油和磷酸乙醇酸(phosphoglycolate,圖8-29)HC-0-©HT-OHJH-C-OH0)+2H+、-.一.匕RuBP竣化醵核糖體1,5二磷酸H-COHHCOH3-磷酸甘油酸0IIc-o-H-C-Ch-<E)H磷酸乙薛酸圖8-29核酮糖1,5二磷酸的氧化裂解由于磷酸乙醇酸不能被卡爾文循環(huán)利用，所以是碳同化的廢物。磷酸乙醇酸合成，不僅浪費能

47、源和碳源，磷酸乙醇酸的積累可能殺死植物本身，因為這種物質能夠抑制丙糖磷酸異構酶(triose-phosphateisomerase)的活性，從而破壞了葉綠體基質中甘油醛-3-磷酸與二羥丙酮(dihydroxyacetone)的平衡。什么是光呼吸？它對植物的光合作用有什么影響？ 乙醇酸途徑(glycolatepathway)在所有進行光合作用的植物中，由rubisco氧化作用產生的磷酸乙醇酸都會經過乙醇酸途徑(glyc01atepathway),將磷酸乙醇酸中75%的還原碳以3-磷酸甘油酸的形式進入卡爾文循環(huán)。乙醇酸途徑涉及三種細胞器：葉綠體、過氧化物酶體和線粒體(圖8-30)。圖8-30光呼吸

48、過程當Rubisco以O2作為底物將RuBP氧化成磷酸乙醇酸和3分子PGA入卡爾文循環(huán)，而磷酸乙醇酸通過葉綠體、過氧化物酶體和線粒體的協(xié)轉變成PGA進入卡爾文循環(huán)。 C4植物與C4途徑1965年，HugoKortschak報道，用14CO2加到甘蔗中，發(fā)現(xiàn)放射性后，PGA進I作用重新先出現(xiàn)在CO2同磷四碳骨架中，而不是出現(xiàn)在PGA中。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這些四碳物質酸烯醇式丙酮酸（PEP）結合的結果，因此發(fā)現(xiàn)了CO?固定的第二種途徑：簡稱C,途徑，利用這種途徑固定CO?的植物稱為C,植物 C4植物的葉肉細胞和維管束鞘細胞C3植物葉中的光合作用發(fā)生在葉肉細胞。與C3植物不同的是，C4植物的葉中有兩種

49、不同類型的光合作用細胞：葉肉細胞（mesophyllcells）和維管束鞘細胞（bundlesheathcells）。C4植物中CO2的固定是在葉肉細胞中進行的，被固定的CO2在維管束鞘細胞中釋放，這種細胞位于葉組織的內層，卡爾文循環(huán)系統(tǒng)位于維管束鞘細胞中（圖8-31）。S植物葉內翱旭雉管束鞘班看，孔表皮葉母體圖8-31C3和C4植物葉細胞結構的差異（a）在C3植物中，卡爾文循環(huán)發(fā)生在葉肉細胞；（b）在C4植物中，卡爾文循環(huán)發(fā)生在維管束鞘細胞，位于組織的內層。C4植物利用葉肉細胞固定CO2,然后在維管束鞘細胞中釋放，保證了CO2的高濃度進入卡爾文循環(huán)。 C4途徑(C4pathway)在C4植物

50、中,CO2的固定反應是在葉肉細胞的胞質溶膠中進行的，在磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶的催化下將CO2連接到磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）上.形成四碳酸：草酰乙酸（oxaloacetate）。草酰乙酸被轉變成其他的四碳酸（蘋果酸和天冬氨酸）后運輸?shù)骄S管束鞘細胞，在維管束鞘細胞中被降解成CO2和丙酮酸，CO2在維管束鞘細胞中進入卡爾文循環(huán)。由于PEP竣化酶的活性很高，所以轉運到葉肉細胞中的CO2的濃度很高，大約是空氣中的十倍。這樣，即使在惡劣的環(huán)境中，也可保證高CO2濃度，降低光呼吸作用對光合作用的影響（圖8-32）。圖8-32CO2固定并向卡爾文循環(huán)傳遞的C4途徑 CAM植物在C4植物中，由PEP竣化酶在一

51、種類型的細胞中固定CO2,然后在另一種類型的細胞中將固定的CO2釋放出來供卡爾文循環(huán)時再固定。某些生長在干熱環(huán)境中的植物，用直接的方式提高CO2固定效率，而不需要兩種不同類型的細胞參與。什么CAM植物？它是如何提高CO2固定效率的？8. 5.葉綠體遺傳葉綠體同線粒體一樣，也是半自主性細胞器(semiautonomousorganelles)。葉綠體也有自己的DNA,它的生長和增殖受核基因組和自身的基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制。9. 5.1葉綠體遺傳葉綠體基因組葉綠體基因組呈環(huán)狀。不同植物的葉綠體基因組的大小變化很大，高等植物的葉綠體通常為20kb160kb,綠藻的基因組較小，長為85kb。在高等植