光合作用的過(guò)程和能量轉(zhuǎn)變

光合作用的過(guò)程和能量轉(zhuǎn)變第一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)原初反應(yīng)原初反應(yīng)是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的過(guò)程。它包括：

光物理－光能的吸收、傳遞

光化學(xué)－有電子得失

原初反應(yīng)特點(diǎn)速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)與納秒(ns，10－9s)內(nèi)完成；與溫度無(wú)關(guān)，可在－196℃(77K，液氮溫度)或－271℃(2K，液氦溫度)下進(jìn)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

。第二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日

反應(yīng)中心色素：少數(shù)特殊狀態(tài)的chla分子，它具有光化學(xué)活性，是光能的“捕捉器”、“轉(zhuǎn)換器”。聚光色素（天線色素）：沒有光化學(xué)活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla和全部chlb、胡蘿卜素、葉黃素。概念第三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日一、光能的吸收與傳遞(一)激發(fā)態(tài)的形成通常色素分子是處于能量的最低狀態(tài)─基態(tài)。色素分子吸收了一個(gè)光子后，會(huì)引起原子結(jié)構(gòu)內(nèi)電子的重新排列。其中一個(gè)低能的電子獲得能量后就可克服原子核正電荷對(duì)其的吸引力而被推進(jìn)到高能的激發(fā)態(tài)。下式表示葉綠素吸收光子轉(zhuǎn)變成了激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)具有比基態(tài)高的能級(jí)，能級(jí)的升高來(lái)自被吸收的光能。Chl（基態(tài)）+hυ10－15sChl*（激發(fā)態(tài)）圖8葉綠素分子對(duì)光的吸收及能量的釋放示意圖各能態(tài)之間因分子內(nèi)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)還表現(xiàn)出若干能級(jí)。第四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日葉綠素分子受光激發(fā)后的能級(jí)變化葉綠素在可見光部分有二個(gè)吸收區(qū)：紅光區(qū)與藍(lán)光區(qū)。如果葉綠素分子被藍(lán)光激發(fā)，電子就躍遷到能量較高的第二單線態(tài)；如果被紅光激發(fā)，電子則躍遷到能量較低的第一單線態(tài)。處于單線態(tài)的電子，其自旋方向保持原有狀態(tài)，即配對(duì)電子的自旋方向相反。如果電子在激發(fā)或退激過(guò)程中，其自旋方向發(fā)生了變化，使原配對(duì)的電子自旋方向相同，那么該電子就進(jìn)入了能級(jí)較單線態(tài)低的三線態(tài)。圖8葉綠素分子對(duì)光的吸收及能量的釋放示意圖

虛線表示吸收光子后所產(chǎn)生的電子躍遷或發(fā)光，實(shí)線表示能量的釋放，半箭頭表示電子自旋方向

第五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日

(二)激發(fā)態(tài)的命運(yùn)1.放熱

激發(fā)態(tài)的葉綠素分子在能級(jí)降低時(shí)以熱的形式釋放能量，此過(guò)程又稱內(nèi)轉(zhuǎn)換或無(wú)輻射退激。2.發(fā)射熒光與磷光

激發(fā)態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時(shí)，可以光子形式釋放能量。

3.色素分子間的能量傳遞

激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)能傳遞給處于基態(tài)的同種或異種分子而返回基態(tài)的過(guò)程稱為色素分子間能量的傳遞。4.光化學(xué)反應(yīng)

激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)的電子傳遞給受體分子。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，就會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的方式有以下幾種：第六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日Chl*→

Chl+熱Chl*→ChlT+熱ChlT→Chl+熱

這些都是無(wú)輻射退激。另外吸收藍(lán)光處于第二單線態(tài)的葉綠素分子，其具有的能量雖遠(yuǎn)大于第一單線態(tài)的葉綠素分子。但超過(guò)部分對(duì)光合作用是無(wú)用的，在極短的時(shí)間內(nèi)葉綠素分子要從第二單線態(tài)降至第一單線態(tài)，多余的能量在降級(jí)過(guò)程中也是以熱能釋放。由于葉綠素是以第一單線態(tài)參加光合作用的。所以一個(gè)藍(lán)光光子所引起的光合作用與一個(gè)紅光光子所引起的光合作用是相同的，在能量利用上藍(lán)光沒有紅光高。1.放熱激發(fā)態(tài)的葉綠素分子在能級(jí)降低時(shí)以熱的形式釋放能量，此過(guò)程又稱內(nèi)轉(zhuǎn)換或無(wú)輻射退激。如葉綠素分子從第一單線態(tài)降至基態(tài)或三線態(tài)，以及從三線態(tài)回至基態(tài)時(shí)的放熱：第七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.發(fā)射熒光與磷光激發(fā)態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時(shí)，可以光子形式釋放能量。處在第一單線態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時(shí)所發(fā)出的光稱為熒光。而處在三線態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時(shí)所發(fā)出的光稱為磷光。Chl*Chl＋hν熒光發(fā)射(12)ChlTChl＋hν磷光發(fā)射(13)磷光波長(zhǎng)比熒光波長(zhǎng)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換的時(shí)間也較長(zhǎng)，而強(qiáng)度只有熒光的1%，故需用儀器才能測(cè)量到。10-9s

10-2s第八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗在分子內(nèi)部的振動(dòng)上，且熒光又總是從第一單線態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)輻射的，輻射出的光能必定低于吸收的光能，因此葉綠素的熒光的波長(zhǎng)總要比被吸收的波長(zhǎng)長(zhǎng)些。對(duì)提取的葉綠體色素濃溶液照光，在與入射光垂直的方向上可觀察到呈暗紅色的熒光。離體色素溶液為什么易發(fā)熒光，這是因?yàn)槿芤褐腥鄙倌芰渴荏w或電子受體的緣故。在色素溶液中，如加入某種受體分子，能使熒光消失，這種受體分子就稱為熒光猝滅劑，常用Q表示，在光合作用的光反應(yīng)中，Q即為電子受體。色素發(fā)射熒光的能量與用于光合作用的能量是相互競(jìng)爭(zhēng)的，這就是葉綠素?zé)晒獬３１徽J(rèn)作光合作用無(wú)效指標(biāo)的依據(jù)。第九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)能傳遞給處于基態(tài)的同種或異種分子而返回基態(tài)的過(guò)程稱為色素分子間能量的傳遞。

Chl*1＋Chl2Chl1＋Chl*2

供體分子受體分子3.色素分子間的能量傳遞色素分子吸收的光能，若通過(guò)發(fā)熱、發(fā)熒光與磷光等方式退激，能量就被浪費(fèi)了。在光合器里，聚光葉綠素分子在第一單線態(tài)的能量水平上，通過(guò)分子間的能量傳遞，把捕獲的光能傳到反應(yīng)中心色素分子，以推動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。一般認(rèn)為，色素分子間激發(fā)能不是靠分子間的碰撞傳遞的，也不是靠分子間電荷轉(zhuǎn)移傳遞的，可能是通過(guò)“激子傳遞”或“共振傳遞”方式傳遞的。第十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日激子傳遞激子通常是指非金屬晶體中由電子激發(fā)的量子，它能轉(zhuǎn)移能量但不能轉(zhuǎn)移電荷。在由相同分子組成的聚光色素系統(tǒng)中，其中一個(gè)色素分子受光激發(fā)后，高能電子在返回原來(lái)軌道時(shí)也會(huì)發(fā)出激子，此激子能使相鄰色素分子激發(fā)，即把激發(fā)能傳遞給了相鄰色素分子，激發(fā)的電子可以相同的方式再發(fā)出激子，并被另一色素分子吸收，這種在相同分子內(nèi)依靠激子傳遞來(lái)轉(zhuǎn)移能量的方式稱為激子傳遞。第十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日共振傳遞在色素系統(tǒng)中，一個(gè)色素分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動(dòng)會(huì)引起附近另一個(gè)分子中某個(gè)電子的振動(dòng)(共振)，當(dāng)?shù)诙€(gè)分子電子振動(dòng)被誘導(dǎo)起來(lái)，就發(fā)生了電子激發(fā)能量的傳遞，第一個(gè)分子中原來(lái)被激發(fā)的電子便停止振動(dòng)，而第二個(gè)分子中被誘導(dǎo)的電子則變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，第二個(gè)分子又能以同樣的方式激發(fā)第三個(gè)、第四個(gè)分子。這種依靠電子振動(dòng)在分子間傳遞能量的方式就稱為“共振傳遞”。共振傳遞示意圖在共振傳遞過(guò)程中，供體和受體分子可以是同種，也可以是異種分子。分子既無(wú)光的發(fā)射也無(wú)光的吸收，也無(wú)分子間的電子傳遞。第十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D光合作用過(guò)程中能量運(yùn)轉(zhuǎn)的基本概念許多色素集中在一起作為天線色素，收集光能轉(zhuǎn)運(yùn)到反應(yīng)中心。在反應(yīng)中心化學(xué)反應(yīng)通過(guò)從葉綠素色素到電子受體分子的電子轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程存儲(chǔ)一些能量，電子供體再次還原葉綠素能量。在集光色素中的傳遞是單純的物理現(xiàn)象不涉及參與任何化學(xué)變化。

通過(guò)上述色素分子間的能量傳遞，聚光色素吸收的光能會(huì)很快到達(dá)并激發(fā)反應(yīng)中心色素分子，啟動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)。第十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D

聚光系統(tǒng)到反應(yīng)中心能量激發(fā)呈漏斗狀（A）光合色素距離反應(yīng)中心越遠(yuǎn)，其激發(fā)態(tài)能就越高，這樣就保證了能量向反應(yīng)中心的傳遞。（B）盡管在這個(gè)過(guò)程中一部分能量以熱的形式向環(huán)境中耗損散，但是在適當(dāng)?shù)臈l件下聚光色素復(fù)合體吸收的激發(fā)態(tài)能量都可以傳送到反應(yīng)中心。星號(hào)表示激態(tài)。

第十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日二、光化學(xué)反應(yīng)(一)反應(yīng)中心與光化學(xué)反應(yīng)1.反應(yīng)中心

原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)是在光系統(tǒng)的反應(yīng)中心進(jìn)行的。反應(yīng)中心是發(fā)生原初反應(yīng)的最小單位，它是由反應(yīng)中心色素分子、原初電子受體、次級(jí)電子受體與供體等電子傳遞體，以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質(zhì)等成分組成的。反應(yīng)中心中的原初電子受體是指直接接收反應(yīng)中心色素分子傳來(lái)電子的電子傳遞體反應(yīng)中心色素分子是光化學(xué)反應(yīng)中最先向原初電子受體供給電子的，因此反應(yīng)中心色素分子又稱原初電子供體。第十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日光系統(tǒng)‖的反應(yīng)中心

配對(duì)葉綠素

去鎂葉綠素

去鎂葉綠素副葉綠素

副葉綠素

胡蘿卜素

第十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.光化學(xué)反應(yīng)原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)實(shí)際就是由光引起的反應(yīng)中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應(yīng)，可用下式表示光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：

P·AhυP*·AP+·A－

基態(tài)反應(yīng)中心激發(fā)態(tài)反應(yīng)中心電荷分離的反應(yīng)中心

原初電子供體，即反應(yīng)中心色素(P)吸收光能后成為激發(fā)態(tài)(P*)，其中被激發(fā)的電子移交給原初電子受體(A)，使其被還原帶負(fù)電荷(A-)，而原初電子供體則被氧化帶正電荷(P+)。這樣，反應(yīng)中心出現(xiàn)了電荷分離，到這里原初反應(yīng)也就完成了。原初電子供體失去電子，有了“空穴”，成為“陷阱”，便可從次級(jí)電子供體那里爭(zhēng)奪電子；而原初電子受體得到電子，使電位值升高，供電子的能力增強(qiáng)，可將電子傳給次級(jí)電子受體。供電子給P+的還原劑叫做次級(jí)電子供體(D)，從A－接收電子的氧化劑叫做次級(jí)電子受體(A1)，那么電荷分離后反應(yīng)中心的更新反應(yīng)式可寫為：D·〔P+·A－〕·A1D+·〔P·A〕·A1－

這一過(guò)程在光合作用中不斷反復(fù)地進(jìn)行，從而推動(dòng)電子在電子傳遞體中傳遞。第十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(二)PSⅠ和PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)高等植物的兩個(gè)光系統(tǒng)有各自的反應(yīng)中心。PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心中的原初電子供體很相似，都是由兩個(gè)葉綠素a分子組成的二聚體，分別用P700、P680來(lái)表示。這里P代表色素，700、680則代表P氧化時(shí)其吸收光譜中變化最大的波長(zhǎng)位置是近700nm或680nm處(圖9)，也即用氧化態(tài)吸收光譜與還原態(tài)吸收光譜間的差值最大處的波長(zhǎng)來(lái)作為反應(yīng)中心色素的標(biāo)志。圖9菠菜反應(yīng)中心色素吸收光譜的變化照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反應(yīng)中心色素氧化，其氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收光譜差值最大變化的波長(zhǎng)所在位置分別是700nm(A)和682nm(B)。第十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日光合作用的兩個(gè)光系統(tǒng)和電子傳遞方案吸收紅光的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑和弱還原劑。吸收遠(yuǎn)紅光的光系統(tǒng)Ι（PSΙ）產(chǎn)生弱氧化劑和強(qiáng)還原劑。PSⅡ產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑氧化水，同時(shí)，PSΙ產(chǎn)生的強(qiáng)還原劑還原NADP+。第十九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日PSⅠ和PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)PSⅠ的原初電子受體是葉綠素分子(A0)，PSⅡ的原初電子受體是去鎂葉綠素分子(Pheo)，它們的次級(jí)電子受體分別是鐵硫中心和醌分子(表4-2)。PSⅠ的原初反應(yīng)：

P700·A0

hυP700*·Ａ0P700＋·A0－

(17)PSⅡ的原初反應(yīng)：P680·PheohυP680*·PheoP680+·Pheo-(18)在原初反應(yīng)中，受光激發(fā)的反應(yīng)中心色素分子發(fā)射出高能電子，完成了光→電轉(zhuǎn)變，隨后高能電子將沿著光合電子傳遞鏈進(jìn)一步傳遞。第二十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日功能與特點(diǎn)

(吸收光能光化學(xué)反應(yīng))電子最終供體次級(jí)電子供體反應(yīng)中心色素分子原初電子供體原初電子受體次級(jí)電子受體末端電子受體PSⅠ還原NADP+

，實(shí)現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞PCP700葉綠素分子(A0)鐵硫中心NADP+

(電子最終受體)PSⅡ使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。水YZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子(QA)質(zhì)體醌PQPSⅠ和PSⅡ的電子供體和受體組成第二十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)電子傳遞和光合磷酸化原初反應(yīng)的結(jié)果:使光系統(tǒng)的反應(yīng)中心發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生的高能電子推動(dòng)著光合膜上的電子傳遞。電子傳遞的結(jié)果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的還原；

另一方面建立了跨膜的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)，啟動(dòng)了光合磷酸化，形成ATP。

這樣就把電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能。第二十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日一、電子和質(zhì)子的傳遞（一）光合鏈

所謂光合鏈?zhǔn)侵付ㄎ辉诠夂夏ど系?，由多個(gè)電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。

現(xiàn)在較為公認(rèn)的是由希爾(1960)等人提出并經(jīng)后人修正與補(bǔ)充的“Z”方案，即電子傳遞是在兩個(gè)光系統(tǒng)串聯(lián)配合下完成的，電子傳遞體按氧化還原電位高低排列，使電子傳遞鏈呈側(cè)寫的“Z”形。PSII和PSI共同參與從水到NADP+電子傳遞的Z-方案模式圖光下PSII產(chǎn)生氧化水的強(qiáng)氧化劑和還原劑。與此相反，光照下PSI產(chǎn)生還原NADP+的強(qiáng)還原劑和弱氧化劑。兩個(gè)光系統(tǒng)通過(guò)電子傳遞鏈連接，使得PSI氧化劑接受PSII還原劑提供傳遞的電子。第二十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第二十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(1)電子傳遞鏈主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb６/f、PSⅠ三個(gè)復(fù)合體串聯(lián)組成。(2)電子傳遞有二處逆電勢(shì)梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆電勢(shì)梯度的電子傳遞均由聚光色素復(fù)合體吸收光能后推動(dòng)，而其余電子傳遞都是順電勢(shì)梯度的。(3)水的氧化與PSⅡ電子傳遞有關(guān)，NADP+的還原與PSⅠ電子傳遞有關(guān)。電子最終供體為水，水氧化時(shí)，向PSⅡ傳交4個(gè)電子，使2H2O產(chǎn)生1個(gè)O2和4個(gè)H+。電子的最終受體為NADP+。(4)PQ是雙電子雙H+傳遞體，它伴隨電子傳遞，把H+從類囊體膜外帶至膜內(nèi)，連同水分解產(chǎn)生的H+一起建立類囊體內(nèi)外的H+電化學(xué)勢(shì)差?！癦”方案特點(diǎn)：圖10葉綠體中的電子傳遞模式

方框代表了蛋白復(fù)合物。LHCⅠ和LHCⅡ分別是PSⅠ和PSⅡ各自的聚光色素復(fù)合體，M為含Mn的放氧復(fù)合體，實(shí)線箭頭表示非環(huán)式電子傳遞方向；虛線箭頭表示環(huán)式或假環(huán)式電子傳遞分叉處。第二十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(二)光合電子傳遞體的組成與功能1.PSⅡ復(fù)合體

PSⅡ的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。(1)PSⅡ復(fù)合體的組成與反應(yīng)中心中的電子傳遞PSⅡ是含有多亞基的蛋白復(fù)合體。它由聚光色素復(fù)合體Ⅱ、中心天線、反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體、細(xì)胞色素和多種輔助因子組成。PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式圖示意PSII反應(yīng)中心D1蛋白和D2蛋白的結(jié)構(gòu)。

D1很容易受到光化學(xué)破壞，會(huì)發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個(gè)質(zhì)體醌QA和QB。P680+在“Z”傳遞鏈中被D1亞基中酪氨酸殘基還原。圖中還表明了Mn聚集體(MSP)對(duì)水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結(jié)合蛋白。第二十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日PSⅡ反應(yīng)中心的核心部分是分子量分別為32000和34000的D1和D2兩條多肽。反應(yīng)中心的次級(jí)電子供體Z、中心色素P680、原初電子受體Pheo、次級(jí)電子受體QA、QB等都結(jié)合在D1和D2上。其中與D1結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QB，與D2結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QA。這里的Q有雙重涵義，既是醌(quinone)的字首，又是熒光猝滅劑(quencher)的字首。

組成中心天線的CP47和CP43是指分子量分別為47000、43000并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復(fù)合體，它們圍繞P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能傳至PSⅡ反應(yīng)中心，所以被稱為中心天線或“近側(cè)天線”。第二十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日QA是單電子體傳遞體，每次反應(yīng)只接受一個(gè)電子生成半醌(圖11)，它的電子再傳遞至QB，QB是雙電子傳遞體，QB可兩次從QA接受電子以及從周圍介質(zhì)中接受2個(gè)H+而還原成氫醌(QH2)

。這樣生成的氫醌可以與醌庫(kù)的PQ交換，生成PQH2。第二十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)體醌的結(jié)構(gòu)和電子傳遞A.質(zhì)體醌有一個(gè)醌的頭和一個(gè)長(zhǎng)的非極性的尾，尾部使質(zhì)體醌定位于膜中B.(質(zhì))醌的氧化還原反應(yīng)；第二十九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(2)水的氧化與放氧CO２+2H２O*

光葉綠體

(CH２O)+O2*+H２O放氧復(fù)合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。水的氧化反應(yīng)是生物界中植物光合作用特有的反應(yīng)，也是光合作用中最重要的反應(yīng)之一。每釋放1個(gè)O２需要從2個(gè)H2O中移去4個(gè)e-，同時(shí)形成4個(gè)H＋。第三十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.質(zhì)醌質(zhì)醌(PQ)也叫質(zhì)體醌，是PSⅡ反應(yīng)中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復(fù)合體與Cytb６/f復(fù)合體間的電子傳遞體。質(zhì)體醌在膜中含量很高，約為葉綠素分子數(shù)的5%～10%，故有“PQ庫(kù)”之稱。質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子傳遞體，氧化態(tài)的質(zhì)體醌可在膜的外側(cè)接收由PSⅡ(也可是PSⅠ)傳來(lái)的電子，同時(shí)與H＋結(jié)合；還原態(tài)的質(zhì)體醌在膜的內(nèi)側(cè)把電子傳給Cytb６/f，氧化時(shí)把H＋釋放至膜腔。這對(duì)類囊體膜內(nèi)外建立質(zhì)子梯度起著重要的作用。第三十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日3.Cytb６/f復(fù)合體Cytb６/f復(fù)合體作為連接PSⅡ與PSⅠ兩個(gè)光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由4個(gè)多肽組成，即Cytf、Cytb、Rieske鐵-硫蛋白、17kD的多肽等。PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ+2PC(Cu＋)+2H＋Cytb６/f復(fù)合體主要催化PQH２的氧化和PC的還原，并把質(zhì)子從類囊體膜外間質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)腔中。因此Cytb６/f復(fù)合體又稱PQH２·PC氧還酶。第三十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日4.質(zhì)藍(lán)素質(zhì)藍(lán)素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時(shí)呈藍(lán)色。它是介于Cytb６/f復(fù)合體與PSⅠ之間的電子傳遞成員。通過(guò)蛋白質(zhì)中銅離子的氧化還原變化來(lái)傳遞電子。第三十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日5.PSⅠ復(fù)合體PSⅠ的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的還原劑，用于還原NADP+，實(shí)現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞。第三十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日高等植物的PSⅠ由反應(yīng)中心和LHCⅠ等組成。反應(yīng)中心內(nèi)含有11～12個(gè)多肽，其中在A和B兩個(gè)多肽上結(jié)合著P700及A0、A1、FX、FA、FB等電子傳遞體。每一個(gè)PSⅠ復(fù)合體中含有兩個(gè)LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能傳給PSⅠ的反應(yīng)中心。第三十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日模式圖中顯示了復(fù)合體中以A和B命名的兩個(gè)主要的蛋白質(zhì)亞基psaA和psaB的分布狀況。

電子從P700傳遞到葉綠素分子A0，然后到電子受體A1。電子傳遞穿過(guò)一系列的被命名為FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心，最后到達(dá)可溶性鐵硫蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質(zhì)藍(lán)素（PC）中接受電子。

psaF，psaD和psaE幾個(gè)PSI亞基參與可溶性電子傳遞底物與PSI復(fù)合體的結(jié)合。PSI反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式第三十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日6.鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶鐵氧還蛋白(Fd)和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶(FNR)都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。FNR中含1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黃素的氧化還原來(lái)傳遞H+。因其與Fd結(jié)合在一起，所以稱Fd-NADP＋還原酶。FNR是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶，接收Fd傳來(lái)的電子和基質(zhì)中的H＋，還原NADP＋為NADPH，反應(yīng)式可用下式表示：

2Fd還原+NADP＋+H＋FNR2Fd氧化

+NADPH第三十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日7.光合膜上的電子與H+的傳遞圖15光合膜上的電子與質(zhì)子傳遞

圖中經(jīng)非環(huán)式電子傳遞途徑傳遞4個(gè)e-產(chǎn)生2個(gè)NADPH和3個(gè)ATP是根據(jù)光合作用總方程式推算出的。在光反應(yīng)中吸收8個(gè)光量子(PSⅠ與PSⅡ各吸收4個(gè))，傳遞4個(gè)e－能分解2個(gè)H2O，釋放1個(gè)O2，同時(shí)使類囊體膜腔增加8個(gè)H＋，又因?yàn)槲?個(gè)光量子能同化1個(gè)CO2，而在暗反應(yīng)中同化1個(gè)CO2需消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPH，也即傳遞4個(gè)e-，

可還原2個(gè)NADPH，經(jīng)ATP酶流出8個(gè)H+要合成3個(gè)ATP。第三十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日光合膜上的電子與質(zhì)子傳遞概況紅線表示電子傳遞，黑線表示質(zhì)子傳遞，藍(lán)線質(zhì)子越膜運(yùn)輸?shù)谌彭?yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(三)光合電子傳遞的類型根據(jù)電子傳遞到Fd后去向，將光合電子傳遞分為三種類型。1.非環(huán)式電子傳遞指水中的電子經(jīng)PSⅡ與PSⅠ一直傳到NADP＋的電子傳遞途徑H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋

按非環(huán)式電子傳遞，每傳遞4個(gè)e-，分解2個(gè)H2O，釋放1個(gè)O2，還原2個(gè)NADP+，需吸收8個(gè)光量子，量子產(chǎn)額為1/8，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)8個(gè)H+進(jìn)類囊體腔。第四十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.環(huán)式電子傳遞(1)PSⅠ中環(huán)式電子傳遞：由經(jīng)Fd經(jīng)PQ，Cytb6/fPC等傳遞體返回到PSⅠ而構(gòu)成的循環(huán)電子傳遞途徑。即：

PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ

環(huán)式電子傳遞不發(fā)生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜運(yùn)輸，可產(chǎn)生ATP，每傳遞一個(gè)電子需要吸收一個(gè)光量子。(2)PSⅡ中環(huán)式電子傳遞：

電子是從QB經(jīng)Cytb559，然后再回到P680。即：

P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→P680

也有實(shí)驗(yàn)指出PSⅡ中環(huán)式電子傳遞為：

P680→Cytb559→Pheo→P680Cytb559第四十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日3.假環(huán)式電子傳遞指水中的電子經(jīng)PSⅠ與PSⅡ傳給Fd后再傳給O２的電子傳遞途徑，這也叫做梅勒反應(yīng)(Mehler′sreaction)。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→O２Fd還原

+O2Fd氧化

+O2葉綠體中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-。

O2-+O2-+2H2SOD2H2O2+O2假環(huán)式電子傳遞實(shí)際上也是非環(huán)式電子傳遞，也有H+的跨膜運(yùn)輸，只是電子的最終受體不是NADP＋而是O２。第四十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日二、光合磷酸化1954年阿農(nóng)等人用菠菜葉綠體，弗倫克爾(A.M.Frenkel)用紫色細(xì)菌的載色體相繼觀察到，光下向葉綠體或載色體體系中加入ADP與Pi則有ATP產(chǎn)生。從此，人們把光下在葉綠體(或載色體)中發(fā)生的由ADP與Pi合成ATP的反應(yīng)稱為光合磷酸化。第四十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(一)光合磷酸化的類型１.非環(huán)式光合磷酸化

與非環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。非環(huán)式光合磷酸化與吸收量子數(shù)的關(guān)系可用下式表示。2NADP+＋3ADP＋3Pi8hυ葉綠體

2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O在進(jìn)行非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)中，體系除生成ATP外，同時(shí)還有NADPH的產(chǎn)生和氧的釋放。非環(huán)式光合磷酸化僅為含有基粒片層的放氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。２.環(huán)式光合磷酸化

與環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。ADP＋Pi光葉綠體

ATP＋H２O環(huán)式光合磷酸化是非光合放氧生物光能轉(zhuǎn)換的唯一形式，主要在基質(zhì)片層內(nèi)進(jìn)行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能起著補(bǔ)充ATP不足的作用。第四十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日３.假環(huán)式光合磷酸化

與假環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。此種光合磷酸化既放氧又吸氧，還原的電子受體最后又被氧所氧化。

H２O+ADP＋Pi光葉綠體

ATP+O2-·＋4H+第四十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(二)光合磷酸化的機(jī)理１.光合磷酸化與電子傳遞的關(guān)系--偶聯(lián)

三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯(lián)：如在葉綠體體系中加入電子傳遞抑制劑,光合磷酸化就會(huì)停止；在偶聯(lián)磷酸化時(shí)，電子傳遞則會(huì)加快，所以在體系中加入磷酸化底物會(huì)促進(jìn)電子的傳遞和氧的釋放。(發(fā)生電子傳遞而不伴隨磷酸化作用稱解偶聯(lián))磷酸化和電子傳遞的關(guān)系偶聯(lián)可用ATP/e２或P/O來(lái)表示。ATP/e２:表示每對(duì)電子通過(guò)光合電子傳遞鏈而形成的ATP分子數(shù)；P/O：表示光反應(yīng)中每釋放1個(gè)氧原子所能形成的ATP分子數(shù)。比值越大，表示磷酸化與電子傳遞偶聯(lián)越緊密。如按8個(gè)H+形成3個(gè)ATP算，即傳遞2對(duì)電子放1個(gè)O2，能形成3個(gè)ATP，即ATP/e２或P/O理論值為1.5，而實(shí)測(cè)值在0.9～1.3之間。第四十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)

關(guān)于光合磷酸化的機(jī)理有多種學(xué)說(shuō)，如中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)、變構(gòu)學(xué)說(shuō)、化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)等，其中被廣泛接受的是化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)(chemiosmotictheory)由英國(guó)的米切爾(Mitchell

1961)提出，該學(xué)說(shuō)假設(shè)能量轉(zhuǎn)換和偶聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①由磷脂和蛋白多肽構(gòu)成的膜對(duì)離子和質(zhì)子的透過(guò)具有選擇性②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜③膜上有偶聯(lián)電子傳遞的質(zhì)子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)④膜上有轉(zhuǎn)移質(zhì)子的ATP酶在解釋光合磷酸化機(jī)理時(shí)，該學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會(huì)伴隨膜內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)力(protonmotiveforce,pmf)，并由質(zhì)子動(dòng)力推動(dòng)ＡＴＰ的合成。許多實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了這一學(xué)說(shuō)的正確性。第四十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第四十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第四十九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(1)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)①兩階段光合磷酸化實(shí)驗(yàn)

指光合磷酸化可以相對(duì)分成照光階段和暗階段來(lái)進(jìn)行，照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而斷光時(shí)再加入底物能形成ATP的實(shí)驗(yàn)。1962年，中國(guó)的沈允鋼等人，用此實(shí)驗(yàn)探測(cè)到光合磷酸化高能態(tài)(Z*)的存在。1963年賈格道夫(Jagendorf)等也觀察到了光合磷酸化高能態(tài)的存在。起初認(rèn)為Z*是一種化學(xué)物質(zhì)，以此提出了光合磷酸化中間物學(xué)說(shuō)?，F(xiàn)在知道高能態(tài)即為膜內(nèi)外的H+電化學(xué)勢(shì)。所謂兩階段光合磷酸化，其實(shí)質(zhì)是光下類囊體膜上進(jìn)行電子傳遞產(chǎn)生了跨膜的H+電化學(xué)勢(shì)，暗中利用H+電化學(xué)勢(shì)將加入的ADP與Pi合成ATP。第五十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日②酸-堿磷酸化實(shí)驗(yàn)賈格道夫等(1963)在暗中把葉綠體的類囊體放在pＨ4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的ｐＨ下降至4，然后加進(jìn)pH8和含有ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內(nèi)外之間產(chǎn)生一個(gè)H+梯度。這個(gè)H＋梯度能使ADP與Pi生成ATP，而這時(shí)并不照光，也沒有電子傳遞。這種驅(qū)動(dòng)ATP合成的類囊體內(nèi)外的pH差在活體中正是由光合電子傳遞和H+轉(zhuǎn)運(yùn)所形成的。這一酸-堿磷酸化實(shí)驗(yàn)給化學(xué)滲透假說(shuō)以最重要的支持證據(jù)。第五十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日③光下類囊體吸收質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)對(duì)無(wú)pH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用pH計(jì)可測(cè)到懸浮液的pH升高。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質(zhì)子向類囊體膜腔運(yùn)輸，使得膜內(nèi)H+濃度高而膜外較低的緣故。電子傳遞產(chǎn)生了質(zhì)子梯度后，質(zhì)子就有反向跨膜轉(zhuǎn)移的趨向，質(zhì)子反向轉(zhuǎn)移時(shí)，質(zhì)子梯度所貯藏的能量就被用去合成ATP。以上實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了米切爾的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的正確性，因而米切爾獲得了1978年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第五十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(2)H+電化學(xué)勢(shì)與質(zhì)子動(dòng)力e－傳遞與H+向膜內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn),還會(huì)引起類囊體膜的電勢(shì)變化，從而產(chǎn)生H+電化學(xué)勢(shì)差(ΔμH+)：ΔμH+=μH+內(nèi)-μH+外

=RT(ln[H+內(nèi)]-ln[H+外])+F(E內(nèi)-E外)=RTln([H+內(nèi)]/[H+外])+FΔE=2.3RTΔpH+FΔE式中R——?dú)怏w常數(shù)，T——絕對(duì)溫度(K)，F(xiàn)——法拉第常數(shù)，ΔE——膜電勢(shì)(V)25℃時(shí)，ΔμH+=5.7ΔpH(kJ·mol-1)+96.5ΔE(kJ·mol-1)

將式4-31兩邊用F(96.5kJ·mol－1·V－1)除，規(guī)定△μH+/F為質(zhì)子動(dòng)力，其單位為電勢(shì)(V)。在25℃時(shí)：pmf=0.059ΔpH+ΔE

葉綠體類囊體膜的質(zhì)子動(dòng)力大部分是來(lái)自ΔpH部分，電荷分布所產(chǎn)生的ΔE的貢獻(xiàn)很小，原因是其它離子，如Cl－、K+或Mg2+也能穿透類囊體膜，當(dāng)H+穿透類囊體膜時(shí)，Cl－可以與H+同向穿透，或Mg2+與H+(1Mg2+/2H+)反向穿透，這樣就保持了電中性，結(jié)果不產(chǎn)生電勢(shì)差。第五十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日3.ATP合成的部位——ATP酶

質(zhì)子反向轉(zhuǎn)移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上進(jìn)行的。ATP酶又叫ATP合成酶，也稱偶聯(lián)因子或CF1-CFo復(fù)合體。葉綠體的ATP酶由兩個(gè)蛋白復(fù)合體組成：一個(gè)是突出于膜表面的親水性的“CF1”；另一個(gè)是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。ATP酶由九種亞基組成，分子量為550000左右，催化的反應(yīng)為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶還可以催化逆反應(yīng)，即水解ATP，并偶聯(lián)H+向類囊體膜內(nèi)運(yùn)輸。第五十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日α亞基和β亞基交替排列組成“六角形”的“頭部”，γ亞基位于“六角形”的中央空隙，δ亞基位于“柄部”，ε亞基與γ亞基與CF0結(jié)合。α亞基有結(jié)合核苷酸的部位，在進(jìn)行催化時(shí)可能發(fā)生構(gòu)象變化；β亞基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亞基控制CF1轉(zhuǎn)動(dòng)和質(zhì)子流；δ亞基也許與CF0的結(jié)合有關(guān)；ε亞基似乎能抑制CF1-CFo復(fù)合體在暗中的活性，防止ATP的水解。δ和ε亞基還有阻塞經(jīng)CFo的質(zhì)子泄漏的作用。CF1CF1的分子量約400000，它含有α,β,γ,δ和ε5種亞基。α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1第五十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日CFo

含有四個(gè)亞基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是多聚體，可能含有15個(gè)多肽。Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ＝1:1:12:1Ⅰ和Ⅱ組成柄，Ⅲ形成質(zhì)子通道，Ⅳ亞基的功能可能與建立質(zhì)子轉(zhuǎn)移通道或與結(jié)合CF1有關(guān)。當(dāng)類囊體膜失去CF1后，就失去磷酸化功能，如果重新加進(jìn)CF1即可恢復(fù)磷酸化功能。失去了CF1的類囊體膜會(huì)泄漏質(zhì)子。但是一旦將CF1加回到膜上或是加進(jìn)CFo的抑制劑后，質(zhì)子泄漏就停止了。這表明CFo是質(zhì)子的“通道”，供應(yīng)質(zhì)子給CF1去合成ATP。

至于CF1如何利用H＋越膜所釋放的能量來(lái)合成ATP，雖有很多假說(shuō)，但都需進(jìn)一步驗(yàn)證。當(dāng)前起主導(dǎo)的假說(shuō)為結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制的變構(gòu)學(xué)說(shuō)第五十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制的變構(gòu)學(xué)說(shuō)

該學(xué)說(shuō)由PaulBoyer提出，他認(rèn)為，在ATP形成過(guò)程中，與ATP合成酶的3個(gè)β亞基各具一定的構(gòu)象，分別稱為緊繃(tight)、松馳(loose)和開放(open)，各自對(duì)應(yīng)于底物結(jié)合、產(chǎn)物形成和產(chǎn)物釋放的三個(gè)過(guò)程(見圖)。ATP合成的結(jié)合轉(zhuǎn)化機(jī)制

γ-亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)引起β亞基的構(gòu)象依緊繃(T)、松馳(L)和開放(O)的順序變化，完成ADP和Pi的結(jié)合、ATP的形成以及ATP的釋放三個(gè)過(guò)程。第五十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日構(gòu)象的相互依次轉(zhuǎn)化是和質(zhì)子的通過(guò)引起γ亞基的旋轉(zhuǎn)相偶聯(lián)的。當(dāng)質(zhì)子順質(zhì)子電化學(xué)梯度流過(guò)Fo，使γ亞基轉(zhuǎn)動(dòng)，γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)引起β亞基的構(gòu)象依緊繃(T)、松馳(L)和開放(O)的順序改變，使ATP得以合成并從復(fù)合體上釋放。。具體說(shuō)，ADP和Pi與的開放狀態(tài)的β亞基結(jié)合；在質(zhì)子流的推動(dòng)下γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)使β亞基轉(zhuǎn)變?yōu)樗神Y狀態(tài)并在較少能量變化情況下，ADP和Pi自發(fā)地形成ATP，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榫o繃狀態(tài)；β亞基繼續(xù)變構(gòu)成松馳狀態(tài)，使ATP的釋放，并可以再次結(jié)合ADP和Pi進(jìn)行下一輪的ATP合成。在ATP合成的整個(gè)過(guò)程中，能量消耗的步驟主要在ATP的釋放，而不是ATP的合成。第五十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日按照Boyer的結(jié)合改變機(jī)理或旋轉(zhuǎn)理論，CF1的3個(gè)亞基應(yīng)是均等地參與催化反應(yīng)。但有人對(duì)此持有不同看法，并已發(fā)現(xiàn)了一些CF1的3個(gè)亞基不是均等地參與催化反應(yīng)的證據(jù)，于是提出了非旋轉(zhuǎn)的2點(diǎn)催化機(jī)理與之抗?fàn)?。深信這些爭(zhēng)論將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)ATP合酶結(jié)構(gòu)功能研究的深入和發(fā)展。第五十九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日4.光合磷酸化的抑制劑葉綠體進(jìn)行光合磷酸化，必須：(1)類囊體膜上進(jìn)行電子傳遞；（2)類囊體膜內(nèi)外有質(zhì)子梯度；(3)有活性的ATP酶。破壞這三個(gè)條件之一的試劑都能使光合磷酸化中止，這些試劑也就成了光合磷酸化的抑制劑。(1)電子傳遞抑制劑

指抑制光合電子傳遞的試劑，如羥胺(NH2OH)切斷水到PSⅡ的電子流，DCMU抑制從PSⅡ上的Q到PQ的電子傳遞；KCN和Hg等則抑制PC的氧化。一些除草劑如西瑪津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、異草定(isocil)等也是電子傳遞抑制劑，它們通過(guò)阻斷電子傳遞抑制光合作用來(lái)殺死植物。(2)解偶聯(lián)劑

指解除磷酸化反應(yīng)與電子傳遞之間偶聯(lián)的試劑。常見的這類試劑有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonylcyanide-3-chlorophenylhydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短桿菌肽D、尼日利亞菌素、NH＋４等，這些試劑可以增加類囊體膜對(duì)質(zhì)子的透性或增加偶聯(lián)因子滲漏質(zhì)子的能力，其結(jié)果是消除了跨膜的H+電化學(xué)勢(shì)，而電子傳遞仍可進(jìn)行，甚至速度更快(因?yàn)橄藘?nèi)部高H＋濃度對(duì)電子傳遞的抑制)，但磷酸化作用不再進(jìn)行。(3)能量傳遞抑制劑

指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的試劑，如二環(huán)己基碳二亞胺(DCCD)、對(duì)氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo下標(biāo)的o就是表明其對(duì)寡霉素oligomycin敏感)。它們都抑制了ATP酶活性從而阻斷光合磷酸化。第六十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日

百草枯（一種除草劑）2,5－二溴－3－甲基－6－異丙基－對(duì)苯醌光合電子傳遞鏈的三種抑制劑DCMU、DBMIB和百草枯的化學(xué)結(jié)構(gòu)。葉綠體電子傳遞鏈的抑制劑作用位點(diǎn)。DCMU和DBMIB阻止電子傳遞反應(yīng)，而還原態(tài)的百草枯自動(dòng)氧化為基本離子，導(dǎo)致超氧和其他活性氧種類的形成。第六十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日三、光反應(yīng)中的光能轉(zhuǎn)化效率光能轉(zhuǎn)化效率是指光合產(chǎn)物中所貯存的化學(xué)能占光合作用所吸收的有效輻射能的百分率。光反應(yīng)中，植物把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能貯藏在ATP和NADPH中。每形成1molATP需要約50kJ能量，每形成1molNADPH便有2mole－從0.82V(H2O/O2氧化還原電位)上升到－0.32V(NADPH電位)。這一過(guò)程的自由能變化為G=－nF△E=－2×96.5×(－1.14)=220kJ如果按非環(huán)式電子傳遞,式(4-27)每吸收8mol光量子形成2molNADPH和3molATP來(lái)考慮，在光反應(yīng)中吸收的能量按680nm波長(zhǎng)的光計(jì)算，則8mol光量子的能量(E２)為：E２=hNC/λ×8=6.626×10－３４Ｊ·s×6.023×１０２３×(3.0×108m·s－１／６８０×１０－９m)×8=1410kJ8mol光子可轉(zhuǎn)化成的化學(xué)能(E１)E１=220kJ×2+50kJ×3=590kJ能量轉(zhuǎn)化率=(光反應(yīng)貯存的化學(xué)能/吸收的光能)=E1/E2=590kJ/1410kJ≈0.42=42%第六十二頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日第六十三頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(二)光合電子傳遞體的組成與功能1.PSⅡ復(fù)合體

PSⅡ的生理功能是吸收光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。(1)PSⅡ復(fù)合體的組成與反應(yīng)中心中的電子傳遞PSⅡ是含有多亞基的蛋白復(fù)合體。它由聚光色素復(fù)合體Ⅱ、中心天線、反應(yīng)中心、放氧復(fù)合體、細(xì)胞色素和多種輔助因子組成。PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式圖示意PSII反應(yīng)中心D1蛋白和D2蛋白的結(jié)構(gòu)。

D1很容易受到光化學(xué)破壞，會(huì)發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個(gè)質(zhì)體醌QA和QB。P680+在“Z”傳遞鏈中被D1亞基中酪氨酸殘基還原。圖中還表明了Mn聚集體(MSP)對(duì)水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結(jié)合蛋白。第六十四頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日PSⅡ反應(yīng)中心的核心部分是分子量分別為32000和34000的D1和D2兩條多肽。反應(yīng)中心的次級(jí)電子供體Z、中心色素P680、原初電子受體Pheo、次級(jí)電子受體QA、QB等都結(jié)合在D1和D2上。其中與D1結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QB，與D2結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QA。這里的Q有雙重涵義，既是醌(quinone)的字首，又是熒光猝滅劑(quencher)的字首。

組成中心天線的CP47和CP43是指分子量分別為47000、43000并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復(fù)合體，它們圍繞P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能傳至PSⅡ反應(yīng)中心，所以被稱為中心天線或“近側(cè)天線”。第六十五頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日QA是單電子體傳遞體，每次反應(yīng)只接受一個(gè)電子生成半醌(圖11)，它的電子再傳遞至QB，QB是雙電子傳遞體，QB可兩次從QA接受電子以及從周圍介質(zhì)中接受2個(gè)H+而還原成氫醌(QH2)

。這樣生成的氫醌可以與醌庫(kù)的PQ交換，生成PQH2。第六十六頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)體醌的結(jié)構(gòu)和電子傳遞A.質(zhì)體醌有一個(gè)醌的頭和一個(gè)長(zhǎng)的非極性的尾，尾部使質(zhì)體醌定位于膜中B.(質(zhì))醌的氧化還原反應(yīng)；第六十七頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日(2)水的氧化與放氧CO２+2H２O*

光葉綠體

(CH２O)+O2*+H２O放氧復(fù)合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。水的氧化反應(yīng)是生物界中植物光合作用特有的反應(yīng)，也是光合作用中最重要的反應(yīng)之一。每釋放1個(gè)O２需要從2個(gè)H2O中移去4個(gè)e-，同時(shí)形成4個(gè)H＋。第六十八頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日20世紀(jì)60年代，法國(guó)的喬利爾特(P.Joliot)發(fā)明了能靈敏測(cè)定微量氧變化的極譜電極，用它測(cè)定小球藻的光合放氧反應(yīng)。他們將小球藻預(yù)先保持在暗中，然后給以一系列的瞬間閃光照射(如每次閃光5～10μs，間隔300ms)。發(fā)現(xiàn)閃光后氧的產(chǎn)量是不均量的，是以4為周期呈現(xiàn)振蕩，即第一次閃光后沒有O２的釋放，第二次釋放少量O２，第三次O２的釋放達(dá)到高峰，每4次閃光出現(xiàn)1次放氧峰(圖12)。用高等植物葉綠體實(shí)驗(yàn)得到同樣的結(jié)果。圖12系列閃光對(duì)小球藻放氧量的影響在第三個(gè)閃光階段氧形成量最大，以后每四個(gè)閃光都可以看到一個(gè)周期性的峰值。氧形成量大約在第20個(gè)閃光后體系放O２的周期性會(huì)逐漸消失，放O２量達(dá)到某一平穩(wěn)的數(shù)值。

(Joliot，1965)第六十九頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日科克(B.Kok，1970)等人根據(jù)這一事實(shí)提出了關(guān)于H２O裂解放氧的“四量子機(jī)理假說(shuō)”：①PSⅡ的反應(yīng)中心與H２O之間存在一個(gè)正電荷的貯存處(S)②每次閃光，S交給PSⅡ反應(yīng)中心1個(gè)e－；③當(dāng)S失去4e－帶有4個(gè)正電荷時(shí)能裂解2個(gè)H２O釋放1個(gè)O２(圖13)，圖中S即為M，按照氧化程度(即帶正電荷的多少)從低到高的順序，將不同狀態(tài)的M分別稱為S０、S１、S２、S３和S４。即S０不帶電荷，S１帶1個(gè)正電荷，……S4帶4個(gè)正電荷。每一次閃光將狀態(tài)S向前推進(jìn)一步，直至S４。然后S４從2個(gè)H２O中獲取4個(gè)e－，并回到S０。圖13在水裂解放氧中的S狀態(tài)變化

(修改過(guò)的Kok水氧化鐘模型，注明了H＋的釋放部位)第七十頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日2.質(zhì)醌質(zhì)醌(PQ)也叫質(zhì)體醌，是PSⅡ反應(yīng)中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復(fù)合體與Cytb６/f復(fù)合體間的電子傳遞體。質(zhì)體醌為脂溶性分子，能在類囊體膜中自由移動(dòng)，轉(zhuǎn)運(yùn)電子與質(zhì)子。質(zhì)體醌在膜中含量很高，約為葉綠素分子數(shù)的5%～10%，故有“PQ庫(kù)”之稱。PQ庫(kù)作為電子、質(zhì)子的緩沖庫(kù)，能均衡兩個(gè)光系統(tǒng)間的電子傳遞(如當(dāng)一個(gè)光系統(tǒng)受損時(shí)，使另一光系統(tǒng)的電子傳遞仍能進(jìn)行)，可使多個(gè)PSⅡ復(fù)合體與多個(gè)Cytb６/f復(fù)合體發(fā)生聯(lián)系，使得類囊體膜上的電子傳遞成網(wǎng)絡(luò)式地進(jìn)行。質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子傳遞體，氧化態(tài)的質(zhì)體醌可在膜的外側(cè)接收由PSⅡ(也可是PSⅠ)傳來(lái)的電子，同時(shí)與H＋結(jié)合；還原態(tài)的質(zhì)體醌在膜的內(nèi)側(cè)把電子傳給Cytb６/f，氧化時(shí)把H＋釋放至膜腔。這對(duì)類囊體膜內(nèi)外建立質(zhì)子梯度起著重要的作用。第七十一頁(yè)，共八十一頁(yè)，2022年，8月28日3.Cytb６/f復(fù)合體Cytb６/f復(fù)合體作為連接PSⅡ與PSⅠ兩個(gè)光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由4個(gè)多肽組成，即Cytf、Cytb、Rieske鐵-硫蛋白、17kD的多肽等。PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ+2PC(Cu