第3章 光合作用

第三章植物的光合作用photosynthesis

綠色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機(jī)物并釋放氧氣的過(guò)程，稱為光合作用。

自養(yǎng)生物吸收二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程，稱為碳素同化作用（carbonassimilation）。

碳素同化作用包括化能合成作用、細(xì)菌光合作用和綠色植物光合作用三種類型。綠色植物的光合作用中最廣泛，合成的碳水化合物最多，與人類的關(guān)系也最密切。第一節(jié)光合作用的重要性和研究歷史一、光合作用的重要性1、把無(wú)機(jī)物變成有機(jī)物：為各種生命提供能源與碳源。2、光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能：積蓄太陽(yáng)能，為人類提供營(yíng)養(yǎng)和能源。如煤炭、天然氣和石油。3、維持大氣O2與CO2的相對(duì)平衡：維持自然界的氣體平衡。有機(jī)物光合作用CO2+H2OO2+(CH2O)n二氧化碳氧氣水生命科學(xué)的重大基礎(chǔ)理論問題四大危機(jī)：人口、糧食，能源，環(huán)境。能源植物

為了開辟太陽(yáng)能利用新途徑，1973年美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者卡爾文博士，提出種植能源作物設(shè)想。他把通過(guò)光合作用高效產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏闹参锝y(tǒng)稱為能源植物。目前全世界已知的能源植物有數(shù)千種，它們可以作為石油一樣的能源資源進(jìn)行開發(fā)利用。

甜高粱，也叫“二代甘蔗”。因?yàn)樗线呴L(zhǎng)糧食，下邊長(zhǎng)甘蔗。株高5米，莖稈直徑達(dá)4厘米－5厘米，莖稈含糖量很高，因而甘甜可口，可與南方甘蔗媲美。甜高粱可以生食、制糖、制酒，也可以加工成優(yōu)質(zhì)飼料。畝產(chǎn)甘蔗2萬(wàn)公斤，產(chǎn)籽種450公斤。它上邊長(zhǎng)糧食，下邊長(zhǎng)甘蔗，葉子可作飼草喂牲口，高粱穗脫粒以后所剩的苗子還可以制作笤帚、掃帚、炊帚，真可謂全身是寶。菠菜發(fā)電據(jù)《自然》雜志網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員參照太陽(yáng)能電池的制造原理，利用生物技術(shù)手段發(fā)明了一種以植物蛋白為能量來(lái)源的新型電池?？茖W(xué)家們從菠菜葉的葉綠體中分離出多種蛋白質(zhì)，并將蛋白質(zhì)放到內(nèi)有兩層導(dǎo)電物質(zhì)的一個(gè)特殊裝置中間，制成電池。節(jié)約能源，從自身做起！二、光合作用研究簡(jiǎn)史1、早期的歷史記載（1）VanHelmont(15771644),做了柳樹枝條實(shí)驗(yàn)，證明植物的營(yíng)養(yǎng)是水。（2）Woodward(1669)用各種水種植柳條重復(fù)了VanHelmont的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為在植物體的構(gòu)成中不僅有水，還有來(lái)自于土壤中的一些物質(zhì)。（3）StephenHales(16771761)（英）在1727年所著書（“VegetableStatics”）中推測(cè)植物營(yíng)養(yǎng)靠空氣，即指出植物可能從空氣中得到營(yíng)養(yǎng)。（4）蘇聯(lián)學(xué)者Lomonosov也曾提出類似植物營(yíng)養(yǎng)靠空氣的思想。2、對(duì)光合作用的科學(xué)認(rèn)識(shí)階段

人類第一次認(rèn)識(shí)光合作用是,英國(guó)的牧師J.普里斯特利（Priestley）在1771年發(fā)現(xiàn)植物可以恢復(fù)因蠟燭燃燒而變“壞”了的空氣。1773年荷蘭醫(yī)生英根胡茲(Ingen-Housz)證明只有植物的綠色部分在光下才能起使空氣變“好”的作用，綠色植物生成O2需要光。

1804年瑞士索緒爾(deSaussure)通過(guò)定量研究進(jìn)一步證實(shí)CO2和水是植物生長(zhǎng)的原料,光合作用氣體交換在化學(xué)劑量上收支是平衡的。1860年左右，人們就已經(jīng)用CO2+H2O→(CH2O)+O2表示植物利用光能的總過(guò)程。1862年薩克斯(Juliusvonsachs)證明淀粉是光合作用的產(chǎn)物。光合作用在1893年前，人們用assimilation（同化）或者assimilationofcarbon（碳同化）一詞，同化一詞來(lái)源于動(dòng)物學(xué)研究，很容易造成混淆。1893年，CharlesBarnes提出了photosynthesis和photosyntax.一詞，后來(lái)人們認(rèn)為photosynthesis比較好。3、植物光合作用的近代研究歷史————國(guó)外歷史

WeshouldrecognizetwogiantsinthehistoryofphotosynthesisresearchCornelisB.vanNiel(foranoxygenicphotosynthesis),andRobertHill(foroxygenicphotosynthesis).范尼爾CornelisB.vanNiel(1897–1985)

20世紀(jì)30年代，范尼爾發(fā)現(xiàn)有些細(xì)菌可在無(wú)氧條件下利用光能進(jìn)行與綠色光合作用類似的反應(yīng)。但它們是從硫化氫等而不是從水取得還原二氧化碳的氫，也不釋放氧氣。他把這個(gè)反應(yīng)稱為細(xì)菌光合作用。反應(yīng)方程式為2H2S+CO2=CH2O+H2O+2S還有的細(xì)菌以乳酸作為電子受體。1941年Niel將光合作用寫成一個(gè)通用的公式。2H2D+CO2=CH2O+H2O+2D。

范尼爾（vanNiel）發(fā)現(xiàn)了不放氧的光合作用范尼爾還用含有O18的水作為放射性標(biāo)記，進(jìn)行光合作用，發(fā)現(xiàn)光合放出的氧氣的氧全部具有放射性，說(shuō)明光合放出的氧氣的氧來(lái)源于水。RobinHill(1899～?)

1934年英國(guó)學(xué)者Hill將葉綠體從細(xì)胞中提取出來(lái)，并在體外證實(shí)了葉綠體可以進(jìn)行了光合作用，是進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。1960年他還提出了光合作用電子傳遞的“Z”字形模式。RobertEmerson(1903-1959)DiscoveryofPhotosyntheticUnit(1932)Minimumquantaneededperoxygenmoleculeare8-12(1941-1958)EnhancementEffectandtwolightreaction/twophotosystemconcept(1957-1959)WilliamArnold(1904-2001)1PhotosyntheticUnit,withhisProfessor,Emerson(1932)2ExcitationenergymigrationthroughdepolarizationofChlfluorescence.OttoWarburg(1883-1970)Warburg是德國(guó)人，研究呼吸作用的開創(chuàng)者，因發(fā)現(xiàn)了呼吸酶而獲得1931Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他在光合作用研究方面也作出了不少貢獻(xiàn)：Theminimumquantumrequirementfor1moleculeofO2inphotosynthesisis3-4(1923-1969)Discovererofmanyphenomenainphotosynthesis(includingchlorideandbicarbonateeffectsintheHillreaction).Emerson和Arnold的最大貢獻(xiàn)是提出了光合單位的概念，明確大部分光合色素起天線作用，只有少數(shù)在反應(yīng)中心的葉綠素可進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。Emerson：愛默生效應(yīng)Warburg:和Blackman提出將光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩大步驟。20世紀(jì)中光合作用研究取得的巨大成就，光合作用研究在20世紀(jì)獲得的直接和間接的Nobel獎(jiǎng)有8個(gè)之多。德國(guó)化學(xué)家威爾斯泰特（RichardM.Willst?tter），因?yàn)榘l(fā)明了萃取植物色素的方法，闡明了在綠色植物細(xì)胞中

存在著兩種類型的葉綠素－葉綠素a和葉綠素b，二者大約以3:1比例存在于綠色細(xì)胞中，都是鎂的絡(luò)合物。因此獲得了1915年的Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。他還是創(chuàng)導(dǎo)研究生物化學(xué)的第一個(gè)人。威爾斯泰特1872-1942漢斯?費(fèi)歇爾，德國(guó)化學(xué)家，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定了全部葉綠素的結(jié)構(gòu)，并且證實(shí)葉綠素和血紅素之間在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面有許多相似之處。

葉綠素和血紅素的活性核心部是由卟啉構(gòu)成的。費(fèi)歇爾因?qū)ρt素及葉綠素的研究成果而獲得了1930年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。費(fèi)歇爾的研究成果為合成葉綠素鋪平了道路。

HansFischer(1881-1945)卡爾文（MelvinCalvin）：美國(guó)生物化學(xué)家，在50年代中后期發(fā)現(xiàn)了有關(guān)植物光合作用的“卡爾文循環(huán)”，即植物的葉綠體如何通過(guò)光合作用把二氧化碳轉(zhuǎn)化為機(jī)體內(nèi)的碳水化合物的循環(huán)過(guò)程。首次揭示了自然界最基本的生命過(guò)程，對(duì)生命起源的研究具有重要意義。卡爾文獲得了1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

Calvin(1911-1997)RobertBurusWoodward伍德沃德：

是本世紀(jì)在有機(jī)合成化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論上，取得劃時(shí)代成果的罕見的有機(jī)化學(xué)家，他以極其精巧的技術(shù)，人工合成甾醇和葉綠素等多種復(fù)雜有機(jī)化合物，在有機(jī)化學(xué)合成、結(jié)構(gòu)分析、理論說(shuō)明等多個(gè)領(lǐng)域都有獨(dú)到的見解和杰出的貢獻(xiàn)。所以他被稱為“現(xiàn)代有機(jī)合成之父”。1965年，伍德沃德因在有機(jī)合成方面的杰出貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。Woodward（1917-1979）英國(guó)生物化學(xué)家彼得.米切爾（PeterDennisMitchell）提出了化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)，用以解釋光合和氧化磷酸化的高能態(tài)，獲得了1978年的Nobel獎(jiǎng)。他指出光合作用和呼吸作用中，質(zhì)子通過(guò)酶在細(xì)胞膜之間滲透，從而合成或分解ATP，并制定了化學(xué)滲透理論的公式，對(duì)人們了解生物能的轉(zhuǎn)化作出了貢獻(xiàn)。PeterD.Mitchell1920-1992德國(guó)JohanDeisenhofer,RobertHuberandHartmutMichel（J.戴森霍弗、R.胡伯爾、H.米歇爾）闡明了紫色光合細(xì)菌反應(yīng)中心的空間結(jié)構(gòu)，獲得了1988的Nobel獎(jiǎng)。JohannDeisenhofer1943-RobertHuber

1937-HartmutMichel

1948-美國(guó)馬庫(kù)斯（RudolphArthurMarcus）闡明了化學(xué)系統(tǒng)包括光合作用的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理，獲得了1992年的Nobel獎(jiǎng)。RudolphA.Marcus1923-20世紀(jì)90年代末，催化光合作用的光合磷酸化和呼吸作用的氧化磷酸化的ATP酶的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機(jī)理研究獲得了重大進(jìn)展。研究者英國(guó)科學(xué)家Walker和美國(guó)科學(xué)家Boyer獲1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。丹麥科學(xué)家Skou最早描述了離子泵（如Na+，K+－ATPase）轉(zhuǎn)運(yùn)離子的機(jī)制，與Walker和Boyer共獲1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。JohnErnestWalker

1941-PaulDelosBoyer

1918-JensChristianSkou

1918-

庫(kù)恩（RichardKuhn）：

德國(guó)化學(xué)家，威爾斯泰特的學(xué)生，因從事類胡蘿卜素、核黃素和維生素B6的結(jié)構(gòu)研究，獲得1938年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。RichardKuhn1900-1967PaulKarrer

1889-1971NormanHaworth

1883-1950霍沃斯（英國(guó)化學(xué)家）從事碳水化合物和維生素C的結(jié)構(gòu)研究；P.卡雷（瑞士化學(xué)家）從事類胡蘿卜素、核黃素以及維生素C、A、B2的研究；二人共獲1937年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。埃米爾?費(fèi)歇爾，德國(guó)化學(xué)家。在糖類化學(xué)和含氮有機(jī)化合物——嘌呤的研究方面具有突出的成就，闡明了糖的結(jié)構(gòu)，解決有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于糖的結(jié)構(gòu)的難題。由于費(fèi)歇兒成功地解決了糖的結(jié)構(gòu)以及在嘌呤衍生物、肽等方面的研究成果，1902年，榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。HermannEmilFischer(1852-1919)費(fèi)歇爾獲得諾貝爾獎(jiǎng)以后，仍然不懈努力，他還提出的酶的專一性理論，成為酶化學(xué)的重要理論，至今普遍用在酶化學(xué)中。并于1914年第一個(gè)合成核苷酸。他又被提名為諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)候選人。他發(fā)明了鑒定糖類的方法，合成了近30種糖類化合物，還合成了150多種嘌呤化合物，發(fā)明了純化蛋白質(zhì)的方法，合成了含18個(gè)氨基酸的多肽。植物光合作用的研究歷史中國(guó)歷史殷宏章1959年創(chuàng)建了我國(guó)第一個(gè)光合作用實(shí)驗(yàn)室。19世紀(jì)六十年代，湯佩松先生在北京也建立的光合作用實(shí)驗(yàn)室，史稱“南殷北湯”。1KuangT-Y,XuC,LiL-BandShenY-K(2003)PhotosynthesisResearchinthePeople’sRepublicofChina.PhotosynthesisResearch76:451-458.2LefttoRight:L-B.Bi;T-YKuang,Y-KShenandC.Xu第二節(jié)葉綠體和光合作用色素一、葉綠體的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分1、葉綠體(chloroplast)結(jié)構(gòu)（1）葉綠體膜：外膜的選擇性運(yùn)輸不強(qiáng)，內(nèi)膜選擇性運(yùn)輸較強(qiáng)，控制著葉綠體與外界的物質(zhì)交換。（2）間質(zhì)：其中包括參與光合暗反應(yīng)所有的酶，葉綠體間質(zhì)中有一半的蛋白質(zhì)是Rubisco,另外還有核糖體、DNA、RNA,以及與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯有關(guān)的一些物質(zhì)。（3）類囊體：是由單層膜圍成的扁平小囊。囊腔空間約10nm，囊腔內(nèi)是水溶液。由2個(gè)以上的類囊體垛疊在一起構(gòu)成的顆粒叫基粒?；Ｖ械念惸殷w稱為基粒類囊體；而連接兩個(gè)基粒的類囊體稱為基質(zhì)類囊體。

植物光合作用中光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化等過(guò)程均在類囊體膜上進(jìn)行。所以類囊體膜也叫光合膜。高等植物的葉綠體一般呈扁平的橢圓形。每個(gè)葉肉細(xì)胞約有20-200個(gè)葉綠體。每個(gè)典型的葉綠體約有40－60個(gè)基粒，每個(gè)基粒約有10－100個(gè)類囊體。2、葉綠體的化學(xué)成分

葉綠體含有75%的水分二、光合色素的種類及其理化性質(zhì)

高等植物的光合色素存在于葉綠體中類囊體膜上，光合色素分為三大類：

葉綠素類(chlorophylls)：主要包含葉綠素a、b；

類胡蘿卜素類(carotenoid)：β-胡蘿卜素(carotene)、葉黃素(xanthophyll)；

藻膽素（phycobilin）光合色素的種類和分布色素名稱存在場(chǎng)所吸收峰葉綠素葉綠素a葉綠素b葉綠素c葉綠素d所有綠色植物（細(xì)菌除外）高等植物和綠藻褐藻和硅藻紅藻紅光和藍(lán)紫光原葉綠素細(xì)菌葉綠素菌綠素黃化植物紫色硫細(xì)菌綠色硫細(xì)菌近紅光和藍(lán)紫光類胡蘿卜素胡蘿卜素葉黃素大部分植物，細(xì)菌藍(lán)光和藍(lán)綠光藻膽素藻藍(lán)蛋白藻紅蛋白藍(lán)綠藻、紅藻紅藻、藍(lán)綠藻橙紅光綠光1、光合色素的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性（1）葉綠素

葉綠素分子具有雙親媒性，“頭部”(卟啉環(huán))具有親水性，可以和蛋白質(zhì)結(jié)合?！拔膊俊保ㄈ~綠醇）具有親脂性，對(duì)葉綠素分子在類囊體片層上的固定起重要作用。

葉綠素a呈藍(lán)綠色

葉綠素b呈黃綠色卟啉環(huán)中的鎂原子可以被H+、Cu2+和Zn2+等所取代，改變?nèi)~綠素的顏色和穩(wěn)定性。如Mg2+被H+取代后形成去鎂葉綠素呈褐色；鎂原子被Cu2+后取代后形成銅代葉綠素呈鮮亮的綠色且更穩(wěn)定。根據(jù)這一原理用醋酸銅綠色組織保存標(biāo)本或用于食品加工。（2）類胡蘿卜素

類胡蘿卜素包括胡蘿卜素和葉黃素兩種色素。它由8個(gè)異戊二烯單位組成，兩頭有一個(gè)對(duì)稱排列的紫羅蘭酮環(huán)，它們中間以共軛雙鍵相連接。

葉黃素是由胡蘿卜素衍生的醇類。胡蘿卜素有3種同分異構(gòu)物：α-、β-及-胡蘿卜素。植物葉片中常見的是β-胡蘿卜素。類胡蘿卜素不溶于水，但能溶于有機(jī)溶劑。在顏色上胡蘿卜素呈橙黃色，而葉黃素呈黃色。類胡蘿卜素除吸收和傳遞光能外，還有抗氧化功能。（3）藻膽素

藻膽素是藻類進(jìn)行光合作用的主要色素，它們?cè)谠孱愔谐Ｅc蛋白質(zhì)結(jié)合為藻膽蛋白。根據(jù)顏色不同，藻膽蛋白可分為藻紅蛋白、藻藍(lán)蛋白和別藻藍(lán)蛋白三類，前者呈紅色，后二者呈藍(lán)色。它們的生色團(tuán)和蛋白質(zhì)結(jié)合牢固，用強(qiáng)酸煮沸才能把它們分開。

光合色素的共軛雙鍵結(jié)構(gòu)決定了它們具有傳遞光能的作用2、光合色素的光學(xué)特性

（1）太陽(yáng)輻射能量

太陽(yáng)照到地球表面的的光的波長(zhǎng)不同（3002600nm），對(duì)光合作用有效的可見光的波長(zhǎng)是400~700nm之間。每mol光子攜帶的能量（E）和光的波長(zhǎng)（λ）的關(guān)系如下：

E=Nhv=Nhc/λ式中E是每mol光子的能量，N是阿伏伽德羅常數(shù)：6.02×1023；h為普朗克常數(shù)：6.6262×10-34Js；v是頻率s-1；c是光速：2.9979×108m?s-1；λ是波長(zhǎng)(nm)。可見光的紅光端λ=700nm的光，1mol光量子能量為171kJ；紫端λ=400nm的光，1mol光量子能量為293kJ。從ADP和Pi合成1molATP所需要的能量是30kJ。1mol六碳糖貯能2800kJ。夏季中午太陽(yáng)輻射到地面的光強(qiáng)約為：

2000μmol·m-2·s-1

能量約為：1kJ·m-2·s-1室內(nèi)熒光燈下看書的光照強(qiáng)度僅為：5μmol·m-2·s-1

葉綠素吸收光譜的最強(qiáng)吸收區(qū)有兩個(gè)：一個(gè)波長(zhǎng)為640~660nm的紅光部分，另一個(gè)在波長(zhǎng)為430~450nm的藍(lán)紫光部分。

胡蘿卜素和葉黃素的最大的吸收帶在藍(lán)紫光部分

藻膽素主要吸收綠、橙光。藻藍(lán)蛋白橙紅色部分，而藻紅蛋白的是在綠色和黃色部分。3、熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象（1）熒光現(xiàn)象

葉綠素溶液在透射光下呈綠色，在反射光下呈紅色的現(xiàn)象稱為熒光現(xiàn)象。（2）磷光現(xiàn)象

葉綠素溶液停止光照后，仍能在一定的時(shí)間放出極微弱紅光的現(xiàn)象，稱為磷光現(xiàn)象

熒光的壽命很短，只有10-810-10s。磷光的壽命較長(zhǎng)（10-2s）。葉綠素溶液中熒光產(chǎn)量大約是吸收光的30％。但在活體葉片中最大熒光產(chǎn)量為3％左右，最小熒光產(chǎn)量?jī)H約0.6％。熒光（fluorescence)和磷光(phosphorescence)葉綠素的熒光和磷光現(xiàn)象都是葉綠素被光激發(fā)后產(chǎn)生的，葉綠素分子的激發(fā)是光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的第一步.三、葉綠素的生物合成1、葉綠素的生物合成

葉綠素的生物合成是以谷氨酸與α-酮戊二酸為原料，合成δ-氨基酮戊酸（ALA）開始的。葉綠素的生物合成是以谷氨酸與α-酮戊二酸為原料，合成δ-氨基酮戊酸（ALA）開始的,是在一系列酶的作用下形成的。兩分子ALA脫水縮合成一分子含吡咯環(huán)的膽色素原。4個(gè)膽色素原分子聚合成尿卟啉原III，這個(gè)化合物具有卟啉核的4個(gè)吡咯結(jié)構(gòu)。尿卟啉經(jīng)糞卟啉脫羧脫氫生成原卟啉。

原卟啉Ⅸ是葉綠素和亞鐵血紅素的前體。如果與鐵結(jié)合，就生成亞鐵血紅素；如果與Mg原子結(jié)合，則形成Mg-原卟啉。Mg-原卟啉再接受一個(gè)甲基，合成原脫植基葉綠素a。

原脫植基葉綠素a與蛋白質(zhì)結(jié)合，吸收光能，被還原成脫植基葉綠素a。最后一步就是植醇（phytol，亦稱葉綠醇）與脫植基葉綠素a的第四個(gè)環(huán)的丙酸酯化，形成葉綠素a。葉綠素b是由葉綠素a演變過(guò)來(lái)的。2、影響chl合成的外界條件1）光照2）溫度最適溫度30℃左右3）礦質(zhì)元素：N、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn4）氧氣5）水分3、植物的葉色植物的葉色是各種色素的綜合表現(xiàn)。取決于葉綠素和類胡蘿卜素的比例。葉片出現(xiàn)紅色是由于花色素積累的緣故。第三節(jié)光合作用的機(jī)理光合作用1、光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程（通過(guò)原初反應(yīng)完成）。2、電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S化學(xué)能的過(guò)程（電子傳遞和光合磷酸化完成）。3、活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能

（通過(guò)碳同化完成）。光反應(yīng)暗反應(yīng)光合作用各種能量轉(zhuǎn)變的概況

能量轉(zhuǎn)變光能電能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能貯存能量量子電子質(zhì)子、ATP糖類等的物質(zhì)NADPH完成能量原初反應(yīng)電子傳遞碳同化轉(zhuǎn)變的過(guò)程光合磷酸化

進(jìn)行能量基粒類囊體基粒類囊體基質(zhì)轉(zhuǎn)變的部位光、暗反應(yīng)光反應(yīng)光反應(yīng)暗反應(yīng)一、原初反應(yīng)

原初反應(yīng)(primaryreaction)是指光合作用色素分子被光激發(fā)到引起第一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的過(guò)程，包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程。原初反應(yīng)速度極快，為10-12－10-9s。1、光能的吸收光能是依賴光合色素吸收的。根據(jù)光合色素的功能不同，可將其分為：①反應(yīng)中心色素(reactioncentrepigments)

②聚光色素(lightharvestingpigments)反應(yīng)中心色素：是少數(shù)特殊狀態(tài)的chla分子。它既能捕獲光能，又能將光能轉(zhuǎn)換為電能，即具有光化學(xué)活性。它與蛋白質(zhì)相結(jié)合，形成反應(yīng)中心色素蛋白復(fù)合體。聚光色素：絕大多數(shù)的chla和全部的chlb以及類胡蘿卜素屬于此類。它們只能收集光能，并將光能聚集起來(lái)傳遞到反應(yīng)中心色素分子，沒有光化學(xué)活性。存在于光合膜上的捕光色素蛋白復(fù)合體上。聚光色素和反應(yīng)中心色素是協(xié)同作用的。一般來(lái)說(shuō)，約250-300個(gè)色素分子所聚集的光能傳給一個(gè)反應(yīng)中心色素分子，形成一個(gè)光合單位。

光合單位＝聚光色素系統(tǒng)+作用中心

The1932discoveryof“PhotosyntheticUnit”(2480ChlorophyllsperOxygen)Weneedonlysupposethatforevery2480moleculesofchlorophyllthereispresentinthecelloneunitcapableofreducingonemoleculeofcarbondioxideeachtimeitissuitablyactivatedbylight”RobertEmerson(1903-1959)

DiscoveryofPhotosyntheticUnit(1932)Minimumquantaneededperoxygenmoleculeare8-12(1941-1958)EnhancementEffectandtwolightreaction/twophotosystemconcept(1957-1959)2、激發(fā)能的傳遞聚光色素吸收光量子而被激發(fā)，激發(fā)能是以“激子”或“共振”兩種方式在色素分子間進(jìn)行能量傳遞，最終傳遞到光合反應(yīng)中心的一個(gè)專一的葉綠素a分子二聚體，引起光化學(xué)反應(yīng)。

激子（exciton）是指非金屬晶體中由電子激發(fā)的量子，它能傳遞能量，但不能傳遞電荷。激子傳遞是在相同色素分子之間進(jìn)行的。

共振（resonance）指色素分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動(dòng)引起相鄰另一色素分子中的電子振動(dòng)。激發(fā)能傳遞的速度非?？?，僅需幾個(gè)納秒，如一個(gè)壽命為5×10-9S的紅光量子可把能量傳遞過(guò)幾百個(gè)葉綠素a分子。1秒=103毫秒(ms)=106微秒(μs)=109納秒(ns)=1012皮秒(ps)=1015飛秒(fs)

光能傳遞效率非常高。3、光化學(xué)反應(yīng)

光化學(xué)反應(yīng)指反應(yīng)中心色素分子受光激發(fā)引起的氧化還原反應(yīng)。

反應(yīng)中心是類囊體上最基本的色素蛋白結(jié)構(gòu)，它含有：反應(yīng)中心色素分子P、原初電子受體A和原初電子供體D及其他一系列電子傳遞體。反應(yīng)中心發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)）：hv二、電子傳遞和光合磷酸化1、類囊體膜上的蛋白復(fù)合體

量子產(chǎn)額(quantumyield)：吸收一個(gè)光量子后綠藻放出的O2分子數(shù)或固定的CO2分子數(shù)。1943年，愛默生等人用長(zhǎng)波紅光(大于685nm)照射綠藻時(shí)，雖然光波仍被葉綠素大量吸收，但量子產(chǎn)額急劇下降，這個(gè)現(xiàn)象叫紅降現(xiàn)象(reddrop)。1956年，愛默生等觀察到，在長(zhǎng)波紅光(大于685nm)照射的同時(shí)，補(bǔ)以短波紅光，(約650nm)則綠藻的量子產(chǎn)額增加，其數(shù)值超過(guò)這兩種波長(zhǎng)的光單獨(dú)照射時(shí)的總和。這個(gè)現(xiàn)象就叫雙光增益效應(yīng)。TheEmersonEnhancementEffect(1957發(fā)表)LawrenceBlinks(1900-1989)1950:DevelopmentofHaxoandBlinksOxygenelectrode,andactionspectraofphotosynthesis1955-1957:Chromatictransients(BlinksEffect)inalgae..relatedittorespiration(citingEmerson1941)MyersandFrench(1960)relatedBlinkseffecttoEmersoneffect

光合膜上主要有四大復(fù)合體：

PSⅠ及其捕光色素復(fù)合體、PSⅡ及其捕光色素復(fù)合體、細(xì)胞色素b6f復(fù)合體、ATP合成酶復(fù)合體。（1）光系統(tǒng)Ⅱ（photosystemPSⅡ）

PSII的主要功能：其反應(yīng)中心色素分子（P680）吸收光能并發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，將電子傳遞給細(xì)胞色素b6f，并將水光解放出氧氣。外周天線（lightharvestingcomplexIILHCII）吸收光能，并將吸收的光能傳遞給內(nèi)周天線。此外還具有調(diào)節(jié)能量在兩個(gè)光系統(tǒng)間的分配，維持光合膜的穩(wěn)定，免受強(qiáng)光破壞的功能。內(nèi)周天線：由CP43(43kDa)和CP47(kDa)構(gòu)成，作用是LCHII吸收的光能匯集到反應(yīng)中心。還具有穩(wěn)定放氧復(fù)合體的功能。反應(yīng)中心：兩個(gè)交叉排列多肽D1和D2和細(xì)胞色素b559構(gòu)成。其中含有原初電子供體Z（D1蛋白的酪氨酸殘基）、P680(葉綠素a分子二聚體)、原初電子受體（脫鎂葉綠素Pheo）和電子傳遞體質(zhì)體醌（QA和QB）。功能是進(jìn)行光合作用原初反應(yīng)和電子傳遞。放氧復(fù)合體(oxygenevolvingcomplexOEC)：由33、23和16kDa三條多肽與Mn簇、Cl和Ca結(jié)合組成。參與光合作用的放氧。兩個(gè)光系統(tǒng)中都含有LHC，分別為L(zhǎng)HCI、LHCII。LHC研究最多，結(jié)構(gòu)較清楚，它含有類囊體膜上50％的色素和1/3的蛋白質(zhì)，功能復(fù)雜。2.7?分辨率的LHCII的空間解析結(jié)構(gòu)圖（2）光系統(tǒng)Ⅰ（photosystemPSⅠ）

其反應(yīng)中心色素分子P700吸收光能，并發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，并將電子傳遞給NADP+，產(chǎn)生NADPH。PSⅠ由四部分組成：PSI捕光天線系統(tǒng)（LHCI）：藍(lán)細(xì)菌的捕光色素都集中在PsaA和PsaB上。高等植物具有單獨(dú)的捕光色素蛋白復(fù)合體。吸收并傳遞光能給反應(yīng)中心。反應(yīng)中心：包括82kDa(PsaA)和83kDa(PsaB)兩條多肽。含有反應(yīng)中心色素分子P700和原初電子受體A0（功能上類似PSⅡ中的脫鎂葉綠素）以及電子受體A1（葉綠醌）和鐵硫蛋白Fx。外周蛋白：PSI的基質(zhì)側(cè)含有PsaC、PsaD、PsaE三個(gè)外周蛋白，參與PSI電子傳遞。內(nèi)在蛋白：PSI膜內(nèi)由若干小分子量蛋白亞基F、I、J、K、L等，主要功能是穩(wěn)定PSI的結(jié)構(gòu)和參與電子傳遞。（3）Cytb6/f蛋白復(fù)合體

是連接兩個(gè)光系統(tǒng)的中間電子傳遞體，催化PQH2氧化和PC還原。同時(shí)推動(dòng)膜內(nèi)外質(zhì)子交換，建立跨膜的質(zhì)子梯度，促進(jìn)ATP的合成。（4）ATP合酶：

利用跨類囊體膜的質(zhì)子梯度的電勢(shì)能，催化ADP磷酸化產(chǎn)生ATP：ADP+Pi→ATP（5）Fd－NADP還原酶（FNR）復(fù)合體

FNR也是類囊體膜上的一個(gè)蛋白復(fù)合體，位于類囊體膜的外測(cè)，它的功能是接受Fd傳來(lái)的電子，將NADP+還原為NADPH。2、光合電子傳遞鏈

定位在光合膜上，由兩個(gè)光系統(tǒng)和若干電子傳遞體按一定的氧化還原電位依次排列而成的體系。ThecreatoroftheZ-Scheme:RobinHill,anotherphoto希爾(R.Hill)于1960年提出的“Z”方案Z鏈：光合電子傳遞鏈上的電子載體組成成分按氧化還原電勢(shì)從低到高排列時(shí)，形成所謂Z型圖式，又稱Z鏈。PSII電子傳遞效率：每吸收8個(gè)光量子,可傳遞4個(gè)電子,將2分子H2O光解,產(chǎn)生4個(gè)H+和O2,量子產(chǎn)額為1/8。

Cytb6f復(fù)合體上有兩個(gè)質(zhì)體醌結(jié)合位點(diǎn)：Qp位點(diǎn)(quinol-bindingsite)和Qn位點(diǎn)(quinone-bindingsite)

。PQH2將1個(gè)電子傳遞給鐵硫蛋白，另1個(gè)交給低電位血紅素b6l(Cytchromeb6hemes)，同時(shí)將2個(gè)H+釋放到類囊體腔內(nèi)。低電位血紅素bl又將電子傳遞給高電位血紅素bh，bh將電子又轉(zhuǎn)移給PQ。經(jīng)兩次循環(huán)后，PQ兩次被還原，又可結(jié)合兩個(gè)質(zhì)子。（1）光合電子傳遞的過(guò)程第一步：PSII的電子傳遞

H2O→Mn簇→酪氨酸（Y）→P680→Pheo→QA→QB

P680（Chla分子二聚體）受天線色素傳遞來(lái)的光能激發(fā)，形成激發(fā)態(tài)的P680*，P680*很快發(fā)生電荷分離，形成氧化態(tài)的P680+，P680+很快被電子供體YZ（酪氨酸）還原。YZ再氧化放氧復(fù)合體中的錳簇，使錳簇帶正電荷。當(dāng)錳簇積累4個(gè)正電荷后，將2分子H2O分解，放出一個(gè)分子O2，并產(chǎn)生4個(gè)H+。

P680*電荷分離產(chǎn)生的電子很快傳遞給去鎂葉綠素（pheo，又稱褐藻素），pheo-將電子傳遞給原初質(zhì)體醌受體QA，使QA變成QA-。QA是第一個(gè)穩(wěn)定的電子受體，它是一個(gè)特殊結(jié)合狀態(tài)的質(zhì)體醌，它又把電子傳遞給另一個(gè)特殊結(jié)合狀態(tài)的質(zhì)體醌QB。QB先形成半醌QB-，然后從QA-再接受一個(gè)電子形成QB2-。還原型質(zhì)體醌第二步：PSII與PSI之間的電子傳遞

完全還原的QB2-從葉綠體間質(zhì)中接受2個(gè)質(zhì)子形成QBH2。QBH2被質(zhì)體醌PQ從反應(yīng)中心替換下來(lái)，本身成為PQH2。PQ具有脂溶性，它能在膜的疏水區(qū)移動(dòng)，轉(zhuǎn)移到類囊體膜內(nèi)側(cè)Cytb6/f復(fù)合體的Qp位點(diǎn)。PQH2在Qp位點(diǎn)氧化時(shí)，其攜帶的2個(gè)電子中，1個(gè)電子向Cytb6/f的鐵硫中心(FeS)傳遞電子，另1個(gè)電子交給細(xì)胞色素bl，同時(shí)將2個(gè)H＋釋放到類囊體腔內(nèi)。傳遞給鐵硫中心的電子經(jīng)細(xì)胞色素f

(cytf)傳遞給質(zhì)體藍(lán)素(PC)，PC脫離復(fù)合體，傳遞到PSI反應(yīng)中心的P700。

QB2-→QBH2→FeS→cytf→PC→P700傳遞給的Cytbl電子，經(jīng)Cytbh在Cytb6/f復(fù)合體的Qn位點(diǎn)把電子再傳遞給PQ，先還原為半醌PQ?。等下一個(gè)PQH2繼續(xù)傳來(lái)電子時(shí)，半醌PQ?再繼續(xù)還原為PQ??。PQ??與QB2-類似，從葉綠體間質(zhì)中接受2個(gè)質(zhì)子形成PQH2，新生成的PQH2可以繼續(xù)在Qp位點(diǎn)進(jìn)行電子傳遞。這樣就形成了質(zhì)體醌循環(huán)。PQ循環(huán)的總方程式如下：

PQH2+2PCox+2H+stroma→PQ+2PCred+4H+lumen

1分子PQH2完全氧化時(shí)共轉(zhuǎn)移了4個(gè)質(zhì)子。第三步：PSI內(nèi)的電子傳遞

P700受光激發(fā)后以非?？斓乃俣劝央娮觽鬟f給原初電子受體A0（葉綠素a單分子體），并從質(zhì)體籃素PC那里得到電子。A0將電子傳遞給A1(葉綠醌，也稱維生素K1)。A1又將電子傳遞給PSⅠ的相對(duì)穩(wěn)定的電子受體鐵硫蛋白Fx，以及兩個(gè)鐵硫中心FA及FB。電子從FAFB傳遞到鐵氧還蛋白(Fd)，后經(jīng)Fd–NADP還原酶復(fù)合體(FNR)的催化，把電子傳遞給NADP＋，將NADP＋還原成NADPH，完成從水到NADP＋的電子傳遞。

P700→A0→A1→FX→FAFB→Fd→NADP+→NADPH注：在類囊體膜內(nèi)含有很多游離質(zhì)體醌PQ，稱為質(zhì)體醌庫(kù)，在菠菜葉片中，質(zhì)體醌的含量可以達(dá)到葉綠素含量的七分之一，比其他電子傳遞體含量多得多。此外Fd從PSⅠ接受電子后，還可以把電子經(jīng)細(xì)胞色素b6f（Cytb6/f）傳回PC，形成圍繞PSⅠ的循環(huán)電子傳遞。

Fd也可以把電子交給O2形成假循環(huán)電子傳遞,又稱Mehler反應(yīng)。（2）光合電子傳遞鏈的特點(diǎn)①PSI與PSII以串聯(lián)方式協(xié)同完成電子從H2O向NADP的傳遞②在兩個(gè)光系統(tǒng)之間存在著一系列電子傳遞體③僅有兩處的電子傳遞是逆著能量梯度進(jìn)行的（3）電子傳遞過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)變

每吸收8個(gè)光量子，可傳遞4個(gè)電子，將2分子H2O光解，產(chǎn)生4個(gè)H+和1分子O2，同時(shí)PQ的跨膜遷移傳遞電子過(guò)程中，又將8個(gè)H+從轉(zhuǎn)移類囊體膜外轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)。此外2個(gè)NADP+還原成NADPH過(guò)程中還消耗了葉綠體基質(zhì)中的2個(gè)H+。2NADP++2H++4e→2NADPH經(jīng)過(guò)電子傳遞使類囊體腔中相對(duì)增加了14個(gè)H+，產(chǎn)生跨類囊體膜的質(zhì)子動(dòng)力，將光能轉(zhuǎn)變成了跨類囊體膜的電勢(shì)能（類囊體腔內(nèi)的pH可達(dá)1-2），并將2個(gè)NADP+還原NADPH，還可以合成4~5個(gè)ATP，P/O＝2~2.5。大部分教材未考慮NADP還原時(shí)消耗的基質(zhì)中的2個(gè)H+。認(rèn)為放出1分子O2產(chǎn)生了12個(gè)H+梯度。根據(jù)膜電位測(cè)定每合成1分子ATP需要消耗3個(gè)H+，那么最多可合成4個(gè)ATP。（4）光合電子傳遞的類型A、非環(huán)式光合電子傳遞H2O→PSII→PQ→Cytb6f→PC→PSI→Fd→NADP+B、環(huán)式光合電子傳遞

PSI→Fd→PQ

→

Cytb6f→PC→PSIC、假環(huán)式電子傳遞

H2O→PSII→PQ→Cytb6f→PC→PSI→Fd→O23光合磷酸化(photophosphorylation)

葉綠體在光照下把無(wú)機(jī)磷和ADP合成ATP的過(guò)程稱為光合磷酸化。（1）光合磷酸化的類型①非環(huán)式光合磷酸化：PSⅡ所產(chǎn)生的電子，經(jīng)過(guò)一系列的傳遞，通過(guò)PQ把H+從葉綠體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到囊腔中，產(chǎn)生的pmf，驅(qū)動(dòng)ATP的形成，與此同時(shí)把電子傳遞到PSⅠ，PSⅠ利用光能進(jìn)一步提高了還原電位，還原NADP+為NADPH。在這個(gè)過(guò)程中，電子傳遞是一個(gè)開放的通路，故稱為非循環(huán)式光合磷酸化。

2ADP+2Pi+2NADP++2H2O2ATP+2NADPH+2H++O2光②環(huán)式光合磷酸化：PSⅠ產(chǎn)生電子經(jīng)過(guò)一些傳遞體后，也產(chǎn)生pmf，驅(qū)動(dòng)ATP的形成，但不放O2，也不產(chǎn)生NADPH，在這個(gè)過(guò)程中，電子經(jīng)過(guò)一系列傳遞后降低了能位，最后經(jīng)過(guò)質(zhì)體藍(lán)素重新回到原來(lái)的起點(diǎn)，故稱為循環(huán)式光合磷酸化。ADP+PiATP+H2O光③假環(huán)式光合磷酸化：Fd也可以把電子交給O2形成假循環(huán)電子傳遞（又稱Mehler反應(yīng)），假循環(huán)電子傳遞驅(qū)動(dòng)ATP的形成，也不放O2，也不產(chǎn)生NADPH。（2）光合磷酸化機(jī)理和ATP合酶ATP合酶的結(jié)構(gòu)（引自Buchananetal.2000）光合磷酸化的機(jī)理仍然用Mitchell（1961）提出的化學(xué)滲透假說(shuō)解釋?；瘜W(xué)滲透假說(shuō)的基本要點(diǎn)是：在光合鏈傳遞電子過(guò)程中，類囊體膜內(nèi)外之間產(chǎn)生pmf，在H+通過(guò)ATP合酶返回膜外時(shí)，使ADP和Pi形成ATP。Mitchell因此獲得了1978年的Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。葉綠體腺苷三磷酸合成酶（ATP合成酶）由跨膜的CF0和位于葉綠體基質(zhì)側(cè)起催化作用CF1兩部分組成。3個(gè)α亞基和3個(gè)β亞基在同一平面上呈橘瓣?duì)罱诲e(cuò)排列。α亞基主要參于CF1合成和水解ATP功能的調(diào)節(jié)，β亞基具有催化功能，γδε參于CF1功能的調(diào)節(jié)。

CF1的分子量約為400kDa，由5種亞基構(gòu)成α(55kDa),β(53kDa),γ(35kDa)、δ(20kDa),ε(15kDa)，其亞基準(zhǔn)量關(guān)系為α3β3γδε。

CF0分子量為170kDa，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4種亞基構(gòu)成，分子量分別為18、16、8和20kDa，其亞基準(zhǔn)量關(guān)系為ⅠⅡⅢ12-14Ⅳ。亞基Ⅰ和Ⅳ將CF1連接到類囊體膜上，亞基Ⅲ參與質(zhì)子傳導(dǎo)，并調(diào)節(jié)酶活性。亞基Ⅱ具有穩(wěn)定CF0的作用。ATP酶分為三種類型：儲(chǔ)能型的F型ATP合成酶、質(zhì)膜P型ATP酶和液泡膜V型ATP酶。F型和V型ATP酶結(jié)構(gòu)類似，都由嵌于膜內(nèi)Fo和突出于膜外的F1組成。O代表寡霉素（oligomycin），因?yàn)镕o對(duì)寡霉素敏感。課本中的ATP酶結(jié)構(gòu)圖其實(shí)是大腸桿菌ATP合成酶，它的CF1單位和葉綠體ATP合酶類似，其亞基準(zhǔn)量關(guān)系為α3β3γδε。但CF0由a、b、c3種亞基構(gòu)成，分子量分別為30.3、17.2和8.3kDa，其亞基準(zhǔn)量關(guān)系為ab2c9-12。植物細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATP酶（上），液泡膜H+-焦磷酸酶（左下）和液泡膜H+-ATP酶（右下）的結(jié)構(gòu)示意圖關(guān)于pmf如何驅(qū)動(dòng)ATP的合成，目前主要有美國(guó)生物化學(xué)家Boyer于1993年提出的ATP合酶的結(jié)合變化機(jī)制，也稱為旋轉(zhuǎn)催化。任何時(shí)間ATP合酶的催化位點(diǎn)（三個(gè)β亞基上）都處于三種不同的構(gòu)象狀態(tài)，分別稱為松弛(loose)、緊張(tight)和開放(open)。

Boyer和Walker由于在ATP合酶催化ADP形成ATP機(jī)制工作方面的貢獻(xiàn)獲1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

ATP合酶的催化機(jī)制：（1）ADP和Pi與開放狀態(tài)的β亞基結(jié)合；（2）質(zhì)子流推動(dòng)下γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)，γ亞基轉(zhuǎn)動(dòng)120o使β亞基轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙跔顟B(tài)；（3）γ亞基再轉(zhuǎn)動(dòng)120o，使松弛狀態(tài)的β亞基在較少的能量變化情況下，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榫o張狀態(tài)，ADP與Pi自發(fā)地形成ATP；（4）γ亞基的再轉(zhuǎn)動(dòng)120o，使β亞基繼續(xù)變構(gòu)成開放狀態(tài)，使ATP被釋放，并可以再次結(jié)合ADP與Pi進(jìn)行下一輪的ATP合成。（5）γ亞基旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)三個(gè)β亞基依次發(fā)生緊張、松弛和開放三種構(gòu)象變化，使ATP得以合成并釋放。注意：（1）三個(gè)β亞基依次處于三種不同的三種構(gòu)象狀態(tài)－緊張、松弛和開放。（2）γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，β亞基并不轉(zhuǎn)動(dòng)，只是隨著γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)改變構(gòu)象。（3）γ亞基每轉(zhuǎn)動(dòng)120o，β亞基構(gòu)象改變1次。經(jīng)過(guò)360o的轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)β亞基完成1次構(gòu)象循環(huán)，合成1分子ATP。三個(gè)β亞基共合成3個(gè)ATP。（4）γ亞基每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，大約需要9個(gè)左右質(zhì)子。也就是說(shuō)，每合成1分ATP大約需要3個(gè)質(zhì)子。4、水的光解(waterphotolysis)

水的光解是Hill于1937年發(fā)現(xiàn)的。也稱為“希爾反應(yīng)”（Hillreaction）是指將離體的葉綠體加到具有氫受體的水溶液中，照光后即發(fā)生水的分解而放出氧氣的過(guò)程。

其中A為氫的接受體，被稱為Hill氧化劑。許多物質(zhì)可作為氫的接受體，如2,6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP+、草酸高鐵氰化鉀等。放氧過(guò)程與CO2同化無(wú)關(guān)。

Hill反應(yīng)的意義：將光合作用的研究深入到了細(xì)胞器水平。證實(shí)光合放氧來(lái)自于水。光葉綠體2H2O+2A2AH2+O2在PSII的類囊體腔一側(cè)有三條33、23和17kDa三條外周多肽，其中一條33kDa的多肽為錳穩(wěn)定蛋白(manganesestablizingprotein，MSP)，它們與Mn、Ca+2、Cl-一起參與氧的釋放，稱為放氧復(fù)合體(oxygen-evolvingcomplex，OEC)

PierreJoliot閃光試驗(yàn)：在黑暗中已適應(yīng)的葉綠體經(jīng)過(guò)閃光處理（每次閃光510s，間隔300ms），第一次閃光，無(wú)O2產(chǎn)生；第二次閃光，有少量O2產(chǎn)生；第三次閃光，放O2最多；第四次閃光，放O2量次之。以后就逐漸下降至恒定值。葉綠體閃光照射不同次數(shù)的放氧量光合放氫氫氣是高效、清潔、可再生的能源，40多年前人們發(fā)現(xiàn)綠藻在無(wú)氧條件下，經(jīng)太陽(yáng)光照射可以放出氫氣；十多年前又發(fā)現(xiàn)，蘭綠藻等許多藻類在無(wú)氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用，如萊因綠藻。一些厭氧光合細(xì)菌也可光合放氫。菠菜葉發(fā)電

美國(guó)麻省理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程中心華裔副主任張曙光帶領(lǐng)研究人員首次利用光合作用將光能轉(zhuǎn)化為電能的原理發(fā)明太陽(yáng)能電池。這是利用生物技術(shù)手段發(fā)明了一種以植物蛋白為能量來(lái)源的新型電池。目前，這種新型電池最多只能持續(xù)工作21天，其能量轉(zhuǎn)換率也較低，只能將12％的光能轉(zhuǎn)換成電能。不過(guò)，科學(xué)家相信，將來(lái)能量轉(zhuǎn)換率有可能達(dá)到20％，屆時(shí)這種新型植物電池會(huì)比目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能硅電池更高效。中國(guó)20世紀(jì)90年代的科學(xué)丑聞“水變油”“夏令時(shí)”“中南海氣功表演”20年多年前公共汽車公司的駕駛員王洪成導(dǎo)演的“水變油”騙局，獲得國(guó)家部委的大力支持，持續(xù)了十年才敗露，造成4億多元的損失。

我國(guó)曾于1986年到1991年每年從四月的第二個(gè)星期天早上2點(diǎn)鐘，到九月的第二個(gè)星期天早上2點(diǎn)鐘，在這段時(shí)期內(nèi)，全國(guó)都將時(shí)間撥快1小時(shí)，實(shí)行夏令時(shí)。從九月的第二個(gè)星期天早上2點(diǎn)鐘起，又將撥快的時(shí)間重新?lián)芑貋?lái)，直到第二年四月的第二個(gè)星期天早上2點(diǎn)鐘。夏令時(shí)又稱“日光節(jié)約時(shí)制”（DaylightSavingTime），是一種為節(jié)約能源而人為規(guī)定地方時(shí)間的制度，在這一制度實(shí)行期間所采用的統(tǒng)一時(shí)間稱為“夏令時(shí)”。一般在天亮早的夏季人為將時(shí)間提前一小時(shí)，可以使人早起早睡，減少照明量，以充分利用光照資源，從而節(jié)約照明用電。同化力(assimilatorypower)通過(guò)電子傳遞和光合磷酸化作用中形成的ATP和NADPH，可用于以后的CO2同化，故二者合稱為同化力。三、CO2同化途徑

CO2同化是指植物利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH將二氧化碳還原成糖類的過(guò)程。CO2同化在葉綠體的基質(zhì)中進(jìn)行。高等植物CO2同化途徑有三條：C3途徑（卡爾文循環(huán)）、C4途徑、CAM途徑。

卡爾文循環(huán)最基本最普遍。綠色植物、藍(lán)藻和多種光合細(xì)菌中普遍存在。

卡爾文及其用來(lái)研究光合藻類CO2固定的儀器裝置（一）C3途徑(C3pathway)又稱卡爾文循環(huán)(TheCalvincycle)、還原磷酸戊糖途徑。這個(gè)途徑的二氧化碳固定最初產(chǎn)物是一種三碳化合物[3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycericacid，簡(jiǎn)稱PGA）]，故又稱為C3途徑?？栁难h(huán)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行，大致分三個(gè)階段：羧化階段、還原階段和再生階段。（1）羧化階段(carboxylationphase)核酮糖1，5-二磷酸3-磷酸甘油酸（RuBP）(3-PGA)(1)

核酮糖-1，5-二磷酸是CO2的受體，在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的作用下，它和CO2作用形成兩個(gè)分子的3-磷酸甘油酸(3-PGA)。

Rubisco是植物體內(nèi)含量最豐富的酶，約占葉片可溶性總蛋白質(zhì)40%以上。在葉綠體基質(zhì)中Rubisco可達(dá)4mM，是CO2濃度的500倍。Rubisco為多亞基復(fù)合體，由8個(gè)大亞基（56kDa）和8個(gè)小亞基（14kDa）構(gòu)成，分子量為560kDa?；钚圆课晃挥诖髞喕?。大亞基由葉綠體基因編碼，小亞基由核基因編碼。Rubisco有活化和鈍化兩種形態(tài)。小亞基參與酶的活化。圖3-22Rubisco活化酶活化Rubisco的假說(shuō)圖解（2）還原階段(reductionphase)3-磷酸甘油酸1，3-二磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸

3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶催化下，形成1，3-二磷酸甘油酸（DPGA）；DPGA然后甘油醛磷酸脫氫酶催化還原為甘油醛-3-磷酸（GAP）。(2)(3)H++H2O+

3-磷酸甘油醛是光合作用產(chǎn)生的第一個(gè)磷酸糖，也是最簡(jiǎn)單的一個(gè)糖。從3-磷酸甘油酸到甘油醛-3-磷酸過(guò)程中，由光合作用生成的ATP與NADPH均被利用掉。GAP的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可在葉綠體內(nèi)合成淀粉；也可運(yùn)出葉綠體，在細(xì)胞質(zhì)中合成蔗糖。（3）RuBP再生階段(regenerationphase)

再生指PGA經(jīng)過(guò)一系列的生物化學(xué)轉(zhuǎn)變（圖3-23中的反應(yīng)步驟４１3），再生形成RuBP的過(guò)程。甘油醛-3-磷酸磷酸二羥丙酮丙糖磷酸異構(gòu)酶(4)(5)果糖二磷酸醛縮酶+磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸果糖-1，6-二磷酸果糖-6-磷酸+Pi果糖-1，6-二磷酸+H2O果糖-1，6-二磷酸酶(6)果糖-6-磷酸一部分轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸，在葉綠體內(nèi)進(jìn)一步合成淀粉。另一部分繼續(xù)轉(zhuǎn)變下去，參與RuBp再生。轉(zhuǎn)酮酶(7)果糖-6-磷酸+3-磷酸甘油醛木酮糖-5-磷酸+4-磷酸赤蘚糖赤蘚糖-4-磷酸磷酸二羥丙酮+景天庚酮糖-1,7-二磷酸果糖二磷酸醛縮酶(8)景天庚酮糖-1,7-二磷酸(9)景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶7-磷酸景天庚酮糖(10)轉(zhuǎn)酮酶景天庚酮糖-7-磷酸+甘油醛-3-磷酸核糖-5-磷酸+木酮糖-5-磷酸(11)核糖磷酸異構(gòu)酶核糖-5-磷酸核酮糖-5-磷酸木酮糖-5-磷酸(12)核糖磷酸-5-表異構(gòu)酶核酮糖-5-磷酸(13)5-磷酸核酮糖激酶核酮糖-5-磷酸+ATP核酮糖-1,5-二磷酸+ADP(1)羧化階段：3RuBP+3CO2

+3H2O─→6PGA(2)還原階段：6PGA+6ATP+6NADPH+6H+─→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi+6H2O(3)再生階段：5GAP+3ATP─→3RuBP+3ADP+2PiC3途徑的總反應(yīng)式為:3CO2+9ATP4-+6NADPH+5H2O→C3H5O3-PO32-+9ADP3-+8HPO42-+6NADP++3H+

C3途徑的能量轉(zhuǎn)化效率：

由C3途徑的總反應(yīng)式可見，每同化一個(gè)CO2，要消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPH。形成1個(gè)磷酸丙糖需同化3個(gè)CO2。1molGAP儲(chǔ)能1460kJ,水解1molATP放能32kJ,氧化1molNADPH放能220kJ。C3途徑的能量轉(zhuǎn)化效率＝1460/(329+2206)=90.79%。

若1molNADPH2水解釋放的能量是215kJ，1molATP水解釋放的能量是32kJ，1mol六碳糖貯能2800kJ，請(qǐng)計(jì)算小麥合成1mol葡萄糖的能量轉(zhuǎn)換效率的理論值是多少？（保留1位小數(shù)88.7％）C3途徑的調(diào)節(jié)：（1）光的調(diào)節(jié)CO2的固定和還原通常被稱作暗反應(yīng)。然而，沒有光照CO2的同化是難以進(jìn)行的。卡爾文循環(huán)中的RuBP羧化酶、NADP-GAP脫氫酶、FBP酯酶、SBP酯酶、Ru5P激酶等在光下被活化，在暗中被鈍化，稱為光調(diào)節(jié)酶。（2）光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)作用的調(diào)節(jié)

細(xì)胞內(nèi)Pi的含量高，有利于磷酸丙糖的運(yùn)轉(zhuǎn)，光合速率加快；反之磷酸丙糖積累在葉綠體內(nèi)，合成淀粉，光合速率減慢。（3）質(zhì)量作用的調(diào)節(jié)A:代謝物濃度影響可逆反應(yīng)的方向和速率。例如，卡爾文循環(huán)中PGA還原為GAP反應(yīng)受到質(zhì)量作用的調(diào)節(jié)。這個(gè)反應(yīng)分兩步進(jìn)行：PGA+ATP←→DPGA+ADPDPGA+NADPH+H+←→GAP+NADP++Pi（3）質(zhì)量作用的調(diào)節(jié)B:自動(dòng)催化作用(autocalysis)。

在C3途徑中存在一種自動(dòng)調(diào)節(jié)RuBP濃度的機(jī)制，即在RuBP含量低時(shí)，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP再生，以加快CO2固定速率；當(dāng)光合碳還原循環(huán)達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”后，同化CO2形成的磷酸丙糖才輸出。這種調(diào)節(jié)RuBP等中間產(chǎn)物含量的機(jī)制，就稱為C3途徑的自動(dòng)催化調(diào)節(jié)。（二）C4途徑(C4pathway)

在上世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)有些起源于熱帶的植物，如甘蔗、玉米等除了具有卡爾文循環(huán)以外，還有一條固定的CO2途徑，該途徑固定CO2的最初產(chǎn)物是含4個(gè)碳的草酰乙酸，故又稱C4-二羧酸途徑，簡(jiǎn)稱C4途徑。由于是由澳大利亞科學(xué)家M.D.Hatch和C.R.Slack最終完成了C4途徑的全部生物化學(xué)過(guò)程，故C4途徑也稱為Hatch-Slack途徑。1、C4植物葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按C4途徑完成碳素同化過(guò)程的植物叫做C4植物，大多起源于熱帶或亞熱帶。被子植物中有20多個(gè)科近2000種為C4植物。C4植物葉片基本都存在花環(huán)結(jié)構(gòu)(kranztype)。常見的C4植物有：玉米、高粱、甘蔗等。玉米葉片的花環(huán)結(jié)構(gòu)微管束鞘細(xì)胞葉肉細(xì)胞

C4植物葉片的維管束鞘薄壁細(xì)胞較大，其中含有許多較大的葉綠體，但葉綠體沒有基?；蚧０l(fā)育不良；維管束鞘的外側(cè)緊密排列一層環(huán)狀或數(shù)層近于環(huán)狀的葉肉細(xì)胞，組成“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)?；ōh(huán)結(jié)構(gòu)(kranzanatomy，克蘭茨結(jié)構(gòu))：C4植物的維管束鞘有一層較大的薄壁細(xì)胞,富含葉綠體，其外為一至數(shù)層排列緊密的葉肉細(xì)胞，兩類細(xì)胞間有許多胞間連絲相連，從橫剖面看好似一束花環(huán)。C3植物的維管束鞘薄壁細(xì)胞較小，不含或很少葉綠體，沒有“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)，維管束鞘周圍的葉肉細(xì)胞排列松散，如水稻、小麥、棉花等，淀粉亦只是積累在葉肉細(xì)胞中，維管束鞘薄壁細(xì)胞不積存淀粉。C4植物(玉米)和C3植物(水稻)葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異A.玉米；B.水稻；1.維管束鞘；2.維管束鞘葉綠體玉米葉的兩種葉綠體A：上邊是葉肉細(xì)胞內(nèi)的葉綠體，有基粒；下邊是維管束鞘薄壁細(xì)胞內(nèi)的葉綠體，無(wú)基粒。沒有淀粉粒。B：在光下維管束鞘薄壁細(xì)胞內(nèi)的葉綠體，無(wú)基粒，有淀粉粒。2、C4途徑的生物化學(xué)過(guò)程（1）C4途徑的CO2受體是葉肉細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate,PEP），在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPcarboxylase,PEPC）催化下，固定HCO3-（CO2溶解于水），生成草酰乙酸（oxaloaceticacid,OAA）。PEPC對(duì)HCO3-的親和力極大，對(duì)CO2的Km值（米氏常數(shù)）是７μmol，而Rubisco的Km值是450μmol。前者比后者對(duì)CO2的親和力高很多。C4植物PEPC的活性比C3植物的Rubisco高60倍。是C4植物植物高產(chǎn)的原因之一。（2）草酰乙酸運(yùn)至葉綠體中經(jīng)過(guò)NADP-蘋果酸脫氫酶作用，被還原成為蘋果酸。

也有一些品種，其草酰乙酸與谷氨酸在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用下，形成天冬氨酸和α酮戊二酸。（3）蘋果酸或天冬氨酸接著運(yùn)到維管束鞘細(xì)胞(bundlesheathcell,BSC)中去。四碳雙羧酸在維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中脫羧后變成的丙酮酸。（4）丙酮酸再?gòu)木S管束鞘細(xì)胞運(yùn)回到葉肉細(xì)胞，在葉肉細(xì)胞的葉綠體中，經(jīng)丙酮酸磷酸雙激酶（PPDK）催化和ATP作用，變成PEP和焦磷酸。PEP回到細(xì)胞質(zhì)，又可作為CO2受體，使反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行。四碳雙羧酸在維管束鞘中脫羧釋放的CO2，由維管束鞘細(xì)胞中的C3途徑同化。C4途徑的生物化學(xué)過(guò)程

因?yàn)镻EPC對(duì)HCO3-的親和力極大，C4途徑可以看作“CO2泵”，通過(guò)四碳雙羧酸的轉(zhuǎn)運(yùn)提高內(nèi)部環(huán)境（維管束鞘細(xì)胞）的CO2濃度，而有利于發(fā)揮Rubisco的羧化活性，促進(jìn)光合產(chǎn)物的形成。在葉肉細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行C4途徑，在維管束鞘細(xì)胞進(jìn)行C3途徑。3、C4植物的類型根據(jù)植物所形成的C4二羧酸的種類以及脫羧反應(yīng)參與的酶類，C4植物又分三個(gè)亞類型：

一是依賴NADP-蘋果酸酶的蘋果酸型(NADP-ME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即屬此類；

二是依賴NAD-蘋果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)，龍爪稷、蟋蟀草、狗芽根、馬齒莧等屬于此類；

三是具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)，羊草、無(wú)芒虎尾草、衛(wèi)茅、鼠尾草等屬于此類。NADP-ME型的初期產(chǎn)物是MAL，而NAD-ME型和PCK型的初期產(chǎn)物是Asp。C4途徑的三種類型的脫羧反應(yīng)4、C4途徑的具體反應(yīng)步驟

（1）羧化反應(yīng)：生成草酰乙酸空氣中的CO2進(jìn)入葉肉細(xì)胞后先由碳酸酐酶(CA)轉(zhuǎn)化為HCO3-，以HCO3-為碳源，在PEPC催化下與PEP結(jié)合形成OAA。反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中不可逆地進(jìn)行。PEP+HCO3-→OAA（2）OAA還原或轉(zhuǎn)氨作用：生成蘋果酸或者天冬氨酸，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到BSC中。

①還原反應(yīng)是由NADP-蘋果酸脫氫酶催化，將OAA還原成Mal，反應(yīng)在葉綠體中進(jìn)行。OAA+NADPH+H+→Mal

②轉(zhuǎn)氨作用是由天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶催化，OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸，反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。OAA+谷氨酸→天冬氨酸(Asp)+α-酮戊二酸（3）脫羧反應(yīng)：蘋果酸或者天冬氨酸在BSC細(xì)胞內(nèi)脫羧釋放CO2。①NADP-ME型蘋果酸運(yùn)到BSC細(xì)胞后，在BSC的葉綠體內(nèi)，蘋果酸脫羧形成丙酮酸(Pyr)，反應(yīng)由NADP-蘋果酸酶催化，生成的NADPH可用于C3途徑中CO2的還原，生成的丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)到葉肉細(xì)胞。②NAD-ME型天冬氨酸運(yùn)到BSC后，在BSC內(nèi)被還原成蘋果酸，蘋果酸在BSC的線粒體中進(jìn)行脫羧，由NAD-蘋果酸酶催化反應(yīng)同上類似，僅以NAD替代NADP，生成的丙酮酸在細(xì)胞質(zhì)中由轉(zhuǎn)氨酶催化形成丙氨酸，然后運(yùn)入葉肉細(xì)胞。③PCK型天冬氨酸運(yùn)到BSC后，在BSC內(nèi)脫氨形成草酰乙酸，草酰乙酸的脫羧反應(yīng)在BSC的細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，由PEP羧激酶催化。生成的PEP轉(zhuǎn)變成丙酮酸（或在細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化成丙氨酸），運(yùn)入葉肉細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行C4途徑。（4）底物再生

C4二羧酸脫羧后形成的Pyr運(yùn)回葉肉細(xì)胞，由葉綠體中的丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受體PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在葉肉細(xì)胞中先轉(zhuǎn)變成丙酮酸，再生成PEP。

Pyr+ATPPEP+AMP+PPi丙酮酸焦磷酸雙激酶此步反應(yīng)要消耗2個(gè)高能磷酸鍵(因AMP變成ADP需再消耗1個(gè)ATP)。所以PEP再生需消耗2個(gè)ATP，使得C4植物同化1個(gè)CO2要消耗5個(gè)ATP和2個(gè)NADPH（C3植物則只需消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPH）。（5）C4植物同化CO2的能量轉(zhuǎn)化效率：

C3途徑的總反應(yīng)式為:3CO2+9ATP+6NADPH－→GAP(C3H6O3+Pi)+9ADP+8Pi+6NADP++3H2O+3H+C4途徑是一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)CO2的過(guò)程，經(jīng)過(guò)一個(gè)四碳雙羧酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，才能進(jìn)行C3途徑。每轉(zhuǎn)運(yùn)1分子CO2需要2個(gè)ATP。

C4植物同化CO2的總反應(yīng)式為:3CO2+15ATP+6NADPH－→GAP+15ADP+14Pi+6NADP++3H2O+6H+若1molNADPH2水解釋放的能量是215kJ，1molATP水解釋放的能量是32kJ，1mol六碳糖貯能2800kJ，請(qǐng)計(jì)算玉米合成1mol葡萄糖的能量轉(zhuǎn)換效率的理論值是多少？（保留1位小數(shù)，79.1％）5、C4途徑意義（1）首先，C4二羧酸從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到BSC內(nèi)脫羧釋放CO2，使維管束鞘細(xì)胞內(nèi)的CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，相當(dāng)于一個(gè)“CO2”泵的作用，能提高CO2同化效率。（2）其次，PEPC對(duì)CO2的Km值為7μmol/L，而Rubisco對(duì)CO2的Km值為450μmol／L即PEPC對(duì)CO2的親和力高。（3）再次，BSC中的光合作用產(chǎn)物就近運(yùn)入維管束，避免了光合作用產(chǎn)物積累所產(chǎn)生的反饋抑制作用。（4）高溫、強(qiáng)光、低CO2和干旱等逆境條件下，C4途徑的CO2同化速率顯著高于C3途徑。可見C4途徑是植物光合碳素同化對(duì)熱帶環(huán)境的適應(yīng)的結(jié)果。（5）維管束鞘細(xì)胞內(nèi)的CO2濃度較高，抑制Rubisco的加氧反應(yīng)，有效抑制了C4植物的光呼吸，也能提高光合效率。（三）景天科植物酸代謝途徑（CAM途徑）

生長(zhǎng)在干旱地區(qū)的景天科植物如落地生根具有的一個(gè)特殊的CO2同化方式：夜間氣孔開放，吸收的CO2在PEPC作用下與糖酵解過(guò)程中產(chǎn)生的PEP結(jié)合形成OAA，OAA在NADP-蘋果酸脫氫酶作用下進(jìn)一步還原為蘋果酸積累于液泡中，表現(xiàn)出夜間淀粉、糖減少，蘋果酸增加，細(xì)胞液變酸。白天氣孔關(guān)閉，液泡中的蘋果酸運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)在NAD－或NADP－蘋果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脫羧釋放CO2，再由