植物生理學(xué)課件總集第三章chapter3cabor fixtation

Photosynthesis2–CarbonFixation重點和難點★代謝途徑C3,C4,CAM及C2途徑基本過程各代謝途徑的關(guān)鍵酶各代謝途徑相互之間的聯(lián)系★代謝調(diào)控各代謝途徑關(guān)鍵酶調(diào)節(jié)光對各種C代謝途徑的調(diào)控其它調(diào)控CalvinCycle代謝途徑—C3代謝途徑—C3羧化、還原、再生3個階段Rubisco（L8S8）結(jié)構(gòu)3RuBP+3CO2+3H2ORubisco6PGA+6H+

羧化植物Rubisco還原

6PGA+6ATP+6NADPH+6H+→→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi再生5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+每同化一個CO2需要消耗3個ATP和2個NADPH，還原3個CO2可輸出1個磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6個CO2可形成1個磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可運出葉綠體，在細胞質(zhì)中合成蔗糖或參與其它反應(yīng)；形成的磷酸己糖則留在葉綠體中轉(zhuǎn)化成淀粉而被臨時貯藏。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每形成1molGAP貯能1460kJ，每水解1molATP放能32kJ，每氧化1molNADPH放能220Kj.C3途徑的能量轉(zhuǎn)化效率為1460/(32×9+220×6)=91%代謝途徑—C2Rubisco催化特性光呼吸：植物的綠色細胞在光照下有吸收氧氣,釋放CO2的反應(yīng)?！?分子的乙醇酸從葉綠體轉(zhuǎn)入過氧化體形成氨基乙酸，2分子氨基乙酸轉(zhuǎn)入線粒體后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻z氨酸，同時釋放CO2。★絲氨酸運輸?shù)竭^氧化體轉(zhuǎn)化為甘油酸。甘油酸進入葉綠體，磷酸化作用形成3-磷酸甘油酸，進入卡爾文循環(huán)。耗氧反應(yīng)部位有兩處，一是葉綠體中的Rubisco加氧反應(yīng)，二是過氧化體中的乙醇酸氧化反應(yīng)。脫羧反應(yīng)則在線粒體中進行，2個甘氨酸形成1個絲氨酸時脫下1分子CO2。RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred

5CO2+34ADP+36Pi+15NADP++10Fdox+9H+

代謝途徑—C4①羧化反應(yīng)在葉肉細胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；②還原或轉(zhuǎn)氨作用

OAA被還原為蘋果酸(Mal)，或經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用形成天冬氨酸(Asp)；③脫羧反應(yīng)

C4酸通過胞間連絲移動到BSC，在BSC中釋放CO2，CO2由C3途徑同化；④底物再生脫羧形成的C3酸從BSC運回葉肉細胞并再生出CO2受體PEP。羧化反應(yīng)

還原NADP-蘋果酸脫氫天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨或脫羧(1)NADP-ME型在BSC的葉綠體內(nèi)蘋果酸脫羧生成丙酮酸(Pyr)，反應(yīng)由NADP蘋果酸酶催化。(2)NAD-ME型天冬氨酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用下轉(zhuǎn)氨基形成OAA，再經(jīng)NAD-蘋果酸脫氫酶作用下生成蘋果酸，然后在NAD-蘋果酸酶催化下脫羧生成丙酮酸并釋放CO2，這些過程都在BSC的線粒體中進行(3)PCK型天冬氨酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用變成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下變?yōu)镻EP并釋放CO2。生成的PEP可能直接進入葉肉細胞，也可能先轉(zhuǎn)變成丙酮酸，再形成丙氨酸進入葉肉細胞。上述三類反應(yīng)脫羧釋放的CO2都進入BSC的葉綠體中，由C3途徑同化。C4二羧酸脫羧釋放CO2，使BSC內(nèi)CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，所以C4途徑中的脫羧起“CO2泵”作用。C4植物這種濃縮CO2的效應(yīng)，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。底物再生C4二羧酸脫羧后形成的Pyr運回葉肉細胞，由葉綠體中的丙酮酸磷酸二激酶(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胞中先轉(zhuǎn)為丙酮酸，然后再生成PEP。此步反應(yīng)要消耗2個ATP(因AMP變成ADP再要消耗1個ATP)。PPDK在體內(nèi)存在鈍化與活化兩種狀態(tài)，它易被光活化，光下該酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2個ATP，這使得C4植物同化1個CO2需消耗5個ATP與2個NADPH。代謝途徑—CAM1.階段ⅠPEPC的羧化階段。夜間氣孔開啟，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者還原成蘋果酸貯存于液泡。此間CO2固定約占全天固定CO2的3/4左右，而白天貯存的葡聚糖在此期間用于形成PEP。2.階段Ⅱ

由PEPC羧化轉(zhuǎn)向Rubisco羧化的階段。白晝開始時氣孔導(dǎo)度與CO2吸收出現(xiàn)一個高峰，此期間C４途徑與C３途徑同時進行，蘋果酸積累中止。3.階段ⅢRubisco同化CO2階段。日間氣孔關(guān)閉，停止從外界吸收CO2，蘋果酸從液泡轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)，氧化脫羧。脫羧釋放的CO2進入葉綠體被C３途徑同化。4.階段Ⅳ

由Rubisco羧化轉(zhuǎn)向由PEPC羧化的階段。蘋果酸脫羧降至最低點，氣孔開始張開，CO2吸收增加，且由C3途徑過渡至C4途徑，從而又重復(fù)下一個晝夜變化周期。CO２固定晝夜可變化分為4個階段：

景天酸科代謝途徑（CAM）是光合作用適應(yīng)干旱環(huán)境的一種進化形式。CAM植物開放的氣孔使進入。PEP羧化酶（1）參與CO2形成四碳有機酸草酰乙酸，草酰乙酸可以被蘋果酸脫氫酶（2）還原成蘋果酸。夜間在液泡中。在光下CAM植物關(guān)閉氣孔以阻止水分流失。貯存的蘋果酸被NADP+-蘋果酸酶（3）脫羧，釋放CO2通過卡文循環(huán)轉(zhuǎn)變碳氫化合物。CAM途徑主要反應(yīng)是兩類羧化反應(yīng)。在黑暗中進行PEPC的羧化反應(yīng)和在光下進行Rubisco的羧化反應(yīng)，與此相伴隨的是由PEP羧化生成草酰乙酸并進一步還原為蘋果酸的酸化作用和由蘋果酸釋放CO2的脫羧作用。①PEPC(PEP羧化酶)；②PCK(PEP羧化激酶)；③NADP-ME(NADP-蘋果酸脫氫酶)或NAD-ME；④PPDK(丙酮酸磷酸二激酶)

CAM植物與C4植物固定與還原CO2的途徑基本相同，二者的差別在于：C4植物是在同一時間(白天)和不同的空間(葉肉細胞和維管束鞘細胞)完成CO2固定(C4途徑)和還原(C3途徑)兩個過程；而CAM植物則是在不同時間(黑夜和白天)和同一空間(葉肉細胞)完成上述兩個過程的。CAM植物由于白天氣孔關(guān)閉、蘋果酸脫羧、細胞間的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因而表觀光呼吸較低。代謝調(diào)控C3途徑的調(diào)節(jié)C4途徑的調(diào)節(jié)CAM途徑的調(diào)節(jié)C3途徑的調(diào)節(jié)1.自(動)催化作用植物同化CO2速率，很大程度上決定于光合碳還原循環(huán)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以及光合中間產(chǎn)物的數(shù)量。在C3途徑中存在一種自動調(diào)節(jié)RuBP濃度的機制，即在RuBP含量低時，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳還原循環(huán)到達“穩(wěn)態(tài)”時，形成的磷酸丙糖再輸出。這種調(diào)節(jié)RuBP等光合中間產(chǎn)物含量，使同化CO2速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機制，就稱為C3途徑的自(動)催化作用。C3途徑的自(動)催化作用示意圖15個RuBP固定15個CO2，可再生18個RuBP，即產(chǎn)生3個額外RuBP(實線)，當(dāng)?shù)竭_“穩(wěn)態(tài)”時產(chǎn)生5個TP(磷酸丙糖)輸出(虛線)2.光調(diào)節(jié)作用

光除了通過光反應(yīng)對CO2同化提供同化力外，還調(diào)節(jié)著光合酶的活性。C3循環(huán)中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光調(diào)節(jié)酶(圖中打圈處)。光下酶活性提高，暗中活性降低或喪失。光對酶活性的調(diào)節(jié)大體可分為兩種情況：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)光調(diào)節(jié)酶通過改變微環(huán)境調(diào)節(jié)通過產(chǎn)生效應(yīng)物調(diào)節(jié)C3途徑的調(diào)節(jié)(1)微環(huán)境調(diào)節(jié)光驅(qū)動的電子傳遞使H+向類囊體腔轉(zhuǎn)移，Mg2+則從類囊體腔轉(zhuǎn)移至基質(zhì)，引起葉綠體基質(zhì)的pH從7上升到8，Mg2+濃度增加。較高的pH與Mg2+濃度使Ｒubisco等光合酶活化。Mg2+濃度增加pH從7上升到8Mg2+(2)效應(yīng)物調(diào)節(jié)通過Fd-Td(鐵氧還蛋白-硫氧還蛋白)系統(tǒng)調(diào)節(jié)FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫鍵(－S－S－)，當(dāng)被還原為2個巰基(－SH)時表現(xiàn)活性。光驅(qū)動的電子傳遞能使基質(zhì)中Fd還原，進而使Td(硫氧還蛋白)還原，被還原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相鄰半胱氨酸上的二硫鍵打開變成2個巰基，酶被活化。在暗中則相反，巰基氧化形成二硫鍵，酶失活。圖20Fd-Td系統(tǒng)活化酶的圖解3.光合產(chǎn)物輸出速率的調(diào)節(jié)

根據(jù)質(zhì)量作用定律，產(chǎn)物濃度的增加會減慢化學(xué)反應(yīng)的速度。磷酸丙糖是能運出葉綠體的光合產(chǎn)物，而蔗糖是光合產(chǎn)物運出細胞的運輸形式。磷酸丙糖通過葉綠體膜上的Pi運轉(zhuǎn)器運出葉綠體，同時將細胞質(zhì)中等量的Pi運入葉綠體。磷酸丙糖在細胞質(zhì)中被用于合成蔗糖，同時釋放Pi。如果蔗糖的外運受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，隨之Pi的釋放減少，而使磷酸丙糖外運受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響C3光合碳還原環(huán)的正常運轉(zhuǎn)。另外，葉綠體的Pi濃度的降低也會抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，這又會抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反應(yīng)。C3途徑的調(diào)節(jié)C4途徑的調(diào)節(jié)NADP-蘋果酸脫氫酶的活性通過Fd-Td系統(tǒng)調(diào)節(jié)；PEPC和PPDK的活性通過酶蛋白的磷酸化-脫磷酸反應(yīng)來調(diào)節(jié)。當(dāng)PEPC上某一Ser被磷酸化時，PEPC就活化，對底物PEP的親和力就增加，脫磷酸時PEPC就鈍化。因而C4植物的PEPC光下活性高。1.酶活性的調(diào)節(jié)

(1)光調(diào)節(jié)

C4途徑中的PEPC、NADP-蘋果酸脫氫酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)都在光下活化，暗中鈍化。C4植物中PEP羧化酶的調(diào)節(jié)光通過一種未知的機制激活調(diào)節(jié)激酶。反過來激酶磷酸化和激活PEP羧化酶。在黑暗中激酶較低的活性和水解作用使磷酸從PEP羧化酶中去除，降低酶的活性。C4光合作用中活性酶磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PPDK）的調(diào)節(jié)

磷酸烯醇式丙酮酸激酶活性可以被調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)。黑暗中蛋白質(zhì)促進PPDK的磷酸化，導(dǎo)致酶失活。在黑暗中缺少磷酸化作用磷酸供應(yīng)體ADP濃度增加，光下PPDK發(fā)生去磷酸化，被活化。PPDK在被磷酸化時鈍化，不能催化由Pyr再生PEP的反應(yīng)，而在脫磷酸時活化。(2)代謝物的調(diào)節(jié)PEPC與PPDK的活性還受代謝物的調(diào)節(jié)。通常是底物促進酶的活性，產(chǎn)物抑制酶的活性，如∶PEPC的活性被PEP以及產(chǎn)生PEP的底物G6P、F6P、FBP所激活，而被OAA、Mal、Asp等產(chǎn)物反饋抑制；

GG6PPEPOAAMalPPDK的活性在底物ATP、Pi和Pyr相對濃度高時提高，然而該酶不受底物PEP相對濃度所影響。

Pyr+ATP+PiPEP+AMP=PPiPEPCPPDKC4途徑的調(diào)節(jié)2.光對酶量的調(diào)節(jié)

光提高光合酶活性的原因之一是光能促進光合酶的合成。前已提到Rubisco的合成受光控制，PEPC的合成也受光照誘導(dǎo)，如玉米、高粱黃化葉片經(jīng)連續(xù)照光后，PEPC的活性提高，同時〔3H〕-亮氨酸摻入到酶蛋白的數(shù)量增加，應(yīng)用蛋白合成抑制劑、放線菌素D和光合電子傳遞抑制劑DCMU所得資料表明，光引起PEPC活性的增高與光合電子傳遞無關(guān)(不被DCMU抑制)，而與酶蛋白的合成有關(guān)(被放線菌素D抑制)。光對NADP蘋果酸酶的形成也有類似影響。C4途徑的調(diào)節(jié)3.代謝物運輸

C4途徑的生化反應(yīng)涉及兩類光合細胞和多種細胞器，維持有關(guān)代謝物在細胞間、細胞器間快速運輸，保持鞘細胞中高的CO2濃度