第二節(jié)二氧化碳固定

第二節(jié)二氧化碳固定第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

1945年美國(guó)的CalvinM等人利用單細(xì)胞小球藻作為實(shí)驗(yàn)材料，應(yīng)用14C示蹤技術(shù)和雙向紙層析法，經(jīng)過(guò)十年的研究揭示了光合作用暗反應(yīng)階段碳素同化及受體再生的循環(huán)途徑，因此稱為卡爾文循環(huán)（Calvin–Bensoncycle）。

由于途徑中的最初產(chǎn)物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），故也稱作C3途徑。

10.1.3卡爾文循環(huán)（C3途徑）

第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.1CO2的固定

整個(gè)循環(huán)可分為三個(gè)階段：(1)CO2固定

CO2的固定（CO2fixation），即游離的CO2經(jīng)酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物分子中的羧基,也稱作CO2的羧化（carboxylation）。

CO2的受體是核酮糖-1,5-二磷酸（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP），催化此反應(yīng)的酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase，Rubisco）。第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.1CO2的固定

整個(gè)循環(huán)可分為三個(gè)階段：(1)CO2固定

上述反應(yīng)在夜間或黑暗條件下受阻

第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

CO2的固定反應(yīng)是卡爾文循環(huán)的限速步驟。其關(guān)鍵酶——Rubisco是個(gè)雙功能的酶。它的活性中心有兩種功能：既可以催化上述羧化反應(yīng)，又可以催化加氧反應(yīng)（在光呼吸中）。該酶位于葉綠體基質(zhì)中，約占葉子可溶性蛋白的50%，是植物中含量最豐富的酶。第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.1CO2的固定

Rubisco活性中心受CO2和Mg2+以及ATP的活化。酶的最適pH≈8。已知底物RuBP與Rubisco結(jié)合較牢，反而降低了羧化反應(yīng)的速度，在Rubisco激活酶（Rubiscoactivase）的調(diào)節(jié)下，可以促進(jìn)RuBP的釋放，活化了Rubisco?；罨^(guò)程中Rubisco激活酶需要ATP，因ATP來(lái)自于光反應(yīng)，所以光是Rubisco的間接激活劑。第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

這一階段包括兩步反應(yīng)：（1）在磷酸甘油酸激酶催化下，發(fā)生高能鍵的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸（BPG）；（2）在磷酸甘油醛脫氫酶的催化下，還原產(chǎn)生3-磷酸甘油醛（G3P）。第二步酶是光調(diào)節(jié)酶。反應(yīng)中消耗的ATP和NADPH來(lái)自于前面介紹的光合作用光反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能和還原力。

10.1.3.2羧化產(chǎn)物的還原

第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

在磷酸丙糖異構(gòu)酶的催化下，3-磷酸甘油醛（G3P）異構(gòu)為磷酸二羥丙酮（DHAP）；接著在醛縮酶的催化下，縮合成果糖-1,6-二磷酸（FBP）；然后在光調(diào)節(jié)酶：果糖-1,6-二磷酸酶（fructose-1,6-bisphosphatase,FBPase）的催化下，水解去掉一個(gè)磷酸基團(tuán)，變?yōu)楣?6-磷酸（F6P）；再經(jīng)磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化，就變?yōu)槠咸?6-磷酸（G6P）

10.1.3.3受體的再生

第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

磷酸丙糖是代謝中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，除了參與卡爾文循環(huán)中的反應(yīng)外，還有其它去路：①轉(zhuǎn)化為淀粉，作為植物貯存形式備用；②外運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中先形成蔗糖，再轉(zhuǎn)移到植物生長(zhǎng)的區(qū)域；③在發(fā)育的葉片中，相當(dāng)一部分磷酸丙糖轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)入糖酵解、TCA循環(huán)等途徑為生物供能。

10.1.3.3受體的再生

第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

醛縮酶還可將上述反應(yīng)產(chǎn)生的4-磷酸赤蘚糖與磷酸二羥丙酮縮合，形成七碳糖：景天庚酮糖-1,7-二磷酸（SBP）。在景天庚酮糖二磷酸酶（sedoheptulosebisphosphatase，SBPase）的作用下，SBP被水解，去除一個(gè)磷?；?，成為景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）。此水解酶是光調(diào)節(jié)酶，也是植物中特有的酶

10.1.3.3受體的再生

第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

轉(zhuǎn)羥乙醛酶還可以催化酮糖供體“景天庚酮糖-7-磷酸”將羥乙醛基轉(zhuǎn)移給醛糖受體“3-磷酸甘油醛”，產(chǎn)生5-磷酸核糖（R5P）和5-磷酸木酮糖（Xu5P）。第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

再經(jīng)兩種異構(gòu)酶催化，可發(fā)生五碳糖的轉(zhuǎn)變，其共同的目標(biāo)是形成5-磷酸核酮糖（Ru5P）。Xu5P經(jīng)磷酸核酮糖差向異構(gòu)酶催化，C3上羥基位置的改變，就可以變成Ru5P。第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

R5P經(jīng)磷酸核糖異構(gòu)酶催化，醛糖就可以變成酮糖Ru5P第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

最后在磷酸核酮糖激酶（phosphoribulosekinase）催化下,消耗1ATP,產(chǎn)生1,5-二磷酸核酮糖（RuBP），完成了受體的再生。第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

⑴

Rubisco*；⑵磷酸甘油酸激酶；⑶磷酸甘油醛脫氫酶*；⑷磷酸丙糖異構(gòu)酶；⑸醛縮酶；⑹FBPase*；⑺磷酸葡糖異構(gòu)酶；⑻磷酸葡糖酶；⑼轉(zhuǎn)羥乙醛酶；⑽醛縮酶；⑾SBPase*；⑿轉(zhuǎn)羥乙醛酶；⒀磷酸核酮糖差向異構(gòu)酶；⒁磷酸核糖異構(gòu)酶；⒂磷酸核酮糖激酶*

第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.1.3.3受體的再生

總反應(yīng)式

光合作用的卡爾文循環(huán)中，每同化一分子CO2，需要消耗三分子ATP和二分子的NADPH。

或第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

在這樣的弱堿性條件下，Rubisco，磷酸甘油醛脫氫酶，F(xiàn)BPase，SBPase，磷酸核酮糖激酶這些卡爾文循環(huán)關(guān)鍵酶均有激活作用

10.1.3.4卡爾文循環(huán)調(diào)節(jié)（C3途徑）

第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

C4途徑是一種在光合作用中與卡爾文循環(huán)有一定聯(lián)系的輔助途徑。該途徑的作用是固定、濃縮和轉(zhuǎn)運(yùn)CO2到C3途徑所在的維管束鞘細(xì)胞中，使其中的CO2濃度升高，提高其光合作用速率。因CO2固定最初產(chǎn)物是四碳二羧酸，固稱為C4途徑。通過(guò)C4途徑固定、同化CO2的植物，簡(jiǎn)稱為C4植物，如玉米、甘蔗、高粱、莧菜、狼尾草、黍等。10.1.4C4途徑

第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

C3植物與C4植物光合作用的差異在于暗反應(yīng)階段：C3植物的CO2固定及碳素同化途徑均在葉肉細(xì)胞的葉綠體中進(jìn)行。C4植物的CO2固定先在靠近葉表面的葉肉細(xì)胞中進(jìn)行，然后經(jīng)C4途徑的四碳二羧酸的轉(zhuǎn)移，把CO2運(yùn)輸?shù)饺~片內(nèi)部維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中，再進(jìn)行卡爾文循環(huán)?？梢?jiàn)C4植物碳同化過(guò)程應(yīng)包括C4途徑和C3途徑。10.1.4.1

C4途徑與C3途徑的關(guān)系

第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日10.1.4.1

C4途徑與C3途徑的關(guān)系

第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

C4途徑將CO2和Rubisco從氧含量較高的葉片表面轉(zhuǎn)移到氧濃度較低的內(nèi)部維管束鞘細(xì)胞之中，再進(jìn)行CO2的固定反應(yīng)。其轉(zhuǎn)移的目的是避免Rubisco發(fā)生另一種浪費(fèi)資源的加氧反應(yīng)。熱帶禾本科植物采用C4途徑的原因之一是克服了高溫條件下CO2和Rubisco的親和力的下降。10.1.4.1

C4途徑與C3途徑的關(guān)系

第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

C4途徑CO2的最初受體是一種三碳化合物——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），在PEP羧化酶催化下，固定CO2，生成草酰乙酸（OAA）10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

這個(gè)反應(yīng)在葉肉細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。PEP羧化酶對(duì)CO2的親和力很強(qiáng)，其Km≈7mol/L，而此時(shí)的Rubisco的Km≈450mol/L。

PEP羧化酶從高O2低CO2的葉肉中固定CO2，為CO2的轉(zhuǎn)移、同化奠定了基礎(chǔ)。PEP羧化酶是一種調(diào)節(jié)酶，被CO2固定的反應(yīng)產(chǎn)物OAA所抑制，受EMP途徑中的葡萄糖-6-磷酸（G6P）的活化。該酶遇到光也活化，視作光合作用的酶。10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

在葉肉細(xì)胞的葉綠體中，經(jīng)NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸。10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

在葉肉細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，由谷草轉(zhuǎn)氨酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)樘於彼?0.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

上述蘋(píng)果酸或天冬氨酸均能夠從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到維管束鞘細(xì)胞中。這些四碳二羧酸起著CO2攜帶體的作用。

在維管束鞘細(xì)胞中，它們發(fā)生脫羧反應(yīng)，放出CO2，以利于CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán)，再參與糖的合成。脫羧反應(yīng)因植物不同；也相應(yīng)有差異，主要有三種形式：10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日在維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中，經(jīng)NADP-蘋(píng)果酸酶催化，氧化脫羧變?yōu)楸?。屬于這類的植物是玉米、甘蔗、高粱等。10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

在維管束鞘線粒體中，經(jīng)NAD-蘋(píng)果酸酶作用，氧化脫羧，形成丙酮酸。10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

脫羧后，形成的丙酮酸先經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶作用變?yōu)楸彼幔瑥木S管束鞘細(xì)胞轉(zhuǎn)移到葉肉細(xì)胞的葉綠體中，再經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶作用又轉(zhuǎn)變回丙酮酸，然后通過(guò)丙酮酸磷酸雙激酶（pyruvatephosphatedikinase）的催化才轉(zhuǎn)變成PEP，完成C4途徑受體的再生。

10.1.4.2C4途徑中主要的酶促反應(yīng)

第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

葡萄糖異生作用（gluconeogenesis）是指以非糖有機(jī)物作為前體合成為葡萄糖的過(guò)程。這是植物、動(dòng)物體內(nèi)一種重要的單糖合成途徑。非糖物質(zhì)包括乳酸、丙酮酸、甘油、草酰乙酸、乙酰CoA以及生糖氨基酸（如丙氨酸）等。

植物果實(shí)成熟期間，有機(jī)酸含量下降，糖份含量增加，就是葡糖異生作用的結(jié)果。動(dòng)物機(jī)體內(nèi)葡萄糖異生作用是必不可少的。它對(duì)維持血糖濃度的恒定，為大腦、肌肉、眼晶狀體、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織利用葡糖分解供能提供了保障。10.2糖異生作用

第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

葡萄糖異生途徑幾乎是EMP途徑的逆轉(zhuǎn)，但要繞過(guò)EMP途徑三處不可逆反應(yīng)，采用葡萄糖異生作用特有的酶催化、轉(zhuǎn)移，才能完成非糖有機(jī)物合成為葡萄糖的過(guò)程。葡萄糖異生途徑三處迂回路徑是:10.2.1葡萄糖異生途徑

第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

(1)丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸

10.2.1葡萄糖異生途徑

第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日(2)果糖–1,6-二磷酸果糖-6-磷酸

10.2.1葡萄糖異生途徑

第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日(3)葡萄糖-6-磷酸葡萄糖10.2.1葡萄糖異生途徑

第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日

10.3.1糖核苷酸的作用

10.3蔗糖和多糖的生物合成

在高等植物、動(dòng)物體內(nèi)，游離的單糖不能參與雙糖和多糖的合成反應(yīng)，延長(zhǎng)反應(yīng)中提供的單糖基必須是活化的糖供體，這種活化的糖是一類糖核苷酸，即糖與核苷酸結(jié)合的化合物。糖核苷酸的作用是作為雙糖或多糖，甚至是糖蛋白等復(fù)合糖合成過(guò)程中參與延長(zhǎng)單糖基的活化形式或供體。最早發(fā)現(xiàn)的糖核苷酸是尿苷二磷酸葡萄糖（uridinediphosphateglucose,UDPG）第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日10.3蔗糖和多糖的生物合成

UDPG結(jié)構(gòu)式

第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日10.3蔗糖和多糖的生物合成UDPG合成反應(yīng)

第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日10.3.2蔗糖的生物合成該途徑存在于光合組織的細(xì)胞質(zhì)中。被認(rèn)為是植物合成蔗糖的主要途徑。磷酸蔗糖合酶（sucrosephosphatesynthase）屬于轉(zhuǎn)移酶類。它利用UDPG作為葡萄糖的供體，以F6P為葡萄糖的受體，反應(yīng)產(chǎn)物是蔗糖-6-磷酸；再通過(guò)磷酸蔗糖酶水解，脫去磷酸基團(tuán)而生成蔗糖。(1)磷酸蔗糖合酶途徑第四十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日(1)磷酸蔗糖合酶途徑第四十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日10.3.2蔗糖的生物合成在非光合組織中蔗糖合酶（sucrosesynthase）活性較高。蔗糖合酶也屬于轉(zhuǎn)移酶類，可催化糖基轉(zhuǎn)