光合作用的有關(guān)機(jī)理王學(xué)奎

2.1光合碳還原（PCR）循環(huán)的酶調(diào)節(jié)

2.2Rubisco的光活化

2.3Rubisco的純化與分析

2.4C4二羧酸途徑及其調(diào)節(jié)

2.5光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)及調(diào)節(jié)

2.6光合作用與環(huán)境因子

2.7光合作用研究進(jìn)展1*現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.1.1PCR的循環(huán)中的調(diào)節(jié)酶PCR循環(huán)反應(yīng)：（1）羧化作用6RuBP+6CO2+6H2O123-PGA（2）磷酸甘油酸的還原123-PGA+12ATP12DPGA+12ADP

12DPGA+12（NADPH+H+）12PGA1d+12Pi+12NADP+RuBPCPGAKNADP-Gald-3-PDH2.1光合碳還原（PCR）循環(huán)的酶調(diào)節(jié)2*現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五（3）RuBP的再生5PGA1d5DHAP3PGA1d+3DHAP3FBP3FBP+3H2O3F6P+3Pi2F6P+2PGA1d2Xu5P+2E4P

2E4P+2DAHP2SBP

磷酸果糖異構(gòu)酶醛縮酶FBPase轉(zhuǎn)酮酶醛縮酶3*現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2SBP+2H2O2S7P+2Pi2S7P+2PGA1d2R5P+2Xu5P

2R5P2Ru5P4Xu5P4Ru5P

6Ru5P+6ATP6RuBP+6ADPSBPase轉(zhuǎn)酮酶核糖磷酸異構(gòu)酶核糖磷酸表異構(gòu)酶Ru-5-PK4*現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五自然界有兩種類型的Rubisco:（1）類型IRubisco,L8S8存在于所有真核和大多數(shù)原核的光合有機(jī)體中。

（2）類型ⅡRubisco,L2存在于一種紫色非硫光合細(xì)菌、深紅紅螺菌中。2.1.2.1Rubisco（Rubulose-1,5-bisphophatecarboxylase-oxygenase,E.C.1.1.1.39）2.1.2PCR循環(huán)中調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)作用5*現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五8個(gè)大亞基（50~60KD）和8個(gè)小亞基（12~18KD）組成，全酶分子量M≈560KD。氨基殘基數(shù)同源性同源區(qū)域功能L475>80%169-220,活化部位321-340催化部位S123~70%10-21,裝配？61-76增強(qiáng)羧化作用？L8(S8)與L2的同源性約28%，但在活性部位的氨基殘基是保守的。類型IRubisco（L8S8）的特征：6*現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco的羧化功能和氧化功能：圖2-1Rubisco催化的羧化和氧化反應(yīng)過(guò)程

7*現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Km/CO2Km/

O2，且羧化和氧化反應(yīng)發(fā)生在同一個(gè)活性中心。Rubisco羧化和氧化初速之比：Vc/V0=(Vc/Kc)/(V0/K0)*([CO2]/[O2])

其中(Vc/Kc)/(V0/K0)稱為特征性因子（Srel），即羧化酶與加氧酶的Vmax/Km之間的比值。

Rubisco所催化的羧化反應(yīng)與氧化反應(yīng)的速率之比決定于細(xì)胞內(nèi)CO2和O2濃度的相對(duì)比值。Rubisco：8*現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五C3植物--高光呼吸植物，C4植物--低光呼吸植物？C3植物：同化3~4molCO2,吸收1molO2，光呼吸速率~30%。C4植物：維管束鞘細(xì)胞中[CO2]>>[O2]。9*現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco活性中心(Tolbert，1980)：活化分子底物分子(L201)Srel隨生物進(jìn)化而提高!Fig.2-210*現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五菠菜中純化的GA1d-3-PDH有兩種型式：（1）原基體（Mr=100KD）：四亞基構(gòu)成，優(yōu)先利用NADP（H）（2）寡聚體（Mr=600KD）：16個(gè)亞基構(gòu)成，對(duì)NAD（H）專一（參與EMP中PGA的還原）原基體活化NADPH、、ATPDTTP酶蛋白解離活化NADPH聯(lián)結(jié)的反應(yīng)NAD+或PGA1d原基體聚合活化NADH聯(lián)結(jié)的反應(yīng)光2.1.2.2甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAld-3PDH）11*現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五GA1d-3-P-DH調(diào)節(jié)的多樣性與復(fù)雜性：

光；還原劑；聚合；解聚；組裝過(guò)程中的修飾作用在10mmol/LMg2+存在時(shí)，其最適pH為8.0且Mg2+可單獨(dú)激活FBPase；葉綠體在照光時(shí)，類囊體中的Mg2+外流，可使間質(zhì)中的Mg2+濃度高達(dá)13mmol/L，同時(shí)也使間質(zhì)中的pH升高，接近該酶的最適pH。光誘導(dǎo)Mg2+和pH的變化是活化FBPase的重要因素。12.1.2.3果糖-1,6-二磷酸酯酶（FBPase）12*現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五在Mg2+濃度較低（<4mmol/L）的條件下，其最適pH升高。FBPase可被硫氧還蛋白（Td）、還原型鐵氧還蛋白（Fdred）活化。FBPase的活化與光合電子傳遞的關(guān)系密切。外源還原劑1，4-二硫蘇糖醇（DTT）可代替Fdred起活化作用。該酶的活性受其氧化還原狀態(tài)所控制。FBPase的活化模式(Buchanan，1977)213*現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光系統(tǒng)1和調(diào)節(jié)蛋白活化FBPase的示意圖Fig.2-314*現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五FBPase是一種多亞基(16個(gè)亞基)酶蛋白；FBPase存在著多種亞型，表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性，其中一些亞型無(wú)催化活性。在體外，亞型之間的相互轉(zhuǎn)變依賴于氧化-還原劑、二價(jià)陽(yáng)離子（如Ca2+）或pH。3高度變構(gòu)的調(diào)節(jié)原核藻類聚球藻中的FBPase：A型和B型；B型總活力>>A型;B型蛋白又存在二聚體和四聚體兩種亞型，且這兩種亞型之間可以可逆轉(zhuǎn)換（視FBP和Mg2+的存在與否）。15*現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五SFBPase與FBPase一樣，亦受體內(nèi)鐵氧化蛋白和硫氧化還蛋白系統(tǒng)的活化，活化過(guò)程需要Mg2+，DTT亦可代替Fdred的作用。與FBPase不同的是Mg2+本身不使SBPase活化。FBPase和SBPase是光合碳循環(huán)的限速酶。2.1.2.4景天庚酮糖-1,7-二磷酸酯酶(SBPase)16*現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五該酶受光反應(yīng)產(chǎn)生的還原劑所活化，DTT可代替光的作用使該酶活化。完整的葉綠體照光不到8秒鐘，該酶活性即可提高2~4倍。Ru-5-PK的活化出現(xiàn)在羧化作用開(kāi)始時(shí)，即活化該酶的還原劑產(chǎn)生于Fd之前。這樣葉綠體一經(jīng)照光即有充足的CO2受體，以推動(dòng)CO2的固定。2.1.2.5核酮糖-5-磷酸激酶（Ru-5-PK）17*現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光對(duì)葉綠體中光活化酶調(diào)節(jié)機(jī)理假設(shè)G-6PDHGald-3PDHRu-5-PKFBPaseSBPaseFig.2-418*現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.2.1Rubisco的光活化現(xiàn)象圖2-5光照強(qiáng)度對(duì)重組葉綠體中RuBP羧化酶活性的影響反應(yīng)中具有恒定的pH、CO2和Mg2+濃度，說(shuō)明酶活化程度的增加不是依賴于離子的活化，而是與光產(chǎn)生的還原劑或活化因子的量有關(guān)。2.2Rubisco的光活化19*現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco是植物中最豐富的蛋白質(zhì)(占葉綠體可溶蛋白的50%)。每克植物鮮葉含1～10mgRubisco，其在葉綠體間質(zhì)中的濃度可達(dá)300mg/ml。光對(duì)Rubisco的調(diào)節(jié)不是通過(guò)其量的增減，而是通過(guò)Rubisco的活化與鈍化機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前已講述，只有RubiscoL-201Lys的ε-氨基甲?；?，才具有羧化活性，處于活化態(tài)的Rubisco才能參與CO2的固定。20*現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五（1）提供還原力（ATP和NADPH）；（2）改變?nèi)~綠體的微環(huán)境、提高間質(zhì)的pH，增加Rubisco與Mg2+和CO2的親和力；（3）提供活化因子（如NADPH等）。光對(duì)Rubisco的活化作用：21*現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五圖2-6DTT還原的Td對(duì)葉綠體可溶部分中Rubisco的活化作用（Td加入量為40μg）2.2.2硫氧還蛋白（Td）對(duì)Rubisco的活化作用22*現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五圖2-7光還原的Td對(duì)重組葉綠體中Rubisco的活化作用1.照光、加入Td；2.照光、不加Td；3.不照光、加入Td；4.不照光、不加Td。23*現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco在模擬體內(nèi)條件下(10μmol/LCO2,5～10mmol/LMg2+,pH8.0和4mmol/LRuBP)，保溫時(shí)，則酶不能被活化。在RuBP存在時(shí)，即使有高濃度的CO2和Mg2+存在時(shí)，Rubisco的也很難被活化。說(shuō)明CO2和Mg2+對(duì)Rubisco的活化可能與酶的狀態(tài)有關(guān)。2.2.3Rubisco活化酶24*現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五RuBP與非氨基甲?；癄顟B(tài)的Rubisco緊密結(jié)合，從而阻止了酶與活化劑CO2分子的結(jié)合，使酶不能被活化。RuBP存在時(shí)，Rubisco為何難于被活化？在高光強(qiáng)下，即使高濃度RuBP（>4mmol/L）存在時(shí)，Rubisco仍能被活化。???25*現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五SalvucciME等（1985）發(fā)現(xiàn)一種擬南芥（Arabidopsis）的突變種:在正?？諝庵信囵B(yǎng)時(shí)會(huì)死亡；在高濃度CO2中培養(yǎng)時(shí)能順利生存。葉綠體間質(zhì)蛋白缺失的這二條肽鏈就是組成Rubisco活化酶的二個(gè)亞基。雙向電泳突變體缺失47KD、50KD二條肽鏈26*現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五生理濃度的CO2(~10μmol/L)和Mg2+(5-10μmol/L)、類囊體膜、非活化的Rubisco(即與RuBP結(jié)合的Rubisco)、活化酶和高濃度的RuBP成分的存在。照光時(shí)，Rubisco迅速活化?；罨副憩F(xiàn)活性需要照光，實(shí)際上是需要ATPRubisco活化酶的活性表現(xiàn)：27*現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五CO2(活化分子)Rubisco活化酶光ADP+Pi抑制Rubisco-RuBP(鈍化態(tài))Rubisco+RuBP氨基甲?；疪ubiscoE-CO2-MgMg2+RuBPE-RuBP-CO2-MgATP底物CO2PGAE-CO2-MgRubisco活化酶對(duì)Rubisco的活化過(guò)程：Fig.2-828*現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五煙草葉片暗中生長(zhǎng)光下生長(zhǎng)葉片粗酶液Rubisco活性高CO2、Mg2+

Rubisco活性進(jìn)一步提高葉片粗酶液Rubisco活性低CO2、Mg2+

Rubisco活性不受促進(jìn)暗葉粗酶液凝膠柱層析CO2、Mg2+

Rubisco活性大大提高暗葉粗提液中可能存在某種抑制Rubisco活性的物質(zhì)，在照光條件下可被解除。2.2.42-羧基阿位伯糖醇-1-磷酸（CA-1-P）29*現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五暗葉的粗酶液甲醇或硫酸銨Servaites(1985):Rubisco的暗抑制解除Seeman等（1985）:暗葉的粗酶液堿性磷酸酯酶處理Rubisco的暗抑制解除暗葉的粗提液中存在的是一種磷酯類化合物抑制劑：一種6-碳中間產(chǎn)物類似物，即2-羧基阿拉伯糖醇-1-磷酸（CA-1-P）。30*現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五CA-1-P僅存在于某些植物中：菜豆：CA-1-P的含量特別高，完全抑制暗中Rubisco活性；大豆、馬鈴薯和煙草：CA-1-P的含量較高，抑制暗中的Rubisco活性達(dá)50%；菠菜、小麥和擬南芥等許多植物中幾乎檢測(cè)不到CA-1-P的存在。CA1P的抑制機(jī)制：CA-1-P與活化的Rubisco緊密結(jié)合，阻斷RuBP與酶的結(jié)合，使氨基甲酰化的Rubisco轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒苓M(jìn)行催化的形式，但不改變酶的氨基甲?；饔谩?1*現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五CA-1-P-Rubisco復(fù)合體光(NADPH-磷酸酯酶)Rubisco活化酶暗CA-1-P+RubiscoCA-1-P抑制機(jī)制的解除：32*現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.3.1Rubisco的純化方法方法Ⅰ：粗酶液（葉片勻漿）硫酸銨分部沉淀離子交換層析和凝膠過(guò)濾層析蔗糖密度梯度離心純化的Rubisco*粗酶液中加入ATP顯著提高Rubisco的熱穩(wěn)定性。中性條件下于85℃加熱10min，可使其他蛋白和蛋白水解酶變性沉淀，大大改善Rubisco的純化效果。

菠菜葉純化的Rubisco：純度>99%，比活性2~2.3μmol?min-1?mg-1Pr，產(chǎn)率0.1~0.2g/100g鮮葉，總回收率10%。2.3Rubisco的純化與分析33*現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五方法Ⅱ:Rubisco的結(jié)晶純化，限于煙草*酚類物質(zhì)有很大干擾。粗酶液的提取應(yīng)在低溫下盡快完成，操作過(guò)程中應(yīng)加入還原劑防止酚類物質(zhì)氧化時(shí)對(duì)酶活性的破壞。煙草葉片粗酶液Rubisco結(jié)晶沉淀加熱處理脫鹽34*現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco蛋白的定量分析：粗酶液中Rubisco酶聯(lián)免疫吸附分析法(ELISA)（專一性強(qiáng)，靈敏快捷）底物類似物結(jié)合法底物類似物結(jié)合法：Rubisco粗酶液2-羧阿拉伯糖醇二磷酸(14C-2CABP)保溫E-ACO2-Mg2+-2CABP(1:1:1:1)每分子Rubisco有8個(gè)活化位點(diǎn)，測(cè)定與

Rubisco緊密結(jié)合的14C-2CABP的數(shù)量即可。2.3.2Rubisco的分析方法35*現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五羧化酶活性放射性同位素法測(cè)定14CO2結(jié)合到酸穩(wěn)定的PGA中的速度分光光度法測(cè)定偶聯(lián)反應(yīng)體系中NADH的氧化速度(304nm,Hg365/334nm)氧化酶活性氧電極法測(cè)定RuBP依賴的O2吸收速率*酶的活化：將Rubisco與CO2及Mg2+進(jìn)行預(yù)保溫（50℃，10min；或37~40℃，2hrs）。Rubisco的活性分析：36*現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco的四級(jí)結(jié)構(gòu)模型(Anderssonetal,1989;Chapmanetal,1988):外型：Rubisco呈直徑13.2nm、高10.5nm的桶狀圓柱體結(jié)構(gòu)。大亞基的排列：四對(duì)交互結(jié)合的L2大亞基二聚體排列成8聚體核(L8)。大亞基二聚體由N和C兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。即一個(gè)大亞基上的C結(jié)構(gòu)域與另一個(gè)大亞基上的N結(jié)構(gòu)域交互結(jié)合成大亞基二聚體。在交互接觸的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域界面上與Mg2+結(jié)合，構(gòu)成酶的活性中心。2.3.3Rubisco的立體結(jié)構(gòu)37*現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五小亞基的排列：小亞基以四聚體的形式結(jié)合在大亞基8聚體的兩端，并嵌合在大亞基之間的裂隙中。每個(gè)大亞基有45個(gè)羧基末端的肽鏈覆蓋在小亞基的上面形成極頂部。38*現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五StructureModelofRubiscoLargersubunitproteinchainSmallersubunitproteinchainRubisco(RebuloseBisphosphateCarboxylase/Oxygenase)Fig.2-939*現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五TriplestructureoflargersubunitTriplestructureoflargersubunitFig.2-1040*現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五亞基之間存在疏水作用，大亞基之間的疏水作用比大、小亞基間的疏水作用強(qiáng)。在接近等電點(diǎn)的酸性條件下，Rubisco解離成大亞基核L8和游離小亞基。小亞基解離酶活性線性下降重組時(shí)加入小亞基的量與酶活性的恢復(fù)呈線性相關(guān)。酶活性1%單獨(dú)在大腸桿菌中表達(dá)大亞基肽鏈加入小亞基后酶活性100%2.3.4Rubisco亞基間的相互作用41*現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五原核生物Rubisco的大小亞基基因可以在大腸桿菌中表達(dá)并能組裝成有活性的全酶。高等植物Rubisco的大小亞基基因可以在大腸桿菌中表達(dá)，但不能產(chǎn)生有活性的全酶。高等植物Rubisco在體外解離后再重組時(shí)，大亞基往往形成不可逆的沉淀。2.3.5.1Rubisco及其亞基的合成與加工高等植物Rubisco的裝配遠(yuǎn)比原核生物的復(fù)雜。2.3.5Rubisco的合成與組裝42*現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白Ellis等(1980):豌豆完整葉綠體新合成的大亞基照光新合成的Rubisco葉綠體間質(zhì)蛋白結(jié)合這種葉綠體間質(zhì)蛋白是Rubisco亞基結(jié)合蛋白，又稱為葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白(chloroplastchaperonins),Mr約720kD。43*現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五Rubisco全酶的組裝Rubisco小亞基4~6kD前體+成熟肽葉綠體基因Rubisco大亞基1~2kD前體+成熟肽70S核糖體大亞基加工加工并除去轉(zhuǎn)運(yùn)肽葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白小亞基Rubisco全酶細(xì)胞核基因80S核糖體(細(xì)胞質(zhì))細(xì)胞質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)器ATPFig.2-1144*現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白是一個(gè)高分子量的蛋白質(zhì)，在Rubisco裝配過(guò)程中，與大亞基結(jié)合成復(fù)合物后，才能使大亞基正確組裝。葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白還能與Rubisco的小亞基以及其他植物蛋白如捕光色素蛋白、谷氨酰胺合成酶等結(jié)合。在所有生物的線粒體也具有與葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白功能相似的蛋白，其氨基酸序列的同源性為43%~54%。這類被稱為監(jiān)護(hù)蛋白（屬于監(jiān)護(hù)分子的一個(gè)亞類，molecularchaperone）。2.3.5.2葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白在Rubisco組裝過(guò)程中的作用45*現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五幫助其他蛋白質(zhì)的多肽鏈正確折疊和裝配，自身并不成為最終被裝配結(jié)構(gòu)的成分。葉綠體監(jiān)護(hù)蛋白參與Rubisco裝配的證據(jù)：Goloubinoff等(1989,1992)，L2-Rubisco的體外重組實(shí)驗(yàn)：L2體外變性E.Coli監(jiān)護(hù)蛋白，Mg2+,ATP,K+保溫L2活性恢復(fù)監(jiān)護(hù)蛋白的作用：46*現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五藍(lán)藻Rubisco大、小亞基基因?qū)隕.Coli表達(dá)有活性的全酶藍(lán)藻Rubisco大、小亞基基因?qū)隕.ColiRubisco的活性更強(qiáng)多拷貝監(jiān)護(hù)蛋白基因+Rubisco基因在E.Coli中的轉(zhuǎn)化與表達(dá)：47*現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五監(jiān)護(hù)蛋白60(cpn60)，亞基分子量60KD，具ATP酶活性；監(jiān)護(hù)蛋白10(cpn10)，亞基分子量10KD。線粒體的cpn60由一種亞基組成，葉綠體的cpn60由α和β兩種亞基組成。監(jiān)護(hù)蛋白的類型：48*現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五cpn60變性的多肽鏈部分折疊Cpn60解離ATP穩(wěn)定的大亞基二聚體中間態(tài)Cpn60-部分折疊中間態(tài)復(fù)合物多肽鏈折疊(cpn60)監(jiān)護(hù)蛋白參與Rubisco二聚體的折疊過(guò)程：Fig.2-1249*現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五復(fù)合物？Cpn60Cpn10小亞基ctDNAmRNA大亞基前體大亞基ATPL2L8全酶ATP葉綠體被膜核膜nDNAmRNACpn10前體Cpn60前體小亞基前體高等植物Rubisco的組裝模型Fig.2-1350*現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五根據(jù)鞘細(xì)胞中C4酸脫羧機(jī)理不同，C4植物可分為3個(gè)生化亞型

2.4.1C4二羧酸途徑(Hatch-Slack途徑)簡(jiǎn)介2.4C4二羧酸途徑及其調(diào)節(jié)Fig.2-1451*現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.4.2.1NADP-ME型/NADP-蘋果酸酶型存在的植物種類

單子葉：玉米、高粱、甘蔗、馬唐、小米、稗、白茅等；雙子葉：地錦、半子蓮、地膚等。特點(diǎn)：

維管束鞘細(xì)胞(BSC)內(nèi)葉綠體基粒發(fā)育差，PSⅡ活力低，還原力不足，在BSC和葉肉細(xì)胞間存在PGA的穿梭。

2.4.2C4二羧酸途徑的脫羧類型52*現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五1.PEP羧化酶2.NADP蘋果酸脫氫酶3.NADP蘋果酸酶4.丙酮酸磷酸二激酶5.3PGA激酶和磷酸甘油醛脫氫酶NADP-ME型的脫羧歷程：Fig.2-1553*現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五存在的植物種類單子葉：稷、狗牙根、蟋蟀草、千金子等；雙子葉：馬齒莧、綠莧、雁來(lái)紅等。特點(diǎn)：葉肉細(xì)胞質(zhì)中：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性高；維管束鞘細(xì)胞(BSC)：細(xì)胞質(zhì)：苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性高；線粒體：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶、NAD-ME、NAD-MD(蘋果酸脫氫酶)活性高，有足夠的還原力。2.4.2.2NAD-ME型/NAD-蘋果酸酶型54*現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五1.PEP羧化酶4.丙酮酸磷酸二激酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶7.NAD-蘋果酸脫氫酶8.NAD-蘋果酸酶9.苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶NAD-ME型的脫羧歷程：Fig.2-1655*現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五存在的植物種類

單子葉：蓋氏虎尾草、大黍、非洲鼠尾粟、羊草、衛(wèi)茅、結(jié)縷等；特點(diǎn)：維管束鞘細(xì)胞(BSC)的細(xì)胞質(zhì)中PCK（PEP羧激酶）活性很高；而NADP-ME和NAD-ME活性不足或很低。PCK型可能存在3種脫羧途徑：(1)PCK催化脫羧，主要途徑(BSC的細(xì)胞質(zhì)中)；(2)NAD-ME催化脫羧(BSC的線粒體中)；(3)NAD-MD和NAD-ME共同催化脫羧(BSC的線粒體中)。2.4.2.3PCK型/PEP羧激酶型56*現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五1.PEP羧化酶2.NADP蘋果酸脫氫酶4.丙酮酸磷酸二激酶6.天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶8.NAD-蘋果酸酶10.PEP羧激酶線粒體氧化系統(tǒng)？NAD-MD123?PCK型的脫羧歷程：Fig.2-1757*現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.4.3.1酶的調(diào)節(jié)(1)PEP羧化酶(PEPC)PEPC:Mr為400kD(玉米、高梁)，全酶由4個(gè)相同亞基組成,活性中心具有Lys殘基(Lys-606).存在于葉肉細(xì)胞的胞質(zhì)中，催化不可逆的反應(yīng)：PEP+CO2OAA+PiPEPCMg2+2.4.3C4二羧酸途徑的調(diào)節(jié)58*現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光暗調(diào)節(jié)；代謝物的調(diào)節(jié)：PEPC活性下降PEPC活性上升PEP、G-6-PMal、Asp磷酸化作用的調(diào)節(jié)：E-Ser-對(duì)PEP親和力增加，且對(duì)Mal敏感性下降。玉米中其磷酸化位點(diǎn)：Ser-15;高粱中其磷酸化位點(diǎn)：Ser-8Asp、Lys、His、Thr被修飾后酶失活。PPEPC的調(diào)節(jié)：59*現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五聚合和解離狀態(tài)的調(diào)節(jié)：四聚體PEPC(活性態(tài))二聚體PEPC(失活態(tài))低溫、低pH、Mal、His-殘基修飾G-6-P/(PEP)60*現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五此酶位于C4植物葉肉細(xì)胞的葉綠體中，催化CO2最初受體PEP的再生：丙酮酸+ATP+PiPEP+AMP+PPiPPDK，Mg2+PPDK的調(diào)節(jié)：(1)pH的調(diào)節(jié)：葉綠體間質(zhì)的pH8.0，酶活性高；(2)能荷調(diào)節(jié)：ATP/ADP,酶活性升高；(3)溫度調(diào)節(jié)：

溫度光下活化達(dá)50%所需時(shí)間30℃5min10℃>30min(2)丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）61*現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五產(chǎn)物抑制：PEP抑制PPDK的活性；光的調(diào)節(jié)：光活化PPDK的速度很快(類似與Ru-5-PK的光活化)；磷酸化作用的調(diào)節(jié)：

活化態(tài)PPDK

鈍化態(tài)PPDK

磷酸化脫磷酸化62*現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五丙酮酸磷酸二激酶活化-鈍化的可逆磷酸化過(guò)程圖2-18丙酮酸磷酸二激酶活化-鈍化的可逆磷酸化過(guò)程（Ottaway,1988）E:PPDK,丙酮酸磷酸二激酶;PDRP:丙酮酸磷酸二激酶調(diào)節(jié)蛋白63*現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五主要分布于葉肉細(xì)胞的葉綠體中，催化下列反應(yīng)：OAA+NADPH蘋果酸+NADP+NADP-MD(1)光／暗調(diào)節(jié):活化鈍化黑暗照光(2)光合電子傳遞鏈還原組分的調(diào)節(jié):鈍化活化鐵氧還蛋白／硫氧還蛋白/DTT氧化(3)NADP-蘋果酸脫氫酶(NADP-MD)64*現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五NADP-鐵氧還蛋白與硫氧還蛋白對(duì)NADP-MD活化-鈍化的調(diào)節(jié)圖2-19NADP-鐵氧還蛋白與硫氧還蛋白對(duì)NADP-MD活化-鈍化的調(diào)節(jié)（Jiaoetal.,1991）65*現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五催化蘋果酸的氧化脫羧：蘋果酸+NADP+丙酮酸+CO2+NADPH可逆反應(yīng)，但向前反應(yīng)速度為逆反應(yīng)速度的30倍NADP-MENADP-ME的調(diào)節(jié)受pH和Mal的共同調(diào)節(jié)：Mal(mmol/L)0.110NADP-ME最適pH7.48.5pH7.5時(shí)，>1mmol/L的Mal抑制NADP-ME的活性(4)NADP-蘋果酸酶(NADP-ME)66*現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五NADP-ME不受光和代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。但光下引起葉綠體間質(zhì)pH的增加，可增加NADP-ME對(duì)Mal的脫羧速率。存在于鞘細(xì)胞線粒體中，蘋果酸丙酮酸+CO2

NAD-MEMn2+,NAD+該酶以二聚體、四聚體和八聚體形式存在。其離體活性受多種效應(yīng)劑，如FBP、乙酰CoA、CoA、HCO3-調(diào)節(jié)。(5)NAD蘋果酸酶(NAD-ME)67*現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五存在于BSC的細(xì)胞質(zhì)中，催化OAA的脫羧和PEP的形成：OAA+ATPPEP+CO2+ADPPEP-CK目前，對(duì)此酶的調(diào)節(jié)特性了解不多。FBP、PGA和DHAP對(duì)酶活力有非競(jìng)爭(zhēng)性抑制；ADP對(duì)依賴ATP的OAA脫羧有競(jìng)爭(zhēng)性抑制等。(6)PEP羧激酶(PEP-CK)

68*現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五(1)光對(duì)酶水平的影響除光合碳循環(huán)中的很多關(guān)鍵酶活性受光的調(diào)節(jié)外，光還能促進(jìn)酶蛋白的合成（如照光后，[3H]—亮氨酸摻入酶蛋白中的量增加）。(2)代謝物運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)C4途徑生化反應(yīng)過(guò)程跨越不同類型的細(xì)胞、細(xì)胞器，維持有關(guān)代謝物在細(xì)胞間或細(xì)胞器間迅速轉(zhuǎn)運(yùn)以及鞘細(xì)胞中CO2的高濃度？2.4.3.2其他方面的調(diào)節(jié)69*現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五C4植物葉肉細(xì)胞的葉綠體上存在著類似C3植物、但經(jīng)過(guò)修飾的無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)器(帶有PEP載體)，保證了丙酮酸、Pi與PEP、3PGA與DHAP的對(duì)流。專一性O(shè)AA轉(zhuǎn)運(yùn)器的存在，亦使OAA與蘋果酸交換得以在細(xì)胞器間的順利進(jìn)行。鞘細(xì)胞葉綠體被膜上的無(wú)機(jī)磷運(yùn)轉(zhuǎn)器，滿足了部分3-PGA運(yùn)至葉肉細(xì)胞葉綠體內(nèi)進(jìn)行還原的要求。C4植物葉肉細(xì)胞—鞘細(xì)胞間壁對(duì)代謝物及CO2的透性是其他植物的10倍，而對(duì)CO2的滲透系數(shù)則為C3光合細(xì)胞的1／100，維持了BSC中CO2的高濃度(為C3葉中的10倍)。70*現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.5.1光合產(chǎn)物的累積或虧缺對(duì)光合速率的影響(1)光合產(chǎn)物長(zhǎng)時(shí)間的大量累積會(huì)引起光合速率下降燙葉柄處理的菠菜進(jìn)行光合作用6h，葉片中蔗糖、淀粉均比對(duì)照增加50%以上，對(duì)其葉片的光合速率及葉綠體碳同化和希爾反應(yīng)無(wú)影響，但光合磷酸化活力有所降低。當(dāng)光合產(chǎn)物累積4d，蔗糖、淀粉分別比對(duì)照增加1100%及140%，葉片光合及葉綠體碳同化下降約20%，希爾反應(yīng)下降30%，光合磷酸化下降54%。以累積淀粉為主的甘薯葉片也是在光合產(chǎn)物累積時(shí)間的大于6h以后才出碳同化的明顯下降。2.5光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)及調(diào)節(jié)71*現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五1天之內(nèi)葉片中光合產(chǎn)物積累后葉片的光合速率并沒(méi)有明顯降低。C3植物如玉米、水稻、小麥等植物葉片在進(jìn)行光合作用時(shí)，本身就伴隨著光合產(chǎn)物的輸出；

棉花、大豆等植物在白天進(jìn)行光合作用時(shí)，葉片的光合產(chǎn)物輸出很少，主要在夜晚輸出。產(chǎn)物抑制不大可能是植物光合作用調(diào)節(jié)控制的主要方式。72*現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光合中間產(chǎn)物的嚴(yán)重不足影響光合機(jī)構(gòu)的維持與更新。遮蔭時(shí)間離體葉綠體碳同化活性光合磷酸化活性

≦6h無(wú)顯著影響略有下降

≧5d下降50%顯著下降長(zhǎng)時(shí)間遮蔭+0.1mol/L蔗糖提高21%提高(2)光合產(chǎn)物虧缺導(dǎo)致光合速率下降73*現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五(1)磷再生限制，光合速率下降A(chǔ)TP供應(yīng)不足；碳同化初產(chǎn)物PGA累積，間質(zhì)pH下降，PCR中的酶活性下降；(3)Rubisco對(duì)CO2和O2的敏感性降低。(2)磷過(guò)多，也引起光合速率下降無(wú)機(jī)磷競(jìng)爭(zhēng)性抑制Rubisco的活性2.5.2磷再生與光合作用的關(guān)系74*現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光合作用過(guò)程中的無(wú)機(jī)磷再生途徑圖2-20光合作用過(guò)程中的無(wú)機(jī)磷再生途徑Gly：乙醇酸；Sta：淀粉；Suc：蔗糖；TP：磷酸丙糖

75*現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.6.l光照(1)光強(qiáng)1)光合作用:

提供同化力；活化光合作用關(guān)鍵酶和促使氣孔開(kāi)放；調(diào)節(jié)光合機(jī)構(gòu)的發(fā)育。2)光合作用誘導(dǎo)期:

葉片照光后光合速率逐漸增高并達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。

光合誘導(dǎo)前期：光合速率主要受中間產(chǎn)物水平和酶活化水平的限制；光合誘導(dǎo)后期：主要受氣孔導(dǎo)度的限制。

2.6光合作用與環(huán)境因子76*現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五當(dāng)光合機(jī)構(gòu)接受的光能超過(guò)它所能利用的量時(shí)，引起光合活性降低的現(xiàn)象就是光合作用的光抑制。光抑制主要發(fā)生在PSⅡ，按其發(fā)生的原初部位不同：受體側(cè)光抑制:起始于還原型QA的積累；供體側(cè)光抑制:起始于水光解受阻。3)光能過(guò)剩--光抑制77*現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五光抑制的機(jī)制：Fig.2-21（1）受體側(cè)光抑制―→QAred累積―→三線態(tài)P680―→催化O2.形成（2）供體側(cè)光抑制―→P680呈氧化態(tài)氧化破壞葉綠素和D1蛋白78*現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五1）慢恢復(fù)，與光合機(jī)構(gòu)的破壞相關(guān)連；2）快恢復(fù)，與激發(fā)能的熱耗散相關(guān)聯(lián)。熱耗散的途徑：1）依賴跨類囊體膜質(zhì)子梯度的熱耗散，可能通過(guò)天線色素的熱耗散，響應(yīng)最快；2）依賴葉黃素循環(huán)的熱耗散:光抑制的恢復(fù)：79*現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五堇菜黃素花藥黃素玉米黃素(violaxanthin)(antheroxanthin)(zeaxanthin)

(雙環(huán)氧)(單環(huán)氧)(無(wú)環(huán)氧)去環(huán)氧酶暗或光抑制解除單線激發(fā)態(tài)葉綠素LHCⅡ

聚集熱能耗散葉黃素的氧化：80*現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五3）PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活的熱耗散，也稱為PSⅡ反應(yīng)中心的下調(diào)4）依賴PSⅡ循環(huán)電子流的熱耗散eeP680*PQCytb559ee81*現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五①減少光吸收②增加對(duì)光的利用③加強(qiáng)非光合的耗能代謝過(guò)程④加強(qiáng)熱耗散過(guò)程⑤增加有害物質(zhì)的清除系統(tǒng)⑥加強(qiáng)PSⅡ的修復(fù)循環(huán)植物對(duì)光破壞的保護(hù)機(jī)制：82*現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換(Statetransition)調(diào)節(jié)PSI和PSⅡ的光合效率。在PSⅡ優(yōu)先吸收的紅光下，光合機(jī)構(gòu)向狀態(tài)2轉(zhuǎn)變，從而把較多的光能分配給PSI；在PSI優(yōu)先吸收的遠(yuǎn)紅光下，光合機(jī)構(gòu)向狀態(tài)l轉(zhuǎn)變，從而把較多的光能分配給PSⅡ。(2)光質(zhì)83*現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五圖2-22LHCⅡ的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模式圖（HirokoT等，2006）LHC的狀態(tài)轉(zhuǎn)換(Statetransition)機(jī)制:84*現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五植物光合作用對(duì)溫度的響應(yīng)曲線一般為鐘罩形。低溫下光合作用的主要限制因素：無(wú)機(jī)磷的再生利用率低。高溫下光合作用速率下降的主要原因：CO2溶解度、Rubisco對(duì)CO2的親和力以及光合機(jī)構(gòu)關(guān)鍵成分的熱穩(wěn)定性的降低。2.6.2溫度85*現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五(1)水分不足，氣孔關(guān)閉:如光合“午睡”現(xiàn)象；(2)嚴(yán)重水分脅迫，碳固定的酶鈍化，葉綠體膜破壞；(3)空氣濕度：葉片和空氣之間的蒸氣壓差過(guò)大，速率顯著下降。2.6.3水分86*現(xiàn)在是86頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五(1)[CO2]/[O2]的比值高，光合速率高C4植物的光呼吸低(2)低氣壓限制光合作用是高原地區(qū)植物光合作用的一個(gè)限制因素。2.6.5礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)N、P：物質(zhì)的組成元素；K：酶的輔助因子、滲透調(diào)節(jié)、同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)與合成；Mg：酶的活化劑、葉綠素的組分；Fe：參與葉綠素的合成；Ca：參與水光解放氧、滲透調(diào)節(jié)。2.6.4空氣87*現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五如強(qiáng)光保護(hù)系統(tǒng)和修復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)（其他條件適宜時(shí)）不發(fā)生光抑制光能過(guò)剩低溫或干旱等（脅迫條件存在時(shí)）光合機(jī)構(gòu)破壞光抑制外界環(huán)境因素植物自身的生理因素：氣孔導(dǎo)度、葉內(nèi)CO2的擴(kuò)散阻力、光合機(jī)構(gòu)的光化學(xué)效率以及累積的光合產(chǎn)物類型等。2.6.6環(huán)境限制的復(fù)雜性88*現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.7光合速率的測(cè)定方法光合作用測(cè)定儀測(cè)定光合速率（LI-6400，PPSCIRAS-1/-2）紅外CO2分析儀測(cè)定光合速率溶氧法測(cè)定光合速率經(jīng)典的“半葉法”測(cè)定光合速率的基本原理“改良半葉法”測(cè)定光合速率的基本原理利用密閉容器中碳酸氫鈉溶液pH的測(cè)定光合速率89*現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.7.1“半葉法”測(cè)定光合速率的基本原理植物進(jìn)行光合作用形成有機(jī)物，而有機(jī)物的積累可使葉片單位面積的干物重增加，但是，葉片在光下積累光合產(chǎn)物的同時(shí)，還會(huì)通過(guò)輸導(dǎo)組織將同化物運(yùn)出，從而使測(cè)得的干重積累值偏低。為了消除這一偏差，必須將待測(cè)葉片的一半遮黑，測(cè)量相同時(shí)間內(nèi)葉片被遮黑的一側(cè)單位面積干重的減少值，作為同化物輸出量（和呼吸消耗量）的估測(cè)值。測(cè)定時(shí)須選擇對(duì)稱性良好、厚薄均勻一致的兩組葉片，一組葉片用于測(cè)量干重的初始值，另一組（半葉遮黑的）葉片用于測(cè)定干重的終了值。但該法手續(xù)煩瑣，且誤差較大。90*現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.7.2“改良半葉法”測(cè)定光合速率的基本原理采用燙傷、環(huán)割或化學(xué)試劑處理等方法來(lái)?yè)p傷葉柄韌皮部活細(xì)胞，以防止光合產(chǎn)物從葉中輸出（這些處理幾乎不影響木質(zhì)部中水和無(wú)機(jī)鹽分向葉片的輸送），僅用一組葉片，且無(wú)須將一半葉片遮黑，既簡(jiǎn)化了手續(xù)，又提高了測(cè)定的準(zhǔn)確性。91*現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期五2.7.3利用密閉容器中