第四章 植物的光合作用

第四章植物的光合作用第1頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光合作用(photosynthesis)概念CO２+2H２A光光養(yǎng)生物

(CH２O)+2A+H２O(4)H2A代表一種還原劑，可以是H２O、

H2S、有機酸等，CO２+2H２O*

光綠色植物(CH２O)+O2*+H２O(2)CO２+H２O光綠色植物(CH２O)＋O２(1)綠色植物利用光能把CO２和水合成有機物，同時釋放氧氣的過程。光養(yǎng)生物利用光能把CO２合成有機物的過程。問題：綠色植物和光養(yǎng)生物的光合方程式有何異同？CO２+2H２S光光合硫細菌(CH２O)+2S+H２O(3)光合細菌

利用光能，以某些無機物或有機物作供氫體，把CO２合成有機物的過程。比較綠色植物和光合細菌的光合方程式，得出光合作用的通式：第2頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光合作用的意義CO２+H２O→(CH２O)＋O２

(△G=478kJ/mol)44183032重量比1.把無機物變?yōu)橛袡C物的重要途徑

約合成5×1011t/y有機物“綠色工廠”吸收2.0×1011t/y

碳素(6400t/s)2.巨大的能量轉換過程

將3.2×1021J/y的日光能轉化為化學能3.維持大氣中O2和CO2的相對平衡釋放出5.35×1011t氧氣/y“環(huán)保天使”光合作用是生物界獲得能量、食物和氧氣的根本途徑光合作用是“地球上最重要的化學反應”問題：為什么沒有光合作用也就沒有繁榮的生物世界？第3頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)葉綠體的結構

葉片是光合作用的主要器官，而葉綠體是光合作用最重要的細胞器。第4頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四Chlor被膜完整度較高(一)葉綠體的分離１.從葉片中直接分離(機械法)

葉片勻漿細胞液葉綠體勻漿化

0.4mol/L糖醇pH7.6±,0～4℃過濾勻漿4～8層紗布或100目尼龍紗布分級離心500g去沉淀，3000g去上清淀，沉淀懸浮，冰浴保存２.從原生質體分離(酶解法)酶解果膠酶,纖維素酶0.5mol／L甘露醇pH5.0～pH5.540℃,振蕩葉組織原生質體質膜與細胞器葉綠體<20μm尼龍網(wǎng)離心擠壓第5頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四二、葉綠體的發(fā)育、形態(tài)及分布1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布4.運動高等植物的葉綠體由前質體發(fā)育而來。當莖端分生組織形成葉原基時，前質體的雙層膜中的內(nèi)膜在若干處內(nèi)折并伸入基質擴展增大，在光照下逐漸排列成片，并脫離內(nèi)膜形成類囊體，同時合成葉綠素，使前質體發(fā)育成葉綠體。第6頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布4.運動高等植物的葉綠體大多呈扁平橢圓形，每個細胞中葉綠體的大小與數(shù)目依植物種類、組織類型以及發(fā)育階段而異。一個葉肉細胞中約有10至數(shù)百個葉綠體，其長3～7μm，厚2～3μm。第7頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布4.運動葉肉細胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質膜旁，在與非綠色細胞(如表皮細胞和維管束細胞)相鄰處，通常見不到葉綠體。這樣的分布有利于葉綠體同外界進行氣體交換。第8頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四1.發(fā)育

2.形態(tài)3.分布4.運動隨原生質環(huán)流運動，隨光照的方向和強度而運動。在弱光下，葉綠體以扁平的一面向光；在強光下，葉綠體的扁平面與光照方向平行。葉綠體隨光照的方向和強度而運動側視圖俯視圖顯微照片第9頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四三、葉綠體的基本結構葉綠體被膜基質類囊體第10頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四1.葉綠體被膜由兩層單位膜組成，兩膜間距5～10nm。被膜上無葉綠素，主要功能是控制物質的進出，維持光合作用的微環(huán)境。膜對物質的透性受膜成分和結構的影響。膜中蛋白質含量高，物質透過膜的受控程度大。外膜

磷脂和蛋白的比值是3.0(w/w)。密度小(1.08g/ml)，非選擇性膜。分子量小于10000的物質如蔗糖、核酸、無機鹽等能自由通過。內(nèi)膜

磷脂和蛋白的比值是0.8（w/w）密度大(1.13g/ml),選擇透性膜。CO2、O2、H2O可自由通過；Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經(jīng)膜上的運轉器才能通過；蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質則不能通過。第11頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.基質及內(nèi)含物基質中能進行多種多樣復雜的生化反應含有還原CO2(Rubisco1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)與合成淀粉的全部酶系——碳同化場所

含有氨基酸、蛋白質、DNA、RNA、還原亞硝酸鹽和硫酸鹽的酶類以及參與這些反應的底物與產(chǎn)物——N代謝場所

脂類(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(葉綠素類、細胞色素類)和萜類(類胡蘿卜素、葉醇)等物質及其合成和降解的酶類——脂、色素等代謝場所

基質是淀粉和脂類等物的貯藏庫

——

淀粉粒與質體小球

基質：被膜以內(nèi)的基礎物質。以水為主體，內(nèi)含多種離子、低分子有機物，以及多種可溶性蛋白質等。將照光的葉片研磨成勻漿離心，沉淀在離心管底部的白色顆粒就是葉綠體中的淀粉粒。質體小球又稱脂質球或親鋨顆粒，在葉片衰老時葉綠體中的膜系統(tǒng)會解體，此時葉綠體中的質體小球也隨之增多增大。第12頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

3.類囊體

類囊體分為二類：基質類囊體

又稱基質片層，伸展在基質中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質類囊體重疊，組成基粒。堆疊區(qū)片層與片層互相接觸的部分，非堆疊區(qū)

片層與片層非互相接觸的部分。由單層膜圍起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向1.膜的堆疊意味著捕獲光能機構高度密集,能更有效地收集光能。2.膜系統(tǒng)常是酶有序排列的支架，膜的堆疊易構成代謝的連接帶，能使代謝高效地進行。類囊體片層堆疊成基粒是高等植物細胞所特有的膜結構,它有利于光合作用的進行。類囊體片層堆疊的生理意義第13頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

3.類囊體

類囊體分為二類：基質類囊體

又稱基質片層，伸展在基質中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質類囊體重疊，組成基粒。堆疊區(qū)片層與片層互相接觸的部分，非堆疊區(qū)

片層與片層非互相接觸的部分。由單層膜圍起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向1.膜的堆疊意味著捕獲光能機構高度密集,能更有效地收集光能。2.膜系統(tǒng)是酶有序排列的支架，膜的堆疊構成代謝的連接帶，能使代謝高效地進行。類囊體片層堆疊成基粒是高等植物細胞所特有的膜結構,它有利于光合作用的進行。類囊體片層堆疊的生理意義各種植物類囊體片層堆疊情況不一樣牧草玉米第14頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四四、類囊體膜上的蛋白復合體1.蛋白復合體的概念和種類蛋白復合體：由多種亞基、多種成分組成的復合體。主要有四類：即光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f復合體和ATP酶復合體（ATPase）。第15頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四類囊體膜是光合膜

類囊體膜的蛋白質復合體參與了光能吸收、傳遞與轉化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應。由于光合作用的光反應是在類囊體膜上進行的，所以稱類囊體膜為光合膜。ATP酶第16頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四問題：

如何證實CO2同化場所是在葉綠體的基質，而光合放氧反應是在葉綠體的膜上？解析:要證實CO2同化場所是在葉綠體的基質而不是在葉綠體的被膜或類囊體的膜，首先要提取出完整的葉綠體，然后把葉綠體的基質和葉綠體的被膜或類囊體的膜分開，在基質和膜上分別檢測光反應和暗反應活性，如果在分離的葉綠體的基質中做出了有暗反應活性而無光反應活性的實驗，就能證實CO2同化場所是在葉綠體的基質而不是在葉綠體的被膜或類囊體的膜。同理也可證實光合放氧反應是否在葉綠體的膜上。第17頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光+CO2O2+CH2O低滲光+KCNO2Hill反應離心光合膜基質完整葉綠體破損葉綠體光+KCNO2CO2CH2O證實葉綠體中CO2同化和光合放氧反應部位的實驗示意圖第18頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.蛋白復合體在類囊體膜上的分布特點PSⅡ主要存在于基粒片層的堆疊區(qū)，PSⅠ與ATPase存在于基質片層與基粒片層的非堆疊區(qū)，Cytb6/f復合體分布較均勻。蛋白復合體及其亞基的這種分布，有利于電子傳遞、H+的轉移和ATP合成第19頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四3.葉綠體與細胞質間的能量運輸

葉綠體與細胞質之間存在頻繁的能量交換。已經(jīng)知道，照光時光合細胞的呼吸作用受到抑制，細胞質中ATP與ADP的比值隨葉綠體中此比值的上升而迅速增大。已有的研究表明，光下葉綠體光合磷酸化合成的ATP約有3%（10mol/mgchl.h）輸出到細胞質中，以供它進行生物合成、運輸?shù)雀鞣N需能反應之用。通過被膜上的腺苷酸載體直接運輸通過代謝物質的穿梭系統(tǒng)進行間接運輸能量交換的途徑:第20頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光合作用的過程和能量轉變

光合作用的實質是將光能轉變成化學能。根據(jù)能量轉變的性質，將光合作用分為三個階段(表1)：1.光能的吸收、傳遞和轉換成電能，主要由原初反應完成；2.電能轉變?yōu)榛钴S化學能，由電子傳遞和光合磷酸化完成；3.活躍的化學能轉變?yōu)榉€(wěn)定的化學能，由碳同化完成。表1光合作用中各種能量轉變情況

能量轉變

光能電能活躍的化學能穩(wěn)定的化學能貯能物質

量子

電子

ATP、NADPH2

碳水化合物等轉變過程

原初反應電子傳遞光合磷酸化碳同化時間跨度(秒)10-15－10-91010－104100－101101－102反應部位

PSⅠ、PSⅡ顆粒類囊體膜類囊體葉綠體間質是否需光

需光

不一定，但受光促進

不一定，但受光促進第21頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四①原初反應②電子傳遞和光合磷酸化③碳同化光合作用的大致過程第22頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四不同層次和時間上的光合作用光合作用的層次與時間跨度第23頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)原初反應原初反應是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化學反應為止的過程。它包括：光物理－光能的吸收、傳遞光化學－有電子得失原初反應特點：速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)與納秒(ns，10－9s)內(nèi)完成與溫度無關，可在－196℃(77K，液氮溫度)或－271℃(2K，液氦溫度)下進行量子效率接近1由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1。第24頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四一、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光子后，會引起原子結構內(nèi)電子的重新排列。其中一個低能的電子獲得能量后就可克服原子核正電荷對其的吸引力而被推進到高能的激發(fā)態(tài)。下式表示葉綠素吸收光子轉變成了激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)具有比基態(tài)高的能級，能級的升高來自被吸收的光能。

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)振動和轉動還表現(xiàn)出若干能級。第25頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四葉綠素分子受光激發(fā)后的能級變化葉綠素在可見光部分有二個吸收區(qū)：紅光區(qū)與藍光區(qū)。如果葉綠素分子被藍光激發(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)，即配對電子的自旋方向相反。如果電子在激發(fā)或退激過程中，其自旋方向發(fā)生了變化，使原配對的電子自旋方向相同，那么該電子就進入了能級較單線態(tài)低的三線態(tài)。圖8葉綠素分子對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，實線表示能量的釋放，半箭頭表示電子自旋方向

第26頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

(二)激發(fā)態(tài)的命運1.放熱

激發(fā)態(tài)葉綠素分子在能級降低時以熱的形式釋放能量。此過程又稱內(nèi)轉換或無輻射退激。2.發(fā)射熒光與磷光激發(fā)態(tài)葉綠素分子回至基態(tài)時，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)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)的過程。4.光化學反應激發(fā)態(tài)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)，會發(fā)生能量的轉變。轉變的方式：第27頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四吸收藍光處于第二單線態(tài)的葉綠素分子，其具有的能量雖遠大于第一單線態(tài)的葉綠素分子。但超過部分對光合作用是無用的，在極短的時間內(nèi)葉綠素分子要從第二單線態(tài)降至第一單線態(tài)，多余的能量在降級過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。所以一個藍光光子所引起的光合作用與一個紅光光子所引起的光合作用是相同的，在能量利用上藍光沒有紅光高。1.放熱激發(fā)態(tài)葉綠素分子在能級降低時以熱的形式釋放能量。如：葉綠素分子從第一單線態(tài)降至基態(tài)或三線態(tài)Chl*→Chl+熱Chl*→ChlT+熱從三線態(tài)回至基態(tài)時的放熱ChlT→Chl＋熱第二單線態(tài)降至第一單線態(tài)第28頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.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)時所發(fā)出的光稱為磷光Chl*10－9sChl＋hν熒光發(fā)射ChlT

10－2sChl＋hν磷光發(fā)射磷光波長比熒光波長長，轉換的時間也較長，而強度只有熒光的1%，故需用儀器才能測量到。第29頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗在分子內(nèi)部的振動上，且熒光又總是從第一單線態(tài)的最低振動能級輻射的，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總要比被吸收的波長長。離體色素溶液為什么易發(fā)熒光，這是因為溶液中缺少能量受體或電子受體的緣故。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爭的，這就是葉綠素熒光常常被認作光合作用無效指標的依據(jù)。對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。第30頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

指激發(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)的過程。

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，若通過發(fā)熱、發(fā)熒光與磷光等方式退激，能量就被浪費了。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，通過分子間的能量傳遞，把捕獲的光能傳到反應中心色素分子，以推動光化學反應的進行。一般認為，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移傳遞的，可能是通過“激子傳遞”或“共振傳遞”方式傳遞的。第31頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四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，它能轉移能量但不能轉移電荷。在由相同分子組成的聚光色素系統(tǒng)中，其中一個色素分子受光激發(fā)后，高能電子在返回原來軌道時也會發(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)依靠激子傳遞來轉移能量的方式稱為激子傳遞。第32頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四共振傳遞

在色素系統(tǒng)中，一個色素分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動會引起附近另一個分子中某個電子的振動(共振)，當?shù)诙€分子電子振動被誘導起來，就發(fā)生了電子激發(fā)能量的傳遞，第一個分子中原來被激發(fā)的電子便停止振動，而第二個分子中被誘導的電子則變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，第二個分子又能以同樣的方式激發(fā)第三個、第四個分子。這種依靠電子振動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。分子既無光的發(fā)射也無光的吸收，也無分子間的電子傳遞。第33頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四圖光合作用過程中能量運轉的基本概念許多色素集中在一起作為天線色素，收集光能轉運到反應中心。在反應中心化學反應通過從葉綠素色素到電子受體分子的電子轉運過程存儲一些能量，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變化。

通過上述色素分子間的能量傳遞，聚光色素吸收的光能會很快到達并激發(fā)反應中心色素分子，啟動光化學反應。第34頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四圖聚光系統(tǒng)到反應中心能量傳遞呈漏斗狀（A）光合色素距離反應中心越遠，其激發(fā)態(tài)能就越高，這樣就保證了能量向反應中心的傳遞。（B）盡管在這個過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?shù)臈l件下聚光色素復合體吸收的激發(fā)態(tài)能量都可以傳送到反應中心。星號表示激態(tài)。第35頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四二、光化學反應(一)反應中心與光化學反應1.反應中心發(fā)生原初反應的最小單位反應中心組成：反應中心色素分子(原初電子供體)：光化學反應中最先向原初電子受體供給電子的。反應中心色素分子又稱原初電子供體。原初電子受體：直接接收反應中心色素分子傳來電子的電子傳遞體次級電子受體與供體等電子傳遞體維持電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質第36頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光系統(tǒng)‖的反應中心

配對葉綠素

去鎂葉綠素

去鎂葉綠素副葉綠素

副葉綠素

胡蘿卜素

第37頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.光化學反應由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應可用下式表示光化學反應過程：

P·AhυP*·AP+·A－

基態(tài)反應中心激發(fā)態(tài)反應中心電荷分離的反應中心

P：反應中心色素分子；P*：激發(fā)態(tài)色素分子；A：原初電子受體；A-：帶負電荷原初電子受體；P+：帶正電荷色素分子。反應中心出現(xiàn)了電荷分離，到這里原初反應也就完成了。原初電子供體失去電子，有了“空穴”，成為“陷阱”，便可從次級電子供體那里爭奪電子；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，可將電子傳給次級電子受體。供電子給P+的還原劑叫做次級電子供體(D)，從A－接收電子的氧化劑叫做次級電子受體(A1)，那么電荷分離后反應中心的更新反應式可寫為：D·〔P+·A－〕·A1D+·〔P·A〕·A1－

這一過程在光合作用中反復地進行，推動電子在電子傳遞體中傳遞。第38頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(二)PSⅠ和PSⅡ的光化學反應高等植物的兩個光系統(tǒng)有各自的反應中心。PSⅠ和PSⅡ反應中心中的原初電子供體很相似，都是由兩個葉綠素a分子組成的二聚體，分別用P700、P680來表示。這里P代表色素分子，700、680則代表P氧化時其吸收光譜中變化最大的波長位置是近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來作為反應中心色素的標志。圖9菠菜反應中心色素氧化態(tài)與還原態(tài)的差示光譜照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反應中心色素氧化(P+)，其氧化態(tài)與(黑暗中)還原態(tài)(P)的吸收光譜差值最大變化的波長所在位置分別是700nm(A)和682nm(B)。第39頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四PSⅠ和PSⅡ的光化學反應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)，它們的次級電子受體分別是鐵硫中心和醌分子。PSⅠ的原初反應：

P700·A0

hυP700*·Ａ0P700＋·A0－

PSⅡ的原初反應：

P680·PheohυP680*·PheoP680+·Pheo-

在原初反應中，受光激發(fā)的反應中心色素分子發(fā)射出高能電子，完成了光→電轉變，隨后高能電子將沿著光合電子傳遞鏈進一步傳遞。第40頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四功能與特點(吸收光能光化學反應)電子最終供體次級電子供體反應中心色素分子原初電子供體原初電子受體次級電子受體末端電子受體PSⅠ還原NADP+

，實現(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體醌。水YZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子(QA)質體醌PQPSⅠ和PSⅡ的電子供體和受體組成第41頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)電子傳遞和光合磷酸化原初反應的結果:

使光系統(tǒng)的反應中心發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生的高能電子推動著光合膜上的電子傳遞。電子傳遞的結果: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子動力勢，啟動了光合磷酸化，形成ATP。這樣就把電能轉化為活躍的化學能。第42頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四一、電子和質子的傳遞指定位在光合膜上的，由多個電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。較為公認的是：“Z”方案由希爾(1960)等人提出并經(jīng)后人修正與補充。電子傳遞是在兩個光系統(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。電子傳遞鏈呈側寫的“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)生氧化水的強氧化劑和還原劑。與此相反，光照下PSI產(chǎn)生還原NADP+的強還原劑和弱氧化劑。兩個光系統(tǒng)通過電子傳遞鏈連接，使得PSI氧化劑接受PSII還原劑提供傳遞的電子。（一）光合鏈第43頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光合作用的兩個光系統(tǒng)和電子傳遞方案吸收紅光的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）產(chǎn)生強氧化劑和弱還原劑。吸收遠紅光的光系統(tǒng)Ι（PSΙ）產(chǎn)生弱氧化劑和強還原劑。PSⅡ產(chǎn)生的強氧化劑氧化水，同時，PSΙ產(chǎn)生的強還原劑還原NADP+。第44頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(1)電子傳遞鏈主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb６/f、PSⅠ三個復合體串聯(lián)組成。(2)電子傳遞有二處逆電勢梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆電勢梯度的電子傳遞均由聚光色素復合體吸收光能后推動，而其余電子傳遞都是順電勢梯度的。(3)水的氧化與PSⅡ電子傳遞有關，NADP+的還原與PSⅠ電子傳遞有關。電子最終供體為水，水氧化時，向PSⅡ傳交4個電子，使2H2O產(chǎn)生1個O2和4個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+電化學勢差?！癦”方案特點：圖10葉綠體中的電子傳遞模式

方框代表了蛋白復合物。LHCⅠ和LHCⅡ分別是PSⅠ和PSⅡ各自的聚光色素復合體，M為含Mn的放氧復合體，實線箭頭表示非環(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46頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

(二)光合電子傳遞體的組成與功能1.PSⅡ復合體PSⅡ的生理功能吸收光能，進行光化學反應，產(chǎn)生強的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質體醌。(1)PSⅡ復合體的組成與反應中心中的電子傳遞PSⅡ是含有多亞基的蛋白復合體。它由聚光色素復合體Ⅱ、中心天線、反應中心、放氧復合體、細胞色素和多種輔助因子組成。PSII反應中心結構模式圖示意PSII反應中心D1蛋白和D2蛋白的結構。D1很容易受到光化學破壞。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個質體醌QA和QB。圖中還表明了Mn聚集體(MSP)對水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結合蛋白。第47頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四PSⅡ反應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。反應中心的次級電子供體Z、中心色素P680、原初電子受體Pheo、次級電子受體QA、QB等都結合在D1和D2上。其中與D1結合的質體醌定名為QB，與D2結合的質體醌定名為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。

中心天線的CP47和CP43是指分子量分別為47000、43000并與葉綠素結合的聚光色素蛋白復合體。它們圍繞P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能傳至PSⅡ反應中心，所以被稱為中心天線或“近側天線”。第48頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四PSⅡ的聚光色素復合體(LHCⅡ)，因離反應中心遠而稱“遠側天線”。LHCⅡ除具有吸收、傳遞光能的作用外，還具有耗散過多激發(fā)能，保護光合器免受強光破壞的作用。高等植物PSⅡ的聚光色素復合體(LHCⅡ)的結構(A)LHCII的單體結構示意圖。有三個跨膜螺旋，結合大約12個葉綠素a（暗綠）和葉綠素b（亮綠），內(nèi)含類胡蘿卜素分子（黃色）。圖中顯示葉綠素分子相對位置。（B）LHCII三聚體結構示意圖。植物光合膜中，以LHCII三聚體的結構分布在PSII反應中心復合體周邊（看下圖）。第49頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四PSI和PSII中葉綠素的分布圖中顯示了與PSI和PSII結合的特殊葉綠素復合體之間的聯(lián)系。LHCs三聚體分布在所有的光系統(tǒng)中。在PSI中，中心復合體含有大約90個葉綠素a分子；多余的葉綠素存在于含有葉綠素a和葉綠素b的LHCI復合體中。在PSII中，命名為CP43和CP47的是與D1/D2反應中心緊密結合葉綠素復合體；外圍同時存在葉綠素a/b結合蛋白和LHC-II復合體。第50頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四LHCⅡ磷酸化后，可在類囊體膜上移動，從堆疊的基粒(富含PSⅡ)區(qū)域橫向移動至非堆疊的基質(富含PSⅠ)區(qū)域，并成為PSⅠ的聚光色素系統(tǒng)，擴大了PSⅠ的捕光面積，協(xié)調(diào)兩個光系統(tǒng)之間的能量分配。這就是所謂的“天線移動”。第51頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四QA是單電子體傳遞體，每次反應只接受一個電子生成半醌(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中接受2個H+而還原成氫醌(QH2)

。這樣生成的氫醌可以與醌庫的PQ交換，生成PQH2。第52頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四質體醌的結構和電子傳遞A.質體醌有一個醌的頭和一個長的非極性的尾，尾部使質體醌定位于膜中B.(質)醌的氧化還原反應；第53頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(2)水的氧化與放氧CO２+2H２O*

光葉綠體

(CH２O)+O2*+H２O放氧復合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側，參與水的裂解和氧的釋放。水的氧化反應是生物界中植物光合作用特有的反應，也是光合作用中最重要的反應之一。每釋放1個O２需要從2個H2O中移去4個e－，同時形成4個H＋。4e－第54頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四20世紀60年代，法國的喬利爾特(P.Joliot)發(fā)明了能靈敏測定微量氧變化的極譜電極，用它測定小球藻的光合放氧反應。他們將小球藻預先保持在暗中，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驗得到同樣的結果。圖12系列閃光對小球藻放氧量的影響在第三個閃光階段氧形成量最大，以后每四個閃光都可以看到一個周期性的峰值。氧形成量大約在第20個閃光后體系放O２的周期性會逐漸消失，放O２量達到某一平穩(wěn)的數(shù)值。

(Joliot，1965)第55頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四科克(B.Kok，1970)等人根據(jù)這一事實提出了關于H２O裂解放氧的“四量子機理假說”：①PSⅡ的反應中心與H２O之間存在一個正電荷的貯存處(S)②每次閃光，S交給PSⅡ反應中心1個e－；③當S失去4e－帶有4個正電荷時能裂解2個H２O釋放1個O２(圖13)，圖中S即為MSP，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個正電荷，……S4帶4個正電荷。每一次閃光將狀態(tài)S向前推進一步，直至S４。然后S４從2個H２O中獲取4個e－并回到S０。

在水裂解放氧中的S狀態(tài)變化氧的轉化機制被認為存在5個不同的氧化階段（S0到S4）循環(huán)由于PSII捕獲光子可連續(xù)進行直到較高氧化態(tài)階段（S4）產(chǎn)生。S4是唯一具有進行水氧化能力的階段。S第56頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

此模型被稱為水氧化鐘或Kok鐘(Kokclock)。這個模型還認為，S０和S１是穩(wěn)定狀態(tài)，S２和S３在暗中退回到S１，S４不穩(wěn)定。這樣在葉綠體暗適應過程后，有3/4的M處于S１，1/4處于S０。因此最大的放O２量在第三次閃光時出現(xiàn)。此外，每次閃光后多數(shù)S會發(fā)生狀態(tài)轉變，但有些S不發(fā)生狀態(tài)轉變，在若干次閃光后體系中的放氧復合體會處于不同狀態(tài)使變化不同步，因而在若干次閃光后體系放O２的周期性會逐漸消失，放O２量達到某一平穩(wěn)的數(shù)值。第57頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四原Kok鐘模型沒有指出H＋的釋放部位與機理。后人的閃光實驗表明，當S變化時，H＋的釋放數(shù)是1、0、1、2，即2個H２O中的4H＋分別在S０→S１，S２→S３，S３→S４轉變時釋放。氧的釋放發(fā)生在循環(huán)的最后一步。質子釋放可能并非來源于水的部分氧化，而是來自放氧復合體上蛋白質的某些可離子化的氨基酸集團。由于放氧復合體位于類囊體的囊腔，因此水氧化釋放的H+進入類囊體囊腔中，這也是形成跨類囊體膜H+梯度的重要因素。第58頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

錳是水氧化必不可少的元素。S的各種狀態(tài)很可能代表了含錳蛋白的不同氧化態(tài)。每個放氧復合體含有4個Mn的錳聚合體，Mn可以有M2＋、Mn3＋和Mn4＋的各種不同氧化態(tài)。而所有4個Mn對O２的釋放都是必需的。錳原子被四個獨立的光化學反應而依次轉化為高價的狀態(tài)，每一次P680被光激發(fā)從D1-161酪氨酸得到1個電子，錳聚合體就會轉變到1個新的氧化狀態(tài)，直到氧氣的釋放。12.31錳聚集體結構。聚集體中四個錳原子和PSIID1蛋白質的氨基酸殘基結合，氧與氯也參與錳聚集體結構。這種模式內(nèi)還包括一個鈣原子圖6-24C組氨酸第59頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.質醌

質醌(PQ)也叫質體醌，是PSⅡ反應中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復合體與Cytb６/f復合體間的電子傳遞體。質體醌為脂溶性分子，能在類囊體膜中自由移動，轉運電子與質子。質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”之稱。PQ庫作為電子、質子的緩沖庫，能均衡兩個光系統(tǒng)間的電子傳遞(如當一個光系統(tǒng)受損時，使另一光系統(tǒng)的電子傳遞仍能進行)，可使多個PSⅡ復合體與多個Cytb６/f復合體發(fā)生聯(lián)系，使得類囊體膜上的電子傳遞成網(wǎng)絡式地進行。質體醌是雙電子、雙質子傳遞體，氧化態(tài)的質體醌可在膜的外側接收由PSⅡ(也可是PSⅠ)傳來的電子，同時與H＋結合；還原態(tài)的質體醌在膜的內(nèi)側把電子傳給Cytb６/f，氧化時把H＋釋放至膜腔。這對類囊體膜內(nèi)外建立質子梯度起著重要的作用。第60頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四3.Cytb６/f復合體

Cytb６/f復合體作為連接PSⅡ與PSⅠ兩個光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由幾個多肽組成，即Cytf、Cytb、Rieske鐵-硫蛋白、亞基Ⅳ、光合電子傳遞體(Pet)G、M、L等。PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ+2PC(Cu＋)+2H＋Cytb６/f復合體主要催化PQH２的氧化和PC的還原，并把質子從類囊體膜外間質中跨膜轉移到膜內(nèi)腔中。因此Cytb６/f復合體又稱PQH２·PC氧還酶。第61頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四Q循環(huán)關于Cytb６/f復合體介導的跨膜質子轉移的機理，Mitchell曾提出Q循環(huán)的假設：氧化態(tài)的質醌在類囊體膜的外側接收由PSⅡ傳來的電子，與質子結合；還原的PQH2將2個電子中的一個傳給Cytb6/f復合體中的FeSR，再交給Cytf，進而傳給PC。與此同時，PQH2又將第二個電子交給低電位的b６，并釋放2個H+到膜腔內(nèi)，電子由低電位的b６傳至高電位的b６，再將電子傳至PQ。經(jīng)過兩次電子循環(huán)后，PQ兩次被還原，雙還原的PQ又從膜外結合兩個質子，并將其貯入質醌庫中。質醌的這種反復進行的氧化還原反應和跨膜轉移質子稱為(P)Q穿梭或(P)Q循環(huán)。Q循環(huán)對類囊體膜內(nèi)外建立質子梯度起著重要的作用。第62頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四4.質藍素質藍素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側表面的含銅的蛋白質，氧化時呈藍色。它是介于Cytb６/f復合體與PSⅠ之間的電子傳遞成員。通過蛋白質中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。PSⅠ復合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復合體存在堆疊部分，而Cytb６/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內(nèi)擴散移動來傳遞電子。第63頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四5.PSⅠ復合體PSⅠ的生理功能是吸收光能，進行光化學反應，產(chǎn)生強的還原劑，用于還原NADP+，實現(xiàn)PC到NADP+的電子傳遞。第64頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四高等植物的PSⅠ由反應中心和LHCⅠ等組成。反應中心內(nèi)含有11～12個多肽，其中在A和B兩個多肽上結合著P700及A0、A1、FX、FA、FB等電子傳遞體。每一個PSⅠ復合體中含有兩個LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能傳給PSⅠ的反應中心。第65頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四模式圖中顯示了復合體中以A和B命名的兩個主要的蛋白質亞基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。電子傳遞穿過一系列的被命名為FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心，最后到達可溶性鐵硫蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質藍素（PC）中接受電子。

psaF，psaD和psaE幾個PSI亞基參與可溶性電子傳遞體與PSI復合體的結合。PSI反應中心結構模式第66頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四FX、FA、FB是PSⅠ中3個鐵硫蛋白，都具有4鐵-4硫中心結構，其中4個硫與蛋白質的4個半胱氨酸殘基連接，它們主要依4鐵-4硫中心中的鐵離子的氧化還原來傳遞電子。圖14鐵-硫中心的模型左：4鐵-4硫型；右：2鐵-2硫型輔助葉綠素第67頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四6.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。Fd是通過它的2鐵-2硫(圖14右)活性中心中的鐵離子的氧化還原傳遞電子的。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傳遞H+。因其與Fd結合在一起，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傳來的電子和基質中的H＋，還原NADP＋為NADPH，反應式可用下式表示：

2Fd還原+NADP＋+H＋FNR2Fd氧化

+NADPH第68頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四Fd也是電子傳遞的分叉點。電子從PSⅠ傳給Fd后有多種去向：傳給FNR進行非環(huán)式電子傳遞；傳給Cytb６/f或經(jīng)NADPH再傳給PQ進行環(huán)式電子傳遞；傳給氧進行假環(huán)式電子傳遞；交給硝酸參與硝酸還原；傳給硫氧還蛋白(Td)進行光合酶的活化調(diào)節(jié)……。第69頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四7.光合膜上的電子與H+的傳遞圖15光合膜上的電子與質子傳遞

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

可還原2個NADPH，經(jīng)ATP酶流出8個H+要合成3個ATP。第70頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四LHCⅡ等受光激發(fā)后將接受的光能傳到PSⅡ反應中心P680，并在那里發(fā)生光化學反應，同時將激發(fā)出的e－傳到原初電子受體Pheo，再傳給靠近基質一邊的結合態(tài)的質體醌(QA)，從而推動了PSⅡ的最初電子傳遞。P680失去e－后，變成一個強的氧化劑，它向位于膜內(nèi)側的電子傳遞體YZ爭奪電子而引起水的分解，并將產(chǎn)生的氧氣和H+釋放在內(nèi)腔。另一方面，QA的e－經(jīng)QB傳給PQ，PQ的還原需要2e-和來自基質的2H+。還原的PQH2向膜內(nèi)轉移，傳2e-給Cytb6/f復合體，其中1個e-交給Cytb６/f，進而傳給PQ，另1個e-則傳給〔Fe-S〕R。因為Cytb６/f的氧化還原僅涉及電子，所以2H+就釋放到膜腔。還原的Cytf將e-經(jīng)位于膜內(nèi)側表面的PC傳至位于膜內(nèi)側的PSⅠ反應中心P700。與PSⅡ一樣，P700受光激發(fā)后，把e-傳給A０，經(jīng)A１、FX、FA和FB，再把e-交給位于膜外側的Fd與FNR，最后由FNR使NADP+還原，NADP+還原時，還要消耗基質中的H+。NADPH留在基質中，用于光合碳的還原。在電子傳遞的同時，H+從基質運向膜內(nèi)腔，產(chǎn)生了膜內(nèi)外的H+電化學勢梯度。依電化學勢梯度，H+經(jīng)ATP酶流出時偶聯(lián)ATP的產(chǎn)生，形成的ATP留在基質中，用于各種代謝反應。第71頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四光合膜上的電子與質子傳遞概況紅線表示電子傳遞，黑線表示質子傳遞，藍線質子越膜運輸?shù)?2頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

(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e-，分解2個H2O，釋放1個O2，還原2個NADP+，需吸收8個光量子，量子產(chǎn)額為1/8，同時轉運8個H+進類囊體腔。第73頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.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+的跨膜運輸，可產(chǎn)生ATP，每傳遞一個電子需要吸收一個光量子。(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

也有實驗指出PSⅡ中環(huán)式電子傳遞為：

P680→Cytb559→Pheo→P680

Cytb559第74頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四3.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(Mehler′sreaction)。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→O２

Fd為單電子傳遞體，其氧化時把電子交給O2，使O2生成超氧陰離子自由基。

Fd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)式電子傳遞的結果造成O２的消耗與H2O2的生成。假環(huán)式電子傳遞實際上也是非環(huán)式電子傳遞，也有H+的跨膜運輸，只是電子的最終受體不是NADP＋而是O２。百草枯第75頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四二、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的反應稱為光合磷酸化。第76頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(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。非環(huán)式光合磷酸化與吸收量子數(shù)的關系可用下式表示。2NADP+＋3ADP＋3Pi8hυ葉綠體

2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O在進行非環(huán)式光合磷酸化的反應中，體系除生成ATP外，同時還有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。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換的唯一形式，主要在基質片層內(nèi)進行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能起著補充ATP不足的作用。第77頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四３.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。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+NADP+供應量較低，例如NADPH的氧化受阻，則有利于假環(huán)式電子傳遞的進行。非環(huán)式光合磷酸化與假環(huán)式光合磷酸化均被DCMU(二氯苯基二甲基脲，敵草隆)除草劑所抑制，而環(huán)式光合磷酸化則不被DCMU抑制。第78頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

(二)光合磷酸化的機理１.光合磷酸化與電子傳遞的關系--偶聯(lián)三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯(lián)：在葉綠體體系中加入電子傳遞抑制劑，光合磷酸化就會停止；在偶聯(lián)磷酸化時，電子傳遞則會加快，所以在體系中加入磷酸化底物會促進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系偶聯(lián)可用ATP/e２或P/O來表示。ATP/e２：每對電子通過光合電子傳遞鏈而形成的ATP分子數(shù)；P/O：表示光反應中每釋放1個氧原子所能形成的ATP分子數(shù)。ATP/e２和

P/O比值越大，表示磷酸化與電子傳遞偶聯(lián)越緊密。如按8個H+形成3個ATP算，即傳遞2對電子放1個O2，能形成3個ATP，即ATP/e２或P/O理論值為1.5。2NADP+＋3ADP＋3Pi8hυ葉綠體

2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O第79頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四2.化學滲透學說

有多種學說，如中間產(chǎn)物學說、變構學說、化學滲透學說等，其中被廣泛接受的是化學滲透學說。化學滲透學說(chemiosmotictheory)由英國的米切爾(Mitchell

1961)提出，該學說假設能量轉換和偶聯(lián)機構具有以下特點：①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子的透過具有選擇性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)電子傳遞的質子轉移系統(tǒng)④膜上有轉移質子的ATP酶

在解釋光合磷酸化機理時，該學說強調(diào)：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內(nèi)外兩側產(chǎn)生質子動力(protonmotiveforce,pmf)，并由質子動力推動ＡＴＰ的合成。許多實驗都證實了這一學說的正確性。第80頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(1)化學滲透學說的實驗證據(jù)①兩階段光合磷酸化實驗

指光合磷酸化可以相對分成照光階段和暗階段來進行，照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而斷光時再加入底物能形成ATP的實驗。1962年，中國的沈允鋼等人，用此實驗探測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。起初認為Z*是一種化學物質，以此提出了光合磷酸化中間物學說?，F(xiàn)在知道高能態(tài)即為膜內(nèi)外的H+電化學勢。所謂兩階段光合磷酸化，其實質是光下類囊體膜上進行電子傳遞產(chǎn)生了跨膜的H+電化學勢，暗中利用H+電化學勢將加入的ADP與Pi合成ATP。

第81頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四②酸-堿磷酸化實驗賈格道夫等(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H+梯度。這個H＋梯度能使ADP與Pi生成ATP，而這時并不照光，也沒有電子傳遞。這種驅動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+轉運所形成的。這一酸-堿磷酸化實驗給化學滲透假說以最重要的支持證據(jù)。第82頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四③光下類囊體吸收質子的實驗對無pH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用pH計可測到懸浮液的pH升高。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質子向類囊體膜腔運輸，使得膜內(nèi)H+濃度高而膜外較低的緣故。電子傳遞產(chǎn)生了質子梯度后，質子就有反向跨膜轉移的趨向，質子反向轉移時，質子梯度所貯藏的能量就被用去合成ATP。以上實驗都證實了米切爾的化學滲透學說的正確性，因而米切爾獲得了1978年度的諾貝爾化學獎。第83頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四(2)H+電化學勢與質子動力

e－傳遞與H+向膜內(nèi)的運轉,還會引起類囊體膜的電勢變化，從而產(chǎn)生H+電化學勢差(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-氣體常數(shù)，T-絕對溫度(K)，F(xiàn)-法拉第常數(shù)，ΔE-膜電勢(V)。25℃時，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為質子動力(protonmotiveforce，pmf)，單位為電勢(V)。在25℃時：pmf=0.059ΔpH+ΔE葉綠體類囊體膜的質子動力大部分是來自ΔpH部分，電荷分布所產(chǎn)生的ΔE的貢獻很小，原因是其它離子，如Cl－、K+或Mg2+也能穿透類囊體膜，當H+穿透類囊體膜時，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，結果不產(chǎn)生電勢差。第84頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四3.ATP合成的部位——ATP酶

質子反向轉移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上進行的。ATP酶又叫ATP合(成)酶，也稱偶聯(lián)因子或CF1-CFo復合體。葉綠體的ATP酶由兩個蛋白復合體組成：一個是突出于膜表面的親水性的“CF1”；另一個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，即水解ATP，并偶聯(lián)H+向類囊體膜內(nèi)運輸。第85頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四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結合。α亞基有結合核苷酸的部位，在進行催化時可能發(fā)生構象變化；β亞基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亞基控制CF1轉動和質子流；δ亞基也許與CF0的結合有關；ε亞基似乎能抑制CF1-CFo復合體在暗中的活性，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86頁，共93頁，2023年，2月20日，星期四

CFo含有四個亞基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是多聚體，可能含有15個多肽。Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ＝1:1:12:1Ⅰ和Ⅱ