植物生理学：08光合I(2)

1、绝大多数利用光能生成化学能的过程都是光化学反 应，即利用光能推动氧化还原反应的进行。 在适盐细菌发现一类光驱动的质子泵，将质子从细胞 质排出，再利用跨膜质子电化学势合成ATP. 反应中心反应中心:是发生光化学反应的最小单位，包括反应中 心色素分子，原初电子受体，次级电子受体与供体以 及维持这些电子传递体的微环境所必须的蛋白质所组 成。 原初光化学反应原初光化学反应：由光引起的反应中心色素分子与原 初电子受体间的氧化还原反应。 光合作用中只有小量 叶绿素a分子能进行光化学反应 P A P* A P+ A- hv 两个光反应中心共同点：核心都是由两条对称的多肽 组成；都利用“特殊对”的叶绿素分子作

2、为中心色素 分子或原初电子供体;它们的原初电子受体是叶绿素 或去镁叶绿素。 不同点：最终电子受体不同，PSI: Fd (Ferredoxin) PSII:PQ Plastoquinone) II 型光反应中心，又称醌型反应中心。紫色硫细菌 和非硫细菌及某些绿色细菌含有醌型反应中心。80年 代中期成功地得到了紫色光合细菌反应中心色素的蛋 白复合体三维晶体，并利用X-衍射分析法在原子水平 确定了空间结构。 包括4条多肽 链亚基，L和M 各具有5个跨 膜螺旋，结合 着相同的电子 传递体。H亚 基位于细胞质 侧，C亚基位 于膜外侧。 Kinetics of electron transfer in t

3、he bacterial reaction center. OEC 高等植物PSII的 反应中心： 由D1(32kD)和 D2(34kD)两条多 肽组成，结合着 “特殊对”的叶 绿素P680， 去镁 叶绿素，QA,QB. D1 链上的酪氨酸残 基作为次级电子 供体。 PSII Complex P680 Pheo P680* Pheo P680+ Pheo hv I 型光反应中心又称铁硫型反应中心，绿硫光合细菌 和阳生光合细菌含I型光反应中心。 PSI PSI光化学反应：光化学反应： P700A0 P700*A0 P700+A0 hv PSI complex photosynthetic ele

4、ctron transport and photophosphorylation) 4.1.14.1.1 光合链光合链: 指定位在光合膜上的，由多个电子传 递体组成的电子传递总轨道。按照各电子递体的氧化 还原电位高低排列，电子传递链呈侧写的Z形，所以 称Z链或Z方案(Z scheme)。 The Z scheme for photosynthetic electron transport. Z链的特点：链的特点： 由PSII，Cytb6f， PSI复合体 及一些其它可移动性电子传递 体串联组成。 有二处是逆电势梯度，即P680至 P680*，P700至P700*，这种逆电势 梯度的“上坡”过程

5、由聚光色 素吸收光能后推动，而电子传 递都是顺电势梯度进行的。 水的氧化与PSII电子传递相联 系，NADP+的还原与 PSI的电子 传递相联系。电子的最终供体 是H2O。电子最终受体是NADP+。 电子传递链中有三个可移动电 子递体，PQ、PC和Fd。PQ是双 电子双H+传递体，伴随电子传 递，转移H+. Structural model of the PSII reaction center. （1）PSII复合体 吸收光能，进行光化学反应，产生强 氧化剂, 使水裂解，释放氧气，并把H2O中的电子传至PQ。 OEC 包括约20种多肽， 250个叶绿素,一些类 胡萝卜素分子及质醌 分子。 组

6、成: 反应中心D1-D2蛋白及其结合的电子传递体 Cytb559 色素蛋白复合体 CP43，CP47 围绕P680构成近侧天 线。 放氧复合体（Oxygen-evolving complex,OEC）： 由33，23及17kD三条外伸多肽与Mn、Cl、Ca结合 组成，位于类囊体腔一侧。 PSII复合体在体内结合外天线形成超级复合体. Structure of PSII super-complex 反应中心蛋反应中心蛋D1,D2,cyt559D1,D2,cyt559 内天线内天线CPCP43 43， ，CPCP47 47 放氧复合体（放氧复合体（OECOEC） 捕光色素复合物捕光色素复合物II(

7、LHCII)II(LHCII) PSII上的电子传递: 天线色素吸收光能传递到中心色素P680, P680激发 后将电子传给Pheo,Pheo再将电子传与 QA， QA是单电 子传递体，每次只接受一个电子生成半醌，它的电 子再传给QB。QB是双电子传递体，可两次从QA接受电 子以及从周围介质接受质子形成PQH2，与PQ库进行 交换。 失去电子的P680+从D1蛋白的161位Tyr残基上(Z)夺 取电子,D1-161Tyr又通过Mn cluster从水中获取电 子. Structure and reaction of plastoquinone 水的光解: 光合电子传递链中最终电子供体是H2O，

8、已知每释放 1O2，需有2分子H2O被分解，有4个e-进入电子传递链， 形成4个H+，总方程式为： 2H2O O2+ 4e-+ 4H+ 水是非常稳定的分子，水氧化形成分子氧是非常困 难的，光合放氧复合物是唯一已知的能完成这个反应 的化学系统。光合放氧过程差不多是地球上所有氧气 的来源。 S state modelS state model（Kok,1970)Kok,1970) 实验：实验： 将小球藻预先保温在暗中，然后给予一系列将小球藻预先保温在暗中，然后给予一系列 闪光照射（闪光照射（5-10s5-10s，间隔，间隔300ms300ms），测定每次闪光后），测定每次闪光后 的放氧反应。结果见

9、图的放氧反应。结果见图 Pattern of oxygen evolution in flashing light. 水的氧化在称为放氧复合体的系统水的氧化在称为放氧复合体的系统(S)(S)中进行。中进行。 每次闪光，每次闪光，S S交给交给PSIIPSII反应中心一个反应中心一个e e- -，接照氧化程度，接照氧化程度， 将将S S分别称为分别称为S S0 0，S S1 1，S S2 2，S S3 3，S S4 4 。 。 当当S S失去失去4e4e- -带有带有4 4个正电荷时，即能裂解个正电荷时，即能裂解2 2个个H H2 2O O释放一释放一 个个O O2 2，并从，并从2 2个个H

10、H2 2O O获得获得4e4e- -，回到，回到S S0 0。 S S0 0和和S S1 1是稳定态，是稳定态，S S2 2和和S S3 3在暗中退回到在暗中退回到S S1 1，S S4 4不稳定。不稳定。 这样在叶绿体暗适应过程后，有这样在叶绿体暗适应过程后，有3/43/4的的S S处于处于S S1 1，1/41/4 处于处于S S0 0，因此最大的放，因此最大的放O O2 2量在第三次闪光时出现。量在第三次闪光时出现。 这个模式称为这个模式称为水氧化钟水氧化钟，或，或KOKKOK钟钟。 The oxygen evolution apparatus is considered to exis

11、t in five different oxidation state (S0 through S4)。 锰是水氧化所必不可少的元素.目前认为,S状态的 转换代表着锰原子的不同氧化状态。已知放氧复合体 中包含着四个锰原子组成的集合体,称为 Mn Cluster. 这些锰原子被四个独立的光化学反应依次转化为一个 新的氧化状态,直到氧气放出, Mn Cluster又回到原 初状态。 Ca2+和 Cl-也是放氧所必 需的,但作用还不清楚。 Structure of the manganese cluster. 质子释放: 水裂解过程中所引起的质子释放似乎与 氧的释放没有直接偶联,因为质子释放在氧释放

12、之前, 因此质子可能来自放氧复合体上蛋白质的某些可离 子化的氨基酸基团. 质子电化学势梯度形成:放氧复合体位于类囊体腔一 侧,水氧化放出的质子就释放在类囊体腔,是形成跨 类囊体膜质子电化学势梯度的重要因素. （2）质醌（质醌（plastoquinoneplastoquinone, PQ, PQ）：是介于）：是介于PSIIPSII复合复合 物与物与CytbCytb6 6f f复合物之间的电子传递体。复合物之间的电子传递体。PQPQ是脂溶性分是脂溶性分 子，能在类囊体膜中自由移动。其含量很高，又称子，能在类囊体膜中自由移动。其含量很高，又称PQPQ 库。库。 功能：功能： PQPQ库作为光系统库作

13、为光系统IIII和和CytbCytb6 6f f之间的电子传递体，通过之间的电子传递体，通过 在两个光系统之间在两个光系统之间扩散扩散传递电子，使电子传递过程能传递电子，使电子传递过程能 以网络形式进行，而并不需要两个光系统一一对应。以网络形式进行，而并不需要两个光系统一一对应。 PQPQ是双电子双质子递体是双电子双质子递体. . 在传递电子的同时把在传递电子的同时把H H+ +从基从基 质转移到膜腔。通过质转移到膜腔。通过PQPQ的还原氧化把的还原氧化把H H+ +从膜外转运到从膜外转运到 膜内的过程称为膜内的过程称为PQPQ穿梭；对类囊体膜内外建立穿梭；对类囊体膜内外建立质子梯质子梯 度度

14、起着重要作用。起着重要作用。 （3）：是连接PSII与PSI两个光系统之间 的色素蛋白复合物，含有Cytf, Cytb6和Rieske铁硫蛋 白(Fe-S)R和亚基IV。 催化PQH2氧化，PC还原，并将 质子从膜外转到膜内。 CytochromeCytochrome b b6 6f complexf complex The Q CycleThe Q Cycle CytbCytb6 6f f介导的跨膜质子转移机理，还不完全清楚。一个模式叫介导的跨膜质子转移机理，还不完全清楚。一个模式叫Q Q 循环循环：PQHPQH2 2电子交于电子交于CytbCytb6 6f f时，一个时，一个e e- -

15、交于 交于Fe-SFe-S蛋白传至蛋白传至 CytfCytf，继续传给，继续传给PCPC，另一个交于，另一个交于CytbCytb6 6，cytbcytb6 6再将电子传于再将电子传于PQPQ， PQPQ接受两个电子获得接受两个电子获得2 2个质子继续循环个质子继续循环。 总结果：氧化总结果：氧化1PQH21PQH2为为PQ,PQ,向前传递向前传递2 2个电子，跨膜运转个电子，跨膜运转4 4个个H H+ +. . ，是位于类囊体膜 内侧的含Cu的可溶性蛋白质(40kDa)，由4条多肽组成, 每条多肽含一个铜原子.氧化态为蓝色，是Cytb6f 和 PSI之间的电子递体，通过Cu+Cu+之间的变化来

16、传递 电子。 质蓝素的电子传递可被HgCl2所抑制。 PC也可以在两个光系统之间扩散,完成电子传递. Structural model of the PSI core complex 吸收光能，进行光化学反应，产生吸收光能，进行光化学反应，产生 强的还原剂，用于还原强的还原剂，用于还原NADPNADP+ +，实现，实现PCPC到到NADPNADP+ +的的 电子传递电子传递。 包括PSI核心复合体和内天线 LHCI) 核心复合体包含有11-13个多肽， 分外在蛋白和内在蛋白， 外在蛋白又分为基质面蛋白 和腔面蛋白，A、B(82-83kDa)组 成跨膜的对称异二聚体，P700， A0，A1，FX

17、结合在异二聚体上， P700：特殊的叶绿素对。 A0: Chla A1:维生素K1(叶醌） Structure of 2Fe-2S center and 4Fe-4S center Fx、FA 、FB均为4Fe-4S中。 Fx结合在二聚体上， FA 、 FB结合在C亚基（8.9kDa)上。 捕光色素复合物I（LHCI）:它们将吸收的光能传递给 PSI反应中心。 (6) 铁氧还蛋白（Ferredoxin, Fd）和铁氧还蛋白NADP+ 还原酶（Ferredoxin-NADP+ reductase FNR）： Fd为含有2Fe-2S活性中心的蛋白质，通过Fe的氧化还原传递电子。 可溶性电子递体。

18、FNR含有FAD,存在于类囊体非堆叠区外膜处。 Fd的电子可以有多个去向： ； 传给Cytb6f，再传给PQ进行环式电子传递； 传给氧假环式电子传递； 交给NO2-，参与硝酸还原； 传给硫氧还蛋白（Td）进行光合酶调节； 交于SO3-参与其还原。 Photosynthssis -PS.mov oxygenEvolution.mov ： (1)非环式电子传递：指水中电子经PSII、PSI到 NADP+的途径： H2OPSIIPQCytb6fPCPSIFdFNRNADP+ 特点：放O2，形成NADPH，ATP 在这个链中，每释放1分子O2，分解2H2O，传递4e-， 还原2NADP+，吸收8个量子

19、，量子产额1/8，转运8-12 个H+到类囊体空间。 ： PSI电子经Fd，PQ，Cytb6f,PC返回PSI的电子传递途径。 PSIFdPQCytb6fPCPSI 此循环不发生H2O氧化，不形成NADPH，有H+跨膜运输， 有ATP形成。 PSII上可能存在通过Cyt559的环绕PSII的电子循环. P680 QA QB P680 水中电子经PSII，PSI， Fd传于O2的途径， 又叫梅 勒反应（Mehlers reaction）。Fd将电子交于O2， 生成超氧阴离子自由基O2-，在SOD作用下，形成H2O2 O2-+O2-+2H2 2H2O2+O2 这个过程有H+跨膜梯度产生，产生ATP

20、，无NADPH产 生，梅勒反应是植物耗散过多光能的一种保护反应。 SOD 环式电子传递和假环式电子传递对于适应植物在不 同生理状态下对ATP和NADPH的需要及消耗过多光能 是重要的。 非环式光合磷酸化 环式光合磷酸化 假环式光合磷酸化 (1) 光合磷酸化与电子传递的偶联 磷酸化与电子传递间的关系用P/O比表示 P/O： 表示每释放1个O原子所能形成的ATP数。 以非环式电子链计算：2H2O分解放1O2，需传递2对电 子，形成3个ATP，P/O为1.5，实侧值0.9-1.3。 由英国Mitchll（1961年）提出的解释生物体内能 量转换机制的一个通用学说。该学说认为生物能量转换 和偶联机构具

21、有以下特点： 由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子通过具有选择性。 具有氧化还原电位的电子传递体不对称地嵌合在膜内。 膜上有偶联电子传递的质子转移系统 膜上有转移质子的ATP酶 在此结构基础上，在类囊体膜上，随着光合作用电子 在电子传递链中的传递，类囊体膜内外两侧产生质子动 力（pmf，proton motive force），在质子动力推动下， 质子穿过膜上的ATPase流回到基质，其能量促使ADP和Pi 合成ATP。 化学渗透学说的实验证据：化学渗透学说的实验证据： 两阶段光合实验两阶段光合实验 ：离体叶绿体悬浮液，在照光时，离体叶绿体悬浮液，在照光时， 不加磷酸化底物，断光后，加入磷酸化底物

22、，能形成不加磷酸化底物，断光后，加入磷酸化底物，能形成 ATPATP。 酸碱磷酸化实验酸碱磷酸化实验 ：首先将类囊体放在：首先将类囊体放在pH4pH4的弱酸性溶的弱酸性溶 液中平衡，让类囊体膜腔的液中平衡，让类囊体膜腔的pHpH下降至下降至4 4，然后加进，然后加进pH8pH8 的缓冲液和的缓冲液和ADP+PiADP+Pi，这样瞬间的，这样瞬间的pHpH差异变化使得类囊差异变化使得类囊 体膜内外之间产生一个体膜内外之间产生一个H H+ +梯度，同时测得有梯度，同时测得有ATPATP形成，形成， 这时没有照光，也没有电子传递。这时没有照光，也没有电子传递。 Jagendorfs expermen

23、t demonstrationg chemiosmotic synthesis of ATP by isolated chloroplast thylakoids. 合成部位: ATPase 又叫ATP synthase 或偶联因子 CF(coupling factor)。 由两部分组成: 突出于膜表面的亲水性部分CF1； 埋置于膜中的疏水性的部分CF0; 所以ATP酶又叫CF1-CF0复合体。 由9种亚基构成,（分子量550kD）。 CF1:(3)、(3)、 , 325kDa CF0 : I, II, III(12), IV, 158kDa Model for the ATP synthas

24、eModel for the ATP synthase complex complex 和和交替排列成中空的六角形头交替排列成中空的六角形头 部部, ATP, ATP结合位点位于结合位点位于亚基亚基, , 位于和和组成的六角形空隙组成的六角形空隙, , 含有大量半胱氨酸残基含有大量半胱氨酸残基, , 对酶活性十对酶活性十 分重要分重要. 位于柄部, 连接CF1和CFo. 连接连接CFCF1 1和和CFoCFo, ,影响质子通过影响质子通过. ATPase在黑暗下是失活的,在 光下激活,与亚基SH氧化还 原有关. ATP ATP 合成的机制合成的机制： Binding change mechan

25、ism (P. Boyer, 1993) 蛋白质的构象变化在ATP合成中起关键作用,储藏在 质子梯度中的能量,不直接用于ATP合成,而是用于释放 紧密结合在酶催化位点上的ATP. ATP 合成的机制( Binding change mechanism) CF1的三个亚基各具一定构象,分别称为松弛(loose)、 紧张(tight)和开放(open),当质子顺电化学势梯度流 过CF0,使亚基转动, 引起亚基依亚基依 T T O O L L 顺顺 序改变序改变, , 使得使得ATPATP释放释放, , ADP ADP 和和PiPi结合和结合和ATPATP合成合成. . T TO, O, 释放释放A

26、TP; O ATP; O L L 结合结合ADP ADP 和和Pi; L Pi; L T T 合成合成 ATP.ATP. ATPSynthesis.mov 电子传递抑制剂电子传递抑制剂: :羟胺羟胺NHNH2 2OH: OH: 切断水到切断水到PSIIPSII电子流电子流 敌草隆（敌草隆（DCMU, DCMU, 二氯苯二甲基脲二氯苯二甲基脲): PSII): PSII的的Q QA AQQB B KCN KCN 和和 Hg: Hg: 抑制抑制PCPC氧化氧化， DBMIB(DBMIB(二溴甲基异丙基笨醌), cytb, cytb6 6f f复合物抑制剂复合物抑制剂 ParaquatParaqua

27、t( (百草枯，甲基紫金), PSI , PSI 抑制剂抑制剂 Sites of action for the chloroplast electron transport chain 解偶联剂：使电子传递过程不再偶联磷酸化，这类抑 制剂的主要作用是消除跨膜H+电化学势差 增加膜对H+的透性或解除偶联因子渗漏质 子的能力。常见有：DNP，CCCP（羰基氰- 3-氯苯腙），短杆菌肽，尼日利亚菌素 NH4+。 能量传递抑制剂： 直接作用于ATPase, 抑制磷酸化，如二环 已基碳=亚胺(DCCD),对氯汞基苯（PCMB） 寡霉素。 350 + 2220 1410 5.光能的分配调节和光保护 5.1

28、.光能的分配调节 光合电子传递链由两个光系统以串联方式进行。这 就产生这样一个问题：PSI和PSII必须精确协调，否 则光合速率就会受到效率较低的一个的限制。 实验表明：光合作用的量子产额在短于680nm可见光 范围内几乎与波长无关，提示在光能传递过程中存在 一种或多种光能分配调节机制。 5.1.1 5.1.1 光能分配的磷酸化调节光能分配的磷酸化调节 完整的类囊体膜在光下与Mg2+和ATP保温,可诱导 LHCII磷酸化,同时使吸收的激发能向PSI分配, 而在暗 中发生可逆变化. LHCII磷酸化与膜结合的LHCII激酶和磷酸酯酶及质 醌的氧化还原状态有关. 目前一般用天线移动假说解释光能在两

29、个光系统之 间的分配. 天线移动假说天线移动假说 当PS-II被过量激发时， PQ被还原，使LHC-II激 酶活化，引起LHC-II的 蛋白磷酸化，磷酸化的 LHC-II向PSI移动，有利 于激发能向PSI分配。 当PSI被过量激发时，PQ 被氧化，使激酶钝化， 磷 酸 酶 活 性 提 高 ， 使 LHC-II蛋白脱磷酸化， 向PSII移动，有利于激 发能向PSII分配。 Reversible phosphorylation of LHCII 实验已经证明:类 囊体膜经蛋白磷 酸化后,LHCII 在 非堆叠区的量增 加. 5.1.2 细胞色素b6f复合体在光能分配中的作用 在一些植物如玉米和衣

30、藻发现,在PSII过量激发的 条件下,细胞色素b6f也从基粒片层向基质片层转移,重 新分配的数量可达30-40%. 已经发现细胞色素b6f复合体对LHCII的磷酸化是必 需的.细胞色素b6f复合体缺失突变体不能使LHCII磷酸 化,因而不能进行光能分配转换. 5.2 光保护作用 光合系统的多层次光保护和修复机制 植物在进化过程中发 展出多层次的光保护 机制,保障植物在多变 的光照条件下进行高 效光合作用的同时,不 受光伤害. 5. 2. 1植物减少光破坏的保护机理 减少对光能的吸收：叶片运动，叶绿体运动， 表面覆盖蜡质层，积累盐或着生毛等 LHC 量减少. 加强能量消耗过程加强能量消耗过程:

31、: 提高光合能力：加强光合电子传递和光合关键酶含量活性 加强非光合代谢：光呼吸、梅勒反应等 PSII循环电子流：PSII反应中心P680激发后，放出的电子 传于cytb559，又回到P680，通过这一无效循环把多余能量变为 热能耗散。 依赖捕光色素复合体LHCII聚集的能量耗散：在过量光 照下，类囊体膜pH下降，引起PSII捕光色素复合体 LHCII聚集，将激发能以热能形式耗散掉。 依赖叶黄素循环的能量耗散：在类囊体腔中存在叶黄素 循环；当跨膜质子梯度增加时，腔内pH时，一种叫做 去环氧酶的酶活化，催化紫黄素去环形成玉米黄素（中 间经花药黄素）。在暗中或弱光下，玉米黄素又在环氧 化物酶催化下形

32、成紫黄素。 Zeaxanthin cycle Zeaxanthin change during a day 作用: 通过叶黄素循环耗散大量能量。 玉米黄素可直接猝灭叶绿素的单线激发态(非光 化学淬灭），防止活性氧的产生. 已有证据表明：高光强下玉米黄素的含量与植物 对高光强协迫的忍受能力有关。 缺乏玉米黄素循环的突变体在高光强和有氧环境 下不能存活. 增加活性氧清除系统： 如：超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶 过氧化氢酶,过氧化物酶等 光抑制和光系统光抑制和光系统IIII的修复的修复 高光强下,光合作用的量子效率下降的现象,称为光 抑制(photoinhibition). 动态光抑制(dynam

33、ic photoinhibition):光能超出不 是很多,量子效率下降,但最高光合速率基本不受影响. 慢性光抑制(chronic photoinhibition):在高光强下, 多余的光能不能被完全转化为热能耗散掉,从而对光系 统造成伤害,使光合最大速率下降,持续时间较长. Photoinhibition of photosynthesis by high light intersity 一般认为光抑制主要发生在PSII。 在光照过强情况下，导致三线态P680形成，P680T可 以与氧作用形成单线态氧。它们可破坏PSII的叶绿体 色素和D1蛋白，使光合器损伤，光合下降。 PSIIPSII的修

34、复：的修复：D D1 1蛋白受破坏后，失活的反应中心复蛋白受破坏后，失活的反应中心复 合体从基粒片层移到基质片层，在蛋白酶作用下，合体从基粒片层移到基质片层，在蛋白酶作用下， 除去破坏的除去破坏的D D1 1蛋白，新合成的蛋白，新合成的D D1 1蛋白插入，再迁回基蛋白插入，再迁回基 粒片层，重新获得光化学功能。粒片层，重新获得光化学功能。 思考题思考题: : 从光合复合体在类囊体膜上的分布说明光合作用过程从光合复合体在类囊体膜上的分布说明光合作用过程 光反应的机理。光反应的机理。 Crystal structure of spinach major light harvesting comp

35、lex at 2.72 resolution Zhenfeng Liu1, Hanchi Yan1, Kebin Wang2, Tingyun Kuang2, Jiping Zhang1, Lulu Gui1, Xiaomin An1 & Wenrui Chang1 1National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, 15 Datun Road, Chaoyang District, Beijing 100101, Peoples Republic of China 2Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Instit