高级植物生理学

1、高级植物生理学讲授内容讲授内容： 光合作用光合作用 呼吸作用呼吸作用主讲老师：彭新湘主讲老师：彭新湘 生命科学学院分子植物生理研究室生命科学学院分子植物生理研究室 生命科学大楼北生命科学大楼北511511# # 联系电话：联系电话：85282023,8528187085282023,85281870 Email: 考试方式与成绩：考试方式与成绩：1、4-15周上课；周上课；2、平时成绩占、平时成绩占30%：包括：包括17-18周进行的课堂讨周进行的课堂讨论成绩，课堂互动成绩，课堂考勤等；论成绩，课堂互动成绩，课堂考勤等；3、期终考试成绩占、期终考试成绩占70% : 笔试，开卷，每道题可笔试，开

2、卷，每道题可二选一。二选一。光合作用（光合作用（Photosynthesis) )基本问题：u何谓光合作用？u光合作用的意义？u 光合作用被诺贝尔奖基金委员会评价为光合作用被诺贝尔奖基金委员会评价为“地球上最重地球上最重要的化学反应要的化学反应”，它也是地球上一切生命生存和发展，它也是地球上一切生命生存和发展的基础。的基础。u 到目前为止，共有到目前为止，共有8 8次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作用研究的科学家所摘取。用研究的科学家所摘取。 光合作用研究具有重大的学术及应用价值光合作用研究具有重大的学术及应用价值植物光能利用效率潜力分析植物光能利用效率潜力分析 当今光合

3、作用的研究热点与难点？一、光合电子传递链与光合磷酸化一、光合电子传递链与光合磷酸化 光合电子传递链（光合电子传递链（ “Z Z 链链”模式）模式）PS IIPS I 光反应中光反应中4 4大蛋白复合体大蛋白复合体 i.e. i.e. PSIIPSII复合体、细胞色素复合体、细胞色素b/fb/f复合体、复合体、PSIPSI复合体和复合体和ATPATP酶复合体酶复合体P680P700l定位于叶绿体类囊体膜上的电子传递体定位于叶绿体类囊体膜上的电子传递体 4 大复合体在膜上的不均匀分布：PSII主要分布在基粒片层，PSI和ATP合酶复合体主要分布在间质片层，细色素b/f则均匀分布在整个类囊体膜上。结

4、构与功能的关系结构与功能的关系1 1、光系统、光系统IIII的结构与功能的结构与功能结构：结构： (1)由围绕P680P680的CP43和CP47两个色素蛋白复合体组成的近侧天线，及主要由LHCII捕光复合体组成的远侧天线共同构成的捕光天线系统； (2)由两个32kD多肽组成的D1-D2D1-D2蛋白，其中包括着原初供体 Z; 中心色素P680; 原初受体Pheo、QA、QB 和铁原子构成反应中心的电子传递链； (3)由33kD, 23kD及17kD三种外周多肽以及与放氧有关的猛簇和氯、钙离子组成的水氧化放氧系统。光系统光系统IIII的水裂解放氧功能的水裂解放氧功能 * * 氧释放动力学：光合

5、放氧的周期现象（闪光实验）在黑暗中适应后的叶绿体经过第一、二次闪光处理，几乎无O2释放；闪到第三次，放O2最多；第四次次之，以后逐渐下降并稳定在一个恒定值。经暗适应后的叶绿体主要处于S1态。经三次闪光后转变为S4态，随后作为强氧化剂将水氧化形成氧气。若继续不断闪光下去，因为会出现“错漏”、“双激”和“弛豫”等原因，以致逐步趋于一个适中的稳定值。Kok等（1970）提出5个S状态循环的放氧复合体（OEC）需要4个氧化当量（失去4个电子，积累4个正电荷才能把水分子氧化裂解并放氧。放氧机理：放氧机理：氧化钟模型氧化钟模型2 2、细胞色素、细胞色素b/fb/f复合体的结构与功能复合体的结构与功能 结构

6、：细胞色素b/f复合体是类囊体膜上可分离的一种多亚基膜蛋白。由7个多肽组成，即细胞色素f，细胞色素b6，Rieske铁硫蛋白，另有4个功能尚未知的多肽subunitIV, PetG, PetL, PetM一个一个Q Q循环的净反应结果：循环的净反应结果： PQH2 + 2PCox + 2H+stroma PQ + 2PCred + 4H+lumen细胞色素细胞色素b/fb/f复合体的质子泵功能复合体的质子泵功能PQ接受来自PSII的电子，通过双还原结合了个膜外质子形成PQH2，PQH2将个电子中的第一个传给铁硫中心 R FeS，然后到Cytf再向PC传递（主路）。与此同时，PQH2又将第二个电

7、子交给Cytb6的低电位型血红素(bl)同时释放个质子到类囊体腔内。 bl通过细胞色素b6上的高电位型血红素bh，将电子转移到PQ。质子泵原理质子泵原理（Q循环，第一次）经过次循环后，PQ二次被还原。双还原的PQ又从膜外结合个质子，并将其跨膜转移至类囊体腔内。（Q Q循环，循环， 第二次）第二次）H+3.3.光系统光系统I I的结构与功能的结构与功能PSIPSI反应中心复合体由反应中心色素反应中心复合体由反应中心色素P700P700，电子受体和捕光天线三大部分组成。，电子受体和捕光天线三大部分组成。它们都结合在蛋白亚基上。它们都结合在蛋白亚基上。 复合体由大亚基和许多小亚基组成：复合体由大亚基

8、和许多小亚基组成：PSI-APSI-A和和PSI-BPSI-B两个大亚基，是由叶绿体基两个大亚基，是由叶绿体基因编码的分子量分别为因编码的分子量分别为83kD83kD和和82kD82kD的两个的两个多肽。反应中心色素多肽。反应中心色素700700，原初电子受体，原初电子受体Ao, A1, FxAo, A1, Fx都存在在此大亚基之中；都存在在此大亚基之中；小亚基小亚基PSI-CPSI-C也是由叶绿体基因编码的也是由叶绿体基因编码的9kD9kD的多肽，它也是铁硫中心的多肽，它也是铁硫中心FAFA和和FBFB的所在部的所在部位；位；PSIPSI的电子供体的电子供体PCPC和电子受体和电子受体FdF

9、d通过特殊通过特殊蛋白的亚基的静电引力与蛋白的亚基的静电引力与PSIPSI反应中心相反应中心相连接；连接；由核基因编码的由核基因编码的PSI-FPSI-F小亚基作为小亚基作为PCPC与与PSIPSI的连接物；的连接物；由核基因编码的由核基因编码的PSI-DPSI-D和和PSI-EPSI-E两个小亚基两个小亚基作为作为FdFd与与PSIPSI的连接物；的连接物；其他一些小亚基的功能尚不清楚其他一些小亚基的功能尚不清楚捕光天线由不同的捕光色素蛋白复合体捕光天线由不同的捕光色素蛋白复合体LHCILHCI组成。组成。 PSI PSI生产还原力的功能生产还原力的功能形成还原型形成还原型ferredoxi

10、nferredoxin和和NADPH,NADPH,以用于光合碳循环和其它代谢反应以用于光合碳循环和其它代谢反应所需（如硝酸还原，氨的同化等）。所需（如硝酸还原，氨的同化等）。Worlds smallest rotary motor酶由两部分组成：跨膜区CFo和暴露在基质中的亲水区叫CF1。CFo负责把质子跨膜运至质酶的催化部位CF1，CF1则负责由ADP形成ATP;该酶的分子量为400kDa, 含9个不同的亚基。 4、 ATP合酶复合体的结构与功能合酶复合体的结构与功能Lumen insideLumen outsidePeptide subunits of the ATP synthase c

11、omplexProtein Gene Location MW Function of gene (kDa)CF1 subunit atpA C 55 catalytic subunit atpB C 54 catalytic subunit atpC N 36 proton gating subunit atpD N 20 binding of CF1 to CFo subunit atpE C 15 ATPase inhibitionCFo I atpF C 17 binding of CFo to CF1 II atpG N 16 binding of CFo to CF1 III atp

12、H C 8 proton translocation IV atpI C 27 binding of CFo to CF1 ATP ATP合酶产生合酶产生ATPATP的功能及机理的功能及机理 在质子梯度驱动下进行在质子梯度驱动下进行ATPATP合成（化学渗透学说合成（化学渗透学说),),亦具亦具有水解有水解ATPATP的活性。的活性。 pmf = 0.059 pH + Evidences:The three catalytic subunits differ in their conformation and in nucleotide bound to them; The subunit i

13、s inserted like a shaft through the center of the catalytic complex (3 +3 );1. The interface between the subunit and the and subunits is highly hydrophobic.酶的作用机理：构象（结合）变化模型酶的作用机理：构象（结合）变化模型 （The binding-change model）Three important components: (1) the major energy-requiring step is not the synthesi

14、s of ATP, but the release of ATP from the enzyme; (2)substrate is bound and products are released at three separate but interacting catalytic sites, corresponding to the three catalytic subunits ( subunits). ). Each catalytic site can exist in one of three conformations: tight, loose and open; (3) p

15、roton transport rotation binding change, i. e. the binding change is driven by proton transport via the rotation. Rotation of the subunit and the ring of c subunitsin the FoF1 complex was directly observed by in vitro studies using fluorescence microscopy In vivoIn vitro 非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化产生产生O2O2，同时形

16、成，同时形成ATPATP与还原型与还原型ferredoxinferredoxin和和NADPH,NADPH,以用于光合碳循以用于光合碳循环和其它代谢反应。环和其它代谢反应。 环式光合磷酸化环式光合磷酸化由由PSIPSI、Fdx-PQFdx-PQ氧化还原酶和氧化还原酶和Cytb6fCytb6f共同参与完成，只产生共同参与完成，只产生ATPATP，不形成不形成NADPHNADPH，以此调节，以此调节ATP/NADPHATP/NADPH的比例。的比例。 假环式光合磷酸化（假环式光合磷酸化（MehlerMehler反应）反应）还原型还原型ferredoxinferredoxin将电子传给将电子传给O2

17、O2形成水，不形成形成水，不形成NADPHNADPH。在强光下，。在强光下，CO2CO2不足，不足，NADPHNADPH过剩下发生。形成的超氧自由基会对植物体造成危害。过剩下发生。形成的超氧自由基会对植物体造成危害。 水水循环（水水循环（water to water cycle)water to water cycle)假环式循环所产生的超氧阴离子可被结合在类囊体膜上的超氧化物歧化酶（假环式循环所产生的超氧阴离子可被结合在类囊体膜上的超氧化物歧化酶（SODSOD）和抗坏血酸过氧化物酶（和抗坏血酸过氧化物酶（APXAPX）有效代谢为水及单抗坏血酸，后者又可被）有效代谢为水及单抗坏血酸，后者又可被

18、PSIPSI直接直接还原为抗坏血酸。还原为抗坏血酸。光合碳循环（Calvin循环）光合磷酸化（ATP&NADPH）光合电子传递光驱驱动动驱驱动动驱驱动动Lollipop setup for elucidation of Calvin cycleDr. Melvin Calvin, 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者Dr. M. CalvinDr. M. Calvin（ 1961.101961.10）The Calvin cycle二、二、RubiscoRubisco的结构与功能的结构与功能 1.重要意义l被认为是提高光合速率的一个重要突破口；l也是生物界含量最为丰富的一种蛋白质。核酮糖-1,

19、5-二磷酸羧化加氧酶(Ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase). PhotorespirationPhotosynthesis类型类型I I （L8S8 L8S8 ）：）：由由8 8个大亚基和个大亚基和8 8个小亚基组成，广泛存在个小亚基组成，广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。大亚基一般由于所有真核和大多数原核的光合有机体中。大亚基一般由475475个氨基酸组成，其序列大部分由其核苷酸序列推测而来，同个氨基酸组成，其序列大部分由其核苷酸序列推测而来，同源性在源性在80%80%以上。小亚基一般由以上。小亚基一般由123123个氨基酸组成

20、，其同源性个氨基酸组成，其同源性在在70%70%；类型类型IIII（ L2L2）：）：仅有仅有2 2个大亚基，是最简单的一种个大亚基，是最简单的一种RubiscoRubisco，它存在于一种紫色非硫光合细菌它存在于一种紫色非硫光合细菌-深红红硫菌中；深红红硫菌中；比较类型比较类型I I和类型和类型IIII大亚基的氨基酸序列，它们仅有大亚基的氨基酸序列，它们仅有28%28%同源同源性。然而它们之间在活性部位的一些氨基酸是保守的。性。然而它们之间在活性部位的一些氨基酸是保守的。2. 2. 亚基组成亚基组成 2. 2. 立体结构立体结构高等植物的Rubisco外型呈桶状圆柱体。它由四对交互结合的L2

21、大亚基二聚体排成8聚体核（L8）。在大亚基8聚体的两端各有一小亚基四聚体；每个小亚基陷窝大亚基之间的裂隙中。3 3、Rubisco Rubisco 的双功能催化反应的双功能催化反应4. 4. 酶活性的调控酶活性的调控RubiscoRubisco是世界上最是世界上最“懒懒”的酶的酶低催化效率和高丰度低催化效率和高丰度 酶的氨甲酰化作用酶的氨甲酰化作用 E(E(钝化）钝化）+ + A ACO2 E CO2 E A ACO2 (CO2 (钝化钝化) ) E E A ACO2 + MgCO2 + Mg2+2+ E E A ACO2CO2 Mg Mg2+ 2+ ( (活化活化) ) 三元复合物的形成可以

22、不要小亚基，但缺少小亚基时不利三元复合物的形成可以不要小亚基，但缺少小亚基时不利于三元复合物的形成。当三元复合物形成后，酶的构象发于三元复合物的形成。当三元复合物形成后，酶的构象发生很大变化。生很大变化。RUBP3-PGARubisco Rubisco 活化酶活化酶 如如RuBPRuBP与首先酶的非氨基甲酰化状态紧密结与首先酶的非氨基甲酰化状态紧密结合，阻止了酶与活化剂合，阻止了酶与活化剂COCO2 2分子的结合，使酶不分子的结合，使酶不能活化。能活化。Rubisco Rubisco 活化酶能在活化酶能在ATPATP存在下除去结存在下除去结合在非氨基甲酰化合在非氨基甲酰化RubiscoRubi

23、sco上的上的RuBPRuBP，从而使，从而使RubiscoRubisco游离得以进一步被活化。游离得以进一步被活化。活化酶作用方式活化酶作用方式三、光抑制、光氧化及其抗性机理三、光抑制、光氧化及其抗性机理 何为光抑制、光氧化？ l 当绿色植物的光合器官吸收了超过光合作用所能利用的能量而引起的过量激发,光合效率下降,即光抑制（可逆）；而长时间的光抑制则会引发光氧化的发生，导致光合器官受损，光合色素降解(漂白)，甚至造成植物死亡（不可逆）；l 特别是同时遭受其它逆境胁迫，如低温、高温、干旱等，由于这些因素加大了光能过剩的程度,妨碍了保护和修复系统的正常运转,更易遭受光氧化的伤害。O2 H2O2活

24、性氧积累活性氧积累作物生长和产量作物生长和产量O2-H2O2光氧化胁迫光氧化胁迫盐碱盐碱高温高温低温低温干旱干旱除草剂除草剂 O O2 2还原还原1O2 华南地区水稻在自然条件下易发生光氧化伤害华南地区水稻在自然条件下易发生光氧化伤害1.1.早稻苗期早稻苗期长期低温阴雨长期低温阴雨突然转晴突然转晴2.2.早稻中后期早稻中后期长期阴雨天长期阴雨天( (龙舟雨龙舟雨)突然转晴突然转晴3.3.晚稻后期晚稻后期冷空气南下冷空气南下( (寒露风寒露风)+)+晴天晴天Days after heading:01428424956高光高光 天线色素调整天线色素调整捕光复合体捕光复合体光化学反应光化学反应氧化态

25、分子生成氧化态分子生成光合机构受攻击光合机构受攻击光氧化损伤光氧化损伤热耗散热耗散抗氧化系统抗氧化系统水水- -水循环水循环光呼吸光呼吸碳同化碳同化环式电子流环式电子流光合机构修复光合机构修复和重新合成和重新合成叶绿体叶绿体叶角变化、蜡叶角变化、蜡质层增厚、叶质层增厚、叶绿体运动调整绿体运动调整光抑制光氧化保护机制光抑制光氧化保护机制即时响应保即时响应保护机制护机制长效保护机长效保护机制制据统计，这些品种累计推广面积据统计，这些品种累计推广面积3 3亿亩以上，增产小麦已超亿亩以上，增产小麦已超过过150150亿斤亿斤“小偃系列小偃系列”及其衍生品种分布图及其衍生品种分布图小偃小偃54实实 例例

26、小偃小偃5454具有很强的抗光氧化能力，其研究组揭示其抗光具有很强的抗光氧化能力，其研究组揭示其抗光氧化的生化基础，但其抗光氧化分子基础亟待研究。氧化的生化基础，但其抗光氧化分子基础亟待研究。正常正常 强光强光 正常正常 强光强光提高作物的抗光氧化性对农业生产具有普遍意义！提高作物的抗光氧化性对农业生产具有普遍意义！小小 结结 光合电子传递链中的四大复合体光合电子传递链中的四大复合体: PSII, Cytochrome b6f, PSI and ATP synthase; 四大复合体的结构：？；四大复合体的结构：？； 复合体各自的功能：复合体各自的功能：PSII与水裂解；细胞色素与水裂解；细胞

27、色素b6/f与质与质子泵；子泵；PSI与与NADPH形成形成;ATP合酶与合酶与ATP形成；形成； 质子梯度形成机理与化学渗透学说质子梯度形成机理与化学渗透学说 (pmf = 0.059 = 0.059 pH pH + + );); ATP synthase合成合成ATP的机理（的机理（ The worlds smallest rotary motor） Rubisco结构与功能结构与功能: L8S8 and L2; 双功能催化作用与世双功能催化作用与世界上最丰富的界上最丰富的N贮备。贮备。呼吸作用呼吸作用 基本问题：基本问题：1.1.呼吸作用的概念？呼吸作用的概念？2.2.主要功能？主要功能

28、？ .一、呼吸代谢的底物氧化一、呼吸代谢的底物氧化1底物氧化的多条路线底物氧化的多条路线糖酵解-三羧酸循环（ EMP-TCAC）发酵（Fermentation）I. 戊糖磷酸途径（PPP）backEMP-TCACTCACFermentationPPP二、呼吸电子传递与氧化磷酸化二、呼吸电子传递与氧化磷酸化 1. 1. 植物线粒体电子传递链结构植物线粒体电子传递链结构呼吸链的呼吸链的5 5大蛋白复合体（大蛋白复合体（4+14+1）：）： 植物线粒体的电子传递链由植物线粒体的电子传递链由4 4个蛋白复合体组个蛋白复合体组成成 （I-IV);I-IV); ATP ATP 合酶复合体合酶复合体 (oc

29、casionally called V)gogoRotenoneMalonateSHAMAntimycin AKCNCONaN3Specific inhibitors for oxidative phosphorylationComplex I is a large multisubunit complex of 30-40 polypeptides. Depending on the species, the plant genome may encode as many as 9 components of complex I, which oxidizes NADH produced b

30、y the reactions of the TCA cycle and by the other NAD-linked enzymes in the matrix.Complex II, the smallest of the four proteins of sizes 70, 27, 15 and 13.5 KDa. Unlike complex I, complex II does not translocate protons, so succinate oxidation is linked to the synthesis of less ATP than is NADH oxi

31、dation.Complex III, also known as the cytochrome bc1 complex, inludes a 42-kDa cytochrome with 2 b-type hemes,a 31 kDa cytochrome c1, a 27-kDa Rieske-type Fe-S protein, and five or so additional polypeptides. UQH2 + 2Cytcox + 2H+matrix UQ + 2Cytcred + 4H+IMSComplex IV, cytochrome c oxidase, accepts

32、an electron from reduced cytochrome c on the cytosolic side of the inner membrane and eventually donates it to oxygen on the matrix side of the membrane. It contains 7-9 polypeptides with 2 a-type hemes and 2 copper-containing enters. Like complex I, cytochrome oxidase translocates protons across th

33、e inner membrane during e transfer, but the crystal structure has not yet revealed the proton pumping mechanism.化学渗透学说：破译氧化磷酸化与光合磷酸化的机理由英国的米切尔(Peter Mitchell) 1961年提出，理论要点： 由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性； 具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内； 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。获1978年化学诺贝尔奖Complex V: ATP synthase 亚基和三种F0亚基由

34、线粒体基因编码，其它亚基由核基因编码。在分子世界里，ATP合酶是一种很奇妙的酶。可以说它是一个离子泵、一种令人惊异的纳米级分子马达。它在细胞里扮演着一个不可或缺的角色。一般来说，机体所需的大多数ATP都是由ATP合酶产生的，其合成ATP的机理很奇特。呼吸作用的主要功能：呼吸作用的主要功能：？3. 3. .The primary pathways of respiration provide metabolic intermediates that serve as substrates for the synthesis of: Amino acids and proteins Nucleic

35、 acids Fatty acids Secondary metabolitesgoPPP光光 呼呼 吸吸 （Photorespiration，简称PR)PR is a process which is associated with light-dependent oxygen uptake and CO2 evolution in green plantsWhat is PR?由于地球大气在演化过程中由于地球大气在演化过程中O2O2浓度的不断提高而浓度的不断提高而CO2CO2浓度逐浓度逐渐下降，导致了渐下降，导致了RubiscoRubisco的非特异性底物反应，从而导致了的非特异性底物反应

36、，从而导致了光呼吸途径的产生光呼吸途径的产生1. In terms of energy, PR is truly a wasteful process, by which around 25% of the carbon fixed by photosynthesis is lost in C3 plants2. However, accumulating evidences show PR may play various functional roles, for instance:l Involvement in stress resistance, both biotic and ab

37、iotic l Involvement in nitrogen metabolism 光呼吸的功能光呼吸的功能?光呼吸途径阐明历程：光呼吸途径阐明历程： 1920 O. H. Warburg observed O2 inhibition on PS (Warburg effect); 1955 Decker discovered post-illumination CO2 burst; 1955 Calvin et al clarified C3 cycle with loose ends that Glc, Gly & Ser were also labeled; Late 1960

38、s, Tolbert & Zelitch finished clarifying glycolate metabolic pathway using 14C-glycolate tracing; Late 1960s, Ogren et al were intrigued by the mutual effects of O2 & CO2 on PS ( 1 year work), followed by his deductive reasoning (considered as one of the most brilliant reasoning in 20th cent

39、ury plant biology); 1971 Bowes detected RUBP carboxylase has oxygenase activity 1972 Lorimer heavily argued with an event of long drive and office burst; 1973 Lorimer proved C/O could not be uncoupled; 1978 Gordan Conference on PS : a most heated debate ever seen between Tolberts and Zelitchs group 1978 Two Somervilles arrived at Ogrens lab with 3 clear ideas (after Paris time): (i) judge which side was most likely correct; (ii) make a right experimental design (mutant screening); (iii) risk and output and enjoyment