李合生植物生理学光合作用3

1、植物植物利用光反应中形成的利用光反应中形成的NADPHNADPH和和ATPATP将将COCO2 2转化成稳定的转化成稳定的碳水化合物的过程，称为碳水化合物的过程，称为COCO2 2同同化或碳同化化或碳同化类囊体基质ATP的分子结构NADP+和NADPH的分子结构碳同化类型根据碳同化过程中根据碳同化过程中最初产物最初产物所含碳原子的所含碳原子的数数目以及碳代谢的特点目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：，将碳同化途径分为三类：C C3 3途径、途径、C C4 4途径和途径和CAM(CAM(景天科酸代谢景天科酸代谢) )途径。途径。不论是哪一种光合碳同化类型的植物，都具有不论是哪一种光合碳同化

2、类型的植物，都具有C C途径，这途径，这是光合碳代谢的基本途径。是光合碳代谢的基本途径。C C途径、途径、CAMCAM途径以及光呼吸途径只是对途径以及光呼吸途径只是对C C途径的补充。途径的补充。一一.C.C3 3途径途径19461946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)(M.Calvin)和本森和本森(A.Benson)(A.Benson)等人采用了两项新技术：等人采用了两项新技术： (1)(1)1414C C同位素标记与测定技术同位素标记与测定技术( (可排除原先存在于细可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被胞里的物质干扰，凡被

3、1414C C标记的物质都是处理后产生标记的物质都是处理后产生的的) )； (2)(2)双向纸层析技术双向纸层析技术( (能把光合产物分开能把光合产物分开) )。 选用选用小球藻小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。还可在试验所要求的时间内快速地杀死。 1.C1.C3 3途径的发现途径的发现 向正在进行光合作用的藻向正在进行光合作用的藻液中注入液中注入1 41 4COCO2 2使藻类与使藻类与1414COCO2 2接触，每隔一定

4、时间接触，每隔一定时间取样，并立即杀死。取样，并立即杀死。 H H1414COCO3 3- -+H+H1414COCO2 2+H+H2 2O O 图图 用来研究光合藻类用来研究光合藻类CO2固定仪器的图解固定仪器的图解 用用甲醇甲醇将标记化合物提将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行于层析纸上，进行双向纸层双向纸层析析，使光合产物分开，使光合产物分开 采用采用放射自显影技术放射自显影技术，鉴定被鉴定被1414COCO2 2标记的产物并测标记的产物并测定其相对数量。定其相对数量。 根据根据被被1414C C标记的化合物标记的化合物出现时间的先后出现时间的先

5、后，推测生化，推测生化过程。根据图过程。根据图D D所显示的结所显示的结果，即短时间内果，即短时间内(5(5秒，最终秒，最终到到0.50.5秒钟秒钟) )1414C C标记物首先标记物首先出现在出现在3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸(PGA)(PGA)上，说明上，说明PGAPGA是光合作用的是光合作用的最初产物。最初产物。 用纸层析和放射自显影技术追踪被用纸层析和放射自显影技术追踪被14CO2标记的产物标记的产物起先猜测起先猜测COCO2 2是与某一个是与某一个2 2碳碳的片断结合生成的片断结合生成3 3碳的碳的PGAPGA，然，然而情况并非如此。而情况并非如此。 当光下把当光下把COCO2 2浓

6、度突然降低，浓度突然降低，作为作为COCO2 2受体受体的化合物会积累起的化合物会积累起来。这一化合物被发现是含有来。这一化合物被发现是含有5 5个个 C C 的 核 酮 糖的 核 酮 糖 - 1 , 5 - 1 , 5 - 二 磷 酸二 磷 酸( (RuBPRuBP) )，当它接受，当它接受COCO2 2后，分解后，分解为为2 2个个PGAPGA分子。分子。 光合试验中光合试验中RuBP与与PGA相互转化相互转化经过经过1010多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从从COCO到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环到蔗糖的一系

7、列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为途径，这条途径被称为卡尔文循环或卡尔文循环或Calvin-BensonCalvin-Benson循环循环 。由于这条途径中由于这条途径中COCO2 2固定后形成的最固定后形成的最初产物初产物PGAPGA为三碳化合物，所以也叫为三碳化合物，所以也叫做做C C途径或途径或C C光合碳还原循环光合碳还原循环，只具有只具有C C途径的植物称为途径的植物称为C C植物植物。 此项研究的主持人卡尔文获得了此项研究的主持人卡尔文获得了19611961年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。光合碳还原循环光合碳还原循环参与反应的酶：参与反应的酶：(1)(1)核

8、酮糖二磷酸羧化酶核酮糖二磷酸羧化酶/ /加氧酶加氧酶(Rubisco)(Rubisco)； (2)3-(2)3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶(PGAK)(PGAK)； (3)NADP-(3)NADP-甘油醛甘油醛-3-3-磷酸脱氢酶；磷酸脱氢酶； (4)(4)丙糖磷酸丙糖磷酸异构酶；异构酶； (5)(8)(5)(8)醛缩酶；醛缩酶； (6)(6)果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸( (酯酯) )酶酶(FBPase)(FBPase)； (7)(10)(12)(7)(10)(12)转酮酶；转酮酶； (9)(9)景景天庚酮糖天庚酮糖1 1，7-7-二磷酸二磷酸( (酯酯) )酶酶(SBPase)

9、(SBPase)； (11)(11)核酮糖核酮糖-5-5-磷酸表异构酶；磷酸表异构酶； (13)(13)核糖核糖-5-5-磷酸异磷酸异构酶；构酶； (14)(14)核酮糖核酮糖-5-5-磷酸激酶磷酸激酶(Ru5PK)(Ru5PK)代谢产物名代谢产物名：RuBP.RuBP.核酮糖核酮糖1,51,5二磷酸；二磷酸； PGA.3-PGA.3-磷酸甘油酸；磷酸甘油酸； BPGA.1BPGA.1，3 3二磷酸甘二磷酸甘油酸；油酸； GAP.GAP.甘油醛甘油醛-3-3-磷酸；磷酸； DHAP.DHAP.二羟丙二羟丙酮磷酸；酮磷酸； FBP.FBP.果糖果糖-1-1，6-6-二磷酸；二磷酸； F6P.F6

10、P.果果糖糖-6-6-磷酸；磷酸； E4P.E4P.赤藓糖赤藓糖-4-4-磷酸；磷酸； SBP.SBP.景景天庚酮糖天庚酮糖-1,7-1,7-二磷酸；二磷酸； S7P.S7P.景天庚酮糖景天庚酮糖-7-7-磷酸；磷酸； R5P.R5P.核糖核糖-5-5-磷酸；磷酸； Xu5P.Xu5P.木酮糖木酮糖-5-5-磷酸；磷酸； Ru5P.Ru5P.核酮糖核酮糖-5-5-磷酸；磷酸； G6P.G6P.葡萄糖葡萄糖- -6-6-磷酸；磷酸； TPP.TPP.硫胺焦磷酸；硫胺焦磷酸； TPP-CTPP-C2 2.TPP.TPP羟基羟基乙醛乙醛( (一一) C) C途径的反应途径的反应过程过程 1.1.过程

11、过程 整个循环如图所示，由整个循环如图所示，由RuBPRuBP开始至开始至RuBPRuBP再生结再生结束，共有束，共有1414步反应，均步反应，均在在叶绿体的基质叶绿体的基质中进行。中进行。 。一分子一分子C02固定需要消耗固定需要消耗2分子分子NADPH和和3分子分子ATP羧化阶段羧化阶段指进入叶绿体的指进入叶绿体的COCO2 2与受体与受体RuBPRuBP结合，并水解产生结合，并水解产生PGAPGA的反应的反应过程。过程。 3RuBP+3CO3RuBP+3CO2 2+3H+3H2 2O O Rubisco Rubisco 6PGA + 6H 6PGA + 6H+ + RubiscoRubi

12、sco具有双重功能。具有双重功能。在在RubiscoRubisco作用下作用下RuBPRuBP的的C-2C-2位置上发生羧化反应形成位置上发生羧化反应形成2-2-羧基羧基-3-3-酮基阿拉伯糖醇酮基阿拉伯糖醇-1,5-1,5-二磷酸（二磷酸（CABP），它是一种与酶结合），它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生不稳定的中间产物，被水解后产生2 2分子分子PGAPGA。Rubisco 的功能羧化、加氧反应 RubiscoRubisco也是高等植物中一种主要储藏的有机也是高等植物中一种主要储藏的有机氮氮形式。形式。lRubisco Rubisco 普遍存在于所有自养生物中。在普遍存在于所有

13、自养生物中。在C3C3植物植物中含量极为丰富。存在叶绿体间质中中含量极为丰富。存在叶绿体间质中, ,其浓度在其浓度在间质中可达间质中可达30Omg/ml30Omg/ml 。 l高度可溶性的蛋白高度可溶性的蛋白羧化作用 Rubisco催化催化 RuBP 的羧化作用形成二分子的羧化作用形成二分子 PGA。可通过磷酸转运器从叶绿体输出到细胞质中，可通过磷酸转运器从叶绿体输出到细胞质中， 用于用于合成蔗糖合成蔗糖; ;在叶绿体中产生淀粉。在叶绿体中产生淀粉。 RuBP RuBP 作为作为 C0 C02 2 的最初受体，是在卡尔文循环中生的最初受体，是在卡尔文循环中生成的，所以卡尔文循环是成的，所以卡尔

14、文循环是自动催化自动催化的，即循环中的的，即循环中的任何中间产物可以再生，也可以从循环中的任何一任何中间产物可以再生，也可以从循环中的任何一步抽出。步抽出。氧化作用光呼吸 Rubisco 催化催化将氧加入将氧加入 RuBP 产生一分子产生一分子 PGA和一分子和一分子 2- 磷酸乙醇酸。磷酸乙醇酸。 磷酸甘油酸可在卡尔文循环中进一步代谢。磷酸甘油酸可在卡尔文循环中进一步代谢。 两个分子磷酸乙醇酸通过叶绿体、过氧化物体和线粒体两个分子磷酸乙醇酸通过叶绿体、过氧化物体和线粒体, , 最最终转化为一个分子磷酸甘油酸终转化为一个分子磷酸甘油酸, ,这样使磷酸乙醇酸的一部分这样使磷酸乙醇酸的一部分碳再被

15、利用碳再被利用( (乙醇酸途径或称光呼吸途径乙醇酸途径或称光呼吸途径) )。 消耗了许多能量，有消耗了许多能量，有 25% 25% 的碳作为的碳作为 C02 C02 损失掉。损失掉。 研究意义 Rubisco Rubisco 的羧化的羧化/ /加氧反应可看作分别是加氧反应可看作分别是调节卡尔文调节卡尔文循环和光呼吸途径的首要步骤循环和光呼吸途径的首要步骤。因此该酶的羧化反。因此该酶的羧化反应和氧化反应的比值非常重要，它决定了植物的净应和氧化反应的比值非常重要，它决定了植物的净光合产量。光合产量。l空气中空气中C0C02 2和和 0 02 2的相对浓度影响这二反应的比值。的相对浓度影响这二反应的

16、比值。( (在无在无O O2 2条条件下件下, ,C C3 3植物的植物的 RubiscoRubisco的的 km(C0km(C02 2) ) 约为约为 12-15 12-15 mol/L, mol/L, 但在空气中但在空气中(21%O(21%O2 2),),则增高至则增高至2626mol/L)mol/L)可见可见较高的较高的C0C02 2浓度浓度可以增强光合作用，生成较多有机物质。可以增强光合作用，生成较多有机物质。l在大田条件下，改变空气中在大田条件下，改变空气中 C0 C02 2 和和 0 02 2 的浓度是很难办到的浓度是很难办到研究研究RubiscoRubisco的反应机理及调节机制

17、，通过对的反应机理及调节机制，通过对RubiscoRubisco基因的修饰和改造基因的修饰和改造, ,构建转基因植物以改善光合效构建转基因植物以改善光合效率，从而增加农业产量是一个非常有意义的课题。率，从而增加农业产量是一个非常有意义的课题。 此外，此外，RubiscoRubisco在细胞中含量丰富在细胞中含量丰富, , 同时又为细胞同时又为细胞核和叶绿体基因组共同编码构成核和叶绿体基因组共同编码构成, ,因此该酶又常常因此该酶又常常作为研究植物分子生物学的典范。包括基因表达的作为研究植物分子生物学的典范。包括基因表达的调节调节, ,翻译后的加工和细胞器之间的通讯等。翻译后的加工和细胞器之间的

18、通讯等。 自然界有二种结构类型的自然界有二种结构类型的 Rubisco 。 类型类型 I (L8S8) 是由是由 8 个大亚基个大亚基 (50-6OKD) 和和 8 个小个小亚基亚基 (12-18KD) 组成组成 , 它广泛存在于所有真核和大多它广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。数原核的光合有机体中。 类型类型II Rubisco(II Rubisco(L2) )仅有仅有2 2个大亚基构成个大亚基构成, ,是最简单是最简单的一种的一种RubiscoRubisco。存在于一种紫色非硫光合细菌、深。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中红红螺菌中。 大、小亚基的功能 大亚基大亚基 含

19、有含有催化及活化过程催化及活化过程有关的氨基酸残基有关的氨基酸残基。 小亚基的存在能更有效地分辨对小亚基的存在能更有效地分辨对O2 和和CO2 的的 反应反应 。 利用固相酶方法利用固相酶方法 , 使烟草和水稻的大、小亚基之间使烟草和水稻的大、小亚基之间进行体外分子杂交的实验似乎也提供了进行体外分子杂交的实验似乎也提供了小亚基有改小亚基有改变羧化酶和氧化酶酶活性比值变羧化酶和氧化酶酶活性比值的证据。的证据。 Rubisco酶活性的调节作用酶活性的调节作用v1. 酶的氨基甲酰化作用酶的氨基甲酰化作用v2. Rubisco 活化酶活化酶v3. 2- 羧基阿拉伯糖羧基阿拉伯糖 1 一磷酸的调节作用一

20、磷酸的调节作用v4. 酶的催化作用机理及调节酶的催化作用机理及调节 纯化的纯化的 RubiscoRubisco在活性测定之前一般先要将酶在在活性测定之前一般先要将酶在偏偏碱性碱性pHpH条件下与条件下与20mmol/L Mg20mmol/L Mg2+2+和和1Ommol/L NaHCO1Ommol/L NaHCO3 3保温好几分钟保温好几分钟。这样处理后的酶反应才能达到最。这样处理后的酶反应才能达到最高速度。这种酶的预保温过程便是酶的活化作用高速度。这种酶的预保温过程便是酶的活化作用 1. 酶的氨基甲酰化作用酶的氨基甲酰化作用 E( 钝化钝化 ) 十十 ACO2E.ACO2 ( 钝化钝化 )

21、E.ACO2 十十Mg2+ E.ACO2Mg2+( 活化活化 )快反应快反应慢反应慢反应 Rubisco Rubisco 在在体内体内的活化作用随的活化作用随光强光强而增加，并和光合作而增加，并和光合作用强度的增加相一致用强度的增加相一致, ,而且在高光强下而且在高光强下, , 酶的活化作用酶的活化作用往往是在往往是在 RuBP RuBP浓度高的情况下浓度高的情况下(4mmol/L(4mmol/L以上以上) )产生的产生的 , , 因此体内酶的活化作用机理必定不同于体外。因此体内酶的活化作用机理必定不同于体外。l这一问题研究促使发现了一个核编码的叶绿体蛋白这一问题研究促使发现了一个核编码的叶绿

22、体蛋白 , , 称为称为 Rubisco Rubisco 活化酶。活化酶。 2. Rubisco 活化酶的调节作用活化酶的调节作用 利用菠菜叶绿体重组系统研究了部分纯化活化酶的活性，利用菠菜叶绿体重组系统研究了部分纯化活化酶的活性，发现活性所需的必需成分包括发现活性所需的必需成分包括生理浓度的生理浓度的C02C02和和Mg2+, Mg2+, 类囊类囊体膜，非活化的体膜，非活化的RubiscoRubisco、活化酶和高浓度的活化酶和高浓度的RuBPRuBP。 反应反应必须有必须有RuBPRuBP存在，这暗示在活化机制中需要有存在，这暗示在活化机制中需要有RuBPRuBP结合的结合的Rubisco

23、Rubisco。当对重组系统照光时，当对重组系统照光时，RubiscoRubisco迅速活化，后来迅速活化，后来认识到活化酶表现活性需要照光，实际上就是需要认识到活化酶表现活性需要照光，实际上就是需要ATPATP。 李立人等曾分析了烟草叶子在李立人等曾分析了烟草叶子在光下和暗中粗提液光下和暗中粗提液的初的初活性和总活性活性和总活性, ,发现光下生长的叶子的初活性比黑暗处理发现光下生长的叶子的初活性比黑暗处理的叶子约高的叶子约高1 1倍倍, ,而光叶粗提液用而光叶粗提液用COCO2 2 及时及时MgMg2+2+ 预保温后活预保温后活性还可进一步提高，暗叶却不能再提高。如果暗叶粗提液性还可进一步提

24、高，暗叶却不能再提高。如果暗叶粗提液用凝胶柱层析除去其用凝胶柱层析除去其小分子小分子后后, , 则暗叶粗提液也同样为则暗叶粗提液也同样为COCO2 2及及 MgMg2+2+活化。活化。l3. 2-3. 2-羧阿拉伯糖醇羧阿拉伯糖醇1-1-磷酸磷酸（CAIPCAIP）的调节作用的调节作用l这些实验结果说明在暗叶粗提液中似乎有什么抑制剂存在这些实验结果说明在暗叶粗提液中似乎有什么抑制剂存在 , , 而照光下叶子有什么可解除抑制作用的机制而照光下叶子有什么可解除抑制作用的机制 。 在暗处理叶子粗提液中加入在暗处理叶子粗提液中加入甲醇或硫酸铵甲醇或硫酸铵等或用碱性等或用碱性磷酸酯酶处理磷酸酯酶处理可解

25、除暗的这种抑制作用可解除暗的这种抑制作用 。这说明暗处。这说明暗处理叶中存在着一种磷脂化合物的抑制剂。后来从共同理叶中存在着一种磷脂化合物的抑制剂。后来从共同纯化的暗处理叶子酶制剂中分离出来，是一种纯化的暗处理叶子酶制剂中分离出来，是一种 6- 6- 碳碳中间产物类似物，即中间产物类似物，即CAIP, CAIP, 比比CABPCABP仅差一个磷酸根。仅差一个磷酸根。Rubisco的蛋白侧链和金属原子与CABP的相互作用图解a-羧-D-阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸Mg2+Rubisco-Lys4.4. 酶的催化作用机理及调节酶的催化作用机理及调节l但但人为的提高酶的羧化反应办法目前较少。人为的提高

26、酶的羧化反应办法目前较少。如：如：v用用MnMn2+2+代替代替MgMg2+2+以及构建一些细菌酶的突变体可降低酶的羧以及构建一些细菌酶的突变体可降低酶的羧化和氧化的比值。化和氧化的比值。v提高空气中的提高空气中的COCO2 2/O/O2 2的浓度比例的浓度比例v如自然界中的如自然界中的C4C4植物植物, , 利用它本身具有的一种利用它本身具有的一种 “CO “CO2 2泵泵” ” 使存在于叶鞘细胞中的使存在于叶鞘细胞中的 Rubisco Rubisco 周围的周围的 CO CO2 2 浓度提高。浓度提高。 RuBP RuBP 羧化酶是一个双功能酶羧化酶是一个双功能酶 , , 已经证明已经证明

27、 O O2 2和和 CO CO2 2是是互为竞争性抑制剂互为竞争性抑制剂 。反应的相对速率被。反应的相对速率被O O2 2 或或 COCO2 2浓浓度调节度调节 。显然。显然 RuBP RuBP 羧化酶的二个反应是为同一个羧化酶的二个反应是为同一个酶催化酶催化 , , 并发生在同一个活性中心。并发生在同一个活性中心。(2)(2)还原阶段还原阶段 指利用同化力将指利用同化力将3-3-磷酸甘油酸还原为甘油醛磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-3-磷酸的反应磷酸的反应过程过程 6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+ +6GAP+6ADP+6NADP6GAP+6AD

28、P+6NADP+ + + 6Pi + 6Pi 磷酸化和还原磷酸化和还原。当当COCO2 2被还原为被还原为GAPGAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。时，光合作用的贮能过程便基本完成。(3)再生阶段 指由指由甘油醛甘油醛-3-3-磷酸重新形成核酮糖磷酸重新形成核酮糖-1,-5-1,-5-二磷酸的过程二磷酸的过程5GAP+3ATP+2H5GAP+3ATP+2H2 2O3RuBP+3ADP+2Pi+3HO3RuBP+3ADP+2Pi+3H+ + 包括形成磷酸化的包括形成磷酸化的3,4,5,63,4,5,6和和7 7碳糖的一系列反应。最后由核碳糖的一系列反应。最后由核酮糖酮糖-5-5-磷酸激酶磷酸

29、激酶(Ru5PK)(Ru5PK)催化，消耗催化，消耗1 1分子分子ATPATP，再形成再形成RuBPRuBP。 羧化羧化还原还原再生再生3CO3CO2 2+5H+5H2 2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADPO+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+ +3H+3H+ +可见，可见，每同化一个每同化一个COCO2 2需要消需要消耗耗3 3个个ATPATP和和2 2个个NADPHNADPH，还原，还原3 3个个COCO2 2可输出可输出1 1个磷酸丙糖个磷酸丙糖(GAP(GAP或或DHAP) DHAP) 形成的形成的磷酸丙糖磷酸丙糖可运出叶绿可运出叶

30、绿体，在细胞质中合成蔗糖或参体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；与其它反应； 形成的磷酸己糖则留在叶绿形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。体中转化成淀粉而被临时贮藏。再 1.自我催化调节自我催化调节 即指在即指在CO2光合中间产物的数量光合中间产物的数量 2.酶活性的调节酶活性的调节 总量一定，光对酶活性的调节：总量一定，光对酶活性的调节： 间接调节间接调节：制造激活酶的：制造激活酶的微环境微环境条件条件 H+ Mg+Mg+ H+Mg+ H+电子传递电子传递 光光pH上升上升Mg+增多增多基质基质 膜腔膜腔 直接调节直接调节：通过某种机理直接使酶激活：通过某种机理直接使酶激活

31、 有两种机制有两种机制 (1)、认为高等植物有、认为高等植物有Fd/Td系统，由硫氧还蛋白系统，由硫氧还蛋白(Td)，铁氧还蛋白，铁氧还蛋白(Fd)，以及铁氧还蛋白，以及铁氧还蛋白-硫氧硫氧还蛋白还原酶还蛋白还原酶(FTR)组成。组成。 Td的分子量：的分子量：1200D，有一个，有一个-S-S-，非活性可以，非活性可以变成活性形式：变成活性形式： -S-S- -SH -SH 作用过程：作用过程： 首先：首先：4Fd(氧化型氧化型)+2H2O 4Fd(还原型还原型) +O2+4H+ 然后：然后：2 Fd (还原型还原型)+Td (氧化型氧化型) 2Fd(氧化氧化型型)+Td (还原型还原型)

32、Td(还原型还原型)+ 酶酶 Td(氧化型氧化型)+激活酶激活酶 叶绿体光FTR Anderson提出了光效应中介物学说：认为膜上含有一提出了光效应中介物学说：认为膜上含有一种带两个种带两个-SH的物质的物质(蛋白蛋白)，在光下能激活某些光合作，在光下能激活某些光合作用的酶。这种蛋白称为用的酶。这种蛋白称为光效应中介物光效应中介物(LEM)。 膜LEM 兼性离子去污剂 膜 LEM 不激活光合酶 组合 光 激活光合酶 (2)、光效应中介物、光效应中介物(LEM)激活酶的物质在膜上激活酶的物质在膜上 激活物质中含有激活物质中含有-SH亚砷酸处理亚砷酸处理(无酶活）无酶活） 3.光合产物运输的调节光

33、合产物运输的调节 光合作用的产物是三碳糖（光合作用的产物是三碳糖（C3-P，向外转动，向外转动，合成其他。合成其他。C3-P有一个磷酸，大量带出所有磷有一个磷酸，大量带出所有磷酸，所以转出一个酸，所以转出一个C3-P则运进一个无机则运进一个无机Pi。 担任转运担任转运Pi的是一个蛋白的是一个蛋白反向运载体。反向运载体。 磷肥过多会减产磷肥过多会减产？二、光二、光 呼呼 吸吸19201920年瓦伯格在用小年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，球藻做实验时发现，O O2 2对光对光合作用有抑制作用，这种合作用有抑制作用，这种现 象 被 称 为现 象 被 称 为 瓦 伯 格 效 应瓦 伯 格 效 应(Wa

34、rburg effect)(Warburg effect)。这实。这实际上是氧促进光呼吸的缘际上是氧促进光呼吸的缘故。故。光呼吸：光呼吸：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气, ,释放释放COCO2 2的反应。的反应。( (一一) )光呼吸的发光呼吸的发现现19551955年德克尔年德克尔(J.P.(J.P.DecherDecher) )用用红外线红外线COCO2 2气体分析仪测定烟草气体分析仪测定烟草光合速率时，观察到对正在进光合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光行光合作用的叶片突然停止光照，断光后叶片有一个照，断光后叶片有一个COCO2 2快速快速

35、释放释放( (猝发猝发) )过程过程。 (CO(CO2 2 outburst) outburst)现象现象实实际上是光呼吸的际上是光呼吸的“余辉余辉”，即即在光照下所形成的光呼吸底物在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。吸底物的继续氧化。 现在通常把现在通常把19551955年作为发现光年作为发现光呼吸的年代。呼吸的年代。 19711971年托尔伯特年托尔伯特(Tolbert)(Tolbert)阐明阐明了光呼吸的代谢途径。了光呼吸的代谢途径。( (二二) )光呼吸的生化途径光呼吸的生化途径现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢，主要证据

36、：现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢，主要证据：以上两步反应在叶绿体中进行以上两步反应在叶绿体中进行乙醇酸代乙醇酸代谢要谢要经过三经过三种细胞器：种细胞器： 叶绿体叶绿体 过氧化体过氧化体线粒体线粒体其 中其 中 耗 氧耗 氧反应部位有反应部位有两处，两处，一是一是叶绿体中的叶绿体中的RubiscoRubisco加加氧反应，二氧反应，二是过氧化体是过氧化体中的乙醇酸中的乙醇酸氧化反应。氧化反应。 脱 羧 反 应脱 羧 反 应则在线粒体则在线粒体中进行，中进行，2 2个个甘氨酸形成甘氨酸形成1 1个丝氨酸时个丝氨酸时脱 下脱 下 1 1 分 子分 子COCO2 2。图光呼吸途径及其在细胞内的

37、定位图光呼吸途径及其在细胞内的定位 RubiscoRubisco； 磷酸乙醇酸磷酸磷酸乙醇酸磷酸( (酯酯) )酶；酶； 乙醇酸氧乙醇酸氧化酶；化酶； 谷氨酸谷氨酸- -乙醛酸转氨酶；乙醛酸转氨酶； 丝氨酸丝氨酸- -乙醛酸氨乙醛酸氨基转移酶；基转移酶； 甘氨酸脱羧酶甘氨酸脱羧酶丝氨酸羟甲基转移酶丝氨酸羟甲基转移酶 羟基丙酮酸还原酶；羟基丙酮酸还原酶； 甘油酸激酶甘油酸激酶从从RuBPRuBP到到PGAPGA的整个反应总方程式为：的整个反应总方程式为：RuBP+15ORuBP+15O2 2+11H+11H2 2O+34ATP+15NADPH+10FdO+34ATP+15NADPH+10Fdre

38、d red 5CO5CO2 2+34ADP+36Pi+15NADP+34ADP+36Pi+15NADP+ +10Fd+10Fdoxox+9H+9H+ + 因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为经转氨作用形成的甘氨酸皆为C C2 2化合物，因此光呼吸途径化合物，因此光呼吸途径又称为又称为C C2 2光呼吸碳氧化循环，简称光呼吸碳氧化循环，简称C C2 2循环。循环。光合作用和光呼吸光合作用和光呼吸都由都由RubiscoRubisco开始。开始。光合作用的电子运光合作用的电子运输提供输提供ATPATP和和NADPH

39、NADPH；光呼吸消耗光呼吸消耗 ATPATP和和FdxFdxREDRED。C C3 3循环中循环中的一种底物的一种底物COCO2 2是是C C2 2循环的产物；同样循环的产物；同样地，地，C C2 2循环的底物循环的底物O O2 2是是C C3 3光合作用的光合作用的产物。产物。（三）光呼吸与（三）光呼吸与“暗呼吸暗呼吸”的区别的区别相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸暗呼吸” ” 。另。另外光呼吸速率也要比外光呼吸速率也要比“暗呼吸暗呼吸”速率高速率高3 35 5倍。倍。( (四四) ) 光呼吸的意义光呼吸的意义RubiscoRubisco既可催

40、化羧化反应，又可以既可催化羧化反应，又可以催化加氧反应，即催化加氧反应，即COCO2 2和和O O2 2竞争竞争RubiscoRubisco同一个活性部位，并互为加氧与羧化反同一个活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。应的抑制剂。RubiscoRubisco是进行羧化还是是进行羧化还是加氧，取决于外界加氧，取决于外界COCO2 2浓度与浓度与O O2 2浓度的浓度的比值。比值。 从从碳素角度碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的看，光呼吸往往将光合作用固定的20%20%40%40%的的碳变为碳变为COCO2 2放出放出(C(C3 3植物植物) )；从；从能量角度能量角度看，每释放看，每释放1

41、 1分子分子COCO2 2需消需消耗耗6.86.8个个ATPATP，3 3个个NADPHNADPH和和2 2个高能电子，显然，光呼吸是一种浪个高能电子，显然，光呼吸是一种浪费。费。在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉? ?这可能与这可能与RubiscoRubisco的性质有关。的性质有关。Rubisco催化特性催化特性 ：1.1.回收碳素回收碳素 通过通过C C2 2碳氧碳氧化环可回收乙醇酸中化环可回收乙醇酸中3/43/4的的碳碳(2(2个乙醇酸转化个乙醇酸转化1 1个个PGAPGA，释放释放1 1个个COCO2 2) )。 2.2.维持维持C C3

42、 3光合碳还原循环光合碳还原循环的运转的运转 在叶片气孔关闭在叶片气孔关闭或外界或外界COCO2 2浓度低时，光呼浓度低时，光呼吸释放的吸释放的COCO2 2能被能被C C3 3途径再途径再利用，以维持光合碳还原利用，以维持光合碳还原循环的运转。循环的运转。3.3.防止强光对光合机构的破坏作用防止强光对光合机构的破坏作用 在强光下，光反应中形成在强光下，光反应中形成的同化力会超过的同化力会超过COCO2 2同化的需要，从而使叶绿体中同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADPNADPH/NADP、ATP/ADPATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给的比值增高。同时由光激发的

43、高能电子会传递给O O2 2，形成，形成的超氧阴离子自由基的超氧阴离子自由基O O- -2 2会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子，降低吸却可消耗同化力与高能电子，降低O O- -2 2的形成，从而保护叶绿体，的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合机构的破坏。免除或减少强光对光合机构的破坏。 4.4.消除乙醇酸消除乙醇酸 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。使细胞免遭毒害。 另外，光呼吸代谢中涉及另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可多种氨基酸的转变，这可能

44、对绿色细胞的能对绿色细胞的氮代谢氮代谢有有利。利。 C C3 3植物中有植物中有光呼吸缺陷光呼吸缺陷的的突变体在正常空气中是不突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高能存活的，只有在高COCO2 2浓浓度下度下( (抑制光呼吸抑制光呼吸) )才能存才能存活，这也说明在正常空气活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生中光呼吸是一个必需的生理过程。理过程。三、C4 途 径( (一一) C) C4 4 途径的发现途径的发现 自自2020世纪世纪5050年代卡尔文等人阐明年代卡尔文等人阐明C C3 3途径以来，曾认为不管是藻类途径以来，曾认为不管是藻类还是高等植物，其还是高等植物，其COCO2 2

45、固定与还原都是按固定与还原都是按C C3 3途径进行的。途径进行的。 19541954年年，哈奇哈奇(M.D.Hatch)(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与与C C3 3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。 19651965年年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克科思谢克(H.P.(H.P.KortschakKortschak) )等人报道，甘蔗叶中等人报道，甘蔗叶中1414C C标记物首先出现于标记物首先出现于C C4 4二羧酸，以后才出现二羧酸，以后才出

46、现在在PGAPGA和其他和其他C C3 3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。率，这时才引起人们广泛的注意。 1966-19701966-1970年年，澳大利亚的，澳大利亚的哈奇和斯莱克哈奇和斯莱克(C.R.Slack) (C.R.Slack) 重复上述重复上述实验，进一步地追踪实验，进一步地追踪1414C C去向，探明了去向，探明了1414C C固定产物的分配以及参与固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于反应的各种酶类，于7070年代初提出了年代初提出了C C4 4- -双羧酸途径双羧酸途径，简称，简称C C

47、4 4途径途径，也称也称C C4 4光合碳同化循环光合碳同化循环，或叫，或叫Hatch-SlackHatch-Slack途径途径。 至今已知道，被子植物中有至今已知道，被子植物中有2020多个科多个科约近约近20002000种植物种植物按按C C4 4途径固途径固定定COCO2 2，这些植物被称为这些植物被称为C C4 4植物植物(C(C4 4 plant) plant)。C C4 4植物植物高梁甘蔗田 粟(millet)的穗形, “谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米(二）二）C C4 4植物叶片结构特点植物叶片结构特点C4植物维管束被发育良好植物维管束被发育良好的大型的大型BSC包围，外面又密

48、包围，外面又密接接1-2层叶肉细胞，这种呈层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的同心圆排列的BSC与周围的与周围的叶 肉 细 胞 层 被 称 为叶 肉 细 胞 层 被 称 为 “ 花花环环”(Kranz,德语德语)结构结构，C4植物的植物的BSC中含有大而多的中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。器也较丰富。栅栏组织与海绵组织分化栅栏组织与海绵组织分化不明显不明显，叶片两侧颜色差异，叶片两侧颜色差异小。小。两类光合细胞中含有不同的酶类两类光合细胞中含有不同的酶类，叶肉细胞叶肉细胞PEPCPEPC等等； BSC-BSC-RubiscoRubisco等参与等参与C C3

49、 3途径的酶、途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。有有两类光合细胞两类光合细胞：叶肉细：叶肉细胞和维管束鞘细胞胞和维管束鞘细胞(BSC)。BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于些结构特点有利于MC与与BSC间间的物质交换，以及光合产物向维的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。管束的就近转运。C4植物叶片结构特点植物叶片结构特点紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外

50、围，维管束细胞被叶肉细胞包围。绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。( (三三)C)C4 4途径的反应过程途径的反应过程 C C4 4途径中的反应虽因植物种途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段物再生四个阶段( (图图2222，C)C)。 羧化反应羧化反应 在叶肉细胞中磷酸在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸(PEP)(PEP)与与HCOHCO- -3 3在在PEPCPEPC催化下形成草酰乙酸催化下形成草酰乙酸(OAA)(OAA)； 还原或转氨作用还原或转氨作用

51、OAAOAA被还原为被还原为苹果酸苹果酸(Mal)(Mal)，或经转氨作用或经转氨作用 形形成天冬氨酸成天冬氨酸(Asp)(Asp)； 脱羧反应脱羧反应 C C4 4酸通过胞间连丝移酸通过胞间连丝移动到动到BSCBSC，在，在BSCBSC中释放中释放COCO2 2，COCO2 2由由C C3 3 途径同化；途径同化； 底物再生底物再生 脱羧形成的脱羧形成的C C3 3酸从酸从BSCBSC运回叶肉细胞并再生出运回叶肉细胞并再生出COCO2 2受受体体PEPPEP。图图22 C22 C4 4植物叶的结构以及植物叶的结构以及 C C4 4 植物光合碳代谢的植物光合碳代谢的基本反应基本反应 ( )(

52、)内为酶名；内为酶名； PEPC.PEPPEPC.PEP羧化酶羧化酶; PPDK.; PPDK.丙酮酸丙酮酸磷酸二激酶磷酸二激酶1.1.羧化阶段羧化阶段 由由PEPCPEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(PEP)与与HCOHCO3 3- -羧羧化，形成化，形成OAAOAA。 碳酸酐酶碳酸酐酶 (CA)(CA) CO CO2 2 +H+H2 2O O CA CA HCO HCO3 3- - + H+ H+ + PEPCPEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 400 000000，由四

53、个相同亚基组成。，由四个相同亚基组成。PEPCPEPC无加氧酶活性，因而羧化反应无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。不被氧抑制。2.2.还原或转氨阶段还原或转氨阶段 OAAOAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。 (1)(1)还原反应还原反应 由由NADP-NADP-苹果酸脱氢酶催化，将苹果酸脱氢酶催化，将OAAOAA还原为还原为MalMal，该反应在叶肉细胞的该反应在叶肉细胞的叶绿体叶绿体中进行：中进行： 苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过FdFd-Td-Td系统调节其活性。系统调节其活性。 (2)(2)转氨作用转氨作

54、用 由天冬氨酸转氨酶催化，由天冬氨酸转氨酶催化，OAAOAA接受谷氨酸的接受谷氨酸的NHNH2 2基，形成天冬氨酸，该反应在基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质细胞质中进行。中进行。3.3.脱羧阶段脱羧阶段根据植物所形成的初期根据植物所形成的初期C C4 4二羧酸的二羧酸的种类种类以及脱羧反应以及脱羧反应参与的参与的酶类酶类，可把，可把C C4 4途径分为三种亚类型：途径分为三种亚类型： 依赖依赖NADPNADP的苹果酸酶的苹果酸型的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME(NADP-ME型型) )； 依赖依赖NADNAD的苹果酸酶的天冬氨酸型的苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME(NAD-ME型型) )

55、； 具有具有PEPPEP羧激酶的天冬氨酸型羧激酶的天冬氨酸型(PCK(PCK型型) )。叶绿体叶绿体线粒体线粒体 细胞质细胞质 三种亚类型叶绿体的结构及其在三种亚类型叶绿体的结构及其在BSCBSC中的排列有所不中的排列有所不同。就禾本科植物而言，同。就禾本科植物而言，NAD-MENAD-ME型植物，叶绿体在型植物，叶绿体在BSCBSC中向心排列，而中向心排列，而NADP-MENADP-ME与与PCKPCK型，叶绿体在型，叶绿体在BSCBSC中离心排列；另外中离心排列；另外NADP-MENADP-ME型型BSCBSC中叶绿体的基粒不中叶绿体的基粒不发达，发达，PSPS活性低。活性低。 NADP-

56、MENADP-ME型初期产物为型初期产物为MalMal，而，而NAD-MENAD-ME型与型与PCKPCK型初期产物为型初期产物为AspAsp。C4途径脱羧方式NAD-ME型4.4.底物再生阶段底物再生阶段 C C4 4二羧酸脱羧后形成的二羧酸脱羧后形成的PyrPyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶酸磷酸二激酶(PPDK)(PPDK)催化，重新形成催化，重新形成COCO2 2受体受体PEPPEP。 NAD-MENAD-ME型和型和PCKPCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成然后再生成PEPPEP。

57、 此步反应要此步反应要消耗消耗2 2个个ATPATP( (因因AMPAMP变成变成ADPADP再要消耗再要消耗1 1个个ATP)ATP)。 PPDKPPDK易被光活化，光下该酶的活性比暗中高易被光活化，光下该酶的活性比暗中高2020倍。倍。 由于由于PEPPEP底物再生要消耗底物再生要消耗2 2个个ATPATP，这使得这使得C C4 4植物同化植物同化1 1个个COCO2 2需需消耗消耗5 5个个ATPATP与与2 2个个NADPHNADPH。 PPDK ( (四四) C) C途径的意义途径的意义 在高温、强光、干旱和低在高温、强光、干旱和低COCO2 2条件下，条件下，C C植物显示出高的光

58、植物显示出高的光合效率。合效率。 C C4 4植物具较高光合速率的因素有：植物具较高光合速率的因素有： 1)C1)C4 4植物的叶肉细胞中的植物的叶肉细胞中的PEPCPEPC对底物对底物HCOHCO3 3的亲和力极的亲和力极高，细胞中的高，细胞中的HCOHCO3 3浓度一般不成为浓度一般不成为PEPCPEPC固定固定COCO2 2的限的限制因素；制因素；2)2)鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。 3)C3)C4 4植物由于有植物由于有“COCO2 2泵泵

59、”浓缩浓缩COCO2 2的机制，使得的机制，使得BSCBSC中中有高浓度的有高浓度的COCO2 2，从而促进，从而促进RubiscoRubisco的羧化反应，降的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的低了光呼吸，且光呼吸释放的COCO2 2又易被再固定；又易被再固定； 但是但是C C4 4植物同化植物同化COCO2 2消耗的能量比消耗的能量比C C植物多，也可以说这个植物多，也可以说这个“COCO2 2泵泵”是要由是要由ATPATP来开动的，故在光强及温度较低的情况来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于下，其光合效率还低于C C植物。可见植物。可见C C4 4途径是植物光合碳同

60、途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。化对热带环境的一种适应方式。4)4)高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足的同化力，以满足C C4 4植物植物PCAPCA循环对循环对ATPATP的额外需求；的额外需求；光呼吸比较光呼吸比较C C4 4植物植物C C3 3植物植物四、景天科酸代谢途径( (一一) )CAMCAM在植物界的分在植物界的分布与特征布与特征 景天科等植物有一个景天科等植物有一个很特殊的很特殊的COCO2 2同化方式：同化方式：夜间固定夜间固定COCO2 2产生有机酸，产生有机酸，白天有机酸脱羧释放白天有机酸