硕第二讲光合作用

1、第二讲 光合作用 1研究意义和动态意义热点: (1)放O2机理. (2)四大复合体结构与功能. (3)光合作用运转及调节. (4)光抑制 (5)叶绿素荧光及其应用.2第一节 叶绿体一、 结构与成分被膜： 外膜 内膜间质 ：(含可溶性蛋白质，酶类，DNA，RNA 核糖体等)类囊体 (基粒) 基粒片层 间质片层3叶绿体结构4化学组成一 叶绿体色素 种类及光化学特性 叶绿素 叶绿素a，兰绿色 叶绿素b，黄绿色 类胡萝卜素 胡萝卜素(、)橙黄色 叶黄素 黄色 藻胆素 藻红蛋白 (仅存在于红藻、蓝藻中) 藻蓝蛋白5纸层析时(石油醚为流动相)各色素的分布？（极性与位置）678为何阴生植物叶绿素b/a比值高

2、？为何b/a可作为植物耐阴性指标？为何定量叶绿素时用红光区吸收波长？类胡萝卜素干扰为何计算叶绿素时用以下公式？Ca=13.95A663-6.88A645Cb=24.96A645-7.32A663Ct=(A652/34.5)V/G9叶绿体色素吸收光谱：10化学组成二 核酸:叶绿体基因组（120多个基因）1.与光合作用有关基因 光系统作用中心A1,A2蛋白;光系统D1,D2蛋白; 细胞色素Cytb6/f复合物;ATP合酶;Rubisco大亚基等.2.叶绿体基因表达所需基因 rRNA,tRNA,RNA聚合酶,DNA聚合酶,起始因子等.3.其他基因 如:NADH脱氢酶的各个亚基.11化学组成三 蛋白质

3、1.色素(脂,核酸)蛋白复合体 2.电子载体 3.酶4.转运体膜蛋白分布不均衡12 类囊体膜上的蛋白复合体类囊体膜上含有由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有四类，即光系统（PSI）、光系统（PS）、Cytb/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）. 13蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点14 蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点PS:主要基粒片层的堆叠区 PS与ATPase:非堆叠区 Cytb6/f复合体分布较均匀。意义?利于电子传递、H+的转移和ATP合成 15为什么说叶绿体不是光合作用的独立单位？16叶绿体蛋白质形成特点1.大部分多肽由核基因编码,质中合成,运入叶绿体后被加工. 2.叶

4、绿体基因组编码的多肽仅在叶绿体起作用. 3.光对蛋白质的合成积累具有调节作用.17化学组成四、 脂类:膜脂1.糖脂 单（双）半乳糖基甘油二酯MGDG(DGDG) 2.磷脂 18甘 油 磷 脂 CH2 CHR2 C CHPCH2P-XX= H 磷脂酸 （PA） X= CH2 CH2X= CH2 CHN+(CH3) 3磷脂酰胆碱（卵磷脂）（PC）NH2 磷脂酰丝氨酸（PS）CR1COOHX=-CH2-CH2-NH3+磷脂酰乙醇胺 （脑磷脂）（PE）X=甘油 磷脂酰甘油（PG）X=肌醇 磷脂酰肌醇（PI）19化学组成类囊体(膜)脂特点:1.糖脂含量高,而磷脂相对少.2.不饱和脂肪酸含量高,尤其亚麻酸

5、,使膜富于流动性.3.非双层结构,具不对称性.意义？20第一节 叶绿体二、 功能（不仅仅合成碳水化合物？）1.光合作用全过程2.其他A 被固定碳的储存,转运;B 亚硝酸盐硫酸盐的还原,蛋白质氨基酸的合成;c DNA,RNA的合成;D 脂类,萜类,酚类的合成.21第一节 叶绿体三、 光合单位存在于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位,包括:捕光天线系统(聚光色素蛋白复合体,LHC) 外周天线 内周天线反应中心:中心色素分子(P680,P700) 原初电子供体 原初电子受体22“天线移动”假说 LHC磷酸化后，可在类囊体膜上移动，从堆叠的基粒(富含PS)区域横向移动至非堆叠的基质(富含PS)区

6、域，并成为PS的聚光色素系统，扩大PS的捕光面积。23天线移动24“天线移动”假说状态转换State2:激发能从PS向PS分配比例增加的状态,低荧光态.PS还原侧 PQ还原态-蛋白磷酸激酶活性增加- LHC蛋白磷酸化-蛋白质解聚-横向迁移至PS间质膜区-扩大PS捕光面积State1:激发能向PS分配比例增加的状态,高荧光态.影响状态的因素1.光强（质）的变化2.电子传递体PQ及Cytb/f复合体等氧化还原状态25“天线移动”假说思考题:1.加入电子传递阻断剂(DCMO)阻断QB-PQ的传递,荧光产量?取决于PS ？ 增加?2.增加远红光(700nm)照射比例,荧光产量?红光?荧光产量的变化是状

7、态转换的重要标志.课外思考题:同一天,太阳光谱红光与远红光强比例随时间的进程变化,状态转换如何进行?26“天线移动”假说状态转换的意义:1.平衡激发能在光系统间的分配;2.提高光能利用率;3.防御光破坏.27第三节 原初反应第二节 原初反应与叶绿素荧光28一、光能的吸收与传递(一) 激发态的形成 Chl（基态）+h 1015S Chl*（激发态）29 (二)激发态的命运激发态不稳定，易发生能量的转变，转变的方式：1.放热 为何在能量利用上蓝光没有红光高? 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。所以一个蓝光光子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的，多余的能量在降级过程中也是以

8、热能释放。2. 发射荧光与磷光3.色素分子间的能量传递(光化学反应) Chl*1 Chl2 Chl1Chl*2 供体分子 受体分子 30 叶绿体吸收光后，激发了捕光色素蛋白复合体（LHC），LHC将其能量传递到光系统2或光系统1。其间所吸收的光能有所损失，大约3%-9%的所吸收的光能被重新发射出来，其波长较长,也即叶绿素荧光 .正面背面31传递方式:1.激子传递(exciton transfer) 2.共振传递(resonance transfer)32激子传递(exciton transfer)激子指电子激发的量子。一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻

9、色素分子(电子)激发。适用于分子间距离小于2nm的相同色素分子间.33共振传递(resonance transfer) 色素分子被激发后，高能电子的振动引起相邻分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导，变为激发态。分子间距大于2nm的色素分子间。34传递方向总方向:反应中心,且不可逆.问:接近反应中心的色素分子光谱吸收峰偏向红端? 叶绿素b 叶绿素a ? 35图 聚光系统到反应中心能量传递呈漏斗状光合色素距离反应中心越远，其激发态能就越高，这样就保证了能量向反应中心的传递 36 离体色素溶液为什么易发荧光? 这是因为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。 在色素溶液中，如加入某种

10、受体分子，能使荧光消失，这种受体分子就称为荧光猝灭剂(fluorescence quencher)，用Q表示，光反应中，Q即为电子受体。猝灭:由于某种原因引起荧光水平的降低. 光化学猝灭:光化学反应引起 非光化学猝灭:热耗散等 色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧光常常被认作光合作用效能指标的依据,被认为是光合作用的内探针(无损伤)。思 考37 以荧光形式发射出来的光能是很少的,还不到吸收的总光能的3%。 在弱的光下,光合机构吸收的光能大约97%被用于光化学反应,2.5%转变成热散失,0.5%被变成荧光发射出来； 在很强的光下，全部PSII反应中心关闭时，吸收的光

11、能95%97%被变成热，而2.5%5.0%被变成荧光发射。 38叶绿素荧光分析 叶绿素荧光分析具有直观，测定手续简便,获得结果迅速,反应灵敏,可以定量,对植物无破坏、干扰少的特点。 可以用于叶绿体、叶片,也可以遥感用于群体、群落。它既是室内光合基础研究的先进工具,也是室外自然条件下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法。39叶绿素(a)荧光及其应用1.活体叶绿素荧光的起源2.荧光产率(量子产率) f=Kf /(Kf + Kh+ Kt+ KpA) Kp比其他常数大, f的变化主要取决于A,而A又决定于Q的氧化还原状态: 氧化态:A1,荧光猝灭 还原态:A0, f最大3.活

12、体荧光诱导动力学 叶片经过适当时间(充分)的黑暗,重新照光过程中观察到的荧光强度随时间变化曲线,又称Kautsky反应.40活体荧光诱导曲线41活体荧光诱导曲线（欧洲云杉针叶的荧光诱导曲线示意图）:快反应 PT:慢反应O点:称死荧光,暗荧光,它是由光系统(PSII)捕光叶绿素蛋白质复合物发出的,与光合作用中的光反应无关,与激发光的强度、叶绿素含量及传能效应等有关.:表示内发生电荷分离,证明是有功能的.:的变化是由于照光后随着的被还原以及继续不断地被从水的裂解系统方面传送来的电子所还原.上升速率与光合放2速率有关.PS:暗反应激活,消耗还原侧电子,使重新氧化.:暗反应滞后, 光合诱导,原因? 思

13、考:不经过暗适应,诱导曲线?42叶绿素荧光应用领域 (1) 是研究光合作用的必须手段； (2)植物逆境生理； (3) 检测农药毒害，揭示作用机理； (4) 检测营养盐缺乏（与光合有关）； (5)植物遗传育种：品质差异，筛选良种； (6)水域生态学 (7)环境检测与监测 等43活体荧光诱导曲线应用/:反映了最大光化学效率(潜在)。/:的潜在活性。/:的比值是叶片活力的指标,它反映了叶片的潜在光合 活力.Fv=FmF0 44活体荧光诱导曲线应用表1不同低温处理对中杂七号番茄叶片的荧光动力学参数Fv/Fo值的影响45活体荧光诱导曲线应用保水剂(Kg/cm2)对干旱胁迫下刺槐叶绿素a荧光动力学参数的影

14、响46活体荧光诱导曲线应用(荧光日变化) 发生明显的光抑制47活体荧光诱导曲线应用 发生明显的光抑制48第三节 电子传递和光合磷酸化一、电子传递：1.光合链：49502.电子传递体的组成与功能51PSII反应中心结构模式图 示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。 D1很容易受到光化学破坏。 电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。 图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化(放氧复合物)。 CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。522.电子传递体的组成与功能53模式图中显示了复合体中以A和B命名的两个主要的蛋白质亚基psaA和psaB的分布状况。 电子从

15、P700传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体A1。电子传递穿过一系列的被命名为FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（Fdx）。P700+从还原态的质蓝素（PC）中接受电子。psaF，psaD和psaE 几个PSI亚基参与可溶性电子传递体与PSI复合体的结合。PSI反应中心结构模式54光合膜上的电子与H+的传递图 光合膜上的电子与质子传递 图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PS与PS各吸收4个)，传递4个e能分解2个H2O，释放1个O2，同时使类囊体膜腔增加8个H，又因为吸收8个光量子能同

16、化1个CO2，而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH，也即传递4个e-， 可还原2个NADPH，经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。554.电子传递的类型1)非环式电子传递2)环式电子传递3)假环式电子传递(Mehlers reaction)56 1.非环式电子传递HO PSPQCyt b/fPCPSFdFNR NADP 按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。572.环式电子传递(1) PS中环式电子传递： PSFdPQCytb/fPCPS 环式电子传递不发生H

17、2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。582.环式电子传递(2) PS中环式电子传递： P680PheoQAQBCytb559P680 Cytb559593.假环式电子传递HOPSPQCytb/fPC PSFd O Fd为单电子传递体，其氧化时把电子交给O2，使O2生成超氧阴离子自由基。 Fd还原 + O2 Fd氧化 + O2 -叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-。 O2 - + O2 - + 2H2 SOD 2H2O2 + O2假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输。60图 叶绿体中的电子传递模式

18、 61Fd也是电子传递的分叉点。电子到Fd后有多种去向： 非环式电子传递； 环式电子传递； 假环式电子传递； 交给硝酸参与硝酸还原； 传给硫氧还蛋白(Td)进行光合酶的活化调节。625.光合磷酸化机理(photophosphorylation)类型:1)非环式2)环式3)假环式635.光合磷酸化机理(photophosphorylation)1)化学渗透学说(Mitchell，1961)2)变构学说(Paul Boyer，1963)64对无pH缓冲液的叶绿体类囊体悬浮液照光，用pH计可测到悬浮液的pH? 升高? 65酸-碱磷酸化实验贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在p4的弱酸性溶

19、液中平衡，让类囊体膜腔的pH下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度。 66ATP合成酶ATP合成酶也称偶联因子(coupling factor)或CF1-CFo复合体，由两个蛋白复合体组成CF1 ： 含有,和5种亚基。CFo ：有四个亚基 、和。ATPase的激活需要光或还原剂（如）光反应滞后?.67ATP合成酶68光合磷酸化的抑制叶绿体进行光合磷酸化，必须： (1)类囊体膜上进行电子传递；（2)类囊体膜内外有质子梯度； (3)有活性的ATP酶。抑制剂电子传递抑制剂：如阿特拉津(atrazine)、DCMU、KCN解偶联剂：

20、DNP(dinitrophenol,二硝基酚)ATP酶抑制剂：寡霉素（oligomycin）69 百草枯（一种除草剂）2,5二溴3甲基6异丙基对苯醌光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构。叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点。DCMU和DBMIB阻止电子传递反应，而还原态的百草枯自动氧化为基本离子，导致超氧和其他活性氧种类的形成。70电子传递为何能与光合磷酸化偶联? 如何证明？71第四节核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (Rubisco)是调节光合和光呼吸，决定净光合作用的一个关键酶，酶活性的高低直接影响植物的净光合产量；也是植物可溶性蛋白质中含量最高的蛋白质，是植物

21、体内重要的储藏蛋白.一、分布，合成，含量，特性二、结构72植物Rubisco的合成、加工和组装Rubisco包含16个蛋白亚基：8个小亚基（SSU）和8个大亚基（LSU）。SSU的基因rbcS存在于核中，而LSU的 rbcL基因是由质编码的。需要两个基因组的表达并需要三个亚细胞参与：细胞核，细胞溶质和叶绿体。73Ribulose 1-5 phosphate carboxylase oxygenase74三、功能 羧化：碳还原循环氧化：碳氧化循环（光呼吸）75乙醇酸途径76光呼吸的生理意义1.回收碳素； 2.维持C3光合碳还原循环的运转； 3.防止强光对光合机构的破坏作用； 4.消除乙醇酸毒害；

22、.作为糖及氨基酸代谢的补充途径77四Rubisco活性及调节酶活调节： Rubisco在黑暗中是没有活性的,在光下有活力?光如何激活Rubisco ? 78四Rubisco活性及调节酶活调节： .氨基甲酰化作用 Rubisco有活化与钝化两种形态，钝化型酶可被CO2和Mg2+激活，这种激活依赖于与酶活性中心有关的赖氨酸(Lys)的-NH2基与CO2(起活化的CO2不是底物CO2)的结合。 79四Rubisco活性及调节 .氨基甲酰化作用 钝化型酶的与CO2作用，形成氨基甲酰化合物(E-NHCOO)，它与Mg2+作用形成活化型的酶(E-NHCOOMg2+,也称三元复合体ECM)，然后底物RuBP

23、和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应： 80Rubisco活性Rubisco只有先与CO2、Mg2+作用才能成为活化型的ECM，如果先与RuBP(或RuBP类似物)结合，就会成为非活化型的E-RuBP。 但在暗中钝化型Rubisco与RuBP结合形成E-RuBP后不能发生反应？ Rubisco活化酶 81Rubisco活化酶RCA(Rubisco activase) -调节Rubisco活性的酶。在光下，活化酶由ATP活化，让RuBP与Rubisco解离，使Rubisco发生氨甲酰化，然后与CO2和、Mg2+结合形成ECM三元复合物，促进RuBP的羧化。82 Rubisco活化酶（RCA

24、）活化酶作用条件：生理浓度， Mg2+ ；高浓度RuBP ；光照（）。83Rubisco催化机理及调节2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇需活化酶2-过氧-3-酮基阿拉伯糖醇84Rubisco的羧化、氧化比 Rubisco的羧化、氧化初速度之比可用方程表示：max/max (2)/(2) (CO2/(O2)其中max/max (2)/(2) 称特征因子，对一定的酶来说是个常数因此羧化氧化速率之比决定于空气中与浓度的相对比值正常空气中， Rubisco同化一个，同时同化个85第五节光抑制定义：植物光合机构吸收的光能超过其利用的量时，引起光合活性下降的现象，是目前高等植物光合作用研究中的热点。它包括了光保

25、护和光破坏两方面，主要表现为的光化学效率和碳同化量子效率的降低原因：能量耗散增加（热耗散等）光合机构破坏（反应中心复合体，色素等）8687FIGURE 9.15 Changes in the lightresponse curves of photosynthesis caused by photoinhibition. Exposure to moderate levels of excess light can decrease quantum efficiency (reduced slope of curve) without reducing maximum hotosyntheti

26、c rate, a condition called dynamic photoinhibition. Exposure to high levels of excess light leads to chronic photoinhibition, where damage to the chloroplast decreases both quantum efficiency and maximum photosynthetic rate. (After Osmond 1994.)88第五节光抑制部位：是光抑制发生的主要部位。受体侧（还原侧）光抑制：还原积累等。例：还原型QA的积累促使三线

27、态P680(P680T)的形成，而P680T可以与氧作用(P680T+O2P680+1O2)形成单线态氧(1O2)； 供体侧（氧化侧）：水氧化受阻等。例：由于放氧复合体不能很快把电子传递给反应中心，从而延长了氧化型P680(P680+)的存在时间。 680+和1O2都是强氧化剂，如不及时消除，它们都可以氧化破坏附近的叶绿素和D1蛋白，从而使光合器官损伤，光合活性下降。89第五节光抑制恢复：快恢复（与热耗散相关）慢恢复（与光合机构破坏相关）90植物对光破坏的保护防御机制1、通过叶片（叶绿体）运动或表面覆盖蜡质、着生毛等减少光吸收；2、增加电子传递体和光合关键酶含量及活化水平，提高光合能力， 增加

28、光的吸收；3、加强非光合的耗能代谢，如光呼吸；4、加强热耗散： （1）捕光天线色素 （2）叶黄素循环：所谓叶黄素循环是指叶黄素的三个组分(紫黄 质、环氧玉米黄质、玉米黄质)依照光照条件的改变而相互转 化(图）91叶黄素循环 还原消耗能量9293植物对光破坏的保护防御机制（3）依赖反应中心可逆失活；（4）依赖循环电子流的热耗散942.电子传递体的组成与功能95植物对光破坏的保护防御机制5、状态转换（-）6、增强有害物质（如活性氧）清除系统活力； 反应9697植物对光破坏的保护防御机制7、加强修复循环（D1蛋白快速修复周转） 光能过剩-中心可逆失活-D1蛋白破坏-进入间质片层-酶切除-合成新D1蛋

29、白-插入基粒片层复合体 D1蛋白是叶绿体基因组编码蛋白质中周转最快的蛋白。 9899思考题1.光对光合作用的影响(作用)? 促进；抑制（光抑制）(1)提供同化力所需的能量;(2)活化光合作用关键酶及促使气孔开放;(3)调节光合机构的发育.2.形成光合作用诱导期的原因?(1)C3循环中间产物的积累需要一个过程;(2)酶系统的活化需要一个过程;(3)气孔开放需要一定的时间.100思考题3.轻度水分胁迫引起叶片光合作用下降的主要因素? 气孔导度下降4.严重水分胁迫引起叶片光合作用下降的主要因素? 酶的失活;光合器官的破坏;叶绿体间质离子浓度上升,酸化.光抑制。5.在一般条件(大田,晴)下,引起光合作

30、用的限制因子是什么?6.冬季一些常绿木本植物如松,竹冠层上部部分叶片变黄变白枯死的原因?101第六节影响光合速率的外界条件1.光照2.CO23.温度4.水分：5.矿质 等102 与光合作用有关的常见参数或指标光合作用光响应曲线光饱和点;光补偿点光合作用CO2响应曲线CO2补偿点;饱和点光合作用的日变化，包括Pn、Gs、Tr和Ci103 与光合作用有关的常见参数或指标光合作用相关环境因子的日变化，如PFD、TL (叶温) 、Ca(大气CO2浓度)和RH光呼吸速率：2O2、340mol.mol-1 CO2低氧气体下与正常大气条件下Pn之差； CO2 响应曲线。暗呼吸速率：无光照条件下的CO2浓度变

31、化 104 与光合作用有关的常见参数或指标表观量子效率（AQY）：指200 mol.m-2.s-1低光强下光光合作用最初直线方程的斜率。羧化效率（CE）：在CO2浓度低于250 mol.m-2.s-1以下时测算出CO2 光合直线方程的斜率。RUBPCO105 与光合作用有关的常见参数或指标气孔限制值（Ls）：Ls1Ci/CaCO2利用率（CUE）：CUE（PnetTlRdarkTd）/（PgrossTl） Tl和Td分别为光期和暗期（以小时计） Pgross和Pnet分别为粗、净Pn Rdark代表暗呼吸速率106 与光合作用有关的常见参数或指标RuBP最大再生速率（Vrubsico）：指CO

32、2达到饱和点后的最大Pn。温合补偿点：指Pn为0时的Tl，可反映植物对高、低温的响应。水合补偿点：指Pn为0时的叶片水势，反映植物对水分胁迫的响应。等.107FIGURE 9.8 Response of photosynthesis to light in a C3 plant. In darkness, respiration causes a net efflux of CO2 from the plant. The light compensation point is reached when photosynthetic CO2 assimilation equals the amo

33、unt of CO2 evolved by respiration. Increasing light above the light compensation point proportionally increases photosynthesis indicating that photosynthesis is limited by the rate of electron transport, which in turn is limited by theamount of available light. This portion of the curve is referred

34、to as light-limited. Further increases in photosynthesis are eventually limited by the carboxylation capacity of rubisco or the metabolism of triose phosphates. This part of the curve is referred to as CO2 limited.108FIGURE 9.10 Lightresponse of hotosynthesis of a sun plant gown under sun or shade conditions. The upper curve represents an Atriplex triangularis leaf gr