光合作用的有关机理王学奎

2.1光合碳还原（PCR）循环的酶调节

2.2Rubisco的光活化

2.3Rubisco的纯化与分析

2.4C4二羧酸途径及其调节

2.5光合产物的运转及调节

2.6光合作用与环境因子

2.7光合作用研究进展1*目前一页\总数一百页\编于十一点2.1.1PCR的循环中的调节酶PCR循环反应：（1）羧化作用6RuBP+6CO2+6H2O123-PGA（2）磷酸甘油酸的还原123-PGA+12ATP12DPGA+12ADP

12DPGA+12（NADPH+H+）12PGA1d+12Pi+12NADP+RuBPCPGAKNADP-Gald-3-PDH2.1光合碳还原（PCR）循环的酶调节2*目前二页\总数一百页\编于十一点（3）RuBP的再生5PGA1d5DHAP3PGA1d+3DHAP3FBP3FBP+3H2O3F6P+3Pi2F6P+2PGA1d2Xu5P+2E4P

2E4P+2DAHP2SBP

磷酸果糖异构酶醛缩酶FBPase转酮酶醛缩酶3*目前三页\总数一百页\编于十一点2SBP+2H2O2S7P+2Pi2S7P+2PGA1d2R5P+2Xu5P

2R5P2Ru5P4Xu5P4Ru5P

6Ru5P+6ATP6RuBP+6ADPSBPase转酮酶核糖磷酸异构酶核糖磷酸表异构酶Ru-5-PK4*目前四页\总数一百页\编于十一点自然界有两种类型的Rubisco:（1）类型IRubisco,L8S8存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。

（2）类型ⅡRubisco,L2存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。2.1.2.1Rubisco（Rubulose-1,5-bisphophatecarboxylase-oxygenase,E.C.1.1.1.39）2.1.2PCR循环中调节酶的调节作用5*目前五页\总数一百页\编于十一点8个大亚基（50~60KD）和8个小亚基（12~18KD）组成，全酶分子量M≈560KD。氨基残基数同源性同源区域功能L475>80%169-220,活化部位321-340催化部位S123~70%10-21,装配？61-76增强羧化作用？L8(S8)与L2的同源性约28%，但在活性部位的氨基残基是保守的。类型IRubisco（L8S8）的特征：6*目前六页\总数一百页\编于十一点Rubisco的羧化功能和氧化功能：图2-1Rubisco催化的羧化和氧化反应过程

7*目前七页\总数一百页\编于十一点Km/CO2Km/

O2，且羧化和氧化反应发生在同一个活性中心。Rubisco羧化和氧化初速之比：Vc/V0=(Vc/Kc)/(V0/K0)*([CO2]/[O2])

其中(Vc/Kc)/(V0/K0)称为特征性因子（Srel），即羧化酶与加氧酶的Vmax/Km之间的比值。

Rubisco所催化的羧化反应与氧化反应的速率之比决定于细胞内CO2和O2浓度的相对比值。Rubisco：8*目前八页\总数一百页\编于十一点C3植物--高光呼吸植物，C4植物--低光呼吸植物？C3植物：同化3~4molCO2,吸收1molO2，光呼吸速率~30%。C4植物：维管束鞘细胞中[CO2]>>[O2]。9*目前九页\总数一百页\编于十一点Rubisco活性中心(Tolbert，1980)：活化分子底物分子(L201)Srel随生物进化而提高!Fig.2-210*目前十页\总数一百页\编于十一点菠菜中纯化的GA1d-3-PDH有两种型式：（1）原基体（Mr=100KD）：四亚基构成，优先利用NADP（H）（2）寡聚体（Mr=600KD）：16个亚基构成，对NAD（H）专一（参与EMP中PGA的还原）原基体活化NADPH、、ATPDTTP酶蛋白解离活化NADPH联结的反应NAD+或PGA1d原基体聚合活化NADH联结的反应光2.1.2.2甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAld-3PDH）11*目前十一页\总数一百页\编于十一点GA1d-3-P-DH调节的多样性与复杂性：

光；还原剂；聚合；解聚；组装过程中的修饰作用在10mmol/LMg2+存在时，其最适pH为8.0且Mg2+可单独激活FBPase；叶绿体在照光时，类囊体中的Mg2+外流，可使间质中的Mg2+浓度高达13mmol/L，同时也使间质中的pH升高，接近该酶的最适pH。光诱导Mg2+和pH的变化是活化FBPase的重要因素。12.1.2.3果糖-1,6-二磷酸酯酶（FBPase）12*目前十二页\总数一百页\编于十一点在Mg2+浓度较低（<4mmol/L）的条件下，其最适pH升高。FBPase可被硫氧还蛋白（Td）、还原型铁氧还蛋白（Fdred）活化。FBPase的活化与光合电子传递的关系密切。外源还原剂1，4-二硫苏糖醇（DTT）可代替Fdred起活化作用。该酶的活性受其氧化还原状态所控制。FBPase的活化模式(Buchanan，1977)213*目前十三页\总数一百页\编于十一点光系统1和调节蛋白活化FBPase的示意图Fig.2-314*目前十四页\总数一百页\编于十一点FBPase是一种多亚基(16个亚基)酶蛋白；FBPase存在着多种亚型，表现出不同的动力学特性，其中一些亚型无催化活性。在体外，亚型之间的相互转变依赖于氧化-还原剂、二价阳离子（如Ca2+）或pH。3高度变构的调节原核藻类聚球藻中的FBPase：A型和B型；B型总活力>>A型;B型蛋白又存在二聚体和四聚体两种亚型，且这两种亚型之间可以可逆转换（视FBP和Mg2+的存在与否）。15*目前十五页\总数一百页\编于十一点SFBPase与FBPase一样，亦受体内铁氧化蛋白和硫氧化还蛋白系统的活化，活化过程需要Mg2+，DTT亦可代替Fdred的作用。与FBPase不同的是Mg2+本身不使SBPase活化。FBPase和SBPase是光合碳循环的限速酶。2.1.2.4景天庚酮糖-1,7-二磷酸酯酶(SBPase)16*目前十六页\总数一百页\编于十一点该酶受光反应产生的还原剂所活化，DTT可代替光的作用使该酶活化。完整的叶绿体照光不到8秒钟，该酶活性即可提高2~4倍。Ru-5-PK的活化出现在羧化作用开始时，即活化该酶的还原剂产生于Fd之前。这样叶绿体一经照光即有充足的CO2受体，以推动CO2的固定。2.1.2.5核酮糖-5-磷酸激酶（Ru-5-PK）17*目前十七页\总数一百页\编于十一点光对叶绿体中光活化酶调节机理假设G-6PDHGald-3PDHRu-5-PKFBPaseSBPaseFig.2-418*目前十八页\总数一百页\编于十一点2.2.1Rubisco的光活化现象图2-5光照强度对重组叶绿体中RuBP羧化酶活性的影响反应中具有恒定的pH、CO2和Mg2+浓度，说明酶活化程度的增加不是依赖于离子的活化，而是与光产生的还原剂或活化因子的量有关。2.2Rubisco的光活化19*目前十九页\总数一百页\编于十一点Rubisco是植物中最丰富的蛋白质(占叶绿体可溶蛋白的50%)。每克植物鲜叶含1～10mgRubisco，其在叶绿体间质中的浓度可达300mg/ml。光对Rubisco的调节不是通过其量的增减，而是通过Rubisco的活化与钝化机制来实现的。前已讲述，只有RubiscoL-201Lys的ε-氨基甲酰化之后，才具有羧化活性，处于活化态的Rubisco才能参与CO2的固定。20*目前二十页\总数一百页\编于十一点（1）提供还原力（ATP和NADPH）；（2）改变叶绿体的微环境、提高间质的pH，增加Rubisco与Mg2+和CO2的亲和力；（3）提供活化因子（如NADPH等）。光对Rubisco的活化作用：21*目前二十一页\总数一百页\编于十一点图2-6DTT还原的Td对叶绿体可溶部分中Rubisco的活化作用（Td加入量为40μg）2.2.2硫氧还蛋白（Td）对Rubisco的活化作用22*目前二十二页\总数一百页\编于十一点图2-7光还原的Td对重组叶绿体中Rubisco的活化作用1.照光、加入Td；2.照光、不加Td；3.不照光、加入Td；4.不照光、不加Td。23*目前二十三页\总数一百页\编于十一点Rubisco在模拟体内条件下(10μmol/LCO2,5～10mmol/LMg2+,pH8.0和4mmol/LRuBP)，保温时，则酶不能被活化。在RuBP存在时，即使有高浓度的CO2和Mg2+存在时，Rubisco的也很难被活化。说明CO2和Mg2+对Rubisco的活化可能与酶的状态有关。2.2.3Rubisco活化酶24*目前二十四页\总数一百页\编于十一点RuBP与非氨基甲酰化状态的Rubisco紧密结合，从而阻止了酶与活化剂CO2分子的结合，使酶不能被活化。RuBP存在时，Rubisco为何难于被活化？在高光强下，即使高浓度RuBP（>4mmol/L）存在时，Rubisco仍能被活化。???25*目前二十五页\总数一百页\编于十一点SalvucciME等（1985）发现一种拟南芥（Arabidopsis）的突变种:在正常空气中培养时会死亡；在高浓度CO2中培养时能顺利生存。叶绿体间质蛋白缺失的这二条肽链就是组成Rubisco活化酶的二个亚基。双向电泳突变体缺失47KD、50KD二条肽链26*目前二十六页\总数一百页\编于十一点生理浓度的CO2(~10μmol/L)和Mg2+(5-10μmol/L)、类囊体膜、非活化的Rubisco(即与RuBP结合的Rubisco)、活化酶和高浓度的RuBP成分的存在。照光时，Rubisco迅速活化。活化酶表现活性需要照光，实际上是需要ATPRubisco活化酶的活性表现：27*目前二十七页\总数一百页\编于十一点CO2(活化分子)Rubisco活化酶光ADP+Pi抑制Rubisco-RuBP(钝化态)Rubisco+RuBP氨基甲酰化RubiscoE-CO2-MgMg2+RuBPE-RuBP-CO2-MgATP底物CO2PGAE-CO2-MgRubisco活化酶对Rubisco的活化过程：Fig.2-828*目前二十八页\总数一百页\编于十一点烟草叶片暗中生长光下生长叶片粗酶液Rubisco活性高CO2、Mg2+

Rubisco活性进一步提高叶片粗酶液Rubisco活性低CO2、Mg2+

Rubisco活性不受促进暗叶粗酶液凝胶柱层析CO2、Mg2+

Rubisco活性大大提高暗叶粗提液中可能存在某种抑制Rubisco活性的物质，在照光条件下可被解除。2.2.42-羧基阿位伯糖醇-1-磷酸（CA-1-P）29*目前二十九页\总数一百页\编于十一点暗叶的粗酶液甲醇或硫酸铵Servaites(1985):Rubisco的暗抑制解除Seeman等（1985）:暗叶的粗酶液碱性磷酸酯酶处理Rubisco的暗抑制解除暗叶的粗提液中存在的是一种磷酯类化合物抑制剂：一种6-碳中间产物类似物，即2-羧基阿拉伯糖醇-1-磷酸（CA-1-P）。30*目前三十页\总数一百页\编于十一点CA-1-P仅存在于某些植物中：菜豆：CA-1-P的含量特别高，完全抑制暗中Rubisco活性；大豆、马铃薯和烟草：CA-1-P的含量较高，抑制暗中的Rubisco活性达50%；菠菜、小麦和拟南芥等许多植物中几乎检测不到CA-1-P的存在。CA1P的抑制机制：CA-1-P与活化的Rubisco紧密结合，阻断RuBP与酶的结合，使氨基甲酰化的Rubisco转变为不能进行催化的形式，但不改变酶的氨基甲酰化作用。31*目前三十一页\总数一百页\编于十一点CA-1-P-Rubisco复合体光(NADPH-磷酸酯酶)Rubisco活化酶暗CA-1-P+RubiscoCA-1-P抑制机制的解除：32*目前三十二页\总数一百页\编于十一点2.3.1Rubisco的纯化方法方法Ⅰ：粗酶液（叶片匀浆）硫酸铵分部沉淀离子交换层析和凝胶过滤层析蔗糖密度梯度离心纯化的Rubisco*粗酶液中加入ATP显著提高Rubisco的热稳定性。中性条件下于85℃加热10min，可使其他蛋白和蛋白水解酶变性沉淀，大大改善Rubisco的纯化效果。

菠菜叶纯化的Rubisco：纯度>99%，比活性2~2.3μmol•min-1•mg-1Pr，产率0.1~0.2g/100g鲜叶，总回收率10%。2.3Rubisco的纯化与分析33*目前三十三页\总数一百页\编于十一点方法Ⅱ:Rubisco的结晶纯化，限于烟草*酚类物质有很大干扰。粗酶液的提取应在低温下尽快完成，操作过程中应加入还原剂防止酚类物质氧化时对酶活性的破坏。烟草叶片粗酶液Rubisco结晶沉淀加热处理脱盐34*目前三十四页\总数一百页\编于十一点Rubisco蛋白的定量分析：粗酶液中Rubisco酶联免疫吸附分析法(ELISA)（专一性强，灵敏快捷）底物类似物结合法底物类似物结合法：Rubisco粗酶液2-羧阿拉伯糖醇二磷酸(14C-2CABP)保温E-ACO2-Mg2+-2CABP(1:1:1:1)每分子Rubisco有8个活化位点，测定与

Rubisco紧密结合的14C-2CABP的数量即可。2.3.2Rubisco的分析方法35*目前三十五页\总数一百页\编于十一点羧化酶活性放射性同位素法测定14CO2结合到酸稳定的PGA中的速度分光光度法测定偶联反应体系中NADH的氧化速度(304nm,Hg365/334nm)氧化酶活性氧电极法测定RuBP依赖的O2吸收速率*酶的活化：将Rubisco与CO2及Mg2+进行预保温（50℃，10min；或37~40℃，2hrs）。Rubisco的活性分析：36*目前三十六页\总数一百页\编于十一点Rubisco的四级结构模型(Anderssonetal,1989;Chapmanetal,1988):外型：Rubisco呈直径13.2nm、高10.5nm的桶状圆柱体结构。大亚基的排列：四对交互结合的L2大亚基二聚体排列成8聚体核(L8)。大亚基二聚体由N和C两个结构域组成。即一个大亚基上的C结构域与另一个大亚基上的N结构域交互结合成大亚基二聚体。在交互接触的两个结构域界面上与Mg2+结合，构成酶的活性中心。2.3.3Rubisco的立体结构37*目前三十七页\总数一百页\编于十一点小亚基的排列：小亚基以四聚体的形式结合在大亚基8聚体的两端，并嵌合在大亚基之间的裂隙中。每个大亚基有45个羧基末端的肽链覆盖在小亚基的上面形成极顶部。38*目前三十八页\总数一百页\编于十一点StructureModelofRubiscoLargersubunitproteinchainSmallersubunitproteinchainRubisco(RebuloseBisphosphateCarboxylase/Oxygenase)Fig.2-939*目前三十九页\总数一百页\编于十一点TriplestructureoflargersubunitTriplestructureoflargersubunitFig.2-1040*目前四十页\总数一百页\编于十一点亚基之间存在疏水作用，大亚基之间的疏水作用比大、小亚基间的疏水作用强。在接近等电点的酸性条件下，Rubisco解离成大亚基核L8和游离小亚基。小亚基解离酶活性线性下降重组时加入小亚基的量与酶活性的恢复呈线性相关。酶活性1%单独在大肠杆菌中表达大亚基肽链加入小亚基后酶活性100%2.3.4Rubisco亚基间的相互作用41*目前四十一页\总数一百页\编于十一点原核生物Rubisco的大小亚基基因可以在大肠杆菌中表达并能组装成有活性的全酶。高等植物Rubisco的大小亚基基因可以在大肠杆菌中表达，但不能产生有活性的全酶。高等植物Rubisco在体外解离后再重组时，大亚基往往形成不可逆的沉淀。2.3.5.1Rubisco及其亚基的合成与加工高等植物Rubisco的装配远比原核生物的复杂。2.3.5Rubisco的合成与组装42*目前四十二页\总数一百页\编于十一点叶绿体监护蛋白Ellis等(1980):豌豆完整叶绿体新合成的大亚基照光新合成的Rubisco叶绿体间质蛋白结合这种叶绿体间质蛋白是Rubisco亚基结合蛋白，又称为叶绿体监护蛋白(chloroplastchaperonins),Mr约720kD。43*目前四十三页\总数一百页\编于十一点Rubisco全酶的组装Rubisco小亚基4~6kD前体+成熟肽叶绿体基因Rubisco大亚基1~2kD前体+成熟肽70S核糖体大亚基加工加工并除去转运肽叶绿体监护蛋白小亚基Rubisco全酶细胞核基因80S核糖体(细胞质)细胞质运转器ATPFig.2-1144*目前四十四页\总数一百页\编于十一点叶绿体监护蛋白是一个高分子量的蛋白质，在Rubisco装配过程中，与大亚基结合成复合物后，才能使大亚基正确组装。叶绿体监护蛋白还能与Rubisco的小亚基以及其他植物蛋白如捕光色素蛋白、谷氨酰胺合成酶等结合。在所有生物的线粒体也具有与叶绿体监护蛋白功能相似的蛋白，其氨基酸序列的同源性为43%~54%。这类被称为监护蛋白（属于监护分子的一个亚类，molecularchaperone）。2.3.5.2叶绿体监护蛋白在Rubisco组装过程中的作用45*目前四十五页\总数一百页\编于十一点帮助其他蛋白质的多肽链正确折叠和装配，自身并不成为最终被装配结构的成分。叶绿体监护蛋白参与Rubisco装配的证据：Goloubinoff等(1989,1992)，L2-Rubisco的体外重组实验：L2体外变性E.Coli监护蛋白，Mg2+,ATP,K+保温L2活性恢复监护蛋白的作用：46*目前四十六页\总数一百页\编于十一点蓝藻Rubisco大、小亚基基因导入E.Coli表达有活性的全酶蓝藻Rubisco大、小亚基基因导入E.ColiRubisco的活性更强多拷贝监护蛋白基因+Rubisco基因在E.Coli中的转化与表达：47*目前四十七页\总数一百页\编于十一点监护蛋白60(cpn60)，亚基分子量60KD，具ATP酶活性；监护蛋白10(cpn10)，亚基分子量10KD。线粒体的cpn60由一种亚基组成，叶绿体的cpn60由α和β两种亚基组成。监护蛋白的类型：48*目前四十八页\总数一百页\编于十一点cpn60变性的多肽链部分折叠Cpn60解离ATP稳定的大亚基二聚体中间态Cpn60-部分折叠中间态复合物多肽链折叠(cpn60)监护蛋白参与Rubisco二聚体的折叠过程：Fig.2-1249*目前四十九页\总数一百页\编于十一点复合物？Cpn60Cpn10小亚基ctDNAmRNA大亚基前体大亚基ATPL2L8全酶ATP叶绿体被膜核膜nDNAmRNACpn10前体Cpn60前体小亚基前体高等植物Rubisco的组装模型Fig.2-1350*目前五十页\总数一百页\编于十一点根据鞘细胞中C4酸脱羧机理不同，C4植物可分为3个生化亚型

2.4.1C4二羧酸途径(Hatch-Slack途径)简介2.4C4二羧酸途径及其调节Fig.2-1451*目前五十一页\总数一百页\编于十一点2.4.2.1NADP-ME型/NADP-苹果酸酶型存在的植物种类

单子叶：玉米、高粱、甘蔗、马唐、小米、稗、白茅等；双子叶：地锦、半子莲、地肤等。特点：

维管束鞘细胞(BSC)内叶绿体基粒发育差，PSⅡ活力低，还原力不足，在BSC和叶肉细胞间存在PGA的穿梭。

2.4.2C4二羧酸途径的脱羧类型52*目前五十二页\总数一百页\编于十一点1.PEP羧化酶2.NADP苹果酸脱氢酶3.NADP苹果酸酶4.丙酮酸磷酸二激酶5.3PGA激酶和磷酸甘油醛脱氢酶NADP-ME型的脱羧历程：Fig.2-1553*目前五十三页\总数一百页\编于十一点存在的植物种类单子叶：稷、狗牙根、蟋蟀草、千金子等；双子叶：马齿苋、绿苋、雁来红等。特点：叶肉细胞质中：天冬氨酸转氨酶和苯丙氨酸转氨酶活性高；维管束鞘细胞(BSC)：细胞质：苯丙氨酸转氨酶活性高；线粒体：天冬氨酸转氨酶、NAD-ME、NAD-MD(苹果酸脱氢酶)活性高，有足够的还原力。2.4.2.2NAD-ME型/NAD-苹果酸酶型54*目前五十四页\总数一百页\编于十一点1.PEP羧化酶4.丙酮酸磷酸二激酶天冬氨酸转氨酶7.NAD-苹果酸脱氢酶8.NAD-苹果酸酶9.苯丙氨酸转氨酶NAD-ME型的脱羧历程：Fig.2-1655*目前五十五页\总数一百页\编于十一点存在的植物种类

单子叶：盖氏虎尾草、大黍、非洲鼠尾粟、羊草、卫茅、结缕等；特点：维管束鞘细胞(BSC)的细胞质中PCK（PEP羧激酶）活性很高；而NADP-ME和NAD-ME活性不足或很低。PCK型可能存在3种脱羧途径：(1)PCK催化脱羧，主要途径(BSC的细胞质中)；(2)NAD-ME催化脱羧(BSC的线粒体中)；(3)NAD-MD和NAD-ME共同催化脱羧(BSC的线粒体中)。2.4.2.3PCK型/PEP羧激酶型56*目前五十六页\总数一百页\编于十一点1.PEP羧化酶2.NADP苹果酸脱氢酶4.丙酮酸磷酸二激酶6.天冬氨酸转氨酶8.NAD-苹果酸酶10.PEP羧激酶线粒体氧化系统？NAD-MD123?PCK型的脱羧历程：Fig.2-1757*目前五十七页\总数一百页\编于十一点2.4.3.1酶的调节(1)PEP羧化酶(PEPC)PEPC:Mr为400kD(玉米、高梁)，全酶由4个相同亚基组成,活性中心具有Lys残基(Lys-606).存在于叶肉细胞的胞质中，催化不可逆的反应：PEP+CO2OAA+PiPEPCMg2+2.4.3C4二羧酸途径的调节58*目前五十八页\总数一百页\编于十一点光暗调节；代谢物的调节：PEPC活性下降PEPC活性上升PEP、G-6-PMal、Asp磷酸化作用的调节：E-Ser-对PEP亲和力增加，且对Mal敏感性下降。玉米中其磷酸化位点：Ser-15;高粱中其磷酸化位点：Ser-8Asp、Lys、His、Thr被修饰后酶失活。PPEPC的调节：59*目前五十九页\总数一百页\编于十一点聚合和解离状态的调节：四聚体PEPC(活性态)二聚体PEPC(失活态)低温、低pH、Mal、His-残基修饰G-6-P/(PEP)60*目前六十页\总数一百页\编于十一点此酶位于C4植物叶肉细胞的叶绿体中，催化CO2最初受体PEP的再生：丙酮酸+ATP+PiPEP+AMP+PPiPPDK，Mg2+PPDK的调节：(1)pH的调节：叶绿体间质的pH8.0，酶活性高；(2)能荷调节：ATP/ADP,酶活性升高；(3)温度调节：

温度光下活化达50%所需时间30℃5min10℃>30min(2)丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）61*目前六十一页\总数一百页\编于十一点产物抑制：PEP抑制PPDK的活性；光的调节：光活化PPDK的速度很快(类似与Ru-5-PK的光活化)；磷酸化作用的调节：

活化态PPDK

钝化态PPDK

磷酸化脱磷酸化62*目前六十二页\总数一百页\编于十一点丙酮酸磷酸二激酶活化-钝化的可逆磷酸化过程图2-18丙酮酸磷酸二激酶活化-钝化的可逆磷酸化过程（Ottaway,1988）E:PPDK,丙酮酸磷酸二激酶;PDRP:丙酮酸磷酸二激酶调节蛋白63*目前六十三页\总数一百页\编于十一点主要分布于叶肉细胞的叶绿体中，催化下列反应：OAA+NADPH苹果酸+NADP+NADP-MD(1)光／暗调节:活化钝化黑暗照光(2)光合电子传递链还原组分的调节:钝化活化铁氧还蛋白／硫氧还蛋白/DTT氧化(3)NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MD)64*目前六十四页\总数一百页\编于十一点NADP-铁氧还蛋白与硫氧还蛋白对NADP-MD活化-钝化的调节图2-19NADP-铁氧还蛋白与硫氧还蛋白对NADP-MD活化-钝化的调节（Jiaoetal.,1991）65*目前六十五页\总数一百页\编于十一点催化苹果酸的氧化脱羧：苹果酸+NADP+丙酮酸+CO2+NADPH可逆反应，但向前反应速度为逆反应速度的30倍NADP-MENADP-ME的调节受pH和Mal的共同调节：Mal(mmol/L)0.110NADP-ME最适pH7.48.5pH7.5时，>1mmol/L的Mal抑制NADP-ME的活性(4)NADP-苹果酸酶(NADP-ME)66*目前六十六页\总数一百页\编于十一点NADP-ME不受光和代谢产物的调节。但光下引起叶绿体间质pH的增加，可增加NADP-ME对Mal的脱羧速率。存在于鞘细胞线粒体中，苹果酸丙酮酸+CO2

NAD-MEMn2+,NAD+该酶以二聚体、四聚体和八聚体形式存在。其离体活性受多种效应剂，如FBP、乙酰CoA、CoA、HCO3-调节。(5)NAD苹果酸酶(NAD-ME)67*目前六十七页\总数一百页\编于十一点存在于BSC的细胞质中，催化OAA的脱羧和PEP的形成：OAA+ATPPEP+CO2+ADPPEP-CK目前，对此酶的调节特性了解不多。FBP、PGA和DHAP对酶活力有非竞争性抑制；ADP对依赖ATP的OAA脱羧有竞争性抑制等。(6)PEP羧激酶(PEP-CK)

68*目前六十八页\总数一百页\编于十一点(1)光对酶水平的影响除光合碳循环中的很多关键酶活性受光的调节外，光还能促进酶蛋白的合成（如照光后，[3H]—亮氨酸掺入酶蛋白中的量增加）。(2)代谢物运输的调节C4途径生化反应过程跨越不同类型的细胞、细胞器，维持有关代谢物在细胞间或细胞器间迅速转运以及鞘细胞中CO2的高浓度？2.4.3.2其他方面的调节69*目前六十九页\总数一百页\编于十一点C4植物叶肉细胞的叶绿体上存在着类似C3植物、但经过修饰的无机磷转运器(带有PEP载体)，保证了丙酮酸、Pi与PEP、3PGA与DHAP的对流。专一性OAA转运器的存在，亦使OAA与苹果酸交换得以在细胞器间的顺利进行。鞘细胞叶绿体被膜上的无机磷运转器，满足了部分3-PGA运至叶肉细胞叶绿体内进行还原的要求。C4植物叶肉细胞—鞘细胞间壁对代谢物及CO2的透性是其他植物的10倍，而对CO2的渗透系数则为C3光合细胞的1／100，维持了BSC中CO2的高浓度(为C3叶中的10倍)。70*目前七十页\总数一百页\编于十一点2.5.1光合产物的累积或亏缺对光合速率的影响(1)光合产物长时间的大量累积会引起光合速率下降烫叶柄处理的菠菜进行光合作用6h，叶片中蔗糖、淀粉均比对照增加50%以上，对其叶片的光合速率及叶绿体碳同化和希尔反应无影响，但光合磷酸化活力有所降低。当光合产物累积4d，蔗糖、淀粉分别比对照增加1100%及140%，叶片光合及叶绿体碳同化下降约20%，希尔反应下降30%，光合磷酸化下降54%。以累积淀粉为主的甘薯叶片也是在光合产物累积时间的大于6h以后才出碳同化的明显下降。2.5光合产物的运转及调节71*目前七十一页\总数一百页\编于十一点1天之内叶片中光合产物积累后叶片的光合速率并没有明显降低。C3植物如玉米、水稻、小麦等植物叶片在进行光合作用时，本身就伴随着光合产物的输出；

棉花、大豆等植物在白天进行光合作用时，叶片的光合产物输出很少，主要在夜晚输出。产物抑制不大可能是植物光合作用调节控制的主要方式。72*目前七十二页\总数一百页\编于十一点光合中间产物的严重不足影响光合机构的维持与更新。遮荫时间离体叶绿体碳同化活性光合磷酸化活性

≦6h无显著影响略有下降

≧5d下降50%显著下降长时间遮荫+0.1mol/L蔗糖提高21%提高(2)光合产物亏缺导致光合速率下降73*目前七十三页\总数一百页\编于十一点(1)磷再生限制，光合速率下降ATP供应不足；碳同化初产物PGA累积，间质pH下降，PCR中的酶活性下降；(3)Rubisco对CO2和O2的敏感性降低。(2)磷过多，也引起光合速率下降无机磷竞争性抑制Rubisco的活性2.5.2磷再生与光合作用的关系74*目前七十四页\总数一百页\编于十一点光合作用过程中的无机磷再生途径图2-20光合作用过程中的无机磷再生途径Gly：乙醇酸；Sta：淀粉；Suc：蔗糖；TP：磷酸丙糖

75*目前七十五页\总数一百页\编于十一点2.6.l光照(1)光强1)光合作用:

提供同化力；活化光合作用关键酶和促使气孔开放；调节光合机构的发育。2)光合作用诱导期:

叶片照光后光合速率逐渐增高并达到稳态的过程。

光合诱导前期：光合速率主要受中间产物水平和酶活化水平的限制；光合诱导后期：主要受气孔导度的限制。

2.6光合作用与环境因子76*目前七十六页\总数一百页\编于十一点当光合机构接受的光能超过它所能利用的量时，引起光合活性降低的现象就是光合作用的光抑制。光抑制主要发生在PSⅡ，按其发生的原初部位不同：受体侧光抑制:起始于还原型QA的积累；供体侧光抑制:起始于水光解受阻。3)光能过剩--光抑制77*目前七十七页\总数一百页\编于十一点光抑制的机制：Fig.2-21（1）受体侧光抑制―→QAred累积―→三线态P680―→催化O2.形成（2）供体侧光抑制―→P680呈氧化态氧化破坏叶绿素和D1蛋白78*目前七十八页\总数一百页\编于十一点1）慢恢复，与光合机构的破坏相关连；2）快恢复，与激发能的热耗散相关联。热耗散的途径：1）依赖跨类囊体膜质子梯度的热耗散，可能通过天线色素的热耗散，响应最快；2）依赖叶黄素循环的热耗散:光抑制的恢复：79*目前七十九页\总数一百页\编于十一点堇菜黄素花药黄素玉米黄素(violaxanthin)(antheroxanthin)(zeaxanthin)

(双环氧)(单环氧)(无环氧)去环氧酶暗或光抑制解除单线激发态叶绿素LHCⅡ

聚集热能耗散叶黄素的氧化：80*目前八十页\总数一百页\编于十一点3）PSⅡ反应中心可逆失活的热耗散，也称为PSⅡ反应中心的下调4）依赖PSⅡ循环电子流的热耗散eeP680*PQCytb559ee81*目前八十一页\总数一百页\编于十一点①减少光吸收②增加对光的利用③加强非光合的耗能代谢过程④加强热耗散过程⑤增加有害物质的清除系统⑥加强PSⅡ的修复循环植物对光破坏的保护机制：82*目前八十二页\总数一百页\编于十一点通过状态转换(Statetransition)调节PSI和PSⅡ的光合效率。在PSⅡ优先吸收的红光下，光合机构向状态2转变，从而把较多的光能分配给PSI；在PSI优先吸收的远红光下，光合机构向状态l转变，从而把较多的光能分配给PSⅡ。(2)光质83*目前八十三页\总数一百页\编于十一点图2-22LHCⅡ的状态转换模式图（HirokoT等，2006）LHC的状态转换(Statetransition)机制:84*目前八十四页\总数一百页\编于十一点植物光合作用对温度的响应曲线一般为钟罩形。低温下光合作用的主要限制因素：无机磷的再生利用率低。高温下光合作用速率下降的主要原因：CO2溶解度、Rubisco对CO2的亲和力以及光合机构关键成分的热稳定性的降低。2.6.2温度85*目前八十五页\总数一百页\编于十一点(1)水分不足，气孔关闭:如光合“午睡”现象；(2)严重水分胁迫，碳固定的酶钝化，叶绿体膜破坏；(3)空气湿度：叶片和空气之间的蒸气压差过大，速率显著下降。2.6.3水分86*目前八十六页\总数一百页\编于十一点(1)[CO2]/[O2]的比值高，光合速率高C4植物的光呼吸低(2)低气压限制光合作用是高原地区植物光合作用的一个限制因素。2.6.5矿质营养N、P：物质的组成元素；K：酶的辅助因子、渗透调节、同化物的转运与合成；Mg：酶的活化剂、叶绿素的组分；Fe：参与叶绿素的合成；Ca：参与水光解放氧、渗透调节。2.6.4空气87*目前八十七页\总数一百页\编于十一点如强光保护系统和修复系统的正常运转（其他条件适宜时）不发生光抑制光能过剩低温或干旱等（胁迫条件存在时）光合机构破坏光抑制外界环境因素植物自身的生理因素：气孔导度、叶内CO2的扩散阻力、光合机构的光化学效率以及累积的光合产物类型等。2.6.6环境限制的复杂性88*目前八十八页\总数一百页\编于十一点2.7光合速率的测定方法光合作用测定仪测定光合速率（LI-6400，PPSCIRAS-1/-2）红外CO2分析仪测定光合速率溶氧法测定光合速率经典的“半叶法”测定光合速率的基本原理“改良半叶法”测定光合速率的基本原理利用密闭容器中碳酸氢钠溶液pH的测定光合速率89*目前八十九页\总数一百页\编于十一点2.7.1“半叶法”测定光合速率的基本原理植物进行光合作用形成有机物，而有机物的积累可使叶片单位面积的干物重增加，但是，叶片在光下积累光合产物的同时，还会通过输导组织将同化物运出，从而使测得的干重积累值偏低。为了消除这一偏差，必须将待测叶片的一半遮黑，测量相同时间内叶片被遮黑的一侧单位面积干重的减少值，作为同化物输出量（和呼吸消耗量）的估测值。测定时须选择对称性良好、厚薄均匀一致的两组叶片，一组叶片用于测量干重的初始值，另一组（半叶遮黑的）叶片用于测定干重的终了值。但该法手续烦琐，且误差较大。90*目前九十页\总数一百页\编于十一点2.7.2“改良半叶法”测定光合速率的基本原理采用烫伤、环割或化学试剂处理等方法来损伤叶柄韧皮部活细胞，以防止光合产物从叶中输出（这些处理几乎不影响木质部中水和无机盐分向叶片的输送），仅用一组叶片，且无须将一半叶片遮黑，既简化了手续，又提高了测定的准确性。91*目前九十一页\总数一百页\编于十一点2.7.3利用密闭容器中碳酸氢钠