植物的光合作用二

关于植物的光合作用二第1页，课件共85页，创作于2023年2月一.C3途径糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的产物，这在100多年前就知道了，但其中的反应步骤和中间产物用一般的化学方法是难以测定的。因为植物体内原本就有很多种含碳化合物，无法辨认哪些是光合作用当时制造的，哪些是原来就有的。况且光合中间产物量很少，转化极快，难以捕捉。1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：(1)14C同位素标记与测定技术可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的(2)双向纸层析技术能把光合产物分开

选用小球藻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，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。第2页，课件共85页，创作于2023年2月试验分以下几步进行：(1)饲喂14CO2与定时取样

向正在进行光合作用的藻液中注入14CO2使藻类与14CO2接触，每隔一定时间取样，并立即杀死。

H14CO3-+H＋→14CO2+H2O图用来研究光合藻类CO2固定仪器的图解第3页，课件共85页，创作于2023年2月(2)浓缩样品与层析

用甲醇将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行双向纸层析，使光合产物分开(3)鉴定分离物采用放射自显影技术，鉴定被14CO2标记的产物并测定其相对数量。(4)设计循环图

根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。根据图D所显示的结果，即短时间内(5秒，最终到0.5秒钟)14C标记物首先出现在3-磷酸甘油酸(PGA)上，说明PGA是光合作用的最初产物。用纸层析和放射自显影技术追踪被14CO2标记的产物第4页，课件共85页，创作于2023年2月起先猜测CO2是与某一个2碳的片断结合生成3碳的PGA，然而情况并非如此。当光下把CO2浓度突然降低，作为CO2受体的化合物会积累起来。这一化合物被发现是含有5个C的核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)，当它接受CO2后，分解为2个PGA分子。光合试验中RuBP与PGA相互转化经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO２到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或Calvin-Benson循环。由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C３途径或C３光合碳还原循环，并把只具有C３途径的植物称为C３植物。此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。第5页，课件共85页，创作于2023年2月光合碳还原循环参与反应的酶：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)；(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶；(4)丙糖磷酸异构酶；(5)(8)醛缩酶；(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)；(7)(10)(12)转酮酶；(9)景天庚酮糖1，7-二磷酸(酯)酶(SBPase)；(11)核酮糖-5-磷酸表异构酶；(13)核糖-5-磷酸异构酶；(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)代谢产物名：RuBP.核酮糖1,5二磷酸；PGA.3-磷酸甘油酸；BPGA.1，3二磷酸甘油酸；GAP.甘油醛-3-磷酸；DHAP.二羟丙酮磷酸；FBP.果糖-1，6-二磷酸；F6P.果糖-6-磷酸；E4P.赤藓糖-4-磷酸；SBP.景天庚酮糖-1,7-二磷酸；S7P.景天庚酮糖-7-磷酸；R5P.核糖-5-磷酸；Xu5P.木酮糖-5-磷酸；Ru5P.核酮糖-5-磷酸；G6P.葡萄糖-6-磷酸；TPP.硫胺焦磷酸；TPP-C2.TPP羟基乙醛第6页，课件共85页，创作于2023年2月(一)C３途径的反应过程C３途径是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径。

1.过程

整个循环如图所示，由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。全过程分为羧化、还原、再生3个阶段。一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP第7页，课件共85页，创作于2023年2月光合碳还原循环羧化还原再生第8页，课件共85页，创作于2023年2月羧化阶段指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程。以固定3分子CO2为例：

3RuBP+3CO2+3H2ORubisco6PGA+6H+

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有双重功能，既能使RuBP与CO2起羧化反应，推动C3碳循环，又能使RuBP与O2起加氧反应而引起C2氧化循环即光呼吸。羧化阶段分两步进行，即羧化和水解：在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸，它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。第9页，课件共85页，创作于2023年2月的方法以区分二聚体的边界。

Rubisco被认为普遍存在的蛋白质构成了叶绿体基质蛋白质的一半。Rubisco（L8S8）结构第10页，课件共85页，创作于2023年2月Rubisco的结构与组装在植物叶绿体中，Rubisco由8个大亚基（56000）和8个小亚基（14000）组成。在结构中四个可见圆形突出的每一个都包含一个大亚基和一个小亚基。小亚基以红色，大亚基以蓝色和绿色表示（L8S8）。5-二磷酸核酮糖羧化酶分子晶体点阵的排列晶体点阵：一种由晶体的原子、分子或离子在空间各点所作的几何排列RUBISCO大亚基的三维结构其催化活性要依靠大、小亚基的共同存在才能实现。Rubisco约占叶绿体可溶性蛋白的50%，因此它也是自然界中最丰富的蛋白质。第11页，课件共85页，创作于2023年2月Rubisco大亚基由叶绿体DNA编码，并在叶绿体的核糖体上翻译，而小亚基则由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成。Rubisco全酶由细胞质中合成的小亚基前体和叶绿体中合成的大亚基前体经修饰后组装而成。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。这个酶的合成量可能是地球上合成的蛋白质中最多的，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。第12页，课件共85页，创作于2023年2月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ε-NH2基反应。首先钝化型酶的ε-NH2与CO2(起活化的CO2不是底物CO2)作用，形成氨基甲酰化合物(E-NH·COO－)，它与Mg2+作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+,也称三元复合体ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应：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。活化反应可以被叶绿体基质中pH和Mg2+浓度增加的促进第13页，课件共85页，创作于2023年2月Rubisco活化酶(activase)Rubisco活化酶(activase)：调节Rubisco活性的酶。活化酶的作用：在暗中钝化型Rubisco与RuBP结合形成E-RuBP后不能发生反应；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，促进RuBP的羧化。图18Rubisco活化酶活化Rubisco的假说图解第14页，课件共85页，创作于2023年2月RuBP除了作为底物之外，可能也是一个重要的Rubisco活性的调节因子，它与未活化酶E的结合比活化的酶ECM的结合更加紧密，因而它能够抑制Rubisco的氨基甲酰化作用，从而稳定Rubisco处于非活化状态。Rubisco活化酶能促进RuBP从Rubisco的解离，加速Rubisco发生氨基甲酰化。活化酶的活化作用需ATP提供能量。Rubisco活化酶活化Rubisco的假说纯化型活化型第15页，课件共85页，创作于2023年2月(2)还原阶段指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程

6PGA+6ATP+6NADPH+6H+→→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi有两步反应：磷酸化和还原。磷酸化反应由3-磷酸甘油酸激酶催化：羧化反应产生的PGA是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用光反应中生成的同化力，ATP与NADPH能使PGA的羧基转变成GAP的醛基。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。第16页，课件共85页，创作于2023年2月(3)再生阶段指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+这里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。第17页，课件共85页，创作于2023年2月C3途径的总反应式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；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。再第18页，课件共85页，创作于2023年2月2.能量转化效率

则C3途径的能量转化效率为1460/(32×9+220×6)=91%这是一个很高的值。然而在生理状态下，各种化合物的活度低于1.0，与上述的标准状态有差异，另外，要维持C3光合还原循环的正常运转，其本身也要消耗能量，因而一般认为，C3途径中能量的转化效率在80%左右。光合产物中所贮存的化学能占消耗同化力中贮能的百分率。同化3个CO2形成1个磷酸丙糖为例，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH。在标准状态下每形成1molGAP贮能1460kJ，每水解1molATP放能32kJ，每氧化1molNADPH放能220kJ，第19页，课件共85页，创作于2023年2月(二)C3途径的调节1.自(动)催化作用植物同化CO2速率，很大程度上决定于光合碳还原循环的运转状态，以及光合中间产物的数量。在C3途径中存在一种自动调节RuBP浓度的机制，即在RuBP含量低时，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳还原循环到达“稳态”时，形成的磷酸丙糖再输出。这种调节RuBP等光合中间产物含量，使同化CO2速率处于某一“稳态”的机制，就称为C3途径的自(动)催化作用。C3途径的自(动)催化作用示意图15个RuBP固定15个CO2，可再生18个RuBP，即产生3个额外RuBP(实线)，当到达“稳态”时产生5个TP(磷酸丙糖)输出(虚线)第20页，课件共85页，创作于2023年2月2.光调节作用

光除了通过光反应对CO2同化提供同化力外，还调节着光合酶的活性。C3循环中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光调节酶(图中打圈处)。光下酶活性提高，暗中活性降低或丧失。光对酶活性的调节大体可分为两种情况：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)光调节酶通过改变微环境调节通过产生效应物调节第21页，课件共85页，创作于2023年2月(1)微环境调节光驱动的电子传递使H+向类囊体腔转移，Mg2+则从类囊体腔转移至基质，引起叶绿体基质的pH从7上升到8，Mg2+浓度增加。较高的pH与Mg2+浓度使Ｒubisco等光合酶活化。Mg2+浓度增加pH从7上升到8Mg2+第22页，课件共85页，创作于2023年2月(2)效应物调节通过Fd-Td(铁氧还蛋白-硫氧还蛋白)系统调节FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫键(－S－S－)，当被还原为2个巯基(－SH)时表现活性。光驱动的电子传递能使基质中Fd还原，进而使Td(硫氧还蛋白)还原，被还原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相邻半胱氨酸上的二硫键打开变成2个巯基，酶被活化。在暗中则相反，巯基氧化形成二硫键，酶失活。图20Fd-Td系统活化酶的图解第23页，课件共85页，创作于2023年2月3.光合产物输出速率的调节

根据质量作用定律，产物浓度的增加会减慢化学反应的速度。磷酸丙糖是能运出叶绿体的光合产物，而蔗糖是光合产物运出细胞的运输形式。磷酸丙糖通过叶绿体膜上的Pi运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。磷酸丙糖在细胞质中被用于合成蔗糖，同时释放Pi。如果蔗糖的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，随之Pi的释放减少，而使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响C3光合碳还原环的正常运转。另外，叶绿体的Pi浓度的降低也会抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，这又会抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反应。第24页，课件共85页，创作于2023年2月二、光呼吸1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warburgeffect)。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。光呼吸：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应。(一)光呼吸的发现第25页，课件共85页，创作于2023年2月1955年德克尔(J.P.Decher)用红外线CO2气体分析仪测定烟草光合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，断光后叶片有一个CO2快速释放(猝发)过程。

CO2猝发(CO2outburst)现象实际上是光呼吸的“余辉”，即在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。现在通常把1955年作为发现光呼吸的年代。1971年托尔伯特(Tolbert)阐明了光呼吸的代谢途径。第26页，课件共85页，创作于2023年2月

(二)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：(1)14CO2能掺入到乙醇酸中去，光呼吸释放的14CO2来自14C乙醇酸；(2)

18O2能掺入到乙醇酸以及甘氨酸与丝氨酸的羧基上；(3)增进光呼吸的因素，如高O２、高温等也能刺激乙醇酸的合成与氧化。乙醇酸的生成反应是从Rubisco加氧催化的反应开始的：以上两步反应在叶绿体中进行第27页，课件共85页，创作于2023年2月

羧反应产生一个六碳的中间物，2-羧基，3-酮基-D-阿拉伯糖醇-1，5二磷酸。这个中间产物的水合作用分解为碳2和碳3两个产物，一个是图中最底部三碳化合物的3-磷酸甘油酸，一个是图中最上部三碳化合物的带负碳离子的3-磷酸甘油酸。负碳离子的质子化作用完成了催化羧化循环。氧分子和enediolate的反应产生5碳的过氧化氢物。水合/裂解/质子化作用系列与羧化系列产生源自图中最下部三碳的3-磷酸甘油酸和源自图中最上部2碳化合物2-磷酸乙醇酸相类似。Rubisco催化羧化氧化两个反应类型RuBP羧化产生2分子C3光合作用第一个稳定的中间产物3-磷酸甘油酸。RuBP氧化产生1分子3-磷酸甘油酸和1分子2-磷酸乙醇酸。C2磷酸通过光呼吸循环转变为3-磷酸甘油酸。所有的系列反应都是由RuBP结合到Rubisco活化位点开始，然后随着质子的吸收和重新分布而形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸中间产物。第28页，课件共85页，创作于2023年2月乙醇酸代谢要经过三种细胞器：叶绿体、过氧化体和线粒体。第29页，课件共85页，创作于2023年2月光呼吸的主要反应：

C2氧化光合循环的进行涉及到三种共同互相作用的细胞器：叶绿体、线粒体和过氧化体。2分子的乙醇酸从叶绿体转入过氧化体形成氨基乙酸，2分子氨基乙酸转入线粒体后，转变为丝氨酸，同时释放CO2。丝氨酸运输到过氧化体转化为甘油酸。甘油酸进入叶绿体后，磷酸化作用形成3-磷酸甘油酸，进入卡尔文循环。线粒体释放的无机态N（NH3H2O）被叶绿体利用与适量的2-酮戊二酸反应生成氨基酸。粗的红色箭头表示在谷氨酸合成酶的催化作用下谷氨酸盐对氨的呼吸。此外过氧化体中O2吸收可以维持较短的成对的氧化反应的氧循环。碳、氮和氧的流向分别用黑色、红色和蓝色表示。第30页，课件共85页，创作于2023年2月乙醇酸从叶绿体转入过氧化体，由乙醇酸氧化酶催化氧化成乙醛酸，乙醛酸经转氨作用转变为甘氨酸，甘氨酸在进入线粒体后发生氧化脱羧和羟甲基转移反应转变为丝氨酸，丝氨酸再转回过氧化体，并发生转氨作用，转变为羟基丙酮酸，后者还原为甘油酸，转入叶绿体后，在甘油酸激酶催化下生成的3-磷酸甘油酸又进入C3途径，整个过程构成一个循环。其中耗氧反应部位有两处，一是叶绿体中的Rubisco加氧反应，二是过氧化体中的乙醇酸氧化反应。脱羧反应则在线粒体中进行，2个甘氨酸形成1个丝氨酸时脱下1分子CO2。图光呼吸途径及其在细胞内的定位

①Rubisco；②磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶；③乙醇酸氧化酶；④谷氨酸-乙醛酸转氨酶；⑤丝氨酸-乙醛酸氨基转移酶；⑥甘氨酸脱羧酶⑦丝氨酸羟甲基转移酶⑧羟基丙酮酸还原酶；⑨甘油酸激酶第31页，课件共85页，创作于2023年2月从RuBP到PGA的整个反应总方程式为：

2RuBP+3O2+2ATP+H2O+2Fdred3PGA+CO2+2ADP+3Pi+2Fdox+3H+（37)

如果PGA进入C3途径再形成RuBP则：

5PGA+8ATP+5NADPH+2H2O+2H+3RuBP+8ADP+7Pi+5NADP+(38)(38)式可由(34)与(35)式推出。

(37)式×5与(38)式×3合并：RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred5CO2+34ADP+36Pi+15NADP++10Fdox+9H+

(39)

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C2化合物，因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧化循环，简称C2循环。第32页，课件共85页，创作于2023年2月光合作用和光呼吸都由Rubisco开始。光合作用的电子运输提供ATP和NADPH；光呼吸消耗ATP和FdxRED。C3循环中的一种底物CO2是C2循环的产物；同样地，C2循环的底物O2是C3光合作用的产物。光合作用和光呼吸的联系第33页，课件共85页，创作于2023年2月图8.8叶片中碳的流向受两个运动相反循环之间的平衡所制约，然而在光合电子传递产生足够的底物的情况下，卡尔文循环可以独立地进行，而C2光合碳氧化循环则需要卡尔文循环连续的进行以再生它的起始物质-核酮糖-1，5-二磷酸。第34页，课件共85页，创作于2023年2月（三）光呼吸与“暗呼吸”的区别光呼吸需在光下进行，而一般的呼吸作用，光下与暗中都能进行，所以相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸”。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高3～5倍。第35页，课件共85页，创作于2023年2月(四)光呼吸的意义Rubisco既可催化羧化反应，又可以催化加氧反应，即CO2和O2竞争Rubisco同一个活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2浓度与O2浓度的比值。如在人为提供相同浓度CO2和O2的条件下，Rubisco的羧化活性是加氧活性的80倍。在25℃下，与空气平衡的水溶液中CO2/O2的比值为0.0416，这时羧化作用与加氧作用的比值约为3∶1。从碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的20%～40%的碳变为CO2放出(C3植物)；从能量角度看，每释放1分子CO2需消耗6.8个ATP，3个NADPH和2个高能电子，显然，光呼吸是一种浪费。在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉?这可能与Rubisco的性质有关。Rubisco催化特性第36页，课件共85页，创作于2023年2月光呼吸生理意义：1.回收碳素通过C2碳氧化环可回收乙醇酸中3/4的碳(2个乙醇酸转化1个PGA，释放1个CO2)。2.维持C3光合碳还原循环的运转在叶片气孔关闭或外界CO2浓度低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持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

在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-·2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O-·2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。第37页，课件共85页，创作于2023年2月4.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。另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下(抑制光呼吸)才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。第38页，课件共85页，创作于2023年2月三、C4途径(一)C4途径的发现自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H.P.Kortschak)等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3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。1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack)重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4plant)。第39页，课件共85页，创作于2023年2月C4植物高梁甘蔗田

粟(millet)的穗形,“谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米第40页，课件共85页，创作于2023年2月(二）C4植物叶片结构特点栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。有两类光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞(BSC)。C4植物维管束分布密集，间距小，每条维管束都被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1-2层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶肉细胞层被称为“花环”(Kranz,德语)结构，C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。两类光合细胞中含有不同的酶类，叶肉细胞中含有PEPC以及与C4二羧酸生成有关的酶；而BSC中含有Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。在这两类细胞中进行不同的生化反应。第41页，课件共85页，创作于2023年2月C4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图。

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围，维管束细胞被叶肉细胞包围。第42页，课件共85页，创作于2023年2月C4植物（高粱）叶肉细胞和管束鞘细胞叶绿体比较的电子显微片

叶绿体的形态特征反映其自身的生化功能。维管束鞘细胞中叶绿体缺乏类囊体堆叠区，含有少量的PSⅡ。相比较而言，叶肉细胞中叶绿体含有所有的光合作用中光反应所需要的跨膜复合体并且存有微量或不含Rubisco。第43页，课件共85页，创作于2023年2月(三)C4途径的反应过程C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段(图22，C)。①羧化反应在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；②还原或转氨作用

OAA被还原为苹果酸(Mal)，或经转氨作用形成天冬氨酸(Asp)；③脱羧反应

C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3途径同化；④底物再生脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。图22C4植物叶的结构以及C4植物光合碳代谢的基本反应()内为酶名；PEPC.PEP羧化酶;PPDK.丙酮酸磷酸二激酶第44页，课件共85页，创作于2023年2月C4途径概况再生羧化脱羧PEP第45页，课件共85页，创作于2023年2月1.羧化阶段

由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO3-羧化，形成OAA。

空气中的CO2进入叶肉细胞后先由碳酸酐酶(CA)转化为HCO－3，HCO－3被PEP固定在OAA的C4羧基上

CO2+H2OCAHCO－3+H+PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400000，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。第46页，课件共85页，创作于2023年2月PEPC的反应机理：(1)PEPC先与Mg2+结合；(2)再与底物PEP结合，形成一个三元复合物；(3)这个三元复合物与HCO－3作用产生羧基磷酸与PEPC·Mg2+和烯醇式丙酮酸复合物，前者释放出CO2与Pi；(4)CO2与PEPC·Mg2+·烯醇作用产生OAA与PEPC·Mg2+，OAA为羧化反应的产物，PEPC·Mg2+则再次进行反应第47页，课件共85页，创作于2023年2月2.还原或转氨阶段

OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。

(1)还原反应由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行：苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。(2)转氨作用由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。第48页，课件共85页，创作于2023年2月3.脱羧阶段根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，可把C4途径分为三种亚类型：①依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME型)；②依赖NAD的苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)；③具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。叶绿体线粒体

细胞质

NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp。第49页，课件共85页，创作于2023年2月这三种亚类型植物叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BSC中叶绿体的基粒不发达，PSⅡ活性低。

第50页，课件共85页，创作于2023年2月(1)NADP-ME型在BSC的叶绿体内苹果酸脱羧生成丙酮酸(Pyr)，反应由NADP苹果酸酶催化。(2)NAD-ME型天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用下转氨基形成OAA，再经NAD-苹果酸脱氢酶作用下生成苹果酸，然后在NAD-苹果酸酶催化下脱羧生成丙酮酸并释放CO2，这些过程都在BSC的线粒体中进行(3)PCK型天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用变成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下变为PEP并释放CO2。生成的PEP可能直接进入叶肉细胞，也可能先转变成丙酮酸，再形成丙氨酸进入叶肉细胞。上述三类反应脱羧释放的CO2都进入BSC的叶绿体中，由C3途径同化。C4二羧酸脱羧释放CO2，使BSC内CO2浓度可比空气中高出20倍左右，所以C4途径中的脱羧起“CO2泵”作用。C4植物这种浓缩CO2的效应，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。图23C4途径的三种类型及其代表植物名称①PEPC；②丙酮酸磷酸二激酶；③NADP苹果酸脱氢酶；④天冬氨酸氨基转移酶；⑤丙氨酸氨基转移酶；⑥NAD苹果酸脱氢酶三种亚类型第51页，课件共85页，创作于2023年2月14.42C4植物维管束鞘细胞的三种脱羧途径简图。在这三种途径中，只有NADP+-苹果酸酶（A）途径不包括线粒体反应，脱羧反应只发生在维管束鞘叶绿体中。NAD+-苹果酸酶（B）和PEP羧化激酶型（C）C4光和作用包括线粒体NAD+-苹果酸酶；在前一种形式中，脱羧过程被这种酶专门催化（见图12.48）。在草酰乙酸还原生成苹果酸过程中，NADH被NAD+-苹果酸酶催化的产物与MDH的消耗达到动态平衡（B）。通过对照发现，PEP羧化激酶类型的植物（C）中产生的NADH被电子传递链氧化产生ATP。第52页，课件共85页，创作于2023年2月4.底物再生阶段

C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。PPDK在体内存在钝化与活化两种状态，它易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。第53页，课件共85页，创作于2023年2月

(四)C４途径的意义在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C４植物显示出高的光合效率。

C4植物具较高光合速率的因素有∶

C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO－3的亲和力极高，细胞中的HCO3－浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；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C4植物PCA循环对ATP的额外需求；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。但是C4植物同化CO2消耗的能量比C３植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP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C３植物。可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。第54页，课件共85页，创作于2023年2月(五)C4途径的调节NADP-苹果酸脱氢酶的活性通过Fd-Td系统调节；PEPC和PPDK的活性通过酶蛋白的磷酸化-脱磷酸反应来调节。当PEPC上某一Ser被磷酸化时，PEPC就活化，对底物PEP的亲和力就增加，脱磷酸时PEPC就钝化。因而C4植物的PEPC光下活性高。1.酶活性的调节

(1)光调节

C4途径中的PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)都在光下活化，暗中钝化。C4植物中PEP羧化酶的调节。光通过一种未知的机制激活调节激酶。反过来激酶磷酸化和激活PEP羧化酶。在黑暗中激酶较低的活性和水解作用使磷酸从PEP羧化酶中去除，降低酶的活性。第55页，课件共85页，创作于2023年2月C4光合作用中活性酶磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PPDK）的调节

磷酸烯醇式丙酮酸激酶活性可以被调节蛋白调节。黑暗中蛋白质促进PPDK的磷酸化，导致酶失活。在黑暗中缺少磷酸化作用磷酸供应体ADP浓度增加，光下PPDK发生去磷酸化，被活化。PPDK在被磷酸化时钝化，不能催化由Pyr再生PEP的反应，而在脱磷酸时活化。第56页，课件共85页，创作于2023年2月(2)代谢物的调节PEPC与PPDK的活性还受代谢物的调节。通常是底物促进酶的活性，产物抑制酶的活性，如∶PEPC的活性被PEP以及产生PEP的底物G6P、F6P、FBP所激活，而被OAA、Mal、Asp等产物反馈抑制；

GG6PPEPOAAMalPPDK的活性在底物ATP、Pi和Pyr相对浓度高时提高，然而该酶不受底物PEP相对浓度所影响。

Pyr+ATP+PiPEP+AMP=PPiPEPCPPDK第57页，课件共85页，创作于2023年2月2.光对酶量的调节

光提高光合酶活性的原因之一是光能促进光合酶的合成。前已提到Rubisco的合成受光控制，PEPC的合成也受光照诱导，如玉米、高粱黄化叶片经连续照光后，PEPC的活性提高，同时〔3H〕-亮氨酸掺入到酶蛋白的数量增加，应用蛋白合成抑制剂、放线菌素D和光合电子传递抑制剂DCMU所得资料表明，光引起PEPC活性的增高与光合电子传递无关(不被DCMU抑制)，而与酶蛋白的合成有关(被放线菌素D抑制)。光对NADP苹果酸酶的形成也有类似影响。第58页，课件共85页，创作于2023年2月3.代谢物运输

C4途径的生化反应涉及两类光合细胞和多种细胞器，维持有关代谢物在细胞间、细胞器间快速运输，保持鞘细胞中高的CO2浓度就显得非常重要。在C4植物叶肉细胞的叶绿体被膜上有一些特别的运转器，如带有PEP载体的磷运转器，它能保证丙酮酸、Pi与PEP、PGA与DHAP间的对等交换；专一性的OAA运转器能使叶绿体内外的OAA与Mal快速交换，以维持C4代谢物运输的需要。C4植物鞘细胞与相邻叶肉细胞的壁较厚，且内含不透气的脂层；壁中纹孔多，其中富含胞间连丝。由于共质体运输阻力小，使得光合代谢物在叶肉细胞和维管束鞘细胞间的运输速率增高。由于两细胞间的壁不透气，使得脱羧反应释放的CO2不易扩散到鞘细胞外去。据测定，C4植物叶肉细胞-单鞘细胞间壁对光合代谢物的透性是C3植物的10倍，而CO2的扩散系数仅为C3光合细胞的1/100。第59页，课件共85页，创作于2023年2月(六)C3-C4中间植物随着C3、C3植物分类工作的深入，20世纪70年代，人们发现某些植物的形态解剖结构和生理生化特性介于C3植物和C3植物之间，称这类植物为C3-C4中间植物。至今在5个科的7个属(禾本科的黍属与Neurachne属、粟米草科的粟米草属、苋科的莲子草属、菊科的黄菊属与Flaveria属、十字花科的Moricandia属和紫茉莉科的叶子花属)中发现有这类中间植物的存在。第60页，课件共85页，创作于2023年2月1.基本特征

C3-C4中间型植物是依据与光合作用有关的一些指标来确定的，这些指标包括叶子的解剖结构、CO2补偿点、光呼吸速率以及光合作用关键酶的定位和活性等诸方面，其中最重要的是光呼吸或与其直接有关的CO2补偿点。(1)解剖结构

C3-C4中间植物都有一个含叶绿体的BSC层，但其BSC的壁又不如C4植物厚，有些C3-C4中间植物，叶肉细胞又分化为栅栏组织与海绵组织，这与C3植物叶结构相似。(2)CO2补偿点C3-C4中间植物最基本的生理特征是其CO2补偿点显著地高于C4植物，而低于C3植物。C3植物的CO2补偿点在40μl·L－１以上，C4植物的在5μl·L－１左右，而C3-C4中间植物的CO2补偿点则在5～40μl·L－１之间。第61页，课件共85页，创作于2023年2月(3)光呼吸C3-C4中间植物的光呼吸速率介于C3植物与C4植物之间。如黍属中的C3-C4中间植物Panicummilioides和P.Schenckii，光呼吸速率为0.6～1.0mgCO2·dm－2·h－１，而作为对照的C3植物和C4植物分别为3.0～3.7mgCO2·dm－2·h－１和接近0。另外，C3-C4植物光合速率被21%氧的抑制率在10%～30%之间，这也比C3植物为低。(4)羧化酶的分布

在典型的C4植物中，PEPC与Rubisco是严格分隔的，前者在叶肉细胞，后者在BSC中，而在C3-C4植物中羧化酶分布有两种情况：PEPC和Rubisco两类光合细胞中均有分布PEPC只位于叶肉细胞，而Rubisco分布两种细胞中第62页，课件共85页，创作于2023年2月(5)同化途径C3-C4中间植物主要途径仍是C3途径，但它具有一个“有限的C4循环”起着有限的浓缩机理，所以其CO2补偿点就明显低于C3植物。有的C3-C4中间植物有“光呼吸CO2再循环”机理，它们的BSC中有大量线粒体，其中含有甘氨酸脱羧酶，可把光呼吸途径中形成的乙醇酸大量地在BSC中分解，CO2被再固定，因而光呼吸低于C3植物。有限的C4循环光呼吸CO2再循环第63页，课件共85页，创作于2023年2月2.C3-C4中间植物在进化上的地位

从进化观点考虑C3-C4中间植物的地位时，必然想到有两种可能：其一，C3-C4中间型是从C3植物演化到C4植物的过渡类型，如果是这样，C3-C4中间植物应出现在C4种之先。其二，C3-C4中间种为C3和C4植物的杂交种，那么它们应出现在C4植物之后。多数人认可第一种观点，其中一个理由是十字花科中有C3种与C3-C4种，但无C4种，这就是说，C3-C4种不可能是C3植物与C4植物的杂交种。但目前还不能阐明其具体的进化过程。第64页，课件共85页，创作于2023年2月植物具有C4途径必备的条件：(1)为了提高对CO2亲和力，使CO2补偿点降低，BSC内要有叶绿体，叶肉细胞中的PEPC活性要高；(2)为了实现C4途径，叶肉细胞与BSC间的壁要加厚，这样不但可使光合酶按区域分布，同时也可避开空气中氧对光合作用的抑制。第65页，课件共85页，创作于2023年2月四、景天科酸代谢途径(一)CAM在植物界的分布与特征景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM(

Crassulaceanacidmetabolism)途径第66页，课件共85页，创作于2023年2月CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和液泡，然而肉质植物不一定都是CAM植物。常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌、芦荟、瓦松等。第67页，课件共85页，创作于2023年2月剑麻芦荟落地生根龙舌兰绯牡丹宝绿昙花第68页，课件共85页，创作于2023年2月多肉质植物鸡冠掌红司锦晃星静夜第69页，课件共85页，创作于2023年2月CAM植物-瓦松属瓦松属1第70页，课件共85页，创作于2023年2月(二)CAM代谢的反应过程典型CAM植物一天中的CO2固定速率，气孔导度、苹果酸和葡聚糖（如淀粉）含量变化以及代谢过程如图24和图25所示。图24CAM植物气孔导度、CO2固定、苹果酸和葡聚糖含量的日变化阶段Ⅰ.夜间CO2吸收旺盛期；

阶段Ⅱ.日间开始CO2吸收期；阶段Ⅲ.日间CO2交换停止期；阶段Ⅳ.日间结束CO2吸收期第71页，课件共85页，创作于2023年2月CO２固定昼夜可变化分为4个阶段：

1.阶段ⅠPEPC的羧化阶段。夜间气孔开启，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者还原成苹果酸贮存于液泡。此间CO2固定约占全天固定CO2的3/4左右，而白天贮存的葡聚糖在此期间用于形成PEP。2.阶段Ⅱ

由PEPC羧化转向Rubisco羧化的阶段。白昼开始时气孔导度与CO2吸收出现一个高峰，此期间C４途径与C３途径同时进行，苹果酸积累中止。3.阶段ⅢRubisco同化CO2阶段。日间气孔关闭，停止从外界吸收CO2，苹果酸从液泡转移至细胞质，氧化脱羧。脱羧释放的CO2进入叶绿体被C３途径同化。4.阶段Ⅳ

由Rubisco羧化转向由PEPC羧化的阶段。苹果酸脱羧降至最低点，气孔开始张开，CO2吸收增加，且由C3途径过渡至C4途径，从而又重复下一个昼夜变化周期。

第72页，课件共85页，创作于2023年2月图8.12景天科酸代谢途径（CAM）。光合反应吸收的CO2暂时的分离：夜间CO2的吸收和固定，白天内部释放的CO2进行脱酸和再固定。第73页，课件共85页，创作于2023年2月12.51景天酸科代谢途径（CAM）是光合作用适应干旱环境的一种进化形式。CAM植物开放的气孔使进入。PEP羧化酶（1）参与CO2形成四碳有机酸草酰乙酸，草酰乙酸可以被苹果酸脱氢酶（2）还原成苹果酸。夜间在液泡中。在光下CAM植物关闭气孔以阻止水分流失。贮存的苹果酸被NADP+-苹果酸酶（3）脱羧，释放CO2通过卡文循环转变碳氢化合物。第74页，课件共85页，创作于2023年2月图25CAM植物夜昼代谢模式图CAM途径主要反应是两类羧化反应。即在黑暗中进行PEPC的羧化反应和在光下进行Rubisco的羧化反应，与此相伴随的是由PEP羧化生成草酰乙酸并进一步还原为苹果酸的酸化作用和由苹果酸释放CO2的脱羧作用。①PEPC(PEP羧化酶)；②PCK(PEP羧化激酶)；③NADP-ME(NADP-苹果酸脱氢酶)或NAD-ME；④PPDK(丙酮酸磷酸二激酶)

第75页，课件共85页，创作于2023年2月上述这些阶段的划分不是截然分明的，而是逐渐地由一个阶段过渡到下一个阶段。CAM植物与C4植物固定与还原CO2的途径基本相同，二者的差别在于：C4植物是在同一时间(白天)和不同的空间(叶肉细胞和维管束鞘细胞)完成CO2固定(C4途径)和还原(C3途径)两个过程；而CAM植物则是在不同时间(黑夜和白天)和同一空间(叶肉细胞)完成上述两个过程的。CAM植物由于白天气孔关闭、苹果酸脱羧、细胞间的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因